CC BY
7ЛОКАЛЬНА СИСТЕМА АВТОМАИЧНОГО УПРАВЛ1ННЯ ШТУЧНИМ ОСВ1ТЛЕННЯМ
ПРИМ1ЩЕННЯ
Семенець Д.А.
кандидат технгчних наук, доцент ННПШ У1ША,
Украша, м. Бахмут Семенець М.Д. асистент ННШШ1 УША, Украша, м. Бахмут
IN-PLANT SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL LAMPLIGHT OF APARTMENT
Semenets D.
Ph.D., Associate Professor ESPPI UEPA, Bahmut, Ukraine Semenets M. assistant ESPPI UEPA, Bahmut, Ukraine
АНОТАЦ1Я
В po6oTÍ проаналiзованi сучасш методи управлшня штучним освиленням офюних примщень. Запро-поновано локальну систему керування освиленням примщення на базi розповсюджених аналогових еле-ментiв управлiння у випадку використання сучасних свiтлодiодних освiтлювачiв. Розроблено структурну та функцiональну схему системи управлшня, визначеш передавальнi функцп елементiв системи, наданi основнi рекомендаций щодо визначення 1х параметрiв. Запропоноваш методи визначення параметрiв регулятора освилення для рiзних випадк1в властивостей об'екта управлiння - драйвера та свилодюдного освь тлювального приладу.
ABSTRACT
Modern methods of management of artificial lighting of office premises are analyzed in the work. A local room lighting control system based on common analog controls in the case of modern LED illuminators is proposed. The structural and functional scheme of the control system is developed, the transfer functions of the system elements are defined, the basic recommendations are given for determining their parameters. Methods for determining the parameters of the lighting controller for different cases of the properties of the control object - driver and LED lighting device are offered.
Ключовi слова: свилодюдне освилення, система управлшня освиленням, пропорцшно-штегральне управлшня, регулятор освилення.
Keywords: LED lighting, lighting control system, proportional-integral control, dimmer.
Постановка проблеми. Рацюнальне електри-чне освилення - важливий фактор шдвищення без-пеки, продуктивностi працi, покращення саниарно - гiгieнiчних умов, якостi виконуваних робiт. З ш-шого боку, одним iз суттевих напрямiв енергозберь гаючо1 полiтики Украши е економiя електроенергп, яка витрачаеться на освилення. За рiзними оцш-ками на штучне освiтлення в краiнi витрачаеться вщ 10 до 30 % вщ сумарного енергоспоживання, причому для заклащв освiти, офiсiв та шших гро-мадських закладiв цей вщсоток досягае максимального значення. В сферi вдосконалення систем елек-троосвилення закладений величезний потенцiал економи. Зокрема, свилодюдне освiтлення в комплекс з автоматичними системами керування до-зволяе економити до 65 % електроенергп [1]. Су-часнi системи керування освиленням з датчиками освиленосп, руху i присутностi дозволяють вми-кати i вимикати свiтло, змшювати яскравiсть у за-лежностi вщ присутностi людини у примiщеннi, вщ рiвня природного освiтлення або вщ часу доби. Ва-ртiсть таких ршень зазвичай становить до 10 % ва-ртостi системи освилення.
В сучасних умовах актуальною задачею е роз-
робка та дослвдження автоматизованих систем ене-ргозбереження на рiзних рiвнях енергоспоживання iз використанням новiтнiх пiдходiв та принципiв побудови таких систем. Розробка ефективно! енер-гозберiгаючоi системи управлiння освiтленням мо-жлива з врахуванням iндивiдуальних особливостей об'екта управлшня, аналiзу впливiв збурення та особливостей примiщення, в якому впроваджуеться система освiтлення.
