В статье рассмотрена система освещения моста, приведена функциональная схема блока управления линией осветительных приборов.
Ключевые слова: освещение, датчик, осветительная линия, микроконтроллер, интерфейс.
Проблема повышения эффективности энергопотребления в ХХ веке не стояла в числе первоочередных, особенно в Советском Союзе. Энергоресурсы были дешевые, и казалось, что запасы их бесконечны. Конечно, предпринимались попытки в данной области, но они касались в основном промышленного производства. Бытовое и коммунальное энергопотребление было невелико, и вся экономия энергии ограничивалось призывами со стороны властей выключать лампочки, горящие без надобности.
В ХХI веке ситуация со стоимостью энергоресурсов изменилась, и проблема повышения эффективности энергопотребления вышла на важное место среди технических проблем. К тому же улучшение ситуации в данном вопросе может дать существенный вклад в решение других проблем, стоящих перед человечеством, например, экологических. Разумеется, решение такой глобальной задачи предполагает усилия во всех сферах технической деятельности человека.
На первый взгляд освещение (как уличное, так и в помещениях) не является таким уж энергоемким. Однако по статистическим данным на освещение тратится более 10 % от всей вырабатываемой в нашей стране энергии. Таким образом, повышение энергоэффективности систем освещения является актуальной задачей [1].
Естественно, что первым шагом для увеличения энергоэффективности является замена морально устаревших источников света (лампы накаливания) на более экономичные (светодиодные излучатели). Далее следует усовершенствование управления светильниками [2,3].
Чаще всего осветительные линии или отдельные светильники оснащают фотодатчиками, однако присутствуют линии, работающие по таймеру.
Использование фотодатчика имеет свои недостатки:
– фотодатчик надо выносить на улицу;
– фотодатчик требует обслуживания. В зимнее время фотодатчик будет обмерзать и забиваться снегом, а в летнее время источником загрязнения служит пыль. В этих случаях свет будет даже днем;
– при паразитной засветке датчика светильник не будет правильно отслеживать естественную освещенность;
– отсутствие возможности настройки автоматического выключения, когда свет не нужен;
– отсутствие возможности включение света с опережением/запаздыванием относительно уровня освещения.
Светильник (линия) с таймером (часами реального времени) данными недостатками не обладает. Однако очень часто уличное размещение светильника с обычным таймером не учитывает изменение времени восхода и захода солнца на широте использования светильника. Исходя из этого, применение астротаймера более целесообразно. В основу работы этих устройств положен математический расчет астрономических явлений, таких как восход и заход солнца.
При использовании длинных линий освещения для определения конкретного неисправного светильника целесообразно датчик тока объединить с осветительным элементом в осветительный прибор.
Ниже представлена система освещения моста длиной от 1500 до 2000 метров. Система позволяет управлять осветительными приборами в пяти градациях яркости от состояния «выключено» до состояния «максимальная яркость». Мост представляет собой дорогу с двухсторонним движением в два ряда с каждой стороны. Каждая сторона движения разделена на четыре участка. В начале каждого участка присутствуют датчики наличия автомобиля в ряду индукционного типа, например, КМП-2.
С начала захода солнца и до его окончания система постепенно (пошагово) увеличивает яркость светильников на каждой стороне от нулевого значения до третьей градации. При срабатывании датчика присутствия автомобиля яркость на данном участке повышается до максимальной и таким образом формируется «световая волна» перед движущимся автомобилем. С захода солнца и до часу ночи при отсутствии автомобилей мост освещается третьей градацией яркости и только при наличии движущегося автомобиля в «световой волне» формируется максимальная яркость. С часу ночи и до начала рассвета мост без автомобилей освещен первой (минимальной) яркостью. «Световая волна» также максимальна по яркости. После рассвета все светильники выключаются.
В статье [4] показаны структуры осветительных линий. Возьмем за основу структуру показанную на рис. 1.
