Интеллектуальное управление наружным освещением перрона Пулково-2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном дипломном проекте было разработано устройство управления освещением. Также данное устройство выполняет мониторинг электропотребления и параметров питающей сети. В проекте проведен анализ существующих АСУНО, проанализированы их недостатки, разработаны принципиальные схемы, конструкция, ПО и приведены необходимые технико-экономические расчёты.
Отличительными чертами, разработанного устройства являются: возможность удаленного контроля и настройки, универсальность и хорошая масштабируемость, низкая , в сравнение с другими системами стоимость, применение датчиков тока на основе эффекта Холла, что позволило учитывать постоянную составляющую.
Разработанное устройство полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания.

...

ВВЕДЕНИЕ 2
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 2
1.1 Общие принципы функционирования систем управления освещением 2
1.3 Обзор существующих систем АСУНО 2
1.4 Особенности применения систем освещения аэропортов 2
1.5 Датчики тока на основе эффекта Холла 2
2 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ 2
2.1 Разработка структурной схемы 2
2.1.1 Управляющий модуль 2
2.1.2 Контроллер сети 2
2.1.3 Методика расчета мощности 2
3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 2
3.1.Выбор микроконтроллера 2
3.2 Выбор аналогово-цифрового преобразователя 2
3.2.Описание используемых микросхем 2
4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 2
4.1 Расчет схемы управляющего модуля 2
4.2 Расчет сетевого трансформатора 2
4.3 Моделирование работы устройства 2
4.4 Анализ полученных результатов 2
4.5 Описание алгоритма работы управляющего модуля 2
4.6 Описание программы управляющего модуля 2
5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ 2
5.1 Конструкция устройства 2
5.2 Расчет надежности устройства 2
6. ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 2
6.1. Введение 2
6.2. Анализ опасных и вредных производственных факторов воздействующих на электромеханика управления 2
6.3. Требования безопасности во время работ 2
6.4 Расчет освещения 2
6.5 Мероприятия пожарной безопасности 2
6.6 Мероприятия по электробезопасности 2
6.7 Проектирование механической местной вентиляции 2
6.8 Экологичность проекта 2
7. технико-экономическое обоснование 2
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 2
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 2

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стала очень актуальна проблема разработки, проектирования и создания автоматизированных систем управления системами зданий и домов. Подобные системы автоматизации помогают более эффективнее и экономичнее использовать энергетические ресурсы (газ, электроэнергия), воду.
В последнее время активно развивается ниша автоматизированных систем управления. Наиболее развиты подобные системы на предприятиях для управления различными процессами производства и в сфере частного жилья, так называемые системы «умный дом», позволяющие повысить уровень жизни.
Широкое распространение получили автоматизированные системы управления освещением. Подобные системы кроме удобства и наглядности, позволяют экономить, по разным данным, от 30 до 70 процентов затрат на освещение за счет чер едования вечернего, ночного и утреннего режимов управления в автоматическом режиме и по командам диспетчера с единого диспетчерского пункта. Наиболее часто подобные системы применяют для дистанционного управления освещением дорог, мостов, проспектов, в зависимости от времени суток, погодных условий и т.д. Однако подобные системы можно эффективно применять и на производстве, например для экономии, как электроэнергии в общем виде, так и мощностей систем освещения.
Вопросы экономного потребления электроэнергии актуальны сегодня как никогда. С ростом экономики в крупных городах все чаще ощущается нехватка энергии в периоды пикового потребления. Эта проблема наиболее актуальна именно сейчас, так как цены на энергоносители неуклонно растут.
Один из путей снижения расходов - это внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии. Установка АСКУЭ позволяет решить следующие задачи: оперативный контроль потребления электроэнергии; снижение технических потерь электроэнергии; автоматизация составления балансов электроэнергии и мощности; защита данных от несанкционированного доступа и т. д. Внедрение системы позволяет также оптимально использовать основное оборудование, сделает возможными анализ и планирование производства и потребления электроэнергии. Потери снижаются благодаря повышению точности и достоверности учета электроэнергии, сокращению времени сбора и обработки данных.
