Schnittstellen für das Lichtmanagement in Gebäuden

Steuerungs- und Regelungssysteme sind in der Gebäudetechnik der Schlüssel zu Effizienz, Komfort und  Sicherheit. Damit alle technischen Komponenten von Heizung über Klima bis hin zur Beleuchtung an das System angebunden und von einer Hauptstelle gesteuert werden können, müssen die Schnittstellen kompatibel sein. Funk- und Drahtlösungen ergänzen sich in der Welt der Automation ideal.

Schnittstellen sorgen dafür, dass unterschiedliche Komponenten im Lichtmanagementsystem miteinander kommunizieren können. Im Steuergerät werden alle relevanten Informationen gesammelt und bei Bedarf an die Komponenten übermittelt. Es gibt Schnittstellen zwischen Steuergerät und

• dem Anwender
• den Sensoren
• den Betriebsgeräten der Leuchten.

Grundsätzlich ist zwischen zwei Ebenen zu unterscheiden, auf denen Schnittstellen in der Beleuchtungstechnik zum Einsatz kommen:

Beleuchtungsschnittstellen: Sie ermöglichen es dem Anwender, Steuerkomponenten und Leuchten mit gleicher Schnittstelle direkt miteinander zu verbinden. Ihre Funktionen sind in Bezug auf die Beleuchtungssteuerung standardisiert.

Allgemeine Datenschnittstellen: Sie werden innerhalb eines Steuerungssystems eingesetzt. Auch diese Schnittstellen sind in der Regel standardisiert, jedoch nur hinsichtlich des Datenaustauschs zwischen Sender und Empfänger. Ihre Funktionen in Bezug auf die Beleuchtungssteuerung werden herstellerspezifisch definiert.

Außerdem kann unterschieden werden zwischen leitungsgebundenen und nicht leitungsgebundenen Schnittstellen. Die Anzahl der Schnittstellen und die Anforderungen an die Funktionalität entscheiden über die Komplexität des Systems.

Netzschalter sind die einfachsten Komponenten, um Licht zu steuern. Netzschalter selbst sind nicht als Schnittstelle zu verstehen, da sie keine Informationen übermitteln, sondern lediglich die Energieversorgung der Lichtquelle starten oder unterbrechen. Ein Schalter kann jedoch über Schnittstellen bedient werden.

Programmierbare Schalter unterscheiden sich von Netzschaltern in der Funktion und im technischen Aufbau. Diese Schalter trennen die Energieversorgung der Leuchte nicht, sondern senden Schaltimpulse direkt an Leuchten (z. B. per Funk) oder an übergeordnete Steuerungskomponenten. Je nach Typ können diese WLAN-Schalter und Taster auch programmiert werden und dann direkt unterschiedliche Lichtszenen aufrufen.

Auch Phasenanschnitt- und Phasenabschnittdimmer (230-Volt-Wechselspannung, Dimmen der Last) sind ursprünglich keine Schnittstellen, sondern reduzieren den Stromfluss eines Ohmschen Verbrauchers – und damit auch seine Leistungsaufnahme. Moderne Lichtquellen, wie z. B. LED-Lampen, werden heute häufig mit Vorschaltgeräten ausgestattet, welche die Form des Phasenan- oder -abschnitts als Signal auswerten. Insofern werden sie wie eine Schnittstelle genutzt.

Manche Betriebsgeräte für Lichtquellen, wie z. B. Leuchtstofflampen oder LED, verfügen über eine Tast-Dimmer-Schnittstelle. Dies ist die einfachste Form einer Beleuchtungsschnittstelle. Ein Schließtaster reguliert dabei am Steuereingang des Vorschaltgeräts die Phase des Netzanschlusses. Kurz tasten bedeutet an bzw. aus, lang tasten auf- und abdimmen. Diese Lösung ist nur für die Bedienung einzelner Betriebsgeräte geeignet.

Auch die Steuergeräte einiger Lichtmanagementsysteme verfügen auf der Eingangsseite über eine Tast-Dimmer-Schnittstelle, steuern die Leuchten an der Ausgangsseite jedoch z. B. mit DALI. Eine geringe Stand-by-Leistung ist hier erforderlich.

Wenige Komponenten, geringer Aufwand für die Verdrahtung und einfache Programmierung: Die digitale Beleuchtungsschnittstelle DALI (Digital Addressable Lighting Interface) wurde für den Gebrauch in der Gebäudeinstallationstechnik optimiert und wird häufig bei dimmbaren Betriebsgeräten für die professionelle Allgemeinbeleuchtung eingesetzt. Dabei unterstützt DALI eine dimmende Lichtregelung für Energieeinsparung oder die Steuerung unterschiedliche Lichtszenen. Die Schnittstelle dient der Kommunikation zwischen einem Steuergerät (Master) und mehreren zu steuernden Betriebsgeräten (Slaves). An einer Steuerleitung können maximal 64 DALI-Teilnehmer betrieben werden.

Im DALI-System kann jedes Gerät individuell angesprochen werden. DALI eignet sich für den Einsatz in einzelnen Räumen und kann ebenso in ein übergeordnetes Gebäudemanagement eingebunden werden.

