Локально-централизованная система дистанционного управления освещением на базе ЭПРА с частотным регулированием мощности люминесцентных ламп

Актуальность работы. В настоящее время, большое внимание уделяется проблеме экономии электроэнергии при освещении помещений. Внедрение регулируемых электронных пускорегулирующих аппаратов открывает широкие возможности в плане построения систем управления освещением. Их применение обеспечивает возможность значительной экономии электроэнергии и формирования комфортных режимов освещения в жилых и офисных помещениях [2,12].

Российские компании на сегодняшний день только выходят на рынок систем управления освещением, поэтому пока им трудно конкурировать с ведущими мировыми производителями в данной области. Однако, большинство СУО, которые предлагают зарубежные компании, поставляются в ограниченном количестве и относятся к централизованным системам, что в свою очередь предопределяет их высокую стоимость и определённую область применения.

Рынок систем управления освещением имеет тенденцию к постоянному росту, в частности, появилась ниша относительно дешёвых СУО с менее широкими функциональными возможностями (по сравнению с централизованными системами), основным достоинством которых является экономия электроэнергии, а также возможность адресного управления световым потоком светильников и их диагностики на наличие неисправностей [40]. Главными потребителями систем такого уровня являются административные учреждения, предприятия, частные фирмы и т. д. Таким образом, у разработчиков появляется возможность занять указанную нишу, предлагая относительно недорогие системы управления освещением.

С целью дальнейшего развития принципов построения СУО, целесообразно рассмотреть возможность и определить эффективность применения систем дистанционного управления освещением с ИК — каналом приёма и передачи информации, обладающих функциями как локальных, так и централизованных систем, что позволит сохранить широкие функциональные возможности, упростить монтаж системы и снизить её себестоимость.

Цель работы. Разработка и исследование элементов локально — централизованной системы управления освещением, которая позволяет обеспечить дистанционное адресное управление световым потоком отдельных либо группы светильников с помощью пульта дистанционного управления, а также централизованную диагностику причин отказов осветительных установок на базе персонального компьютера с применением специально разработанного программного обеспечения. Кроме этого, решается задача по разработке средств математического моделирования и прикладных программ для исследования ЭПРА с частотным регулированием мощности люминесцентных ламп.

В соответствии с поставленной целью сформулированы задачи работы:

— анализ принципов построения современных систем управления освещением и их отдельных функциональных узлов, а также средств моделирования и автоматизированного проектирования, которые применяются при разработке СУО;

— разработка элементов локально — централизованной системы управления освещением;

— разработка экспериментальной установки для снятия электрических характеристик различных типов современных люминесцентных ламп при высокочастотном питании;

— разработка программы автоматизированного расчёта параметров ЭПРА;

— разработка модели регулируемого ЭПРА с люминесцентными лампами и системой управления с применением среды MatLab с целью проведения исследований различных схемотехнических вариантов построения данных аппаратов.

Методы исследования. В диссертации использованы методы математического моделирования, программирования, схемотехнического анализа, теории измерений, экспериментальные методы.

Научная новизна работы:

— предложен принцип построения и структура локально — централизованной системы дистанционного управления освещением, а также разработаны её элементы с применением микроконтроллерных средств;

— разработана экспериментальная установка для снятия электрических характеристик современных типов люминесцентных ламп при высокочастотном питании, позволяющая формировать токи в цепи лампы и напряжения на ней с учётом регулировки светового потока JIJI, а также выполнять компьютерную обработку результатов измерений;

— разработана модель регулируемого ЭПРА с люминесцентными лампами и системой управления с применением среды MatLab на основе сочетания методов имитационного и структурного моделирования, что позволяет значительно упростить её, а также повысить скорость вычислений. При этом модель JIJI не требует математического описания внутренних процессов лампы, так как достаточным является лишь наличие вольтамперной характеристики, которая задаётся в табличной форме с применением функциональных модулей среды «MatLab.

Практическая ценность работы:

— предложена локально — централизованная система дистанционного управления освещением с ИК — интерфейсом;

— на основе проведённых исследований разработана экспериментальная установка для снятия электрических характеристик современных типов люминесцентных ламп при высокочастотном питании;

— разработан и изготовлен макетный образец регулируемого ЭПРА с микроконтроллерной системой управления, пульт дистанционного управления с ИК — интерфейсом, которые являются основными элементами указанной системы управления освещением;

— разработанное программное обеспечение СУО может найти практическое применение в аналогичных системах на светодиодах.

