Имея представление о всей структуре автоматизированных систем управления освещением несложно разобрать каждый ее элемент по отдельности.

Датчики движения и присутствия одни из основных элементов систем автоматизации. Они автоматически включают/выключают освещение в помещении в зависимости от интенсивности естественного потока света и/или присутствия людей.

Разумеется, наличие широкого выбора различных видов датчиков ставит перед нами вопрос - каким нам воспользоваться? Предлагаю разобрать датчики по принципу работы. Емкостные датчики, те, что улавливают изменения емкости человеческого тела. Акустические датчики, реагирующие на звуки, производимые людьми. Фотоэлектрические датчики, работающие по принципу пересечения луча света движущимися объектами. Оптоэлектронные датчики, детекторы уровня освещенности или оптической контрастности в охраняемой зоне. Детекторы напряжений, датчики деформации, встроенные в пол, ступени и другие конструктивные элементы. ИК детекторы, реагирующие на тепловые волны, испускаемые теплыми или холодными движущимися объектами. СВЧ-детекторы (микроволновые датчики), активные устройства, реагирующие на СВЧ электромагнитные волны, отраженные от объектов. Ультразвуковые датчики, устройства аналогичные СВЧ датчикам, только в них вместо электромагнитных волн используются ультразвуковые колебания. Видеодетекторы появления новых объектов: видео устройства, сравнивающие текущее изображение охраняемой зоны с записанным в памяти эталонным изображением. Системы видеораспознавания, анализаторы изображений, сравнивающие характерные особенности лиц людей с портретами, хранящимися в базе данных. Лазерные детекторы, устройства, подобные фотоэлектрическим детекторам. Их отличие в том, что они используют узкие лучи света и комбинацию отражателей. Электростатические детекторы, датчики, способные детектировать статические электрические заряды, переносимые движущимися объектами.

Из всего многообразия разумнее всего остановить свой выбор на ИК и емкостных детекторах, фотоэлектрических и оптоэлектронных датчиках. Поскольку они наиболее просты в обслуживании, обладают большей универсальностью и экономически целесообразностью.

Одним из недостатков детекторов обнаружения присутствия людей или их вторжения в охраняемое пространство является ложное срабатывание. Под ложным срабатыванием понимается ситуация, когда система указывает на присутствие объектов, которых на самом деле там нет. В некоторых случаях, например, в игрушках или устройствах управления освещением, ложное срабатывание не причиняет особых проблем. Однако в охранных и военных системах одинаково опасными являются ситуации как ложного срабатывания, так и пропускания вторжения посторонних в контролируемую зону. Поэтому при выборе датчиков для таких применений необходимо обращать внимание на их надежность, избирательность и помехозащищенность. Для повышения надежности охранных систем часто используют несколько датчиков со своими интерфейсными схемами, работающими независимо друг от друга. Такой прием особенно эффективен в случае воздействия внешних помех. Другим способом снижения ошибок при обнаружении вторжения людей является применение нескольких датчиков, основанных на разных физических принципах (например, очень эффективна комбинация емкостных и ИК детекторов, поскольку для них критичными являются разные виды вносимых помех).

Для нашей системы понадобятся ИК детекторы и оптоэлектронные датчики.

Принцип действия ИК детектора основан на регистрации изменения инфракрасного (ИК) излучения, вызванного перемещением или деятельностью человека.

По физической природе видимый свет и ИК излучение одинаковы. ИК излучение также можно сфокусировать линзой, как обычный свет. При попадании ИК излучения на фотоэлемент он меняет свои параметры. При комнатной температуре в видимом свете тела не светятся, а в ИК диапазоне - просто сияют.

Датчики движения и датчики присутствия реагируют на появление и исчезновение ИК света на фотоэлементе. Такие появления-исчезновения ИК света чаще всего вызваны деятельностью человека, реже факторами, не связанными с человеком, например, движением теплого воздуха от батареи, тепло от нагревательного электрооборудования и т.п. Поэтому ошибочные срабатывания присущи всем датчикам движения (присутствия). Датчики движения более просты по конструкции и реагируют только на активные движения, например, идущего человека.

Датчик присутствия реагирует на все незначительные движения, обычно совершаемые человеком, когда он стоит или сидит: движение пальцев по клавиатуре, покачивание головы и т.п. Если человек будет сидеть абсолютно неподвижно, то через заданное время датчик отключит свет. Поэтому необходима интеграция в систему датчик освещенности для параллельной работы всех датчиков. В настоящий момент датчики освещенности, как правило, вмонтированы в датчики присутствия, работая слаженно как единое оборудование. В случае отсутствия поступлений данных с датчиков присутствия, система не отключить свет, посчитав, что на объекте никого нет, поскольку она сверится с рабочим расписанием и данными, идущими от датчика освещенности.

