Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление линиями наружного освещения



Оглавление

• Аннотация
• Введение
• 1. Аналитический обзор литературы
• 1.1 Обзор известных решений по теме ВКР
• 1.2 Управление линиями наружного освещения в Новосибирске
• 1.3 Программная часть (Архитектура АСУ CityLight)
• 2. Постановка цели и задач ВКР
• 3. Теоретическая часть
• 3.1 Способы дистанционного управления уличным освещением
• 3.2 Построение системы автоматического управления наружным освещением
• 4. Проектная часть
• 4.1 Разработка модели улицы
• 4.2 Функциональная схема уличного освещения
• 4.2.1 GSM-модуль
• 4.2.2 Функциональная схема ВЧ-сигнала по силовому кабелю
• 4.3 Порядок установки счетчика
• 4.3.1 Включение счетчика
• 4.3.2 Проверка функционирования счетчика
• 4.3.3 Работоспособность счетчика
• 4.3.4 Описание индикации счетчика
• 4.4 Устройство и работа коммуникатора
• 5. Экономическая часть
• 5.1 Слаботочные сигнальные линии
• 5.2 Передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю
• 5.3 Передача по GSM-каналу
• 6. Раздел охраны труда
• 6.1 Расчет искусственного освещения
• Заключение
• Список литературы и источников информации

• Аннотация
• Уличное освещение -- средства искусственного увеличения оптической видимости на улице в тёмное время суток. Как правило, осуществляется лампами, закреплёнными на мачтах, столбах, путепроводах и других опорах. Лампы включаются в ночное время автоматически с помощью элементов системы управления освещением, либо вручную из диспетчерского пункта.


Введение

Сети наружного (уличного) освещения являются естественной составляющей в структуре коммунального хозяйства городов и посёлков, они выделяются в особую техническую систему у крупных предприятий, без них немыслима эксплуатация крупных современных дорог, плотин и мостов. Современные крупные сети наружного освещения - это энергоемкие автоматизированные объекты, правильное построение которых в значительной мере определяет эффективность труда и комфорт современной жизни. Важно при этом учитывать ограничения, связанные с рациональным расходованием энергетических ресурсов на обеспечение работы систем освещения, затрат на текущую эксплуатацию осветительного оборудования, которые соотносятся с возможностями конкретных территорий и бизнеса. В зависимости от размеров и других особенностей сетей наружного освещения возможны различные подходы к управлению включением сетей освещения и контролю за их состоянием.

В простейших случаях при электрическом освещении небольших объектов вполне оправдано применения ручного (местного) управления. При этом команды на переключение линий освещения подаются на коммутационную аппаратуру непосредственно в узловые пункты включения освещения (ПВ) обслуживающим персоналом с обеспечением непосредственного контроля исполнения и выявления аварийных ситуаций. При увеличении количества узловых пунктов включения в сети, актуальным становится введение различных способов автономного и дистанционного управления. В качестве автономного управления может быть использовано фотоэлектрическое управление по величине внешнего (солнечного) освещения, которое, однако, не во всех случаях обеспечивает требуемую надежность включения освещения.

Такие системы отказывают, например, при загрязнениях фотореле пылью, снегом, затенении листвой, появления внешних для данных сетей источников электрического освещения, освещения фарами автомобилей в потоке и т. п. В масштабах крупного современного города такие системы применяются редко. Чаще используется программное управление от специальных программируемых контроллеров по встроенным в них часам (календарю) и годовому графику включения по времени суток.



1. Аналитический обзор литературы

1.1 Обзор известных решений по теме ВКР

В Новосибирске с 2006 г. для управления наружным освещением применяется система Novosvet c использованием GSM-каналов связи, основанная на способе пакетной передачи данных с помощью SMS. В настоящее время ведётся внедрение новой системы регулирования городского освещения, которая предполагает использование телеметрического блока управления и сбора данных (ТБУСД). В новой системе передача информации о состоянии оборудования линий городского освещения осуществляется в виде GPRS-трафика, что значительно повышает надёжность работы системы управления.

В рамках внедрения системы специалисты МУ «Горсвет» ведут замену шкафов автоматизированного управления наружным освещением на современные, улучшенные модификации, работающие по принципу GSM-канала связи с центральным диспетчерским пунктом. Специалисты отмечают, что такой способ радиосвязи более экономичен и прост в эксплуатации. Ранее управление уличным освещением регулировалось посредством телефонной связи. В этом году по новой системе автоматизированного управления освещением установлено 50 шкафов, десять из которых -- в частном секторе. В среднем с помощью одного шкафа регулируется режим работы линий освещения двух-трех улиц. В 2009 году силами МУ «Горсвет» будет установлено новое оборудование еще на 50 шкафах.

Разработчики системы отмечают, что в зависимости от нужд «Горсвета» могут совершенствовать свое детище, вводя дополнительные сервисные функции, необходимые для эксплуатации системы в повседневной жизни. Сама система внедрена в городе два года назад. После опытной эксплуатации была проведена доработка -- добавлены охранные функции, появилась возможность телеметрии (снятие оперативной информации о техническом состоянии линий освещения) и др.

Впервые за много лет восстановлено освещение на улицах Заельцовского (ул. Линейная, ул. Светлановская, ул. Северная и др.), Октябрьского (ул. Камышенская, ул. Дубравы и др.) районов, а также улицах ж/м Затон (ул. Портовая, ул. Полярная).

Примерно 80% всех улиц Новосибирска на данный момент оснащены фонарями. Там, где идет проектирование -- на строящейся развязке у автовокзала или на эстакаде, которая возводится на улице Кирова, -- обязательно предварительно рассчитывается уровень их будущей освещенности. Кстати, в центре, на Красном проспекте, этот уровень на 40% превосходит определенный нормативом показатель. В остальных уголках города -- соответствует положенным стандартам.

В Новосибирске действует единое расписание для освещения улиц и магистралей. В настоящий момент работа городского освещения продлена до двух часов ночи. До утра фонари горят на стратегических дорожных объектах, таких как мостовые переходы и главные магистрали города.