При эксплуатации технической системы АСКУЭ экономический эффект достигается за счет жесткого контроля за потреблением цехов, ограничения потребления активной мощности в часы максимума энергосистемы, а часто и просто воровства электроэнергии в сетях.
Объединив систему учета электроэнергии и систему контроля и управления освещением можно создать комплексную систему управления освещением и мониторингом затрат электроэнергии, которая позволит как упростить настройку, снизить затраты на обслуживание и ремонт, так и добиться экономии электроэнергии. Подобная система будет уникальна за счет своей универсальности(может быть использована для управления освещением дворов, цехов и прилегающих к ним территорий, производственных объектов) и масштабируемости.
В данной дипломной работе стоит задача разработать подобную систему комплексного контроля, которая будет как отслеживать потребление электроэнергии, так и поддерживать оптимальный уровень наружного освещения.
Практическая значимость работы заключается в том, что спроектированная система, как и сама тема дипломного проекта, весьма актуальна и, как было показано выше, будет пользоваться спросом у покупателей.
Актуальность темы связана с тем, что при проектировании данной системы будут учтены требования к освещению аэродромов и специфические требования для этих объектов, а также использована современная элементная база.
Практическая значимость работы заключается в том, что проектируемую систему при желании можно модифицировать под другие требования, что позволит при минимальных вложениях времени и средств управлять другими параметрами помещения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
 провести описание предметной области;
 провести обзор существующих решений;
 выбрать элементную базу;
 написать программу для микроконтроллера

Измерение мощности происходит путём перемножения входных сигналов, поступающих с датчика тока (шунт) и датчика напряжения (резистивный делитель) однофазной сети.Микроконтроллер (МК) выполняет функции вычисления измеренной энергии, связи с энергонезависимой памятью, отображение её на ЖКИ или УО и формирование импульсов телеметрии.В многотарифных счётчиках дополнительно встроен внутренний тарификатор, который ведет учет реального времени. МК периодически определяет текущую тарифную зону, ведет многотарифный учёт энергии в соответствии с тарифным расписанием. Счётчики многотарифные имеют встроенный последовательный интерфейс связи IrDA, обеспечивающий обмен информацией с компьютером в соответствии с протоколом обмена. Кроме данных об учтённой электроэнергии в энергонезависимой памяти хранятся калибровочные коэффициенты, тарифное расписание, серийный номер, версия программного обеспечения счётчика и другая информация, необходимая для конфигурации счетчика.Счётчики «Меркурий-202.22», «Меркурий-202.22Т», «Меркурий-202.42», «Меркурий-202.42Т» дополнительно имеют встроенный PLC-модем для связи по силовой низковольтовой сети.Счётчики имеют телеметрический выход с оптической развязкой для поверки счётчиков и для использования в ранее разработанных и эксплуатируемых автоматизированных системах технического и коммерческого учёта потребляемой электроэнергии.Однотарифные счётчики обеспечивают регистрацию и хранение значений потребляемой электроэнергии от начала эксплуатации.Многотарнфные счётчики дополнительно обеспечивают:- регистрацию и хранение значении накопленной электроэнергии по каждом тарифу и сумму потребляемой электроэнергии по всем тарифам от начала эксплуатации;- обмен информацией с IBM PC (через интерфейс связи IrDA или PLT-модем);- регистрацию и хранение значений накопленной электроэнергии по всем тарифам на начало каждого из предыдущих 12 месяцев с нарастающим итогом;- переход с «летнего» времени на «зимнее» и с «зимнего» на «летнее»;- программирование и чтение тарифного расписания и расписания праздничных дней, текущего времени, даты, параметров циклической индикации, времени индикации, числа действующих тарифов, разрешения перехода с «летнего» времени на «зимнее» и с «зимнего» на «летнее» и т.д.;- установку лимита мощности и лимита энергии за месяц, по превышению которых выдаётся команда на отключение потребителя от нагрузки (управление нагрузкой).Счётчики выпускаются класса точности 1 или 2. Класс точности обозначается на шкале.Класс зашиты от проникновения пыли и воды IP51 по ГОСТ 14254.Корпус счётчиков изготовляется методом литья из ударопрочной пластмассы, изолятор контактов изготовляется из пластмассы с огнезащитными добавками.