Страницы 1 2
Оглавление
- Введение
- 1 Анализ существующих систем АСУ освещения
- 1.1 Общие положения проектирования системы освещения производственного помещения
- 1.2 Виды систем автоматизации освещения
- 1.3 Автоматизация освещения аналоговым интерфейсом 1-10 V
- 1.4 Управление по электросети
- 1.5 Управление освещением по различным протоколам
- 1.5.1. Управление освещением по протоколу DMX-512А
- 1.5.2. Протокол RDM
- 1.5.3. Протокол DALI
- 1.5.4. Протокол KNX
- 1.6 Выбор технического решения и его обоснование
- Выводы по разделу I
- Список литературы
Введение
В настоящее время вопросам энергоэффективности и энергосбережения уделяется достаточно много внимания. Это можно объяснить тем, что традиционная выработка электроэнергии напрямую связана с потреблением невозобновляемых природных ресурсов, потребление которых рано или поздно приведет к их полному истощению, а также к воздействию на экологическое состояние окружающей среды. Гидроэлектростанции создают препятствия для миграции рыб, течение воды в водохранилищах замедляется, что приводит к изменению состава флоры и фауны рек. Тепловые электростанции работают на угле, мазуте и газе, а потребление природных ресурсов через определенное время приведет к их дефициту и истощению. Атомная энергетика тоже не лишена своих экологических проблем: есть трудности в утилизации отходов, кроме того, не стоит забывать и о крайне серьезных последствиях аварий.
Несмотря на то, что сегодня Российская Федерация богата природными ресурсами и в них нет недостатка, стоит понимать, что такое положение дел не может сохраняться на протяжении всего времени. В связи с этим возникает необходимость разработки интеллектуальных систем управления энергопотреблением, способствующих повышению уровня энергоэффективности и культуры энергопотребления в стране в целом.
Как правило, в большинстве случаев оптимизация затрат на освещение заключается в замене старых осветительных приборов на более современные источники света с большей энергоэффективностью (на данный момент наиболее перспективными считаются светодиодные технологии). В зависимости от ситуации эти меры позволяют снизить затраты на освещение до 40%, высвободить потенциальные мощности, повысить уровень надежности и качества освещения.
Но классическая концепция коммутации и управления осветительной нагрузкой не претерпела принципиальных изменений на большинстве промышленных предприятий и муниципальных учреждений России. Однако внедрение интеллектуальных систем управления освещением может обеспечить еще больший эффект в оптимизации энергопотребления.
Нынешнее положение дел несколько своеобразно, так как другие объекты электротехники и энергетики прошли путь серьезного развития и стали на рельсы автоматизации благодаря информатике и промышленной электронике.
Интеллектуальное управление освещением относится к сети, соединяющей осветительные приборы и органы управления, которая обеспечивает заданный уровень освещения в определенном месте в определенное время. Как правило, элементами управления в такой системе являются датчики движения, датчики освещенности, таймеры, контроллеры и другие устройства, подключенные к единой сети, которые могут работать в автономном или ручном режиме управления.
Одним из направлений повышения энергоэффективности является разработка и внедрение автоматизированных систем управления освещением.
Эти системы позволяют более эффективно использовать электроэнергию за счет своевременного включения / выключения осветительной нагрузки, регулирования светового потока источников света, задания выполнения определенных сценариев для группы ламп или адресации для одной лампы путем предварительного программирования.
Эта проблема особенно актуальна на предприятиях и в учреждениях, имеющих офисы, производственные помещения, а также территории с большой площадью, нуждающиеся в освещении. На таких предприятиях затраты электроэнергии на освещение могут составлять довольно значительную часть от общей стоимости электроэнергии.
Эта отрасль не нашла широкого применения на территории Российской Федерации, поскольку до недавнего времени» интеллектуализация » освещения требовала достаточно высоких капитальных вложений, а срок окупаемости инноваций был слишком большим. На высокую стоимость повлиял ряд факторов: высокая стоимость и сложность микросхем контроллеров, унификация протоколов управления, сложность разработки и программирования программного обеспечения.