В городе ежегодно тратятся миллионы рублей на то, чтобы его жителям и гостям было комфортно ездить или просто ходить в вечернее время. Постоянно ведется замена старых, ртутных светильников на новые, более яркие -- натриевые. В этом году заменено 2,5 тысячи штук. Продолжается работа и с частным сектором, там, где местные жители жалуются на отсутствие освещения. К сожалению, технически не везде можно установить новые линии. Например, отдельные улицы Ленинского, Октябрьского, Калининского районов, пос. Лесоперевалка пока остаются без освещения по этой причине.

Здесь подключение фонарей требует наличия дополнительных источников энергетических мощностей. В связи с этим специалисты департамента транспорта и дорожно-благоустроительного комплекса мэрии ведут переговоры с новосибирскими энергетиками о строительстве в 2009 году новых трансформаторных подстанций в районах, где есть дефицит электроэнергии. Новые источники позволят установить опоры уличного освещения и смонтировать более мощные светильники в частном секторе.

Ну и, конечно, специалисты МУ «Горсвет» начинают уже вместе с другими структурами, готовить Новосибирск к Новому году, и этой зимой мегаполис снова засияет разноцветными огнями иллюминации и различных видов подсветки.

1.2 Управление линиями наружного освещения в Новосибирске

Рассмотрим функционирующую линию наружного освещения как объект. Согласно [5], кибернетическая модель включает: управляющую систему, объект управления и каналы связи. Объектом управления являются линии наружного освещения. Управляющей системой служит блок управления, который управляет блоками контроля для соответствующих фаз (A, B, C), а блок контроля по командам блока управления управляет работой двух тиристоров, обеспечивающих замыкание цепи для данной фазы. При большем количестве светильников для их питания применяются трёхфазные сети. Это даёт возможность включать и выключать наружное освещение по частям. В ночное время можно оставлять включённой в виде дежурного освещения одну фазу, т.е. одну треть всего количества светильников, наиболее необходимых для работы, например на перекрёстках дорог, у опасных поворотов и т.п. Таким образом, управление линией освещения осуществляется включением/выключением отходящих линий отдельно каждой из фаз наружного освещения.

Управляющая система совместно с каналами связи образует систему управления. Основным элементом организационно-технических систем управления является лицо, принимающее решение (ЛПР), которое имеет право принимать окончательные решения по выбору одного из нескольких управляющих воздействий. Управляющая система выполняет обнаружение аварийных событий и оповещает эксплуатационный и обслуживающий персонал, который может оказывать управляющие воздействия на объект управления, изменяя режим работы линии освещения. Объект управления характеризуется такими параметрами, как:

-- время;

-- показание счётчика учёта электроэнергии;

-- ответ от счётчика учёта электроэнергии;

-- наличие питания в блоке управления;

-- версия программного обеспечения;

-- ошибка реального времени;

-- режим управления (ручной, автоматический);

-- температура обогрева счётчика учёта электроэнергии;

-- состояние верхнего и нижнего датчиков доступа к оборудованию;

-- состояние линий освещения на каждой фазе:

-- для блока тиристоров; -- для блока управления;

-- превышение токов 1-го и 2-го уровня;

-- для автоматических выключателей наличие напряжения: на входе силового электрощита, на шинах силового электрощита (после автоматических выключателей), на линии (после пускателя);

-- положение переключателя (автоматического выключателя) на щите управления включён/выключен;

-- напряжение на линии;

-- токовая нагрузка.

На основе полученной информации о параметрах линии освещения управляющая система выполняет анализ следующих аварийных событий:

1. Состояние для каждой фазы:

-- счётчика (нет ответа от счётчика, неисправен канал счётчика);

-- блока управления (нет ответа от блока управления);

-- блока тиристоров (тиристорный блок не включился, тиристорный блок пробит или на нем обратное напряжение).

2. Наличие питания на каждой из входящих и исходящих фаз.

3. Наличие связи по GPRS каналу (если необходимо -- перезапуск модема) при отсутствии данных от шкафа управления более 3 мин.

4. Состояние автоматических выключателей.

5. Вскрытие шкафа управления: срабатывание датчиков (верхний и нижний) охранной сигнализации.

6. Перегрузки линий наружного освещения (токи и напряжения) для отслеживания несанкционированных подключений -- выход измеряемых параметров тока и напряжения в шкафах управления за допустимые пределы для каждой фазы (низкое напряжение, расхождение расчётного и фактического токов, сработала защита по току 1-го или 2-го уровня).

7. Ошибка времени.

При обнаружении аварийных событий происходит оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала. Функционирование линии освещения возможно в трёх режимах:

-- все светильники выключены;

-- вечернее освещение

-- все светильники включены;

-- ночное освещение

-- может быть отключена часть светильников.

Управление линиями освещения возможно в двух режимах. В режиме автоматического управления включение и выключение светильников наружного освещения осуществляется по годовому графику с помощью встроенного в блок управления таймера с часами реального времени. График содержит интервалы автоматического включения и выключения линии освещения для каждой фазы и хранится в энергонезависимой памяти блока управления. В режиме ручного управления включение и выключение светильников наружного освещения выполняется по командам с центрального диспетчерского пункта, а также с помощью органов управления -- автоматических выключателей на лицевой панели блока управления. При возникновении перегрузок происходит срабатывание автоматических выключателей. Таким образом, непосредственное управление ЛПР линиями освещения посредством включения и выключения соответствующих фаз возможно в ручном режиме. В автоматическом режиме переключение фаз выполняется согласно графику и функции ЛПР состоят в загрузке графиков в память блока управления.

1.3 Программная часть (Архитектура АСУ CityLight)

АСУ CityLight -- комплексное решение для организации управления уличным освещением в масштабах города. Система осуществляет мониторинг состояния линий наружного освещения, обеспечивает дистанционное централизованное управление и сбор диагностической информации о текущем режиме работы и состоянии оборудования линий. Верхний уровень (рис. 1) -- центральный диспетчерский пункт, включающий автоматизированное рабочее место диспетчера с программным обеспечением АСУ CityLight и оборудование каналов связи диспетчерского пункта с объектами.