Положения, выносимые на защиту:

— принципы построения и схемотехнические решения локально — централизованной системы управления освещением;

— комплект программ для реализации алгоритма работы системы;

— математическая модель ЭПРА с частотным регулированием мощности люминесцентных ламп;

— результаты исследования процесса изменения тока в цепях электродов люминесцентных ламп при регулировании мощности в различных схемах электронных пускорегулирующих аппаратов.

Личный вклад автора. Обоснование поставленных задач и перспективных направлений исследований, разработка основных положений второй, третьей и четвёртой глав диссертации, создание установки для снятия электрических характеристик люминесцентных ламп и макетного образца ЭПРА с дистанционным управлением выполнены совместно с к.т.н., доцентом Витковским О. П. Компьютерное моделирование, написание прикладных программных средств, проведение исследований, анализ научных и практических результатов выполнены автором самостоятельно.

Достоверность результатов работы основана: на экспериментальном подтверждении адекватности используемых при исследовании моделейна достаточном совпадении экспериментальных и расчетных данныхна успешном внедрении в практику решений, полученных на основе теоретических разработок.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры радиотехники Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарёва (Саранск 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 г. г.), на IV Всероссийской научно — технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2006 г.), на V и VI Республиканской научнопрактической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (Саранск, 2006, 2007 г. г.), на V Всероссийской молодёжной научной школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ в сборниках, журналах, тезисах докладов на конференциях.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Общий объём диссертации 173 страницы, включая 8 таблиц, 66 рисунков и 5 приложений.

Список использованных источников

содержит 82 наименования.

Выводы:

1. Для решения задач, связанных с разработкой и исследованием регулируемых электронных пускорегулирующих аппаратов, перспективным является разработка модели ЭПРА с люминесцентными лампами и системой управления, позволяющая проводить исследования работы данных устройств, при различных параметрах выходного каскада и электрических характеристиках нагрузки. Кроме этого, модель должна обладать высокой информативной способностью, а также иметь достаточно приемлемую для инженерной практики точность.

2. С целью повышения точности расчётов ЭПРА, а также сокращения сроков проектирования, целесообразным является разработка программы автоматизированного расчёта, которая выполняет следующие функции:

— расчёт параметров выходного каскада ЭПРА- '.

— расчёт частотного диапазона регулирования мощности;

— расчёт фазовой характеристики выходного каскада;

— расчёт номиналов навесных элементов программирования микросхемы драйвера.

3. Учитывая отсутствие информации о характеристиках ЛЛ при работе на высокой частоте, требуется разработка экспериментальной установки для снятия электрических характеристик современных типов люминесцентных ламп.

2 РАЗРАБОТКА ЛОКАЛЬНО — ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ.

2.1 Принцип построения локально — централизованной системы управления освещением с ИК — интерфейсом.

Данная система разработана с учетом её применения в административных, офисных и производственных помещениях с использованием наиболее популярных типовых конструкций светильников на четыре люминесцентные лампы типа L-18W/765 мощностью по 18 Вт каждая. Указанная конструкция светильников имеет достаточно большой спрос на российском рынке, однако в них используются низкочастотные ЭМПРА. Замена данных аппаратов на электронные позволит увеличить световой поток светильника примерно на 20% при неизменной потребляемой мощности, уменьшить пульсации светового потока, обеспечить защиту элементов схемы в аварийных режимах и гибкое управление световым потоком в диапазоне от 5% до 100%.

Структурная схема локально — централизованной системы управления освещением приведена на рис. 2.1. Система включает в себя следующие функциональные узлы:

— регулируемые ЭПРА на базе микросхемы IR21592 фирмы International Rectifier с микроконтроллерной системой управления (см. глава 3, п. 3.3);

— пульт дистанционного управления с ИК — интерфейсом и возможностью подключения его к персональному компьютеру;

— персональный компьютер для диагностики неисправностей светильников со специально разработанным программным обеспечением;

— светильники с люминесцентными лампами, число которых может варьироваться в зависимости от требований заказчика;

— специализированные датчики движения (МС 301 Sensor) и освещения (LXP — 03).

СВЕТИЛЬНИК! СВЕТИЛЬНИК? 4*1ВВт 4х] 8Вт.

СВЕТИЛЬНИК N 4х] «Вг.

ЛОКАЛЬНАЯ СУО ПОМЕЩЕНИЯ N светильник! светильника светильник!*.

1x1ВВт 1×1ВВт 4*1 В Вт.

RS-232.

Рис. 2.1. Структурная схема локально — централизованной системы управления освещением.