Но с развитием таких отраслей, как промышленная электроника, информатика, IT-телекоммуникации, вопрос дороговизны и сложности стал постепенно решаться. На это повлияло упрощение сетевой архитектуры, производство и использование контроллеров стало более доступным, а также появилось больше российских производителей, готовых автоматизировать систему освещения «под ключ».
Объектом исследования является производственное помещение.
Цель работы: внедрение автоматизированной системы управления освещением производственного помещения.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- Анализ существующих систем и протоколов управления освещением;
- Разработать проект автоматизации управления освещением объекта исследования;
- Определить технико-экономические показатели предлагаемого проекта интеллектуальной системы управления освещением производственного помещения;
- Определить срок окупаемости проекта интеллектуальной системы управления освещением производственного помещения и оценить его эффективность для предприятия в целом.
1 Анализ существующих систем АСУ освещения
1.1 Общие положения проектирования системы освещения производственного помещения
Усложнение технологических процессов на производственных объектах и логистических комплексах, а также постоянное повышение тарифов на электроэнергию привели к пересмотру некоторых вопросов, связанных с потреблением электроэнергии, в частности, электроэнергии, расходуемой на нужды освещения. Переход на более современные светодиодные источники света в сочетании с автоматизированным управлением позволяет максимально оптимизировать энергозатраты и высвободить значительную часть мощностей.
Производственные помещения характеризуются большой площадью и в большинстве случаев длительным (круглосуточным) режимом работы осветительных приборов. Таким образом, длительная эксплуатация большого количества осветительных приборов неизбежно приводит к чрезмерному потреблению электроэнергии и, как следствие, к чрезмерным финансовым затратам. По этой причине промышленные помещения больше всего нуждаются в автоматизации освещения. Организация качественного, современного освещения зависит не только от безопасности и производительности труда, но и от суммы затрат на производственную деятельность.
Как правило, при проектировании производственного или складского освещения обращаются к СНиП23.05-95 и СП52.13330.2011. В данных нормативных документах предъявляются минимальные требования к освещенности производственных территорий:
- Помещение закрытого типа с напольным хранением товаров – 75 Лк;
- Закрытое пространство с хранением товаров на стеллажах — 200 Лк;
- Освещение проходов между стеллажами – 150 Лк;
- Освещение разгрузочных площадок – 200 Лк;
- Зоны работы с клиентами, выполнения расчетов и комплектации грузов – 300 Лк.
Помимо этого, на производственных помещениях должно быть оборудовано рабочим, аварийным и охранным освещением (в соответствии с СНиП 23.05-95).
Задача рабочего освещения состоит в том, чтобы обеспечить нормированный показатель освещенности во всех зонах помещения, где это требуется. Если рассматривать производственные помещения, то рабочее освещение, как правило, организуется для открытых пространств, предназначенных для работы, прохода людей и движения транспорта. В тех случаях, когда в рассматриваемом помещении имеется источник естественного освещения, следует предусмотреть раздельное управление освещением таких помещений. Также при проектировании рабочего освещения необходимо учитывать режим работы предприятия.
Аварийное освещение необходимо в случаях отключения питания рабочего освещения. Аварийное освещение делится на несколько видов:
— резервное освещение-применяется в тех случаях, когда внезапная остановка технологического (или иного) процесса невозможна и необходимо продолжить работу;
— освещение спасательных путей. Цель этого типа освещения состоит в том, чтобы вы могли безопасно покинуть помещение. Нормализованное минимальное значение освещенности составляет 1 люкс на каждые 0,2 м высоты с равномерностью 1: 40;
— антипаническое освещение, основным назначением которого является предотвращение паники и обеспечение безопасного подхода к эвакуационным выходам;
— освещение особо опасных рабочих мест (вблизи агрегатов с подвижными частями), где при отказе освещения возникает непосредственная опасность несчастного случая и опасность для жизни работников.
1.2 Виды систем автоматизации освещения
Так или иначе, важнейшей целью автоматизации освещения является оптимизация работы осветительных приборов в любой момент времени.