Рис. 1. Структура осветительной линии
Состав структуры: блок управления линией осветительных приборов (БУЛОП), является центральным звеном управления; фотодатчик (ФД), преобразует освещённость в месте установки в сигнал для БУЛОП; таймер (Т) (часы реального времени), подсчитывает реальное время; датчик присутствия (ДП), фиксирует наличие движения вместе установки; блок передатчика (БПр), сообщает необходимую информацию в центр управления энергосистемой; датчик напряжения (ДН), позволяет измерять действующее значение сетевого напряжения и/или фиксировать переход кривой сетевого напряжения через нуль; датчик тока (ДТ), позволяет диагностировать состояние осветительных элементов в линии и/или вносить коррективы в управление линией; центр управления энергосистемой (ЦУ); блок управления регулятором мощности (БУРМ); осветительный прибор (ОП), объединение осветительного элемента и других устройств; линия связи (ЛС), информационно соединяет БУЛОП и ОП, линии связи могут быть проводные или беспроводные; устройство сопряжения (УС), формирует сигналы для передачи по линии связи; осветительный элемент (ОЭ), является источником света; регулятор мощности (РМ), позволяет управлять мощностью подводимую к светильникам.
Элементы структуры, обозначенные сплошной линии, являются обязательными. Элементы, обозначенные штриховой линии, используются при необходимости.
На основании рис.1 произведен синтез функциональной схемы центрального блока (блок управления линией осветительных приборов, датчики, таймер, устройство сопряжения), которая представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема блока управления линией осветительных приборов
На рис. 2 обозначено:
– ДН — датчик напряжения сети;
– Тр — трансформатор (может использоваться ZMPT101B);
– В — выпрямитель;
– СФ — сглаживающий фильтр;
– Т — таймер реального времени (может использоваться DS1307);
– П — память системы (может использоваться SST26VF064B);
– MCU — микроконтроллер (схема ориентирована на использование AVR128DB28);
– GSM — модуль GSM (может использоваться Simcom SIM800L);
– ПрИ — преобразователь интерфейсов (может использоваться MAX13442E);
– СНС — схема начального сброса (может использоваться супервизор питания BD4856).
Система построена по радиальному принципу, но подключение устройств интерфейсу RS-485 происходит по магистральному принципу.
Датчик напряжения сети формирует эквивалентное постоянное напряжение, которое поступает на вход на внутреннего аналого-цифрового преобразователя. Таким образом микроконтроллер получает информацию о значении действующего напряжения сети. Если это значение меняется в пределах ±10 %, то светильники настраиваются так чтобы их яркость не изменилась. При больших отклонениях напряжения полностью скомпенсировать изменение яркости светильников не удается. Отклонение действующего напряжение больше ±20 % считается аварийной ситуацией и светильники отключаются.
Таймер реального времени (астротаймер) обслуживается по интерфейсу I 2 C. Память системы, которая предназначена для запоминания промежуточных данных, а также информации о географических координатах моста, загружаемые в нее перед монтажом, обслуживается по интерфейсу SPI.
Модуль GSM служит для посылки sms-сообщений пользователю о текущей ситуации (при запросе) и при нестандартных ситуациях (по факту). Посредством преобразователя интерфейсов из UART формируется RS-485 по которому опрашиваются датчики наличия машин.
Схема начального сброса формирует сигнал сброса для микроконтроллера в начале работы системы. В качестве данной схемы может использоваться супервизор питания.
При работе только от реального времени суток и при дополнении системы устройствами мониторинга с выходным интерфейсом RS-485 (газоанализаторы, например, сигнализаторы загазованности СЗЦ-3, датчики вибрации и сейсмических колебаний, например, УСМ-АСН, другие устройства) систему можно применять в тоннелях. При длине объекта больше 1000 метров применяются усилители сигнала интерфейса RS-485, например, АС5.
Литература:
1. Тетри, Э. Л. Экономия электроэнергии благодаря энергосберегающему освещению / Э Тетри, Л. Халонен // Светотехника. — 2009. — № 5. — С. 59–64.
2. Никуличев, А.Ю., Сапронов А. А. Принцип построения эффективных систем управления уличным освещением // Изв. ВУЗов. Электромеханика (спец. выпуск). — 2008. — С.135–137.
3. Бонати, А. Энергосбережение посредством интеллектуальных систем светорегулирования / А. Бонати // Светотехника. — 2009. — № 4. — С. 41–44.
4. Ульянов, А. В. Разработка энергоэффективных систем освещения / А. В. Ульянов, Р. В. Шибеко, С. М. Копытов // Современные наукоемкие технологии. — 2019. — № 3 (часть 2) — С. 199–206.
