science-review.ru
Согласно требованиям Федерального закона от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», к промышленным предприятиям предъявляются требования о повышении энергоэффективности [1].
Снижение энергозатрат при оптимизации искусственного освещения промышленных помещений предприятия позволяет снизить финансовые затраты организации. С освещённостью рабочих мест непосредственно связана безопасность выполняемых работ [2]. Освещенность рабочего места может влиять на производительность труда персонала. Таким образом, на сегодняшний день внедрение новых технологий адаптивного искусственного освещении является целесообразным и экономически оправданным.
Одним из способов снижения энергозатрат является уменьшение числа часов использования осветительных установок в год. Системы автоматического управления освещением позволяют оптимизировать режимы работы искусственного освещения с учетом динамики изменения естественного освещения, трафика людского потока, нахождения рабочего персонала на рабочих местах. Системы автоматического управления (САУ) позволяют производить регулирование яркости источников света от 100 % до 0 % [3], что в свою очередь повышает их энергоэффективность.
Целью исследования, описанного в данной статье, является определение оптимальных подходов к управлению для формирования адаптивного искусственного освещения промышленных помещений предприятия.
Материалы и методы исследования
Для оценки оптимальных режимов работы системы автоматического управления освещением была разработана экспериментальная модель. За основу модели была взята проводная система с цифровым управлением освещением. В ее состав были включены такие составляющие: датчик освещённости, блок питания, микроконтроллерный блок на базе STM32F0, модуль расширения, модуль ввода/вывода, автоматический выключатель, реле, пускатель, светодиодные осветительные приборы. Для контроля параметрами данной системы использовались двенадцать датчиков освещенности, которые контролируют освещенность в помещении. Информация с датчиков поступает на микроконтроллер. Для расширения количества опрашиваемых входов на контролере использовались модули расширения. Для передачи данных использовался стандарт физического уровня RS-485 с модифицированным протоколом, сформированным на базе Modbus RTU.
Основным принципом управления предлагаемой системы являлось ранжирование производственной территории на зоны, определение для каждой зоны уставки освещенности с учетом расположения рабочих мест, а также вида трудовой деятельности. При этом система должна была регулировать яркость искусственного освещения с учетом динамики изменения светового потока естественного освещения в помещении в течение всего рабочего дня. При разработке модели было принято решение сократить количество релейного отключения световых установок, предусмотрев возможность плавного снижения освещенности. Следует учитывать, что плавное изменение мощности осветительных приборов является оправданным с точки зрения отказоустойчивости осветительного прибора. На промышленных предприятиях с учетом большого числа осветительных приборов оправданным является учет работочасов и планирование замены осветительных устройств и их элементов, ввиду чего было предусмотрено использование режима реального времени для ведения программного журнала учета работочасов осветительных устройств с учетом их коммутации.
Алгоритм работы системы автоматического управления освещением начинается с чтения уставок, задаваемых пользователем при первичном пуске системы (последующие запуски не требуют записи уставок). В качестве уставок указываются: режим работы (продолжительность рабочей смены и их число в сутках), количество зон работы, количество используемых осветительных устройств по каждой зоне, требуемая освещенность по каждой контролируемой рабочей зоне, время отключения при бездействии (для зон непостоянного нахождения людей). Уставка освещенности по каждой контролируемой рабочей зоне подбиралась согласно требованиям ГОСТ Р 55710-2013 Освещение рабочих мест внутри зданий. Нормы и методы измерений [4].
После определения уставок и опроса периферии на наличие ошибок система в режиме реального времени контролирует значение измеренной освещенности в каждой зоне и сверяет ее с уставкой освещенности. Если в контролируемой зоне выявлено избыточное освещение, то происходит понижение яркости осветительного прибора вплоть до отключения. В случае недостаточной освещенности рабочего места контролируемой зоны система должна включить, а затем, если требуется, увеличить яркость осветительного прибора с 10 до 100 %.
Ввиду необходимости решения задачи оптимального регулирования освещенности при наличии возмущающих воздействий (естественного освещения) было решено использовать пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор. Для анализа работы системы представим ее в упрощенном виде. На рис. 1 представлена блок-схема автоматической системы управления освещением.
Для анализа принципов оптимального регулирования была взята математическая модель пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора [5]:
где Xp – полоса пропорциональности;
Ei – величина рассогласования;
τд – постоянная времени дифференцирования;
ΔEi – разность между двумя измерениями величины рассогласования;
Δtизм – время между двумя соседними измерениями Ti и Ti-1;
τи – постоянная времени интегрирования;
– накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).
Для формирования управляющего сигнала от микроконтроллерного блока использовалось формирование ШИМ-сигнала, подаваемого по каналу связи на МОП-транзисторы, управляющие светодиодными лампами. За счет ШИМ-модуляции в систему вводилась возможность корректировки яркости освещения (рис. 2) с учетом наличия или отсутствия естественного освещения в помещении.
Для формирования ШИМ-модуляции использовался программный алгоритм, реализованный на базе микроконтроллера STM32F0.
Результаты исследования и их обсуждение
Из анализа типовых схем [6] система управления должна отвечать следующим критериям:
- Max ошибка (100 / 64)*2 = 0,78;
- время регулирования ≤ 18,3 c.
Тогда передаточная функция регулятора примет вид
После преобразований получим математическую зависимость (рис. 3).
Рис. 1. Блок схема АСУ освещением предприятия
Рис. 2. Зависимость яркости от ШИМ-модуляции
Рис. 3. Математическая модель системы автоматического управления искусственным освещением
Рис. 4. Структурная схема в программе VisSim
Рис. 5. ЛАЧХ ЛФЧХ с ПИД-регулятором
Для оценки показателей работы модели автоматического управления искусственным освещением было выполнено компьютерное моделирование в программе VisSim. На рис. 4 изображена структурная схема, построенная в VisSim. При компьютерном моделировании были получены логарифмические амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики (далее ЛАЧХ, ЛФЧХ) работы системы автоматического управления (рис. 5).
На рис. 1–4 изображена временная зависимость реакции системы на возмущающее воздействие (в данном случае изменения естественной освещенности помещения).
На основании полученных результатов математического и компьютерного моделирования автоматической системы управления освещением предприятия была создана система, позволяющая поддерживать заданную освещенность в помещении в зависимости от естественного освещения. Из анализа полученных данных ЛАЧХ и ЛФЧХ с ПИД можно сказать, что время реакции системы является применимым для систем реального времени. В свою очередь использование при управлении ШИМ-модуляции позволяет установить требуемый уровень яркости с учетом уровня естественного освещения в помещении.
Преимуществом разработанного метода является быстрое адаптивное управление искусственным освещением промышленных помещений предприятия, что позволит повысить энергоэффективность систем искусственного освещения и снизить энергозатраты.
Заключение
Предложенный метод является адаптивным к уровню естественного освещения и обладает достаточной реакцией по возмущению, что позволяет автоматически регулировать яркость искусственного освещения при изменении уровня естественного. Использование изменения яркости осветительного прибора позволяет снизить количество коммутаций, что позволит несколько увеличить срок службы осветительного устройства. Возможность выставления уставки яркости осветительного прибора в соответствии с нормами освещенности рабочего места [4] позволит улучшить условия труда.