Основные технические характеристики:Номинальная сила тока, А ............................................................................ 5 или 10Максимальная сила тока. А.........................................................................50 или 80Номинальное напряжение, В..................................................................................220Диапазон частот измерительной сети, Гц........................................................50±2,5Класс точности .................................................................................................1 или 2Чувствительность. Вт- при Iном =5 А для счётчиков класса точности 1 и 2 соотв-но...........2.75 и 5.5- при Iном = 10 А для счётчиков класса точности 1 и 2 соот-но.............5,5 и 11Цена одного разряда счётного механизма: для устройства отсчётного электромеханического:- младшего. кВт*ч ........................................................................................... 0,01- старшего. кВт-ч ........................................................................................10 000 для ЖКИ:- младшего. кВт*ч ........................................................................................... 0,01- старшего, кВт-ч .......................................................................................100000Максимальные параметры импульсного выхода:- напряжение не менее. В....................................................................................24- сила тока не менее. мА .....................................................................................30Постоянная счётчиков, имп/кВт*ч....................................................3200 или 6400 или 5000 или 10000 Полная мощность, потребляемая цепью напряжения не более, В∙А.................10Активная мощность, потребляемая цепью напряжения не более, Вт................. 2Полная мощность, потребляемая цепью тока не более, В∙А...............................0.1Средняя наработка на отказ, ч..........................................................................140000Средний срок службы, лет ......................................................................................30Диапазон рабочих температур. °С.......................................от минус 40 до плюс 55Масса счётчика, кг ...............................................................................................0,6Габаритные размеры счётчиков, мм...............................................204x119x56Счетчики электроэнергии трехфазные СТС-5602, СТС-5605. Счетчики серии СТС – это трехфазные цифровые измерительные приборы, сочетающие в себе многофункциональный микропроцессорный счетчик и измеритель показателей качества электроэнергии. Счетчики предназначены для многотарифного учета активной и реактивной энергии и мощности прямого и обратного направления.СТС5602 – используется в энергосистемах и на промышленных предприятиях, обеспечивая точность по классам 0,2S и 0,5S; СТС5605 – в энергосистемах, на промышленных предприятиях, у непромышленных и мелкомоторных потребителей, обеспечивая точность по классам 0,5S и 1. Счетчики серии СТС применяются в АСКУЭ для передачи измеренных величин на диспетчерский пункт контроля, учета и распределения электрической энергии, а также в центры сбора данных по коммерческим расчетам.Счетчики СТС удовлетворяют требованиям стандартов ГОСТ 30206 (МЭК 62053-22), ГОСТ 30207 (МЭК 62053-21) для активной энергии и ГОСТ 26035 (МЭК 62053-23) для реактивной энергии. По способу защиты человека от поражения током счетчики соответствуют классу II ГОСТ 12.2.007.0. По безопасности эксплуатации удовлетворяют требованиям ГОСТ 22261 и ГОСТ 51350. По устойчивости к климатическим воздействиям счетчики относятся к группе 5 по ГОСТ 22261, по условиям климатического исполнения к категории УХЛ 3.1 в соответствии с ГОСТ 15150.Счетчики имеют степень защиты IP51 (корпус) и IP20 (клеммная колодка) согласно требованиям ГОСТ 14254.Входные измерительные цепи счетчика закрыты сплошным ферромагнитным экраном с целью исключения влияния электромагнитных полей на точность измерения. Сертифицирована функция измерения и отображения на дисплее величин тока, напряжения, коэффициента мощности, энергии в каждой фазе с погрешностью не хуже 0,5%.Присутствует специальный вход для синхронизации часов от внешнего устройства точного времени. В качестве датчиков тока использованы компенсированные токовые трансформаторы. В токовых трансформаторах используется провод с двойной изоляцией. При большом динамическом диапазоне 1 (6) A; 5(10)А счетчик является прецизионным измерителем на малых нагрузках.