Блок автоматизированного управления освещением

Устройство относится к энергосберегающим системам освещения и может быть использовано для автоматизированного управления сетями наружного и цехового освещения.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
- Патент «Remote switch loop based on GPRS controller» (CN 202121846, МПК G08C 17/02; H05B 37/02, опубл. 18.01.2012). Полезная модель раскрывает дистанционный переключатель, основанный на контроллере GPRS. Дистанционный переключатель включает, главным образом контроллер GPRS, переключатель управления уличный фонарь и уличные фонари, которые в связи серии в порядке, в котором улицы переключатель контрольная лампа связано с источником питания, и уличные фонари связаны с проводами заземления. Преимущества включают в себя, что после концентрированной мониторинга контроллером GPRS, цикл дистанционный переключатель уменьшает, освещая время эффективно, удовлетворяя городской пейзаж освещения или фонарь требования, тем самым экономя большое количество электрической энергии.
Недостатком данной модели является отсутствие возможности мониторинга низковольтных комплексных устройств, исполняющих роль питающего узла, которые применяются для построения сетей уличного освещения на территории Российской Федерации.
- «Street lamp control system constructed based on GPRS (General Packet Radio Service) wireless network» (CN 102307416, МПК G08C 17/02; H05B 37/02; H05B 37/03, опубл. 04.01.2012). Изобретение раскрывает систему управления лампы улица, построенный на основе GPRS (General Packet Radio Service) беспроводной сети. Система управления лампы улицы в основном содержит центральную мониторинга системы, системы GPRS сети и системы фонарь управления поле, которое последовательно соединенные последовательно, в которой центр системы мониторинга содержит сетевой маршрутизатор, процессор и память, которые последовательно соединенные серии; и сети маршрутизатор подключен к GPRS с сетевой системы. Изобретение имеет то преимущество, что система контрольная лампа улица могут быть использованы для мониторинга информации о параметрах, проведение единой точки независимый контроль, поддерживая контроль группы, разгрузки вверх по течению данные для автоматического анализа и может быть связано с внешним оборудованием.
Данная модель, в отличие от представленной выше, уже может применяться и для мониторинга параметров питающих узлов, но имеет существенный недостаток в том, что используется только один канал связи GPRS. При отсутствии связи через одного провайдера система не сможет связаться с сервером и передать данные на диспетчерский пульт, а также такой системой невозможно будет управлять дистанционно. Эта проблема особенно актуальна для отдаленных территорий Российской Федерации, где зачастую наблюдается не очень высокий уровень сигнала сотовых операторов.
Кроме того, известен патент «Энергосберегающий беспроводной контроллер управления уличным освещением» (RU 128813, МПК H05B 37/02, опубл. 27.05.2013). Полезная модель относится к области сбора информации и дистанционного управления территориально удаленными объектами, такими как светильники на столбах, а также другими приборами в сетях уличного освещения и последующей обработки результатов, полученных в результате сбора информации, и выдачу результатов анализа в виде графиков, таблиц и диаграмм. Техническим результатом является экономия электроэнергии в сетях уличного освещения и обеспечение автоматического управления включением и выключением светильников на столбах и линий освещения. Технический результат достигается за счет того, что включение и выключение светильников осуществляется согласно уровню естественной освещенности и заданному алгоритму, а также за счет того, что в заданное время производится отключение светильников в линиях освещения через столб, а также производится отключение одной секции светильников при использовании двухсекционных или двухламповых светильников.
Недостатком данной полезной модели является то, что представленный блок управляет только двумя отходящими линиями, что может создавать несимметрию токов в трехфазных сетях питания, обусловленную неравенством нагрузки по фазам (перекос фаз), и негативно сказываться на качестве питания в линиях освещения.