Для достижения поставленной цели возможно внедрение автоматизированных систем управления освещением, основной функционал которых включает в себя:
— поддержание заданного уровня освещенности на территории. Эта функция позволяет контролировать уровень общей освещенности (естественной и искусственной) в помещении и затемнять лампу в соответствии с требуемым значением. Таким образом, снижается потребляемая мощность лампы, а избыточная освещенность устраняется. Эта функция реализуется путем введения в сеть датчика освещенности;
Рисунок 1 – Управление освещением с датчиком освещенности
— учет времени суток и дня недели позволяет снизить потребление электроэнергии путем отключения / затемнения осветительного прибора в определенные часы, в выходные и праздничные дни. Эта система реализуется путем внедрения в сеть собственных часов реального времени;
— учет присутствия людей, дискретное включение/выключение одного или группы осветительных приборов позволяет выключать/приглушать лампу или группу ламп с временной задержкой в зависимости от присутствия людей в помещении. Эта функция реализуется за счет внедрения датчиков движения или датчиков занятости. Датчики движения имеют низкую чувствительность и используются в местах с активным движением транспорта (вестибюли, коридоры, лестницы). Световые датчики обладают более высокой чувствительностью и обнаруживают небольшие движения, поэтому их можно использовать в помещении на рабочем месте или в жилых помещениях;
Рисунок 2 — Управление освещением с датчиком движения
— самодиагностика сети и оповещение о неисправностях значительно упрощает диагностические и ремонтные работы в случае неисправности, так как пользователь уже имеет информацию о вышедшей из строя лампе или участке сети;
— управление беспроводной сетью и хранение информации на сервере. Эта функция не автоматизирована, но позволяет пользователю настраивать сеть освещения и управлять ею.
На данный момент существует достаточно широкий спектр вариантов автоматизации освещения, различных протоколов управления и аппаратного обеспечения.
1.3 Автоматизация освещения аналоговым интерфейсом 1-10 V
Управление осветительной нагрузкой путем регулировки напряжения питания является одним из первых и простейших методов управления световым потоком осветительного прибора. Этот метод одобрен международным стандартом ANSI E1.3 — 2001. Диапазон и шаг переменного напряжения могут быть любыми, но протокол 1-10 В нашел наибольшее применение.
В самых первых системах регулирование напряжения осуществлялось с помощью автотрансформаторов. Во второй половине xx века стали использоваться тиристорные устройства для аналогового регулирования напряжения. С помощью тиристорных устройств появилась возможность дистанционно регулировать напряжение на лампе с помощью относительно небольшого пульта.
Также во второй половине XX века был определен и стандартизирован единый диапазон регулирования напряжения от 0 до 10 В. Как правило, управляющий ток находится в диапазоне от 1 до 4 мА. Кроме того, существует еще один аналоговый вариант управления, который основан на приеме управляющего сигнала через внутренний светодиодный драйвер и внешний потенциометр. На специальные входы светодиодного драйвера подается постоянное напряжение, величина которого определяет уровень светового потока лампы от 0 до 100% с шагом 10%.
Рисунок 3 – Управление освещением по протоколу 1-10 V
Основным недостатком аналогового управления является то, что при таком способе управления крайне сложно управлять большим количеством ламп. Преимуществом же метода является простота реализации. Для организации управления освещением по протоколу 1-10 В требуется внешняя сигнальная линия управления и общий обратный провод.
Рисунок 4 — Принципиальная схема аналогового способа управления освещением
Применение этого метода ограничено слишком большим количеством линий управления для десятков, сотен и более ламп. Система управления становится дорогостоящей, громоздкой и неудобной в эксплуатации, поскольку ее трудно диагностировать и устранять неполадки. В связи с этим использование данной системы подходит только для небольших групп ламп.
Кроме того, существует проблема, связанная с ослаблением сигнала в протяженных линиях. Если осветительное устройство получает более слабый сигнал по отношению к исходному, то лампа будет излучать более слабый световой поток. Кроме того, аналоговый сигнал чувствителен к внешним помехам, и уровень помехоустойчивости снижается по мере увеличения расстояния, на которое передается сигнал.