Счетчик обеспечивает высокую точность измерений при очень малой фазовой угловой ошибки, высокую температурная и временную стабильность.Счетчик измеряет энергию при cosφ = 0,5 с погрешностью не более 0,1 %.В счетчике организован вход для вспомогательного источника с широким диапазоном напряжения переменного или постоянного тока 48 - 300 V (AC/DC).В аналого-цифровом преобразователе (ADC) производится одновременное преобразование по току и напряжению с синхронизацией при помощи часов реального времени. В счетчике реализована возможность формирования в памяти готовых таблиц данных с помощью прилагаемого программного обеспечения для считывания одной простой командой запроса большого массива измеряемых величин. При отсутствии напряжения может быть произведено считывание данных из счетчика посредством оптопорта, при этом питание на схему счетчика поступает от внутренней или внешней батареи. Входы и выходы счетчика способны выдерживать импульсы напряжения до 8 кВ. В счетчиках реализован и сертифицирован учет удельных потерь в линии. Функции, реализуемые счетчиком:Измерение активной электрической энергии в трехфазных четырех- и трехпроводных сетях переменного тока по двум направлениям;измерение реактивной электрической энергии в четырех- и трехпроводных сетях переменного тока по квадрантам; определение суммарной (по трем фазам) активной мощности; определение суммарной (по трем фазам) реактивной мощности; измерение частоты; формирование профиля нагрузки; учет кратковременных и длительных перерывов в подаче электропитания (запоминает до 32-х последних отключений электропитания с указаниям даты/времени отключения и даты/времени включения); регистрация учетной информации с заданным интервалом (1-60 мин.); фиксация максимальной мощности нагрузки на расчетном интервале времени;учет удельных потерь в линии c погрешностью 0,5%. Для этого измеряется квадрат тока и квадрат напряжения с частотой 3200 Hz (0,3ms);обмен данными (простые команды, телеграммы) по силовой сети;возможность подключения к счетчику датчиков воды, газа или других электросчетчиков с импульсным выходом или типа «сухой контакт» для чего в счетчике организовано 4 входа и обеспечивается отображение данных на дисплее и хранение в памяти накопленных величин потребления газа, воды и электроэнергии;контроль несанкционированных вмешательств, мониторинг вскрытия счетчиков и манипуляций с магнитами.Технические характеристики:Номинальная сила тока, А ................................................................................ до 10Максимальная сила тока. А................................................................................до 60Номинальное напряжение, В.......................................................................3х220/380Частота сети, Гц........................................................................................................50Класс точности по активной энергии.............................................................0,5; 1,0;Класс точности по реактивной энергии.........................................................1,0; 2,0;Постоянная счётчика(программируемая), имп/кВт*ч............................5000-50000 Постоянная счётчика(программируемая), имп/кВар*ч..........................5000-50000Цифровые интерфейсы……………………………………….один или два RS-485Скорость обмена…………………………………….………………………300-9600Количество тарифов…………………………………………………………………8Межпроверочный интервал, лет..............................................................................10Средний срок службы, лет .......................................................................................30Диапазон рабочих температур. °С.......................................................от - 40 до + 55Габаритные размеры счётчиков, мм........................................................328x178x60Анализируя приведенные выше данные, можно сделать следующие выводы. Счетчики используют схожие технические решения [36,38]. Специализированные интегральные микросхемы измерения мощности очень широко распространены на рынке и применяются во многих счетчиках мощности[30,34,35]. Выходная информация представлена в виде последовательности импульсов со средней частотой, пропорциональной произведению входных аналоговых напряжений. Рассмотрим более подробно работу таких счетчиков на примере ИС ADE7755[37], одной из наиболее популярных микросхем-счетчиков, предназначенной