«Способ и система для управления электрическим оборудованием, в частности системой освещения» (RU 2474030, МПК H02J 13/00, H05B 37/02, опубл. 27.01.2013) используется в области электротехники. Техническим результатом использования изобретения является увеличение дальности передачи данных и скорости обмена. Способ заключается в том, что обмен данными между светильниками и модулем связи исполнительного пункта проводят посредством информационных пакетов с закодированной информацией согласно протоколу обмена, одновременно на все светильники, которые постоянно находятся в состоянии приема, в любой момент времени, не синхронизируя их начало передачи с какими-либо параметрами сети электропитания.
Недостатком изобретения является то, что оно направлено на управление светильниками, что требует монтажа дополнительного принимающего оборудования в каждый светильник, а следовательно, значительно удорожает решение в целом. Также из-за неизбежного затухания сигнала управления светильниками на расстоянии это решение не применимо на протяженных линиях электропередач, таких как автомагистрали и автодороги.
Наиболее близким техническим решением является патент «Remote switch loop based on general packet radio service (GPRS) controller » (CN 102316639, МПК G08C 17/02; H05B 37/02, опубл.11.01.2012). Изобретение раскрывает дистанционного переключателя цикл, основанный на пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) контроллер, который в основном состоит из контроллера GPRS, контрольная лампа улица переключателя и уличных фонарей, в котором контроллер GPRS, переключатель управления фонарь и уличные фонари последовательно соединена последовательно, улица переключатель контрольная лампа также связан с источником питания, и, кроме того, уличный фонарь связано с заземляющим проводом. Цикл дистанционный переключатель имеет то преимущество, что на основе комплексного мониторинга контроллера GPRS, городской пейзаж освещения или фонарь требование удовлетворяется, одновременно, и время работы лампы освещение эффективно уменьшается, поэтому большое количество электрической энергии сохраняется.
Недостатком данной модели является невозможность подключения российских приборов учета электроэнергии, что неприемлемо для применения на территории Российской Федерации, а также отсутствие резервных каналов связи, что плохо применимо на территориально отдаленных участках или при возникновении проблем у одного из операторов сотовой связи и может привести к отсутствию контроля и управления таким блоком.
Задачей предлагаемой полезной модели является усовершенствование дистанционного автоматического управления уличным освещением за счет исключения использования каскадного принципа и прокладки коммуникационных сетей управления. Кроме того, осуществление дистанционного и автоматического управления различными режимами освещения при помощи задания автономных графиков освещения, позволяющих автоматически производить переключения в зависимости от календарного плана или времени восхода и заката солнца. Также задачей предлагаемой полезной модели является сокращение энергопотребления до 40% за счет изменения графиков освещения, исключение «человеческого фактора» за счет автоматизации процесса, сокращение затрат на прокладку телекоммуникационного оборудования за его ненадобностью. Помимо этого, система позволяет производить мониторинг низковольтного комплексного оборудования, используемого в качестве питающего узла, и производить опрос приборов учета электроэнергии, сертифицированных в РФ.
Поставленная задача решается с помощью использования встроенного GSM-приемопередатчика и управляющего контроллера, позволяющих одновременно производить мониторинг и управление оборудованием силовой части. Отличительной особенностью данного решения является обеспечение максимально качественной автономной работы устройства без вмешательства человека на отдаленных территориях. Система устойчива к недостаточному уровню сигнала сотовой связи или сбоям в предоставлении услуг оператора сотовой связи, перебоям в линиях питания, влаге, появляющейся в результате образования конденсата внутри шкафов управления или изменения погодных условий.
Сущностью полезной модели является то, что блок автоматизированного управления освещением объединяет в себе ряд решений, позволяющих значительно повысить отказоустойчивость системы. Повышение отказоустойчивости системы обуславливается разделением блока логики (Logic Board) и блока ввода-вывода (IO Board) на две независимые платы. Это позволяет устройству оставаться работоспособным при превышении номинального напряжения в несколько десятков раз. Даже при физическом выходе из строя платы ввода-вывода (включая возгорание), отдельная плата логики остается работоспособной и позволяет передать диспетчеру информацию о критическом состоянии объекта.