Но, несмотря на все недостатки, светодиодные драйверы с аналоговым способом управления световым потоком довольно распространены.
1.4 Управление по электросети
Этот метод управления освещением в основном используется в коммерческих и жилых помещениях. Напряжение питания от сети ограничено по амплитуде в соответствии с заданным значением, соответствующим требуемому значению светового потока. Как правило, этот метод применим для регулирования светового потока ламп накаливания. Регулирующие устройства делятся на два основных типа: регулирование сетевого напряжения на передней кромке и на задней кромке. Устройства для регулировки напряжения по передней кромке выполнены на основе симисторов и применимы для галогенных ламп и ламп накаливания. Как показано на рис. 5, передний край питающего напряжения ограничен, в результате чего изменяется световой поток. Минимальная мощность осветительного прибора при таком способе регулирования напряжения составляет 10-60 Вт, поэтому при использовании многих более энергоэффективных источников света это требование может быть не выполнено. Если нагрузка меньше минимального значения, то добиться небольшого количества светового потока будет невозможно, да и появление мерцания тоже возможно.
Устройства регулирования напряжения с ограничением напряжения на задней кромке широко используются совместно с трансформаторами для управления световым потоком галогенных ламп. Особенностью данного типа управления освещением является то, что источник света быстро гаснет и включается более плавно, тем самым значительно увеличивая срок его службы (плавное переключение исключает высокие пусковые токи). На рис. 5 показаны синусоиды питающего напряжения с ограничением по задней кромке. Переключатель, как правило, выполнен на базе полевых транзисторов.
а) б)
Рисунок 5 — Ограничение напряжения электросети по переднему фронту
Этот метод управления световым потоком не используется при светодиодном освещении по следующим причинам:
1) Часто светодиодные источники света не имеют достаточной минимальной мощности для регулировки сетевого напряжения;
2) Драйвер светодиодного фонаря может иметь высокий пусковой ток. В связи с этим контроллер управления может иметь слишком высокие пусковые токи, особенно если он используется для управления несколькими лампами (пусковые токи каждой лампы будут складываться);
3) Когда светодиод работает в режиме низкой светоотдачи (относительно номинального значения), его полезная выходная мощность уменьшается. Это может привести к неправильной работе регулятора напряжения и появлению эффекта мерцания;
4) Большинство светодиодных драйверов отсекают только заднюю кромку синусоидальной волны сетевого напряжения, поэтому если существующая система использует передние регуляторы напряжения и нуждается в интеграции в нее светодиодных источников света, то передние регуляторы напряжения должны быть заменены регуляторами, аналогичными светодиодным источникам света;
5) Управляемые мощностью драйверы светодиодных источников света реализованы с одноступенчатой топологией. Часто в таких драйверах возникают пульсации тока второй гармоники, что приводит к значительному сокращению срока службы драйвера;
а) б)
Рисунок 6 — Ограничение напряжения электросети по заднему фронту
В 80-е годы начали выпускаться мультиплексные схемы управления на базе микропроцессоров AMX192 и K96. Стандарт AMX192 был внедрен в США и Канаде, в то время как стандарт D56 использовался в других странах. Несмотря на различные стандарты, связь устройств часто не обеспечивалась даже между продуктами одной и той же компании из-за использования различных номинальных напряжений, пусковых последовательностей, а также различий в назначении выводов, курсе обмена и количестве линий передачи. Кроме того, было разработано множество альтернативных протоколов, некоторые из которых предполагали наличие в контроллере модуля памяти для хранения данных.
Преимущества мультиплексированных протоколов заключаются в меньшем количестве проводных соединений и возможности управления большим количеством осветительных приборов. Появившийся позже стандарт USITT DMX512 помог упорядочить ситуацию и добиться связи между устройствами. Существуют интерфейсные схемы, обеспечивающие обратную совместимость стандартов.
Страницы 1 2