Аналiз останшх досл1джень та публiкацiй. Наразi на ринку свплотехшчних засобiв iснуе до-статньо автоматизованих систем, метою яких е уп-равлшня енергоспоживанням та розробка прогноз-них моделей витрат електрики в освилент. На пвд-ставi проведеного аналiзу iснуючi системи автоматизованого управлшня внутршшм освилен-ням (САУВО) можна класифiкувати по декiлькох основних критерiях.
1. Регулювання освiтлення по датчику освилення, при якому управлшня освиленням здшсню-еться за допомогою шформацп, що поступае з датчика , який вимiрюе рiвень освиленосл примь щення (робочого мюця). В таких САУВО ефективно використовуються можливосп освилю-вальних установок, вщстежуються змiни рiвню
природного освиления, регулювання свилового потоку проводиться плавно. Основний недолж таких систем - продовження роботи освилювальних установок за ввдсутносп людей в примiщеннi.
2. Регулювання освиления по датчику руху, при якому включения джерел освiтлення здшсню-еться тiльки при наявносп (перемщенш) людей в примiщеннi. Так1 системи мають високу функцю-нальнiсть, простоту та зручнють експлуатацп. Не-дол1ки таких систем - ввдносно велика варпсть, складнiсть монтажу, можливiсть помилкових кому-тацiй, обумовлених порогом спрацюваиия.
3. Iнтелектуальнi системи управлiния, в яких адаптивне управлiння програмно реалiзуeться за допомогою методiв штучного штелекту. Основ-ними перевагами САУВО, розробленою на основi методiв штучного штелекту, е можливiсть диммь руваиния освиления, що дозволяе плавно мiняти рiвень свiтлового потоку освiтлювальних при-стро!в, а вiдповiдно, економити електроенергiю; централiзоваие управлiния освiтлювальними установками; облш часу доби i календарного дня року. В даний час вони е експериментальними i поки не знаходять широкого застосування.
Так, в робоп [2] виршено завдаиия забезпе-чення на робочих мюцях рiвня освiтленостi не ниж-чого ввд нормоваиою протягом усього робочого часу, заиобтания нерацюнальному використаиню штучного свiтла в найб№ш свiтлий час доби, увь мкиення або вимкиения окремих груп свиильнишв чи регулювання !х свiтлового потоку залежно ввд змiн природно! освиленосп. Для цього запропоно-вана штелектуальна САУВО, в основу яко! покла-дено чутливий датчик на основi тонкоплiвкового фоторезистора, електричний опiр якого змiнюеться залежио вiд освiтления, та восьмибиний паралель-ний АЦП послвдовного наближення на основi кому-товано! матрицi конденсаторiв, який, в свою чергу, обробляе вхiднi данi та передае !х порозрядно, по-чинаючи зi старшого розряду в комп'ютер через па-ралельний LPT порт.
Шдсистема керуваиия iнтенсивнiстю осви-ления складаеться з набору потужних швидкодш-них ключiв iз захисними дюдами на виходi для за-хисту LPT порту вiд перевантажень, паралельного ЦАП iз пiдсумовуваииям вагових струмiв, опто-пари для захисту комп'ютера ввд негативно! ди на-пруги мереж1 та безпосередньо фазового регулятора потужиосл, що пiдключаеться в мережу пос-л1довно з об'ектом керуваиия - джерелом штучного свила (наприклад, лампою розжарюваиня) i задае режими його роботи методом вщакания частини синусо!ди вхвдно! змшно! напруги.
Розроблена система дозволяе автоматично ке-рувати iнтенсивнiстю освiтления виробничих при-мiщень шляхом фазового регулювання потужиосп, що вiддасться споживачу, яким е електрична лампа розжарюваиия. При цьому забезпечусться рiвень освiтленостi на робочих мюцях спiвробiтникiв, який п1дтримуеться автоматично з урахуваниям iн-тенсивностi природного свила.
В роботi [3] виршено завдаиия досл1дження та
побудови вимiрювальноl системи, здатно! незале-жио визначати складовi загального освiтлення, якi формуються природним джерелом свiтла та штуч-ними засобами. Завдаиия вирiшене використаииям фотодатчика на базi фотодiоду, аналого-цифрового перетворювача та мтроконтролерно! системи уп-равлiния потужнiстю освiтлювальних приладiв.