Датчик присутствия реагирует на все незначительные движения, обычно совершаемые человеком, когда он стоит или сидит: движение пальцев по клавиатуре, покачивание головы и т.п. Если человек будет сидеть абсолютно неподвижно продолжительное время, т.е. уснет, то через заданное время датчик отключит свет.

При движении человека через какое-то время фокус линзы уходит с фотоэлемента и сигнал пропадает. Затем уже другая линза фокусирует ИК свет человека на фотоэлемент - сигнал опять появляется. Такое появление-исчезновение-появление сигнала - признак присутствия человека. Каждая линза охватывает свой сегмент. Сигнал пропадает при выходе человека (руки человека) за границы этого сегмента. При перемещении внутри сегмента сигнал не меняется, на рисунке 10 продемонстрирован принцип работы. Чем больше таких линз, тем более мелкие движения уловит датчик. [12]

Рисунок 10. Строение и принцип работы датчика движения

Схема работы конструкции датчика освещенности также проста - при изменении параметров фотоэлемента срабатывает пороговое устройство - компаратор, который подает сигнал на выходное устройство и оно включает освещение.

Так, например, при естественном освещении сопротивление фотоэлемента - фоторезистора невысокое и напряжение на нем не превышает порога срабатывания компаратора, поэтому освещение отключено. Но как только происходит уменьшение естественной освещенности, сопротивление фоторезистора увеличивается и соответственно напряжение на нем возрастает. И в определенный момент уровень напряжения на фоторезисторе достигает порога срабатывания компаратора, который, с помощью реле, включает освещение. [13]

Разумеется, в современных условиях, необходимо использование светодиодных светильников. Несмотря на свою большую стоимость, относительно остальных приборов света, они более выгодны. Поскольку имеют более долгий срок службы (достигают 36-72 тысяч часов, что в среднем в 50 раз больше по сравнению с номинальным сроком службы ламп накаливания общего назначения и в 4-16 раз больше, чем у большинства люминесцентных ламп) и гораздо меньшую мощность, при тех же показателях светового потока. Это позволит сэкономить не только на обслуживании и замене ламп в связи с их износом, но и на электроэнергии, и, в конечном счете, обернется выгодой. [14]

Затрагивая элементы силового щита, поясню сразу, что задача данной работы определиться с выбором таких специфичных для автоматизированных систем освещения устройств как импульсное реле. Прочие коммутационные аппараты - автоматы, узо, устройства дифференциальной защиты и остальные типичные для всех электрических сетей устройства рассматривать в данном труде не имеет смысла.

Касательно импульсных реле необходимо учитывать такой параметр как обратная связь. Контроллер, подав импульс, должен получить ответ, что реле сработало и в осветительной сети есть напряжение.

Наша система содержит в себе широкий набор электроники, которая так чувствительна к разного рода колебаниям и всплескам, которые могут присутствовать в сети. Это не только нарушают нормальную работу и уменьшают срок их службы, но и вовсе может привести к их полному отказу. Чтобы избежать подобное явления в щитовой необходимо установить стабилизатор напряжения. Однако, помимо электроники, к провалам и колебаниям напряжения чувствительны и световые приборы. Поэтому необходима их установка в местах провалов напряжения в осветительной сети.

Стабилизаторы переменного напряжения предназначены для электропитания оборудования, приборов и аппаратуры предъявляющих повышенные требования к качеству электросети. Поскольку напряжение в сети не всегда соответствуют всем предъявляемым стандартам, и могут содержать колебания, провалы, импульсы, скачки, отклонения и несинусоидальность напряжения. Поэтому стабилизаторы напряжения обязаны выполняют следующие основные задачи:

ѕ качественное электропитание оборудования и приборов при нестабильном, длительно пониженном или повышенном напряжении в электросети;

ѕ защита нагрузки от резких и значительных перепадов напряжения, от чрезмерно низкого либо высокого напряжения;

ѕ фильтрация индустриальных и атмосферных помех, распространяемых по сети питания;

ѕ защита электросети от перегрузки и короткого замыкания.

Разумеется, необходимо отнестись к выбору стабилизатора для нашей сети со всей ответственностью. В первую очередь, нужно смотреть на такой показатель как тип стабилизатора, т.е. на каком принципе основан способ стабилизации. Существует 6 типов: электродинамический сервоприводный (механический), электронный (ступенчатого типа), статический (электронный переключаемый), релейный, компенсационный (электронный плавный), комбинированный (гибридный). Из представленных вариантов для электронной составляющей нашей системы выбирать нужно либо электронный, либо компенсационный. Для остальных электроприборов допустимо использование и других типов стабилизаторов напряжения. Это связано с ещё одной важной характеристикой стабилизатора напряжения, таким как быстродействие. Поскольку чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12.18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных или компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В.