Рис. 1. Уровни функционирования системы

Верхний уровень системы осуществляет:

1) отображение оперативного состояния линий наружного освещения города на экране монитора и дистанционное управление их функционированием по команде;

2) отображение текущего состояния объектов управления освещением с индикацией данных (таких, например, как состояние входных и выходных фаз, показания счётчика учёта электроэнергии, текущей потребляемой мощности, расписание включения/выключения освещения на текущие сутки, состояние охранной сигнализации и т.д.);

3) установку индивидуальной конфигурации режимов работы каждого объекта;

4) звуковую и световую сигнализацию в случае возникновения аварийных ситуаций;

5) автоматическую коррекцию параметров оборудования при необходимости (например, значение часов реального времени объектов);

6) ведение архивов с заданной глубиной и представлением информации о контролируемых и измеряемых параметрах в удобной для анализа форме;

7) формирование отчётных документов. Нижний уровень представлен объектовым оборудованием, устанавливаемым в шкафах управления при опорах уличного освещения. В его состав входят устройство силовой автоматики со счётчиком коммерческого учёта электроэнергии, блок контроля и управления силовой автоматикой, а также канал связи (GSM-модем) с диспетчерским пунктом. В состав блока контроля и управления входят электронные энергонезависимые часы реального времени, поэтому они могут работать автономно без организации связи с центральным диспетчерским пунктом.

Оборудование нижнего уровня, работающее в составе системы или автономно, обеспечивает:

-- выполнение годового графика пофазного включения/выключения уличного освещения с организацией ночного режима освещения (годовой график с сеткой в 5 дней хранится в памяти каждого блока управления);

-- возможность установки режимов включения/выключения уличного освещения (автоматического, ручного -- по команде с диспетчерского пульта);

-- учёт потреблённой электроэнергии на основе показаний счётчиков; -- функцию охраны оборудования;

-- контроль токов по трём фазам на входе и выходе шкафа управления;

-- защиту от короткого замыкания с возможностью установки для каждого объекта минимальных токов и напряжений по каждой фазе для срабатывания защиты;

-- возможность изменения графиков освещения и параметров ночного режима по команде с диспетчерского пункта или на месте с помощью программатора;

-- передачу всей информации о состоянии оборудования на центральный диспетчерский пункт.

Программное обеспечение АСУ CityLight реализовано на основе архитектуры клиент-сервер (рис. 2).

Ядром программного обеспечения являются модули опроса, каждый из которых обслуживает один контролируемый пункт, зарегистрированные в качестве сервисов OC Windows. Сервисы ОС Windows -- приложения, автоматически (если настроено) запускаемые системой при запуске Windows и выполняющиеся вне зависимости от статуса пользователя.

Модуль опроса выполняет:

-- сбор данных с контролируемого пункта по каналу связи и передачу их клиенту (диспетчерскому пункту);

-- прием команд от клиента и передачу их контролируемому пункту для выполнения;

-- сохранение полученных данных в базе данных архива.

Программное обеспечение АСУ CityLight позволяет пользователю самостоятельно добавлять в базу данных новые шкафы управления, изменять параметры контроля и т.д.

Модуль опроса -- это также ТСР/IР-сервер, клиентом которого является модуль “Диспетчерский пункт”. Автоматизированное рабочее место диспетчера обеспечивает не только получение наглядной картины состояния линий освещения города, но и предоставляет возможность гибкого управления графиком включения/выключения уличных светильников. Диспетчер также может отправить с компьютера необходимую команду.

Рис. 2. Архитектура верхнего уровня системы

Рис. 3. Распределение аварийных ситуаций за период июнь 2012 -- сентябрь 2013 гг.

На нужный шкаф управления, запросить диагностическую информацию о состоянии линий и оборудования, а также данные со счётчиков учёта электроэнергии. Ранее для этого бригады инженеров выезжали на каждый объект для списания данных, что требовало дополнительных материальных и временных затрат. Среди преимуществ системы -- определение места обрыва провода с точностью до сегмента линии, снижение затрат на восстановление линий наружного освещения, охрана оборудования, размещённого в шкафу управления и др.

Модуль “Диспетчерский пункт” осуществляет:

-- приём информации о контролируемых технологических параметрах контролируемого пункта от модуля опроса;

-- графическое представление состояния контролируемого пункта, а также архивной информации в удобной для восприятия форме;

-- приём команд диспетчера и передачу их на контролируемый пункт;

-- оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях с регистрацией действий персонала.

Сигналы звуковой и световой сигнализации подаются в случае выхода измеряемых параметров тока и напряжения за допустимые пределы в шкафах управления, срабатывания охранной сигнализации, при отказе оборудования в шкафу управления и потере связи с объектами. Сравнительная характеристика количества аварийных ситуаций за период июнь 2012 -- сентябрь 2013 гг. представлена на рис. 3. Оператор имеет возможность для каждого шкафа управления или группы шкафов устанавливать годовой график включения и выключения уличного освещения с сеткой в 5 дней, время начала/окончания ночного режима (отключение одной-двух фаз) и осуществлять включение/выключение наружного освещения вне запланированного графика.

В системе освещения города Новосибирска установлено 32353 уличных светильника, в том числе 18095 светильников с натриевыми лампами и 10476 светильников с лампами накаливания (в зонах индивидуальной жилой застройки). Общая протяженность линий освещения составляет 1122,7 км. В городе Новосибирске внедрена автоматизированная система управления наружным освещением «Novosvet». Работы по обслуживанию системы наружного освещения в городе Новосибирске, ее содержанию, ремонту и строительству объектов осуществляет МКУ «Горсвет». Энергопотребление объектами МКУ «Горсвет» в 2010 году составило более 13 млн. кВт•ч. Основными способами энергосбережения и повышения энергетической эффективности в системе городского освещения являются: внедрение энергосберегающих ламп; оптимизация режимов работы систем и автоматизация их управления.



