XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Устройство управления уличным освещением малых населенных пунктов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Освещение населенных пунктов в ночное время стало нормой в крупных городах, где жизнь не замирает круглосуточно и без него трудно представить жизнь. В малых поселках, деревнях, станицах в ночное время потребности в ночном освещении нет на протяжении нескольких часов. В тоже время бюджет администраций довольно скромен и затраты на освещение в нем составляют заметную часть. Для экономии средств многие руководители сельских поселений отключают освещение на 3-6 часов каждую ночь.
Так, У главы поселка Белый, Олейник Александра Николаевича, возникла проблема: Включать уличное освещение с помощью фотореле экономически невыгодно, ведь в ночное время жизнь в поселке замирает. При использовании таймера ему приходится переставлять время включения и выключения уличных фонарей, так как продолжительность дня и ночи ежемесячно меняется. Это неудобно, ведь Александр Николаевич вынужден каждый раз тратить свое время и бензин, дабы объехать все щиты управления уличным освещением, а их в хуторе Белый 18 штук. Кроме того стоит учитывать, что при плотной облачности темнеет намного раньше.
Отсюда вытекает необходимость в разработке устройства, позволяющего управлять уличным освещением в зависимости от освещенности, времени суток, дня недели и времени года
Цель работы: Разработать устройство управления уличным освещением с возможностью установки времени работы фонаря с учетом годового цикла и освещения.
Задачи проекта:
Изучить работу существующих систем.
Рассмотреть требования заказчика.
Разработать устройство.
Изготовить устройство.
Опробовать его в работе.
Экономическое обоснование целесообразности проекта.
Конечный вывод.
Результатом работы должен стать работоспособный образец.
Основная часть
Используемые схемы управления освещением
Управление освещением, как правило, осуществляется со специально установленного щитка (шкафа), в нем установлены устройство защиты, устройство учета электроэнергии и устройство управления.
Наиболее распространенным устройством управления освещением для крупных населенных пунктов является фотореле. Оно представляет из себя фотодатчик (приложение 1) со схемой усиления, выходной сигнал фотореле включает контактор и на линию подается электрический ток.
В малых населенных пунктах в качестве управляющего устройства обычно используются таймеры. В зависимости от разработчика, таймеры могут быть с механическим и электронным программированием (приложение 2). Механическое программирование намного проще, но не позволяет составлять недельные или годовые расписания. Таймеры с электронным управлением имеют более высокую стоимость, позволяют составлять недельное расписание, но процесс перепрограммирования занимает длительное время.
Кроме отмеченных выше недостатков, ни один таймер не учитывает текущую освещенность.
В процессе общения с потенциальным заказчиком нам были предъявлены требования для разрабатываемого устройства с устранением этих недостатков.
|
Зависимость от освещенности |
Освещение включается при уменьшении освещенности улиц до установленного значения, выключается при превышении этого значения. |
|
Программируемые периоды отключения |
Есть возможность установить время отключения освещения вне зависимости от освещенности, на требуемое время, количество периодов отключения 3. |
|
Недельный таймер |
Возможность изменения работы таймера в определеннее дни недели |
|
Годовой таймер |
Возможность изменения работы таймера в определеннее месяцы года. |
|
Совместимость с существующим оборудованием |
Устройство должно легко внедряться в существующие силовые шкафы освещения. |
|
Простота управления |
Перепрограммирование режимов работы возможно неспециалистом. |
|
Низкая стоимость |
Стоимость устройства не должна превышать суммы стоимости промышленных фотореле и таймера |
2.2 Разработка блока управления освещением
При выборе платформы для реализации данного проекта учитывалась необходимость наличия часов с годовым циклом, измерение уровня освещенности и конечная стоимость продукта. Наиболее подходящей платформой является Arduino [2].
Управляющую программу было решено создавать в редакторе визуального программирования FLProg[1].
Управляющая программа (приложении 3-4) была разделена на шесть модулей (плат). На плате 1 реализовано измерение освещения, сравнение с заранее заданным в меню значением и включение освещения при разрешении от таймера (на плате 2).
Таймеры в зависимости от текущего времени, дня недели и месяца и от установленных через меню данных, выдают сигнал на разрешение включения освещения.
Плата 3 позволяет включить меню установки таймеров (плата 4) или меню установки часов (плата 5).
Плата 6 предназначена для коррекции текущего времени.
2.3.Схема устройства
В качестве фотоэлемента используется фоторезистор, порог срабатывания регулируется переменным резистором, который будет установлен на корпусе.
Для установки времени срабатывания таймеров, корректировки времени встроенных часов, к устройству будет подключаться выносной пульт, состоящий из дисплея и четырех кнопок управления (приложение 5)
Силовым включающим устройством является твердотельное реле. Его преимущества в малом токе управляющего сигнала и отсутствие искрообразования. Питается все устройство от встроенного импульсного источника питания напряжением 5 вольт.
2.4. Конструкция
Модули Arduino, электронных часов, источника питания и твердотельное реле расположены на печатной плате. Чертеж печатной платы (приложение 6) и ее изготовления было выполнено самостоятельно (приложение7). Печатная плата установлена в стандартном пластиковом корпусе размером 10х10ха5см (приложение 8). На передней панели расположены регулятор уровня освещенности и разъем для подключения внешнего пульта. К щитку освещения блок подключается двумя двухпроводными линиями (питание 220в и холодные контакты реле). Для проведения тестирования был изготовлен силовой шкаф с установленным устройством управления (приложение 9)
Для заказчика разработана инструкция по настройке устройства
2.5. Предварительный расчет экономической эффективности.
При работе с заказчиком было установлено, что мощность каждой лампы составляет 50 Вт, среднее количество ламп на линии составляет 20, среднее время отключения 5 часов в сутки, стоимость электроэнергии около 10 руб кВч.
В результате один светильник позволит экономить в сутки 0,25 кВтч, что составит 2р25 коп.; Средняя линия – 50 рублей. Итого месячная экономия может составить 1500 рублей¸ что позволяет очень быстро окупить установку разработанного устройства управления.
III. Заключение
В результате проделанной работы было разработано, изготовлено, протестировано устройство управления освещением для малых населенных пунктов.
Данное устройство обладает характеристиками предъявленным заказчиком, стоимость сравнима с таймерами среднеценовой категории .
В процессе тестирования заказчик изъявил желание в ближайшее сроки заменить все устройства штатного управления на вновь разработанное.
Цель проекта достигнута.
Список использованной литературы
1. https://flprog.ru/ - визуальное программирование для Arduino
2.https://www.arduino.cc/ - сайт программы ArduinoIDE
3.https://www.elektro-expo.ru/ru/articles/Ulichnoe-osveshchenie/ Требования к уличному освещению
4. https://es-dv.ru/36-ustrojstva-upravleniya-osvessheniem - устройства управления освещением
5. https://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno- описание модуля Arduino
6. https://robotchip.ru/obzor-chasov-realnogo-vremeni-ds3231/ - Обзор часов реального времени DS3231 (RTC)
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5.
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9