Качественная связь блока автоматизированного управления освещением обеспечивается поддержкой двух SIM-карт с возможностью переключения на резервный канал связи в случае отсутствия связи на основном. Это позволяет оставаться на связи с сервером и диспетчерским пунктом при полном отказе в работоспособности одного из сотовых операторов.
Отказоустойчивость блока автоматизированного управления обеспечивается также установкой долгосрочного резервного источника питания внутри блока автоматизированного управления на базе ионисторов, что позволяет решить проблему перебоев питания сети, поддерживая работоспособность устройства и связь при полной потере питания до 5 минут.
Благодаря тому что устройство снабжается влаго- и пылезащитным корпусом, обеспечивается защита от влаги в результате попадания ее в шкаф управления в связи с погодными условиями или образованием конденсата.
Реализация одновременной работы двух портов ввода-вывода RS-485 позволяет значительно расширять функционал блока автоматизированного управления освещением (путем подключения блоков расширения, например базовой станции управления светильниками), а также обеспечивает возможность подключения поддерживаемых приборов учета электроэнергии.
Наличие трех выходов дает возможность организовать управление тремя контакторами, что в свою очередь позволяет равномерно распределять нагрузку в трехфазной сети.
Устройство управляет встроенным обогревателем, что очень актуально для работы в регионах с низкими температурными условиями.
Наличие нескольких входных сигналов позволяет производить мониторинг состояния силовой части и элементов шкафа управления, таких как напряжение на линии, контакты состояния, датчики открытия двери, датчики возгорания и т.п.
Устройство поясняется графической частью:
на фиг. 1 – блок-схема разработанного изделия;
на фиг. 2 – структурная схема платы логики Logic Board;
на фиг. 3 – структурная схема платы входов-выходов I/O Board.
Устройство состоит из двух электронных плат, расположенных во влагозащищенном корпусе: плата логики (logic board) и плата ввода-вывода (I/O Board) (фиг.2 и фиг.3), соединенных между собой шиной данных в виде шлейфа проводов.
Плата логики Logic Board (фиг.2) содержит GSM-модуль (фиг. 1 и фиг. 2), который выполняет роль центрального процессора, микроконтроллер (далее МК) (фиг. 1), осуществляющий запуск и перезагрузку GSM-модуля (фиг. 1 и фиг. 2), а также обеспечивающий коммуникацию с платой ввода-вывода. Имеются также две SIM-карты (фиг. 1 и фиг. 2), обеспечивающие надежность связи. Кроме того, на плате располагается разъем подключения соединительного шлейфа P3 (фиг.2), USB-разъем (фиг.2) и разъем программирования МК. GSM-модуль обеспечивает связь с сервером, производит прием команд управления или конфигурирования и передачу данных. Также он управляет работой МК и получает данные о состоянии дискретных входов от МК по последовательному порту I2C (фиг.2). МК по команде GSM-модуля выполняет управление выходами.
Плата входов-выходов I/O Board (фиг.3) содержит AC/DC сетевой преобразователь (фиг.3), DC/DC преобразователь для организации изоляции линий связи между платами Logic Board и I/O Board (фиг.1 и фиг.3), два интерфейса RS-485 (фиг.1 и фиг.3). Кроме того, на плате находятся разъемы для подключения питания, датчиков, пускателей, разъем подключения соединительного шлейфа P3 (фиг.3), а также 4 ионистора и их защитные диоды. На плате входов-выходов I/O Board (фиг.3) можно разместить до 12 универсальных входов-выходов. Универсальность входов-выходов достигается установкой на плату тех или иных компонентов.
Полезная модель размещена в пластиковом корпусе с креплением на DIN-рейку и прозрачной крышкой для удобства замены SIM-карт и контроля индикации. Для присоединения проводов или организации разъемного электрического соединения используются разъемные клеммники, что обеспечивает удобный монтаж, простой демонтаж и замену блока.
Питание блока автоматизированного управления освещением осуществляется напряжением ~85-264 В с частотой 47-63 Гц. При пропадании внешнего питания работа GSM-модуля будет обеспечена аккумулятором на ионисторах на протяжении 5 минут.