В робоп [4] розглянуто завдаиия розробки за-ходiв щодо зменшення витрат на штучне освiт-лення та впроваджения енергозберiгаючого алгоритму керуваиия системою освиления офiсноl будi-вл1. Дослiджения було побудовано на базi математичного моделювания, положень теорil автоматичного керуванням з використанням методики програмувания мiкропроцесорних пристро!в та з врахуваниям психологil управлiния персоналом.
Для реалiзацil енергозберiгаючоl системи керуваиия освилениям запропонованi наступнi рь шения:
- централiзоваие керуваиия системою вщ про-грамованого логiчного контролера;
- застосувания в якостi пристро!в комутацil iм-пульсних вимикачiв, що дозволить здшснювати централ1зоване керуваиия освилениям автоматично та в ручному режимц
- встаиовления датчик1в освиленосп, датчик1в присутностi в робочих примщениях, датчиков положения жалюзi;
- перюдичне вимикаиня свiтла в автоматичному режимi в неробочий час;
- застосуваиия системи соиячного електропо-стачания з автономними iнверторами типу off-grid для часткового покриття потреб на освиления;
- впроваджения свилодюдного освиления офюу (для зменшения вартосп реконструкцil системи пропонуеться замша люмшесцентних ламп на свiтлодiоднi iз збережениям встаиовлених свiтиль-никiв);
- зональне керуваиия освiтлениям з метою створения необх^дно! освiтленостi в окремих части-нах примiщень;
- запроваджения добово! норми витрат елект-роенерги з врахуваниям тривалостi робочого дня, тривалосп сутiнок вiдповiдно до астрономiчних да-них, хмарностi вiдповiдно до прогнозу погоди.
САУВО реалiзоваиа на базi програмоваиого контролера. Енергозберiгаючi властивосп мереж1 забезпечуються:
- у нормальному режимi за рахунок викорис-тания датчишв присутностi, освiтленостi та перiо-дичного вимикаиня свила в неробочий час;
- в екстремальному режимi (у разi затемнения вiкон) за рахунок знижения рiвия та гучного осви-лення та спонукаиня персоналу до використаиия природного освiтления;
- в ощадному режимi (у випадку вичерпаиия добово! норми) за рахунок вмикаиня спецiального алгоритму;
- використаииям фотоелектрично! системи.
Визначення iiCBiipiiiiciiiix panirn частин за-
гально'1 проблеми. Бiльшiсть iснуючих систем уп-
равлшня освiтленням орieнтуeться на велиш (поту-жнi) групи освплювальних приладiв, базуеться на датчиках освиленосп, присутностi (руху) та таймерах, яш враховують час доби, пору року, технолоп-чнi особливостi примщення. Системи будуються на базi програмованих засобiв автоматизаци з мож-ливютю шдключення до локальних комп'ютерних мереж, що обумовлюе !х ввдносно високу вартiсть. Недостатня увага придiляеться питаниям розробки мало бюджетних САУВО локальними об'ектами в примiщениях площею 30 ... 60 м2 (невелик! офгст примiщения, навчальнi аудитори, лабораторп), в яких е потреба пiдтримання високого нормативного рiвня освiтленостi при сумщенш системi освь тлення.
Мета публшацп. Дана стаття присвячена роз-робцi локально! аналогово! системи автоматичного керування освiтленням в примiщеннi, яка мае неве-лику вартiсть, високу надшнють i широкий дiапа-зон збурюючих впливiв. Об'ектом дослвдження е процес керування освiтлювальними свплодюд-ними приладами, об'еднаними у одну невелику групу (до 100 Вт). Дослщження побудовано на базi математичного моделювання, положень теори автоматичного керуванням з використанням методики синтезу лшшних систем автоматичного керування за вадомими критер1ями.