2. Постановка цели и задач ВКР

Создать модель улицы, на которой рассчитать такую освещенность, которая будет продуктивна для освещения проезжей части и тротуара. А так же разработать структуру системы управления, контроля и регулировки городского уличного освещения с использованием модулей выпускаемых компанией РиМ.

1. слаботочные сигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т.д.);

2. GSM-канал;

3. передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю.

Также изучить все достоинства и недостатки данных методов управления.



3. Теоретическая часть

3.1 Способы дистанционного управления уличным освещением

Системы автоматического управления уличным освещением обычно работают под управлением зонального контроллера или сервера. В зависимости от алгоритма управления, контроллер формирует сигнал, например, включения группы уличных фонарей. Для передачи этого сигнала на исполнительные устройства (обычно электронные балласты ламп уличных фонарей) используются следующие средства:

· слаботочные сигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т.д.);

· GSM-канал;

· передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю.

Сравнение преимуществ и недостатков каждого способа приведено в таблице 1. Независимо от способа передачи сигнала дистанционного управления, современные системы автоматического управления уличным освещением (см. рис. 5) строят по трехуровневой архитектуре:

· блок непосредственного управления лампой или группой ламп в фонаре уличного освещения;

· шкаф зонального уровня управления (улица или квартал);

· центральный сервер территории.

Таблица 1. Сравнение способов передачи сигналов управления

	Слаботочное управление	GSM-канал	Силовые линии электропередачи
Адресация (экономически целесообразно)	Возможно управления отдельными лампами	Только групповое управление	Только групповое управление
Способ управления	Цифровой протокол управления, например на основе календарного графика	Телефонный звонок или SMS на контроллер в шкафу управления	Управление по силовому кабелю, подключенному к контроллеру в шкафу управления
Факторы, влияющие на надежность	Накопление ошибки отсчета времени	Зависимость от загруженности публичной сети оператора GSM. Невозможность управления при отказе (перегрузке) сети.	Риск ошибочного управления при невозможности контроля состояния силовых линий (например, при пробое изоляции). При отказе требуется ручное переключение кабеля.
Трудозатраты	Высокие трудозатраты при настройке календарного графика	Низкие трудозатраты за счет использования сети публичного использования	При индивидуальном управлении лампами прокладка кабелей трудозатратна
Охват территории	Календарный график требует привязки к городу/области	Управление возможно только в зоне действия сотовой сети	Необходимость прокладки отдельного кабеля к каждой точке управления. Длина контрольного силового кабеля не может превышать 1 км. Емкость шкафа управления ограничена.
Размер территории	Район города, небольшой населенный пункт	Город и ближайший пригород	Ограниченная территория (квартал и т.п.)
Стоимостные факторы	Индивидуальный блок управления в каждом фонаре	Абонентская плата и плата за соединение, передачу сообщений или т.п.	Стоимость прокладки индивидуальных силовых кабелей
Факторы, влияющие на стоимость техобслуживания	Постоянно необходима корректировка таймера		Высокие затраты на ремонт электро-оборудования

Рис 4. Модуль управления светильником слаботочного управления

В такой системе любой светильник можно включить или выключить сигналом с диспетчерского пункта. Это достигается применением блоков непосредственного управления светильниками. Передача информации с использованием слаботочных сигнальных линий имеет своим недостатком необходимость монтажа сигнальных линий, соединяющих блоки управления светильниками с автоматизированными пунктами питания. Частотный способ передачи информационных сообщений с использованием PLC-модемов предопределяет высокое затухание сигнала в линиях питающей сети, нагрузками которой являются электронные импульсные преобразователи. Их входными каскадами, как правило, являются радиочастотные заградительные фильтры. Высокодобротные емкостные входные сопротивления таких фильтров, распределенные на протяжении питающей линии, формируют многозвенный сглаживающий фильтр, резко ослабляющий про хождение высокочастотных сигналов. Для управления светильниками, в частности светодиодными источниками света [1, 2], возможно также использование способа передачи информации по питающей сети с использованием широтной модуляции [3].

Для уличного освещения городов и населенных пунктов системы дистанционного управления освещением предусматривают два режима работы осветительных установок - вечерний и ночной. При вечернем режиме включены все осветительные приборы, при ночном, когда интенсивность движения падает, - часть осветительных приборов отключается (обычно отключают светильники, подключенные к какой-нибудь одной или двум фазам.

Рис.5. ЦДП - центральный диспетчерский пункт, ГПУ - головной пункт управления, КПУ - конечный пункт управления

Однако, такие системы управления при переключении освещения в ночной режим используют метод отключения одной - двух фаз. Но это повышает, как уже говорилось выше, неравномерность освещенности дорог.

Избежать этого позволяет использование в уличных светильниках электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) вместо традиционных электромагнитных. Эти устройства позволяют управлять потребляемым током лампы и ее световым потоком. Таким образом, чтобы добиться снижения потребляемой мощности системы нет необходимости в полном отключении части осветительных приборов. А это значит, что световой поток всех светильников будет изменяться равномерно, не увеличивая неравномерность освещенности дорожного полотна. Схема управления будет выглядеть следующим образом (рис.6).

Рис.6. МП - магнитный пускатель, ИЭ - исполнительный элемент

Однако это существенно удорожает схему. Ведь кроме приемника - преобразователя управляющих сигналов в каждом ЭПРА необходимо будет проводить свою выделенную линию для управляющих сигналов к каждому светильнику.

3.2 Построение системы автоматического управления наружным освещением

Независимо от способа передачи сигнала дистанционного управления современные системы автоматического управления уличным освещением строят по трехуровневой архитектуре (рис. 7):

дистанционный управление освещение коммуникатор



Рис 7. Система управления наружным освещением

1) блок непосредственного управления светильником или группой светильников уличного освещения;

2) автоматизированные пункты питания;

3) диспетчерский пункт.