Представленную систему управления можно классифицировать как локально — централизованную, так как отдельные локальные системы освещения, в различных помещениях, управляются с помощью мобильного пульта, а диагностика состояния системы выполняется централизованно с помощью ПК.

Основные функции системы дистанционного управления освещением состоят в следующем:

— дистанционное включение и выключение света;

— регулировка светового потока ламп в диапазоне 5%-100%;

— при выключении и повторном включении напряжения сети сохраняется предыдущее значение светового потока светильника;

— адресное управление одним или группой светильников по желанию пользователя;

— диагностика причин нарушения работоспособности светильников.

В предлагаемой системе управления пульт выполняет часть функций компьютера, а ПК используется только для обработки информации о диагностике причин неисправности светильников. Поэтому, отпадает необходимость в использовании специализированного персонального компьютера, что существенно удешевляет систему управления освещением. Пульт дистанционного управления, выполненный на микроконтроллере, рис. 2.2, включает в себя клавиатуру, содержащую 10 клавиш (от 0 до 9) адресного выбора номера светильника. Для установки или изменения номера адреса используются функциональные клавиши «Программирование» и «Сброс». При этом в начале необходимо выполнить сброс ПДУ нажатием соответствующей клавиши, затем набрать адрес светильника и нажать клавишу «Программирование». Управление световым потоком осуществляется с помощью функциональных клавиш «+» и «-». В зависимости от длительности их удержания увеличивается либо уменьшается активная мощность, подаваемая на лампы и соответственно световой поток. Предусматривается также возможность ступенчатого изменения светового потока клавишами «Включено» и «Выключено» в широком диапазоне. Предварительно установленный световой поток сохраняется в памяти МК в различных режимах работы. При нажатии комбинации кнопок «0» и «Программирование» ПДУ отсылает запрос по ИК — каналу в один из выбранных ЭПРА о его состоянии. Микроконтроллерная система управления ЭПРА обрабатывает принятую информацию и по данному каналу передаёт в ПДУ данные о наличии либо отсутствии неисправностей. Принятая информация сохраняется в ОЗУ микроконтроллера пульта и может быть считана при подключении к ПК с помощью специально разработанного программного обеспечения (см. глава 2, параграф 2.4). положение ИК — светоднода у положение фотопрнёмннка Управление адресом — 12 3 4? ГШ.

5 6 7 8 а.

9 О ГРГ.

— Угравлегме яркостью а* блок клавиатуры кнопка программирования адреса светильника кнопка сброса адреса светильника блок управления яркостью светильников положение разъёма для подключения к ПК положение разьёма для подключения зарядного устройства.

Рис. 2.2 Внешний вид пульта дистанционного управления.

Принципиальная схема ПДУ приведена на рис. 2.3. Базовым узлом пульта является, микроконтроллер PIC16F627 [79], выполняющий следующие функции:

— сканирование клавиатуры. Для экономии числа используемых портов микроконтроллера клавиатура включена по матричной схеме 4×4;

— формирует кодовую последовательность импульсов на выходе RB3 (информация, передаваемая в ЭПРА), в, зависимости от набранной пользователем команды;

— принимает и обрабатывает информацию о состоянии светильников (порт RB0);

— передаёт информацию о состоянии светильников в ПК с применением приёмо-передающего модуля USART, входящего в состав МК.

Последовательность импульсов, которые формируют команду, с выхода RB3 микроконтроллера поступает на усилительный каскад на, транзисторе1 VT2, где выполняется их усиление и излучение с помощью ИК — светодиода VD5. При этом команды управления передаются путём амплитудно — импульсной модуляции несущей' частоты fHec = 36 кГц информационными битами. Логическая единица передается как пачка ВЧ импульсов в течение 1024 мкс, а логичеv ский ноль передается паузой той же длительности.

Приём данных от ЭПРА выполняется с применением специализированного фотоприёмника DA2 TSOP1736 [82], который детектирует, принятые импульсы и формирует на своём выходе их инверсную огибающую, рис. 2.4.

Благодаря встроенному в фотоприемник селективному фильтру, настроенному на частоту 36 кГц, обеспечивается хорошая помехозащищенность от внешних помех в инфракрасном диапазоне.

Обмен данными МК с ПК выполняется с применением микросхемы DDI МАХ232 по специализированному протоколу RS — 232 [37, 41].

XS1 «ЭЛРЯЛ*.

•12 В 1.

END 2.

OA! KP11S1EH502 ШЮ2 == 1 =.

XSJ 'СОК' яхо 2.

TXD 3.

D1R t.

SG S.

OSfi 6.

RTS 7.

CTS в.

OUT.

1 VDQ.

VSS.