Блок автоматизированного управления освещением имеет ряд универсальных изолированных входов-выходов, которые имеют защиту от перенапряжения, часть из которых могут быть сконфигурированными как выходы.
Входы могут использоваться для подключения датчиков типа «сухой контакт» или служить дискретными входами сетевого напряжения. Выбор одной из трех функций универсальных входов-выходов осуществляется на этапе сборки печатной платы установкой соответствующих электронных компонентов. Этим достигается удовлетворительная гибкость, позволяющая исключить необходимость разработки и модернизации аппаратной части.
Пример реализации универсальности входов-выходов: девять дискретных входов типа «сухой контакт» для мониторинга состояния датчиков пожара/задымления, открытия двери, режима работы, контакта состояния защитных автоматов и пускателей НКУ УОС и четыре дискретных выхода типа «электромеханическое реле» для управления тремя пускателями и одним обогревателем.
Встроенный датчик температуры позволяет обеспечить автоматическую работу системы подогрева.
Блок автоматизированного управления освещением разделен на логическую часть и часть входов-выходов, что обеспечивает гальваническую развязку от сети, увеличение защиты от перенапряжения и наводок от грозовых разрядов, а также повышение ремонтопригодности и упрощение модернизации устройства в дальнейшем.
Для питания внешних устройств, например датчика освещенности, в блоке автоматизированного управления освещением предусмотрен выход 12 В.
Для подключения счетчиков и различных блоков расширения в блоке автоматизированного управления освещением используется 2 интерфейса RS-485 с изоляцией и защитой от электростатического разряда и перенапряжения.
Логика работы блока автоматизированного управления освещением запрограммирована во встроенном GSM-модуле и может быть изменена удаленно по GPRS-каналу.
В блоке автоматизированного управления освещением предусмотрено использование двух SIM-карт, что увеличивает надежность работоспособности.
В блоке автоматизированного управления освещением предусмотрены следующие виды индикации: уровня сигнала, активной SIM-карты, обмена по интерфейсу RS-485, наличия внешнего питания.
Силовые провода подключаются к разъемам на плате I/O Board. Это позволяет изолировать плату Logic Board от высокого напряжения, поступающего по подключенным проводам как гальванически, так и физически, что снижает вероятность выхода из строя платы Logic Board при нештатной ситуации.
За основу источника бесперебойного питания (далее ИБП) была взята сборка из нескольких ионисторов, так как они имеют широкий температурный диапазон и не требуют специальных схем заряда. Использование батарей потребовало бы регулярной замены и поддержания положительной температуры, а использование аккумулятора – специальной схемы заряда. Несмотря на малую емкость ионисторы не нуждаются в обслуживании в отличие от аккумуляторов и батарей. Из-за малой емкости ИБП питает только GSM-модуль с целью передать сигнал о пропадании питания перед отключением.
Включение устройства производится за счет подачи напряжения на клеммы питания. Встроенный блок питания обеспечивает работу электронных схем. Микроконтроллер включает GSM-модем (фиг. 1 и фиг. 2), который в свою очередь выходит в сеть GPRS. Также встроенный микроконтроллер обеспечивает управление выходами и контроль входов на плате ввода-вывода.
Для работы блока автоматизированного управления освещением в сети GSM/GPRS требуется подключение внешней антенны и установка стандартных SIM-карт в специальные держатели. Антенна подбирается из соображений необходимого уровня усиления. Выполнять установку/извлечение SIM-карты допускается при включенном устройстве.
При появлении напряжения питания или при пропадании питания, а также при изменении любого из сигналов блок автоматизированного управления освещением регистрирует изменение, формирует событие и при наличии связи выполняет его отправку на сервер сбора. Отправка системных событий и событий данных выполняется с контролем доставки, что обеспечивает целостность информации.