Алгоритм включения/отключения светильников системы диктуется диспетчерским пунктом. Для этого могут использоваться команды диспетчера, датчики освещенности или календарный график. Автоматизированный пункт питания осуществляет передачу управляющей информации блокам управления светильниками, непосредственно связанным с каждым светильником или группой светильников.



4. Проектная часть

4.1 Разработка модели улицы

Прежде чем, я рассмотрю каждый из методов управления освещением, и выявлю самый оптимальный вариант для нас, в плане экономичности и удобства в использовании. Я создам модель улицы, на которой будет освещенность равная 18 люкс, с использованием дорожных линз.

Для своей работы я разработал модель улицы, где рассчитаю освещенность, с которой будет освещаться вся улица, включая дорогу и тротуар для пешеходов. Для этого я использовал программу Mathcad. Данные представлены ниже:

- улица шириной 7.5 метров,

- тротуар шириной 4 метра,

- опоры высотой 10 метров по краю улицы

- на расстоянии 20 метров.

Нормы освещения улиц зависят от их категории, и меняются от 6 до 30 люкс. Категория, в свою очередь, зависит от назначения дорог, количества полос, максимальной скорости транспорта.

Светильники установлены на консоли длиной 2 метра под углом 25 градусов.

Задача: Необходимо получить освещенность улицы 18 люкс и дополнительно осветить тротуар.



Рис 8 - Наглядная модель улицы

Решение задачи:

Для того, чтобы показать необходимость и эффективность применения линз для уличных светильников расчет проведем в 3 этапа с разной оптикой. Принимаем световой поток светильника 8000 люмен, будем менять оптику и оценивать результат расчета освещенности.

1 ЭТАП

Светильник 8000 люмен без линз. Рассчитаем освещенность на улице и тротуаре.

Рис.9. Показатели освещенности тротуара на первом этапе

На тротуаре - высокая неравномерность. Максимальная освещенность - 25 люкс, минимальная - 1.89 люкс.

Рис.10. Показатели освещенности проезжей части на первом этапе

По результатам расчета освещенности улицы видим очень высокую неравномерность - максимальная освещенность - 39 люкс, минимальная - 7.5 люкс. Визуально будут световые пятна под опорами, а между ними - провал освещенности.

2 ЭТАП

Светильник 8000 люмен с дорожными линзами. Так же рассчитываем освещенность улицы и тротуара.

На втором этапе расчетов используем дорожные линзы.



Рис.11 - Показатели освещенности проезжей части на втором этапе

Результат расчета освещенности улицы гораздо лучше, это видно даже по рисунку, без цифр. Но обратите внимание на увеличинную освещенность 24 люмена между опорами. Этот всплеск мы уберем на 3 этапе.

Рис.12 - Показатели освещенности тротуара на втором этапе

Равномерность освещенности тротуара так же улучшилась.



3 ЭТАП

Светильник с общим потоком 8000 люмен. Часть светодиодов с дорожными линзами, часть - без линз.

Рис.13. Показатели освещенности проезжей части на третьем этапе

Убрали возрастание освещенности между светильниками.

Общая равномерность улучшилась.

Рис.14. Показатели освещенности тротуара на третьем этапе

Освещенность тротуара практически не изменилась.

Для наглядности все 3 этапа размещены рядом.

Рис. 15. ЭТАП 1

Рис.16. ЭТАП 2

Рис.17. ЭТАП 3

Результат:

Как видно из результатов расчета, использование линз и расчет освещенности позволяют поднять равномерность освещения. При этом несколько повышается стоимость светильника, так как линзы достаточно дороги, но это компенсируется качеством освещения.

4.2 Функциональная схема уличного освещения

4.2.1 GSM-модуль

Я использовал счетчик электрической энергии трехфазный многотарифный РиМ 489.25

Его технические характеристики представлены ниже:

Таблица 2. Характеристики счетчика «РиМ 489.25»

Условное обозначение	Базовый/ максимальный ток, А	Номинальное напряжение, В	Класс точности при измерении активной /реактивной энергии	Включение	Постоянная счетчика, имп./(кВт.ч), имп./(квар.ч)
РиМ 489.25	10/100	3х230/400	0,5S/ 1	Непосредственное	4 000

С помощью этого счетчика мы будет управлять всей линией фонарей на определённой улице, так как, счетчик обладает встроенной коммутацией нагшрузки, что даёт нам большое преимущество в удобстве регулировки. Для осуществления этого метода, нам также понадобится «Коммуникатор РиМ 071.02» оснащенный вышесказанной беспроводной связью, так как «РиМ 489.25» не имеет модуля GSM.

Для наглядности я представлю функциональную схему, на которой покажу принцип работы данной конструкции (Рис.18).



Рис.18. Функциональная схема беспроводного управления наружным освещением с помощью GSM-модуля «РиМ 071.02»

Преимущества данного типа подключения:

1. Управление осуществляется по каналу радиосвязи, что не требует дополнительных затрат на прокладку кабеля к диспетчерскому пульту.

2. Управление осуществляется дистанционно всеми исполнительными пунктами.

3. Контроль работоспособности и исправности отходящий линий.

4. Контроль и учет потребляемой электроэнергии, с учетом тарифного расписания.

5. При нарушении обмена по каналу GPRS контроллер переключается на SMS канал, а при нарушении и SMS канала переходит на работу по SMS каналу с другим сотовым оператором.

В случае неработоспособности системы управления имеет возможность переключения на местное (ручное) управление освещением.