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 1% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы подавляющего большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (1%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора работать на заявленной мощности во всем диапазоне входного напряжения, но далеко не все стабилизаторы соответствуют этому параметру. Некоторые стабилизаторы выдерживают десятикратные перегрузки, при покупке такого стабилизатора запас по мощности не требуется.

Согласно этим данным для нашего оборудования потребуется стабилизатор напряжения электронного типа с точностью выходного напряжения ±4-5%. Рассчитывая мощность стабилизатора, в расчет берется лишь ПЛК верхнего и нижнего уровня, остальным электроустановка стабилизатор напряжения не требуется. Что, касательно компьютеров, то нужно иметь в виду про наличие каскада фильтров во всех современных блоках питания в системных блоках, поэтому им стабилизатор не требуется. Или, в крайнем случае, рассчитывается отдельно, поскольку большое их количество потребует большой мощности от стабилизатора напряжения, однако не обязательно, чтобы он был электронным для быстрого реагирования на изменения напряжения и с большой точностью выходного напряжения. Это позволит сэкономить при подключении электропитающей сети компьютеров на стабилизатор напряжения.

При расчете мощности стабилизатора напряжения нужно учитывать несколько параметров. Во-первых, тип нагрузки - активная или реактивная. Мы подключаем электронику, никаких двигателей и нагревательных элементов в ПЛК нет, стало быть, нагрузки у нас лишь активная. Во-вторых, учитывать падение напряжения в сети. Поскольку при уменьшении входного напряжения уменьшается выходная мощность стабилизатора, необходимо сделать на это поправку.

В-третьих, необходимо учесть запас по мощности, как правило, берется 20-ти процентный запас по мощности. Тем самым обеспечивается облегченный режим работы стабилизатора, увеличивается срок его службы и создается некоторый резерв по мощности для подключения другого оборудования взамен старому, имеющую большую мощность, или для подключения дополнительного оборудования. [15]

Что же касательно регулирования напряжения для контроля светового потока светильников используется два метода - использование двух параллельных линий или использование светорегуляторов. При использовании светорегуляторов необходимо рассчитывать суммарную нагрузку, которую они могут выдержать. Рекомендуется рассчитывать светорегуляторы с запасом по мощности. Располагать их советую также в щитовой. [16]

Однако не стоит забывать, что за счет применения в светорегуляторе полупроводниковых транзисторных ключей, обратно в сеть поступают высшие гармонические составляющие тока, вносящие искажения в кривую напряжения и тока, это видно на рисунке 11.

Рисунок 11. Искажения напряжения сети из-за токов высших гармоник

Они генерируют сильные электромагнитные помехи. Поэтому становится необходимым использование различного рода фильтров, которые снижают искажения кривой тока и уменьшают пульсации выходного напряжения.

При выборе контроллера нижнего уровня необходимо учитывать возможность его работы с данными по радиоканалу, для промышленности используется частота 2,4 ГГц. Это позволит расширить возможности системы контроля, поскольку появится возможность реализации беспроводной сенсорной сети. Этот пункт является первоочередным, возможность подключения устройства беспроводной передачи данных к различным видам датчиков делает систему универсальной. Фактически устройство беспроводной передачи данных является беспроводным "транспортом" между измерениями физических величин и управляющей системой, в которой отображается полученная информация.

Однако, необходимо учитывать, что некоторое количество датчиков возможно будет присылать данные через провода, поэтому количество дискретных входов также имеет немалое значение. И, разумеется, нужно озаботиться о связи с контроллером верхнего уровня. В связи с тем, что на нижнем уровне осуществляется лишь прием данных нам подойдет и полудуплексный способ связи, т.е. интерфейс связи RS-485.

Рассматривая контроллер верхнего уровня, следует учитывать куда большое число параметров. Необходимо выбрать ПЛК с большим числом выходов или возможностью наращивать их блочно, доводя их количество до нескольких сотен. Как правило, их количество у разных устройств колеблется от 12 до 24, без учета наращивания. Однако не стоит забывать, что выходы должны обладать импульсной характеристикой вывода сигнала. Подобное требуется нам для того, чтобы подключить множество импульсных реле для управления светом.

Следующим параметром, которым необходимо озаботиться - это интерфейсы связи контроллера. Самыми распространенными являются интерфейсы связи RS-232 и RS-485, подключаемые к устройствам посредством порта СОМ. Встречаются контроллеры, в которых также присутствуют и порты Ethernet и USB. Не стоит считать, что они незначительны в данной конфигурации автоматической системы освещения, и их наличии приводит лишь к удорожанию ПЛК, это не совсем так. [17]

Мы знаем, что RS-232 способен работать с сетями протяженностью не более 15 метров со скоростью передачи данных 20 Кбит/с, что сильно затрудняет работу современных АСУ, в то время как интерфейс связи по стандарту RS-485 работает с сетями протяженностью 1 километр на скорости передачи данных до 10 Мбит/с. И, тут появляется интересная особенность данных интерфейсов связи. RS-232 имея такие сильные ограничения по длине сетей и скорости передачи данных по отношению к RS-485, работает в дуплексном режиме связи, в то время как RS-485 в полудуплексном.