Викладення основного матерiалу. Вiдомо, що шд час робочого дня рiвень освiтленостi у при-мiщениях за рахунок природного освилення зале-жить вiд часу доби, погодних умов (хмаршсть, шви-дк1сть руху повiтря), пори року, чистоти вшэн, кое-фiцiента свилопропускання та позицп гардин, положення жалюзi на вiкнах тощо. Недостатня освилешсть всерединi примiщень спонукае персонал вмикати загальне освiтлення, яке нервдко може залишатись увiмкненим навiть у разi вiдсутностi потреби. I навпаки, в лiтнiй перiод iнтенсивне соня-чне випромiнювання змушуе спiвробiтникiв офюу закривати жалюзi, вмикати при цьому штучне освi-тлення на тривалий час.
Залежнiсть потужностi споживання штучним освiтленням вiд рiвня природно! освiтленостi iлюс-труе рис.1. При рiвнi природно! освiтленостi вище деяко! порогово! Е+П на робочих мюцях забезпечу-еться достатнiй рiвень освиленосп i штучне осви1-лення можливо вимкнути. САУВО починае працю-вати при знаходженш рiвня природно! освпленосп
в межах
А~<Е<А *
< е < а п . За умов зниження природно! освiтленостi нижче ЕП освилювальш при-стро! працюють з максимальною потужшстю та за-безпечують необхiдний рiвень освiтленостi на ро-бочому мiстi сталого значення.
Рис. 1 - Залежмсть nотужностi штучного освтлення РО вiд рiвня природно! освтленостi Е
Ефективна локальна САУВО дозволяе значно знизити рiвень Е~П та тдвищити зону роботи автоматично! системи та енергоефектившсть викорис-тання штучного освплення. Для реалiзацi! локально! енергозберн'аючо! системи керування освилен-ням слад вiдмовитися ввд традицiйних заходiв: централiзованого керування системою вщ програ-мованого логiчного контролера; застосування в
якостi пристрой комутацп iмпульсних вимикачiв; встановлення дискретних датчишв присутностi в робочих примiщеннях, датчишв положення жа-люзi; перiодичного вимикання свiтла в автоматичному режимi в неробочий час.
За умов використання свiтлодiодного осви1-лення примщення пропонуеться САУВО, структурна схема яко! показана на рис. 2.
Рис. 2 - Структурна схема локальноi системи автоматичного управлтня внутршнгм освтленням при-
мщення
Об'ект керування системи - свилодюдш осви-лювальш прилади та пристрш управлiння струмом свiтлодiодiв (диммер), побудований по принципу широтно^мпульсного модулювання, наприклад розповсюджена 1МС - високостабiльний LED -драйвер IL3361AD.
Живлення драйвера IL3361AD (IL3361BD, IZ3361) може здшснюватися вiд мереж1 напруги постiйного струму 8 - 450 В або випрямляча мереж1 змiнного струму 85 - 265 В. Середне значения вихь дного струму можна програмувати вибираючи рь зну величину струмовимiрювального резистора по внутрiшнiй (стабiлiзованому з точнютю ±3%) опо-рнiй напрузi рiвному (272 ± 8) мВ. Можливо регу-лювати середне значення вихвдного струму зада-ючи на вхщ лiнiйного регулювання сили свила напру гу в д1апазош 0 - 1,5 В.
В схемi передбачено дек1лька зворотних зв'яз-шв - для отримання об'ективно! шформацп про рь вень освiтлення слад вимiрювати як рiвень на робо-чих мюцях, так i у отворах природного освплення, причому остання iнформацiя бiльш важлива. Технь чна реалiзацiя та функцiональнi залежностi мiж рь зними типами зворотних зв'язшв у роботi не розг-лядаеться.