Unterschieden werden zwei Kommunikationsprinzipien:

• DALI Broadcast (Direct DALI): Alle Teilnehmer folgen gemeinsam dem Steuersignal.
• DALI Adressierbetrieb: Jeder Teilnehmer bekommt eine Individualadresse und kann optional bis zu 16 Gruppenadressen und 16 Szeneneinstellungen erhalten.

Vorteile für Installateure sind gegenüber anderen Schnittstellen der einfache verpolungssichere Anschluss der DALI-Teilnehmer sowie die Leitungsführung mit der Netzversorgung (230 V) in einer gemeinsamen Mantelleitung (z. B. NYM, 5-aderig). So lässt sich das komplette Raumlicht mit nur einem „Gateway"-Knoten steuern.

Für DALI spricht aber noch vieles mehr:

• Definiertes Dimmverhalten (standardisierte Kennlinie)
• Schalten der Beleuchtung über die Steuerleitung (kein Relais)
• Voreinstellbare Werte: z. B. Minimalwert, Maximalwert, Einschaltwert, Dimmgeschwindigkeit
• Mehr Funktionalität bei einfacher Handhabung
• Umgruppierung an gemeinsamer Steuerleitung, ohne Änderung der Installation
• Rückmeldungen (z. B. schnelle Detektion von Lampenausfällen)
• Vielfältige DALI-Steuergeräte, auch Gateways für die Integration in ein Gebäudemanagement (z. B. KNX)
• International standardisiertes Verfahren (Protokoll)
• Universell einsetzbar: für einfache Standard- und komplexe Highend-Anwendungen

Als Weiterentwicklung zum DALI-System wurde im Jahr 2018 der DALI2-Standard verabschiedet. Dieser beinhaltet einen erweiterten Funktionsumfang. Eine wichtige Änderung ist die Möglichkeit, eine Beleuchtungsanlage als Multi-Master-System zu betreiben. Im DALI-Standard stand bisher nur ein Single-Master-System zur Verfügung. Mit DALI2 ist nun die bidirektionale Kommunikation von Steuergeräten, Tastern, Schaltern oder Sensoren möglich.

Für die Bühnenbeleuchtung wurde bereits Anfang der 90er-Jahre der Standard DMX 512 geschaffen, um mit adressierten digitalen Steuersignalen viele Teilnehmer schnell und individuell ansteuern zu können. Die DMX-Schnittstelle findet auch in der Architekturbeleuchtung häufig Anwendung. Eine große Produktvielfalt, insbesondere farbiger Leuchten, wird von zahlreichen Herstellern angeboten.

Das DMX-Signal wird durch eine verdrillte, geschirmte, zweiadrige Steuerleitung übertragen. Die Weiterentwicklung dieses Standards zu DMX RDM ermöglicht auch Rückmeldungen von den Geräten zur Steuerung. Anwender schätzen insbesondere für die Umsetzung dynamischer Lichtsteuerungen die hohe Flexibilität und Geschwindigkeit dieser Schnittstelle sowie die große Teilnehmerzahl an einer Steuerleitung.

ZigBee ist eine Spezifikation für drahtlose Netzwerke mit geringem Datenaufkommen, wie etwa Hausautomation, Sensornetzwerke und Lichttechnik. Der Schwerpunkt von ZigBee liegt in Netzwerken mit kurzer Reichweite innerhalb von Gebäuden (10 bis 100 Meter). Es sind aber auch Reichweiten von mehreren Kilometern im Außenbereich möglich. Zur Steuerung der Beleuchtung über ZigBee kann das Profil ZigBee Light Link eingesetzt werden. Es beschreibt die üblichen Funktionen wie ein- und ausschalten, dimmen oder die Steuerung von Farbanteilen.

Zunehmend etabliert sich auch die Bluetooth Technologie als Standard für die drahtlose Leuchtensteuerung und Kommunikation. Großer Vorteil ist die direkte Steuerung über mobile Endgeräte (Smartphones, Tablets). Der seit der Version Bluetooth 5 erweitere Standard mit Mesh-Funktionalität eröffnet zudem neue Möglichkeiten der Vernetzung größerer Beleuchtungsanlagen über Bluetooth.

Die Enocean-Technologie benötigt für das Senden von kurzen Funksignalen nur geringe Mengen an Energie. Die Sender nutzen daher die Piezoelektrizität von Schaltern (Energy Harvesting), die Energie von Solarzellen oder Peltier-Elementen oder auch die Bewegungsenergie elektrodynamischer Energiewandler. Diese Energie reicht aus, um die Sender batterielos – und somit wartungsarm – zu betreiben. In einigen Anwendungsfällen sind jedoch weder gute Lichtverhältnisse noch mechanische Betätigungen zu erwarten, sodass teilweise auch Batterien als Energiequelle eingesetzt werden.

Eine weitere Schnittstellenmöglichkeit, die in Zukunft sicher noch stärker genutzt werden wird, ist die Datenrückmeldung von Leuchten über codierte Lichtsignale, etwa zum Feststellen der Position eines Lichtsensors (Mobilgerät). Bei einigen LED-Treibern gibt es bereits heute im Licht modulierte Kurzinformationen.

Die Verbindung über Bluetooth und WLAN ermöglicht die intelligente Steuerung über mobile Endgeräte und Apps (Smart Home), wobei Licht zunehmend eine Rolle beim Internet of Things (IoT) spielen wird, um den Menschen bei seiner Tätigkeit unmerklich zu unterstützen.