Объясняются данные способы связи просто. При дуплексном способе связи устройство может в любой момент времени и передавать, и принимать информацию. Передача и прием ведутся устройством одновременно по двум физически разделённым каналам связи (по отдельным проводникам, на двух различных частотах и др.). Дуплексный способ связи иногда называют полнодуплексным (от англ. full-duplex) - это синонимы. Реализующее полудуплексный способ связи устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию. Как правило, такое устройство строится по трансиверной схеме. Так как наш контроллер должен одновременно как отправлять сигналы на пуск реле, управление светорегулятором и прочее, так и принимать данные со всех имеющихся датчиков. [18]

Поэтому, необходимо выбирать контроллеры, которые работают на дуплексном способе связи. Если контроллеру нижнего уровня необходимо лишь принимать данные с датчиков и отправлять их на ПЛК верхнего уровня, то ему будет достаточно и интерфейса связи RS-485, поскольку протяженность сетей, работающих по данному интерфейсу, может достигать 1 километра и скорости передачи данных до 10 Мбит/с, и это даст преимущество при проектирование АСУ. Но ПЛК верхнего уровня обязан быть на полнодуплексном способе связи, однако интерфейс связи RS-232 нам не подходит в виду ограниченности его длины функционирования и скорости передачи данных. И, вот здесь, мы и вспомним про сети Ethernet.

В зависимости от скорости передачи данных, и передающей среды существует несколько вариантов технологии Ethernet - 10BASE-T, 100BASE-T (X) и 1000BASE-T (X). По цифре можно определить на какой скорости происходит передача данных в Мбит/с. Буквенная маркировка говорит способе связи в данной сети - полудуплекс и дуплекс. Т означает полудуплекс, ТХ означает дуплекс. Стало быть нужны стандарты ТX. Скорости в 100 Мбит/с нам вполне хватит, поэтому необходимо выбирать ПЛК верхнего уровня с портом RJ-45 для Ethernet, работающий по стандарту 100BASE-TХ. [19]

И, завершающим параметром становится - программное обеспечение. Речь идет об операционной среде и пакете программирования контроллера. Предлагаю остановить свой выбор на вариантах, работающих на платформах Windows, поскольку является наиболее гибкой и широко распространенной многозадачной операционной системой. Более подробную информацию об этом представлю в следующей главе, посвященной программному обеспечению.

Касательно сервера, также имеются свои нюансы. Сервер обязан быть постоянно включенным, чтоб контролировать систему. Выделять для этой цели отдельный компьютер неразумно, тем более, если за сервер будет взят чей-то рабочий компьютер. Поэтому необходимо использовать отдельный компьютер под сервер, однако, без периферийных устройств ввода/вывода, т.е. системный блок. Поскольку сервер посредством локальной сети подключен к рабочему компьютеру, необходимое управление и получение информации можно осуществлять и с другого компьютера. Как правило, под эти цели выделяют лишь один рабочий компьютер, или делят по обязательствам между двумя - на одном мониторинг системы, на другом ее управление. Главное требование, предъявляемое к нему - это наличие порта Ethernet, для соединения операторских компьютеров в общую LAN сеть и коммутации с контроллером верхнего уровня. СОМ порт не обязателен, поскольку является неиспользуемым и морально устаревшим вариантом интерфейса связи. Однако при его неожиданности необходимости можно воспользоваться переходником СОМ порта на USB порт, ибо последний есть в каждой компьютере.

Для того чтобы иметь возможность отправлять команды с телефона или, наоборот, получать данные о работе системы на него, необходим адаптер абонентской станции стандарта GSM/GPRS. Позволит нам осуществлять отдаленный контроль и мониторинг за системой посредством сотовой связи. Управление происходит за счет АТ-команд, посылаемых с сотового телефона.

Набор АТ-команд состоит из серий коротких текстовых строк, которые объединяют вместе, чтобы сформировать полные команды операций. Для того, чтобы модем распознал эти команды, они должны быть записаны в специфической форме. Каждая команда всегда начинается буквами AT или at (от англ. ATtention, за что и получили своё название), дополненных одной или больше командой. Команды воспринимаются модемом только тогда, когда он находится в "командном режиме". [7]

1.4 Программное обеспечение автоматизированной системы управления освещением