1дентифжацш свiтлодiодного освилюваль-ного приладу як елементу САУ можливо провести на шдстаи положень, представлених в роботах [5], [6]. Так на рис. 3 показана залежшсть ввдносного свплового потоку для свiтлодiодного елементу з т-ковою довжиною хвилi 625, 528 та 470 нм при нор-мованш температурi 25°C.
Рис. 3 - Залежшсть вгдносного свтлового потоку (вгдносно визначеного базового при 350 мА) для натв-
пров1дникового чипу з ргзною тковою довжиною хвилг
На рисунку 4 представлеш вольт-амперш характеристики свiтлодiодiв з тковою довжиною хвилi 625, 528 та 470 нм при нормованш температурi 25°C.
Наведенi данi дозволяють лшеаризувати об'ект управлiння та представити його передавальною фу-нкцieю:
Wo (p) =
ю
Top +1
■e
-p*o
(1)
де ко - коефщент пропорцшносп, який пов'я-
зуе напругу керування драйвером свiтлодiоду з ви-хвдним свiтловим потоком; тО - стала часу ланки чистого затзнювання - широтно^мпульсного пе-ретворювача, драйвера свплодюду, яку у ввдповвд-носп з вiдомими рекомендацiями визначають як величину, рiвну перiоду комутаци Ш1М - перетворю-вача; То - стала часу, яка визначаеться сшвввдношенням iндуктивностi дроселя на виходi драйвера свiтлодiоду та сумарного активного опору свилодюдних чипiв, ввiмкнених у вихвдне коло драйверу, тобто То =Ldr / Rvd.
Рис. 4 - ВАХ напiвпровiдникового чипу з рiзною тковою довжиною хвилi
В результата отримуемо функцюнальну схему САУВО, показану на рисунку 5. Ввд'емний зворот-ний зв'язок формуеться на базi датчику освiтленостi - фоторезистору, який показаний на схемi у виглядi аиерюдично! ланки з коефщентом передачi kF та стало! часу Tf. Коефiцiент передачi формуеться ш-терфейсною схемою вмикання фоторезистору - в
найпростiшому випадку одинарною мостовою схемою постшного струму, i може бути заданий у широких межах. Стала часу TF залежить ввд шерщйно-стi фоторезистору, при використанш розповсюдже-них типiв фоторезисторiв серi! ФСК становить десятки - сотш мiлiсекунд (на прикладi фоторезистору ФСК-6 Tf ~ 140 мс).
датчик освиленосп
Рис. 5 - Функцюнальна схема локальноi системи автоматичного управлiння внутршнм штучним освi-
тленням
На щдстав1 запропоновано! схеми стае можли-вий синтез бажано! функци регулятора освиленосп Я(р), який виконуеться на баз1 звичайного операцш-ного пвдсилювача та може реал1зувати пропорцш-ний, пропорцшно-штегральний або шший закон ре-гулювання з метою забезпечення стшкосл, точно-сп та швидкодшносп системи управлшня.
Слад зауважити, що для забезпечення ефектив-но! та надшно! роботи регулятора освгглення слад враховувати сшвввдношення параметр1в об'екту управлшня та зворотного зв'язку. У випадку тО << ТО синтез регулятору можливо провести традицш-ними методами частотних характеристик або ш.
При певнш величин вщношення часу зашзню-
вання об'екту Т0 до його постшно! часу Т0 (на-
приклад, при Т0 / Т > 0,5) ефектившсть традицш-
них закошв управлшня р1зко знижуеться 1з-за велико! статично! (П, ПД - закони) або динашчно! (I, П1, П1Д - закони) помилки, а в деяких випадках система може втратити стшшсть. У зв'язку з цим рекомен-дуеться використовувати спещальш (некласичш) закони управлшня: пропорцшно-штегрально-р1з-ницевий (П1Р - закон) 1 пропорцшно-штегральний по передюторп (П1П - закон). У вщмшносп ввд кла-сичних закошв управл1ння, що використовують тшьки шформацш про ввдхилення керовано! вели-чини освиленосп в1д заданого !! значення Е*, тут використовуеться також апрюрш ввдомосп про ке-рований об'ект, на баз1 яких в класичний закон управлшня вноситься певна корекщя. У раз1 парале-льно! корекци передавальну функцш скоректова-
ного закону управлшня (р) можна
записати у вигляд1
щСк (р)=Щ (р)+Wк (р), (2)
де ЩЩ (р), (р) - передавальш функци
базового регулятора 1 ланки, що коректуе.