4.2.2 Функциональная схема ВЧ-сигнала по силовому кабелю

Рассмотрим следующий способ управления освещением по силовому кабелю. Система дистанционного управления нагрузкой по силовой линии, содержащая передающий блок с выводом для подключения к первому проводу силовой линии и выводом для подключения к второму проводу источника питания и силовой линии, приемный блок с выводом для подключения к первому проводу силовой линии и выводом для связи с вторым силовой линии, отличающаяся тем, что с целью повышения качества напряжения на нагрузке, передающий блок снабжен выводом для подключения к первому проводу источника питания и выполнен в виде пульта управления, четырех реле, контактора, генератора импульсов инфранизкой частоты, блока импульсно-фазового управления, двух тиристоров, однофазного выпрямительного моста, четырех диодов и трех резисторов, при этом к пульту управления подключены обмотки первого и второго реле, обмотка контактора через последовательно-соединительные первые размыкающие контакты третьего и четвертого реле и первый замыкающий контакт первого реле включена между выводом для подключения к первому проводу источника питания и выводом для подключения к второму проводу источника питания и силовой линии, генератор импульсов инфранизкой частоты подключен своими входами между объединенными выводами первого замыкающего контакта первого реле и первого размыкающего контакта третьего реле и выводом для подключения к второму проводу источника питания и силовой линии, к выходу генератора импульсов инфранизкой частоты подключены соответственно через размыкающий и замыкающий контакты второго реле обмотки третьего и четвертого реле, замыкающий контакт контактора подключен между выводом для подключения к первому проводу источника питания и выводом для подключения к проводу силовой линии, к которому подключен вход однофазного выпрямительного моста, соединенными анодами, подключены тиристоры, управляющий электрод каждого из которых соединен со своим анодом через последовательно соединительные первый или второй диод, второй или третий замыкающие контакты первого реле и второй размыкающий контакт третьего или четвертого реле соответственно, а также выходом блока импульсно-фазового управления через последовательно-соединительные третий или четвертый диод и первый или второй резистор соответственно, при этом все диоды подключены к управляющим электродам тиристоров катодами, вход блока импульсно-фазового управления подключен через параллельно-соединительные первые замыкающие контакты третьего и четвертого реле к выходу однофазного выпрямительного моста, третий резистор подключен через параллельно соединительные замыкающие контакты третьего и четвертого реле между выводом для подключения к первому проводу силовой линии и выводом для подключения к второму проводу источника питания и силовой линии, а приемный блок выполнен в виде первого и второго приемных узлов и исполнительного органа, при это каждый из приемных узлов выполнен в виде трех диодов, стабилитрона, двух конденсаторов и четырех резисторов, при этом анод первого диода первого приемного узла соединен с выводом для подключения, а его катод с первым выводом первых резистора и конденсатора указанного узла, второй вывод указанного конденсатора соединен через второй резистор с катодами стабилитрона и второго диода, первым выводом третьего резистора и анодом третьего диода того же узла, причем вторые выводы первого и третьего резистора, анод второго диода подключены к выводу для связи с вторым проводом силовой линии, катод третьего диода подключен через параллельно соединенные второй конденсатор и четвертый резистор упомянутого узла и выводу для связи с вторым проводов силовой линии, второй приемный узел, выполнен и подключен аналогично первому, при этом диоды и стабилитрон второго приемного узла подключены в противоположном направлении относительно соответствующих диодов и стабилитрона первого приемного узла, анод стабилитрона первого приемного узла и катод стабилитрона второго приемного узла подключены к входу исполнительного органа, подключенного между выводом для подключения к первому проводу силовой линии и выводом для связи с вторым проводом силовой линии.

В ней используется электронный балласт, и импульсное запоминающее устройство(ИЗУ).

Рис.19. Схема передающего блока системы



Рис. 20. Схема приемного блока системы

Рис 21 - Временные диаграммы напряжений и токов поясняющие работу системы дистанционного управления освещением нагрузкой по силовой цепи



4.3 Порядок установки счетчика

4.3.1 Включение счетчика

Включение счетчика в сеть должен производить квалифицированный электромонтер согласно схеме, приведенной на рисунке 20.

Рис. 20. Схема подключения счетчика РиМ 489.25

На схеме подключения обозначено:

Г -- сторона генератора

Н -- сторона нагрузки

A, B, C, N - фазы A, B, C, и ноль Nтрёхфазной четырёхпроводной сети соответственно.

1, 2, 3, 4, 5, 6 -- контакты для подключения сетевого напряжения при эксплуатации (фазы А, В, С соответственно).

7, 8 -- для подключения нуля.

9(А), 10(В), 11(С) -- контакты для подключения цепей напряжения измерительной установки при проведении проверки фазы А, В, С соответственно.

U_резерв(12, 13) -- контакты подключения резервного источника питания.

Интерфейсные, испытательные входы/выходы - см. рисунок 21.



Рис.21. Схема расположения контактов интерфейсных испытательных входов/выходов (Разъем ДВВ/ТМ)

ТМ1, ТМ2, ТМ3, ТМ4 -- электрические испытательные выходы и соответствующие их выводы ТМ1G, ТМ2G, ТМ3G, ТМ4G;

IN1, IN2 - дискретные входы и соответствующие им контакты ING;

TR1+, TR1-, TR2+, TR2- - выводы интерфейсов RS-485-1 RS-485-2 соответственно.

4.3.2 Проверка функционирования счетчика

После установки следует проверить правильность функционирования счетчика согласно указаниям, приведенным в руководстве по эксплуатации.

4.3.3 Работоспособность счетчика

Показателями работоспособности счетчика в процессе эксплуатации является:

· Мигание индикатора ТМ (см. рисунок 22) пропорционально активной мощности подключённой нагрузки. При подключении нагрузки мощностью 1кВт по каждой фазе индикатор ТМ индикатор должен мигать приблизительно с частотой 3 раза в секундку; мощностью 1кВт по каждой

· Наличие показаний на дисплее;

· Стабильное считывание показаний счетчика при помощи устройств АС.

Рис. 22. Схема расположения индикаторов и органов управления счетчиков

4.3.4 Описание индикации счетчика

Непосредственно после включения счетчика на индикаторе дисплея одновременно отображаются все сегмент индикатора, затем заводской номер счетчика, после чего счетчик переходит в основной режим индикации.

Рис.23. Расположение полей дисплея счетчика

В поле «Значение параметра/Дата» выводятся следующие данные:

· Номер версии ПО и тип счетчика;

· Параметры связи по интерфейсам RS-485 (адрес в магистрали RS-485 и скорость обмена);

· Заводской номер счетчика;

· Значения измеренных параметров;

· Дата в формате «ДД ММ ГГГГ»;

В поле «Текущий тариф» выводится шеврон с указанием номера текущего тарифа (Слева -- 1 тариф, справа -- 8 тариф).