При отсутствии связи, проблемах с сервером, проблемах у оператора связи выполняются периодические попытки восстановления связи с сервером и переключения между двумя SIM-картами. При этом все зарегистрированные события накапливаются в памяти блока автоматизированного управления освещением. В случае пропадания питания вся накопленная информация сохраняется в энергонезависимой памяти. Таким образом, исключается потеря событий при штатной работе.
При автономной работе блок автоматизированного управления освещением выполняет все команды по заданному заранее расписанию. Для удаленного управления предусмотрен механизм выполнения задач, которые ставятся в ПО сервера сбора. Так, инженерный или оперативный персонал может ставить задачи блоку автоматизированного управления освещением на сервере сбора и наблюдать за результатом их выполнения.
К таким задачам относятся:
- запрос текущего статуса сигналов;
- чтение журнала событий;
- активация и деактивация устройства;
- задание расписания горения;
- дистанционное управление магнитными пускателями;
- снятие показаний датчиков и приборов учета;
- чтение, запись параметров конфигурации и пр.
На сервере сбора выполняется постановка и мониторинг выполнения задач с отображением текущего статуса выполнения.
Работа заявленной полезной модели обеспечивается следующим образом.
После подачи напряжения на блок автоматизированного управления освещением GSM-модуль выходит на связь с сервером. В то же самое время он производит опрос состояния всех датчиков с платы ввода-вывода и высылает информацию об их состоянии на сервер. При невозможности установить связь происходит циклическое переключение между доступными каналами связи (включая резервную SIM-карту). GSM-модулю доступны следующие способы связи: GPRS (EDGE, 3G); SMS; CSD; Ethernet (при подключении соответствующего блока расширения).
При отсутствии возможности выхода на связь блок автоматизированного управления освещением начинает работу в автономном режиме, полностью обеспечивая работоспособность силовой части по заданным заранее графикам горения (включая солнечный календарь и заданные уровни диммирования) путем передачи управляющих сигналов на плату ввода-вывода. Блок автоматизированного управления освещением накапливает в постоянной памяти все события, происходящие на объекте. При восстановлении связи GSM-модуль высылает все сохраненные события на центральный сервер и поддерживает с ним дальнейшую связь для обеспечения возможности работы в реальном времени (телеметрия), сигнализации статусов и состояний, а также изменения графиков горения по требованию диспетчера. При недостаточной температуре блок автоматизированного управления освещением автоматически включает обогреватель. Также блок автоматизированного управления освещением производит постоянный мониторинг напряжения в линиях питания, опрашивает приборы учета электроэнергии, работает с блоками расширения (по шине RS-485), производит мониторинг сигналов предупреждения (возгорание, открытие двери и пр.), своевременно сообщая об их изменении на сервер.
Блок автоматизированного управления освещением синхронизирует встроенные часы с прибором учета электроэнергии или серверами NTP при наличии возможности выхода в сеть GPRS. При наступлении времени переключения или диммирования по заранее прописанному расписанию или команде диспетчера производится управление контакторами путем подачи управляющих сигналов на плату ввода-вывода или отправляются команды на блоки расширения через шину RS-485, обеспечивая тем самым работоспособность комплекса освещения как в ручном, так и автоматическом режиме.
Принятые технические решения позволяют обеспечить достаточный уровень отказоустойчивости при эксплуатации устройства как в городе, так и в отдаленных местах. Полезная модель обеспечивает работу в условиях с тяжелым климатом, на предельно низких температурах, а также при повышенной влажности или резком изменении климатических условий. Обеспечивает резервный канал связи, поддерживает работоспособность при плохом питании. Помимо этого, устройство позволяет наращивать функционал путем подключения дополнительных модулей по шине RS-485 (к примеру, управление каждым светильником или группой светильников посредством подключения базовой станции и технологии PLC (power line communication)).
Таким образом, задача автоматизации управления освещением решена независимо от территориальных, климатических и эксплуатационных условий, что особенно актуально для большой территории Российской Федерации. Решение экономически выгодно не только за счет автоматизации задания графиков горения, но и снижения затрат на обслуживание, а также позволяет эксплуатировать его на отдаленных и труднодоступных объектах.