Зазвичай як базовий приймаеться П1-регулятор з передавальною функщею
Щ (р) = (р) = к,+^ = ^^ ,(3)
р р
яку в даному випадку зручно записати у ви-глядг
щ (р)=кг=ММ ,(3)
Тур т¥р
де к^, Ту - параметри налаштування П1-регулятора.
Для скорочення часу переходного процесу ^
1 зниження коливальносл (логарифм1чного декременту затухання) швидк1сть наростання штеграль-но! складово! ди, що управляе и повинна зменшу-ватися з часом. У простому випадку цим вимогам ввдповщае ланка, що коректуе, з передавальною функщею
Щ (р) =
тг, к
кЛ
гч
Тур
х ехр(-ртК) ,(4)
де Тк, кк - параметри настройки ланки, що коректуе.
З облком (3) 1 (4) вираз (2) для пропорцшно-штегрально-р1зницевого закону регулювання (П1Р-регулятор) можна записати у виглядг
Щуск (р) = ку (1 - кк ехр(-ртк)) (5)
Тур
Функциональна схема САУВО для такого випадку показана на рис. 6.
Рис. 6 - Функцюнальна схема локальное системи автоматичного управлшня внутрштм штучним осв^
тленням з П1Р - регулятором
Висновки та пропозици
Розроблена система дозволяе автоматично ке-рувати штенсившстю освiтления примiщень шляхом Ш1М-регулювання потужиостi, що ввддаеться споживачу, яким е як електрична лампа розжарю-вання так i свiтлодiодний пристрiй освилення. При цьому забезпечуеться рiвень освиленосп на робочих мiсцях сшвробггаишв, який пвдтримуеться автоматично з урахуванням динамiчноi iнтенсивностi природного свила.
Перспективою подальших дослвджень е пода-льша розробка методики налаштування регулятора освилення, який би забезпечив максимальну ефек-тивнiсть стабiлiзацi! рiвия освиленосп при мшма-льних апаратних витратах на устрiй САУВО.
Лiтература
1. Монастирський З.Я. Нерiвноцiнна замiна або техшка i економiка свiтлодiодного освилення / З.Я. Монастирський // Svitlotek Сотит1у. - 2016. -№ 1. - С. 27-31.
2. Синеглазов В.М. Автоматична система керування штенсившстю освилення в навчальних та ви-робничих примiщеннях / В.М. Синеглазов, М.Ф. Тупщин, М.А. Прокопчук // Електронiка та системи управлшня. - 2010. - №1(23). - С. 39 - 45..
3. Саншков В.Ю. Оптимiзацiя систем регулю-вання рiвня освiтлення в навчальних примщеннях / В.Ю. Саншков // В1СНИК КНУТД: Машини легко! промисловосп, обладнання та системи управлшня. - 2013. - №3. - С. 59 - 63.
4. Соколовський О.Ф. Енергозбер^аюче керування освгглювальною установкою / О.Ф. Соколовський, Л.М. Соколовська // Вюник ЖНАЕУ. - 2017.
- № 1 (58), т. 1. - С. 293 - 302.
5. Энергоэффективное электрическое освещение: учебное пособие / С.М. Гвоздев, Д.И. Панфилов, Т.К. Романова и др.; под ред. Л.П. Варфоло-меева. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2013. - 288 с.
6. Бугров В.Е. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие / В.Е. Бугров, К.А. Виноградова.
- СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 174 с.