В поле «Состояние УКН (РУ)» пиктограмма показывает состояние УКН (замкнуто или разомкнуто).

В поле «ИЧС» - расположены индикаторы чувствительности/самохода: появляются при протекании токов (активного -- Р и реактивного Qсоответственно), превышающих стартовый ток, с указанием квадранта положения вектора полной мощности.

В поле «Единица измерения» при индикации значений параметров формируются соответствующие комбинации символов:

· кВт(Вт) -- при выводе значения активной мощности;

· кВт ч -- при выводе потребления активной энергии;

· кВА_р (ВА_р) -- при выводе значения реактивной мощности;

· кВА_рч -- при выводе значения реактивной энергии;

· кВА (ВА) -- при выводе значения полной мощности;

· Г -- при выводе даты;

· Гц -- при выводе частоты питающей сети;

· cos % -- при выводе коэффициента мощности;

· А -- при выводе значений тока;

· В -- при выводе значений напряжения;

· к А²_ч -- при выводе удельной энергии потерь в цепях тока.

В поле «Статус фаз» индицируется наличие напряжения по каждой фазе.

В поле «OBIS-коды» выводятся значения OBIS-кода параметра, значение которого выведено на индикацию в поле «Значение параметра/дата».

Служебные символы на дисплее означают:

· «Суммарно по всем тарифам» - появляется во время индикации суммарных значений энергии;

· «Время не установлено» - появление символа означает сбой или остановку ЧРВ;

· «Заряд ЧРВ» - показывает уровень заряда батареи питания ЧРВ.

Примеры индикации приведены на рисунках 12-16. На рисунках показаны примеры отображения служебного кода OBIS.

Рис. 24. Пример индикации заводского номера счетчика (в примере -- 1000030)

Рис.25. Пример индикации типа счетчика

Рис. 26. Версия ПО счетчика (в примере - версия 1.03)

Рис.27. Пример индикации значения потребления по 1 тарифу

Рис.28. Пример индикации текущего значения тока по фазе С

4.4 Устройство и работа коммуникатора

1) Установку и подключение коммуникатора должен выполнять квалифицированный электромонтер.

2) Коммуникатор допускается устанавливать на любой поверхности, в том числе токопроводящей, или на DIN-рейку.

3) Перед установкой коммуникатора следует убедиться с помощью индикатора сигнала мобильного телефона, обслуживаемого тем же оператором мобильной связи, что и коммуникатор, в наличии и достаточном уровне сигнала ближайшей станции мобильной связи.

4) В экранированных помещениях рекомендуется использовать внешнюю антенну, которая подключается к гнезду коммуникатора вместо штыревой антенны (см. рисунок 1). Внешнюю антенну c магнитным замком следует установить на горизонтальную металлическую поверхность (например, на крыше распределительного шкафа).

5) До установки на место эксплуатации коммуникатора следует установить SIM-карту. Для этого надо открутить 4 винта и снять верхнюю крышку. Держатель SIM-карты находится на основной плате коммуникатора в левом нижнем углу. Требования к SIM-карте. SIM-карта, устанавливаемая в модем коммуникатора, должна обслуживаться оператором мобильной связи, в зону покрытия которого входит местоположение коммуникатора. В SIM-карте должен быть отключен PIN1 (например, с помощью мобильного телефона). SIM-карта должна быть предоплачена либо переведена на кредитный тариф с услугой передачи данных.

6) Установку SIM-карты выполняют, не прикладывая особых усилий, в следующем порядке сдвинуть крышку держателя SIM-карты вправо и откинуть крышку; вставить SIM- карту контактами к плате коммуникатора по направляющим крышки таким образом, чтобы скос карты был слева внизу; закрыть крышку и сдвинуть ее влево до фиксации



Рис.29. Установка деталей для крепления коммуникатора горизонтально

Рис. 30. Установка деталей для крепления коммуникатора вертикально



5. Экономическая часть

Для расчета стоимости экономии возьмем пример улицы, на которой рассчитаем затраты на основное оборудование каждого типа управления.

- Улица длиной 2500 м

- Фонарь на расстоянии 50 м друг от друга

- Фонарей 50(по каждой стороне)

5.1 Слаботочные сигнальные линии

В этой системе блоку управления при поставке присваивается адрес по умолчанию. Центральный сервер периодически производит опрос устройств. Сетевой протокол гарантирует, что при совпадении адресов будет выбрано только одно устройство. При наличии блока с адресом по умолчанию, центральный сервер передает такому устройству команду на установку уникального адреса, а оператор осуществляет привязку этого адреса к территории. Очевидно, что процедура начальной конфигурации очень трудоемкая.

Давайте в этой системе посчитаем стоимость оборудования использованного именно в этом методе. Перечислим основные устройства:

1) Контроллер календарного графика

2) GSM-контроллер(РиМ 071.02)

3) Индивидуальный блок управления в каждом фонаре

4) Электронный балласт(ЭПРА Орбита 250 Вт)

5) Cчетчик (РиМ 489.25)

6) Витая пара (NIKOLAN FTP Cat 5E - 300м)

7) Абонентская плата(1.5 р/запрос, 2 раза в сутки, будем брать год)

Посчитаем сумму:

Перечислим недостатки данного метода:

1) Высокие трудозатраты при настройке календарного графика

2) Постоянно необходима корректировка таймера

3) Накопление ошибки отсчета времени

5.2 Передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю

Перечислим основные устройства данного метода:

1) Силовой кабель(Провод СИП-2 1м), возьмем расстояние от диспетчерского пункта до ящика управления, например, равную 3 км.