Рис. 2.3. Принципиальная схема ПДУ Старт Пауза 1 О.

1024 1.

Рис. 2.4. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе фотоприёмника.

Питание ПДУ осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 4,8 В, для подзарядки которой в схеме предусмотрен стабилизатор тока, выполненный на элементах DAI, VD1 и R1. С целью экономии заряда аккумуляторной батареи, питание микросхемы DDI осуществляется только при подключении ПДУ через СОМ — порт к ПК, с этой целью в схему введён каскад на транзисторе VT1.

2.2 Особенности приёма и передачи дискретной информации в системе управления освещением.

В процессе работы локально — централизованной системы управления освещением с ИК — интерфейсом важное значение имеет безошибочная передача, приём и обработка команд управления, которые обеспечивают работу предлагаемой СУО, согласно ранее рассмотренному принципу.

Для передачи команд управления в светильник, а также его диагностики на наличие неисправностей разработан протокол передачи дискретной информации в инфракрасном диапазоне с применением амплитудно — импульсной модуляции на базе существующих способов передачи. Данные способы передачи дискретной информации можно классифицировать на две группы [69]:

— синхронные, при которых циклы заранее определённой длины следуют непрерывно друг за другом, следовательно, в приёмнике, заранее известны моменты начала и конца принимаемых циклов;

— стартстопные, при которых после окончания одного цикла последующий цикл может начаться в любой момент времени, в общем случае длина цикла может быть произвольной, поэтому заранее неизвестны моменты начала и конца принимаемых циклов.

При синхронном методе передачи единичные интервалы одинаковы и передаются через равные промежутки времени. При использовании стартстопно-го способа перед началом передачи сообщения передаётся сигнал начала передачи — «старт», а после окончания сигнал конца — «стоп». Промежуток между этими сигналами заполняется информационными единичными элементами, следующими друг за другом. При стартстопном способе передача кодовых комбинаций является асинхронной, так как передача информации может начинаться в любой момент времени, после окончания ранее переданной.

Наиболее целесообразным при разработке протокола передачи дискретной информации в локально — централизованной системе управления освещением с ИК — интерфейсом является применение стартстопного способа. Данный способ обеспечивает следующие преимущества по сравнению с синхронным:

— не требуется время на фазирование циклов при установлении связи;

— моменты начала передачи блоков информации могут быть произвольными;

— длина блоков передаваемой информации также может быть произвольной.

На рис. 2.5 приведён протокол обмена данными ПДУ с микроконтроллерной системой управления ЭПРА. На нём показаны временные диаграммы приёма и передачи команд управления с применением счётчиков TMR0 и TMR1 микроконтроллеров соответственно в ПДУ и ЭПРА.

Передача команд управления с ПДУ, в инфракрасном диапазоне, осуществляется по последовательному протоколу. В нём, каждый бит информации передается в течение заданного интервала времени и в строго заданной последовательности. По стартовому биту, на приемной стороне, инициализируется процесс начала приёма информации. С пульта дистанционного управления на ЭПРА передаются 16 бит информации 8 из которых, являются кодом адреса (БАО — БА7), 4 — кодом команды (БКО — БКЗ) и один — бит четности (БЧ), который необходим для повышения помехоустойчивости системы. Коды команд приведены в таблице 2.1.

TMRO 1.

Рис. 2.5. Временные диаграммы передачи (а) и приема (6) команд управления по специализированному протоколу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы решены следующие научные и практические задачи:

1. Разработана локально — централизованная система управления освещением с применением современных микроконтроллерных средств.

2. Разработан комплект программного обеспечения, включающий в себя:

— программное обеспечение системы управления светильниками;

— программу диагностики неисправностей светильников на базе персонального компьютера;

— программу автоматизированного расчёта параметров ЭПРА с частотным регулированием мощности ЛЛ на основе заданных электрических характеристик люминесцентных ламп.

3. Разработана экспериментальная установка для снятия электрических характеристик различных типов люминесцентных ламп при высокочастотном питании.

4. Разработана модель регулируемого ЭПРА с люминесцентными лампами и системой управления в среде MatLab. На базе данной модели проведены исследования процесса изменения тока в цепях электродов люминесцентных ламп в диапазоне регулирования мощности 5% - 100% для различных схем ЭПРА.

5. Изготовлены демонстрационный макет регулируемого светильника и пульт дистанционного управления с ИК — интерфейсом. Проведены испытания демонстрационного макета в номинальных и аварийных режимах. Результаты испытаний подтвердили работоспособность электрических схем и программного обеспечения.