для работы в однофазной сети и имеющую импульсный выход для подключения электромеханического счетного устройства. Два имеющихся в ИС АЦП преобразуют сигналы напряжения, поступающие от преобразователей в цифровой код. Эти АЦП представляют собой 16-разрядные дельта-сигма АЦП второго порядка с частотой дискретизации 900 кГц. Такая структура аналоговых входов обеспечивает высокую точность, линейность и динамический диапазон, а также упрощает устройство фильтра. Фильтр высокой частоты в токовом канале устраняет составляющую постоянного тока из токового сигнала. Этим исключается погрешность при подсчете активной мощности, связанная с наличием постоянного смещения в сигналах напряжения или тока. Активная мощность вычисляется из сигнала мгновенной мощности. Сигнал мгновенной мощности вычисляется прямым перемножением сигналов тока и напряжения. Для того чтобы получить сигнал активной мощности (т.е. постоянную составляющую сигнала мгновенной мощности), сигнал мгновенной мощности пропускается через низкочастотный фильтр . Эта схема позволяет корректно вычислять активную мощность при токе и напряжении несинусоидальной формы и при любом сдвиге фаз между ними (при любых коэффициентах мощности). Вся обработка сигналов осуществляется в цифровом виде, что обусловливает максимальную температурную и временную стабильность[37]. Функциональная схема счетчика представлена на рисунке 1.1. 981075239395Рисунок 1.1 – Функциональная схема ИС ADE775500Рисунок 1.1 – Функциональная схема ИС ADE7755На выходе ИС генерирует низкочастотные импульсы. Каждый импульс соответствует некоторому накопленному количеству электроэнергии. Таким образом, выходная частота пропорциональна средней активной мощности. Использование ИС ADE7755, а также других подобных микросхем- счетчиков весьма эффективно, однако ограничивает возможности расширения и не позволяет связать несколько счетчиков в единую измерительную сеть. Решить эту проблему можно, если использовать вместо специализированной микросхемы счетчика отдельный микроконтроллер[38], который будет выполнять все функции счетчика, а также даст возможность организовать передачу данных между датчиком мощности и контроллером сети для центролизированного учета потребляемой энергии.Если в качестве датчиков напряжения на входе счетчика обычно используются простые резистивные делители, то с датчиками тока дело обстоит сложнее, поэтому рассмотрим их отдельно. 1.3 Обзор существующих систем АСУНОРассмотрим в качестве примера готовую систему для управления освещением на предприятии, производства «Связь инжиниринг М». Назначение системы и её экономическая эффективность.Система контроля освещения производства предназначена для дистанционного контроля и управления освещением на удалённых или ответственных объектах. С помощью данной Системы можно:удалённо включать/выключать освещение автоматически или по команде диспетчера,использовать Систему как дублирующую для систем включения/выключения освещения по реле времени или по фотоэлементам,удалённо контролировать количество вышедших из строя ламп (любых однотипных) на каждой фазе подключения для их оперативной замены;отслеживать несанкционированное подключение к системе электропитания ламп;удалённо контролировать энергопотребление ламп освещения;передавать данные об энергопотреблении в энергоснабжающую организацию (по желанию Заказчика);строить собственную систему технического учёта потребления электроэнергии (АСТУЭ) и/или систему коммерческого учёта с сертификацией (АИИС КУЭ).Экономическая эффективность системы определяется следующими факторами:позволяет обеспечивать постоянный контроль состояния освещения на ответственных объектах (мосты, населённые пункты, виадуки, режимные объекты) и тем самым помогает обеспечивать 100% выполнение задачи освещения регламентируемых законодательством объектов;позволяет экономить ГСМ и рабочее время персонала при выездах для осмотра удалённых объектов на предмет наличия перегоревших (разбитых) ламп и снятия показаний с электросчётчиков;позволяет получать денежную экономию при выполнении требований энергоснабжающих организаций по установке электросчётчиков с передающими GSM;позволяет экономить электроэнергию при выходе из строя локальной системы автоматики контроля освещения за счёт дистанционного управления;Структурная схема работы.Структурная схема представлена на рисунке12782552936875Рисунок 1.7. – Структурная схема СУО производства «Связь инжиниринг М».00Рисунок 1.7. – Структурная схема СУО производства «Связь инжиниринг М».