2) Зональный контроллер (TAC Xenta 110-D/230)

3) Счетчик (РиМ 489.25)

4) Электронное пускорегулирующее устройство (ЭПРА Орбита 250 Вт)

Давайте рассмотрим недостатки данного вида управления:

1) Высокая стоимость прокладки индивидуальных силовых кабелей

2) Высокие затраты на ремонт электро-оборудования

3) При индивидуальном управлении лампами прокладка кабелей трудозатратна

4) Риск ошибочного управления при невозможности контроля состояния силовых линий (например, при пробое изоляции).

5.3 Передача по GSM-каналу

Перечислим основные устройства данного метода:

1) GSM-модуль(РиМ 071.02)

2) Счетчик (РиМ 489.25)

3) Абонентская плата(1.5 р/запрос, 2 раза в сутки, будем брать год)

4) Электронное пускорегулирующее устройство (ЭПРА Орбита 250 Вт 1шт.)

Система индивидуального управления каждой лампой по GSM-каналу на практике не применяется из-за высокой стоимости и необходимости установки индивидуальных SIM-карт в каждый блок и последующего учета расходов. Поэтому GSM-канал мы используем только на уровне зонального шкафа управления.



6. Раздел охраны труда

6.1 Расчет искусственного освещения

Большую часть времени технологи заняты работой с документами и ПЭВМ. И естественно идет большая нагрузка на зрение работника. И утомляемость зрения зависит во многом от качества освещения помещения. Стоит отметить, что некачественное освещение вызывает утомление не только зрения, но и всего организма в целом. А это, в свою очередь, может негативно сказаться на производительности труда технолога.

На практике стараются совмещать искусственное освещение и естественное. Искусственное освещение предусматривается во всех производственных и бытовых помещениях, где недостаточно естественного освещения, а также в ночное время.

В производственных и административно-общественных помещениях, в случаях преимущественной работы с документами, разрешено применение системы комбинированного освещения. При комбинированном освещении к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов.

Но в связи с тем, что работа производится по всей поверхности и нет необходимости в лучшем освещении отдельных участков, применим систему общего равномерного освещения.

При выборе источника света стоит отметить, что существует множество типов ламп. Однако, лапы накаливания не долговечны и освещают небольшую площадь. Если же говорить о галогенных лампах, то они долго разгораются и создают яркий направленный поток света, что не желательно в нашем случае. Поэтому возьмем люминесцентные лампы, которые создают равномерное освещение и долговечны.[10]

Используем двухламповые светильники ЛСП02 с лампами ЛБ40. Светильники устанавливаем на потолке.

Световой поток одной лампы ЛБ40 равен Fл = 2430 лм.[10]

Размеры рабочего помещения следующие:

А = 20 м; - длина помещения

В = 8 м; - ширина помещения

Н = 4,2 м; - высота помещения

При расчете воспользуемся методом «светового потока».[9]

Введем необходимые для расчета параметры:

h - высота подвеса светильников над рабочей поверхностью;

h свеса - расстояние на котором светильник располагается от поверхности потолка;

h р - высота рабочей поверхности стола (h_p = 0,8 м);

Тогда легко получить значение h = H - h_p - h_c (33)

h = 4,2 - 0,8 - 0,5 = 2,9 м. Длину свеса приняли равной 0,5 м.

Расстояние между рядами светильников определяется из соотношения:

(34)

- относительное расстояние между рядами.

Тогда L = 1,4 * 2,9 = 4,06 м. Примем значение L = 4 м.

Расстояние от светильника до стены определяется как

Ls = (1/3) * L (35)

Ls = 1,33 м.

Находим необходимое число рядов светильников:

(36)

Отсюда К >= 2,33; возьмем К = 3.

Проверяем соответствие рассчитанных значений и общего размера В:

2 * L + 2 * Ls = 2 * 4 м + 2 * 1,33 м = 10,66 м. А значение В = 8 м ! Учтем это и зададим значения расстояний :

L = 3 м; Ls = 1 м.

Длина стандартного светильника равна примерно 1,23 м. Расстояние между центрами светильников в ряду берут равным 1,3 м.

С учетом этого определяем число светильников в ряду:

(37)

тогда n = 13 шт.

Общее число светильников равно

N = K * n (38)

N = 3 * 13 = 39 шт.

Общий световой поток рассчитывается с учетом того, то в каждом светильнике две лампы ЛБ40.

Fp = 2 * N * Fл (39)

Fp= 78 * 2430 лм = 189540 лм.

Прежде чем найти требуемый световой поток, введем необходимые для этого параметры:

Ен = 300 лк - требуемая освещенность рабочей поверхности (в соответствие с САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03[11]).

Z = 1,1 - коэффициент минимальной освещенности.

Кзап = 1,5 - коэффициент запаса для осветительных установок.

Y - коэффициент использования светового потока ламп, который зависит от типа светильника, коэффициентов отражения потолка (0,7) и стен (0,5), а также от индекса помещения.

Индекс помещения рассчитывается так:

(40)

i = 1,97

С учетом всех рассмотренных параметров определяем коэффициент Y = 45% = 0,45.

Тогда требуемый общий световой поток равен

Fт = 176000 лм.

Из расчетов видно, что выбранный вариант освещения удовлетворяет рабочему помещению, так как значение расчетного общего светового потока превышает значение требуемого общего светового потока.



Заключение

В выпускной квалификационной работе была рассчитана оптимальная освещенность модели улицы и её тротуара. Проведено 3 опыта, где выявлено наилучшее решение данной задачи. Из этого можно сделать вывод, что лучше всего использовать дорожные линзы поочередно, тогда световой поток на улице располагается более равномерно и прямо.

Также, мы разработали структуру системы контроля , регулировки городского уличного освещения с использованием модулей выпускаемых компанией РиМ, и способы его управления:

1. слаботочные сигнальные линии;

2. GSM-канал;

3. передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю.

Изучили все достоинства и недостатки данных методов, и выяснили, что самым оптимальным и практичным является управление по GSM-модулю, по удобству управления и экономической составляющей.



Список литературы и источников информации

[1] Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / В.И. Константинов, Е.В. Вставская, Т.А. Барбасова, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2010. - Вып. 11, № 2(178). - С. 46-51.

...