Hệ thống chiếu sáng thông minh

TÓM TẮT Trong những năm gần đây với sự phát triển của nền kinh tế Việt Nam, mức độ tiêu thụ điện năng của nền kinh tế đã tăng lên nhanh chóng, trong khi nhu cầu ngày càng tăng cao thì sự phát triển của ngành điện vẫn chưa thể đáp ứng được đòi hỏi từ nền kinh tế. Vì vậy, một vấn đề cấp thiết được đặt ra hiện nay là phải triệt để tiết kiệm điện. Nhà nước ta hiện đang coi tiết kiệm điện là ưu tiên hàng đầu trong việc quản lý và phát triển ngành điện ở Việt Nam. Hệ thống chiếu sáng công cộng ở Việt Nam là một trong những hệ thống tiêu thụ rất nhiều điện năng, nhưng vẫn chưa được chú ý đúng mức trong vấn đề tiết kiệm điện, gây nên hiệu quả sử dụng chưa được tối ưu và điện năng thất thoát lớn. Trong đề tài này chúng em tìm hiểu về hệ thống chiếu sáng công cộng của Việt Nam. Do hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện đề tài nên nhóm chúng em chỉ thực hiện mô phỏng hoạt động của hệ thống. Nội dung thực hiện đề tài bao gồm các vấn đề chính như sau : - Thực trạng hệ thống chiếu sáng công cộng ở Việt Nam - Sơ lược các giải pháp công nghệ điều khiển hệ thống. - Hệ thống điều khiển độ sáng đèn đường dùng cảm biến ánh sáng. - Thiết kế mạch điều khiển Atmega8 dùng để điều khiển hệ thống. - Phần mềm Altium để thiết kế mạch in. - Bộ vi xử lý Atmega8 của hãng Atmen. - Phần mềm lập trình CodeVision để lập trình cho vi điều khiển Atmega. - Xây dựng thuật toán điều khiển. - Xây dựng mạch và mô phỏng hoạt động của hệ thống trên mạch. Sau thời gian cả học kỳ 8 nỗ lực thực hiện đề tài với tinh thần nghiêm túc, trách nhiệm và sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn, chúng em cơ bản đã hoàn thành tốt đề tài cũng như nhiệm vụ mà môn học đề ra. Kết quả bước đầu sẽ là động lực để chúng em tiếp tục nghiên cứu phát triển trong các môn học tiếp theo cũng như trong chuyên ngành tự động hóa để có thể có được nền tảng kiến thức vững vàng. Với mục đích sau này sau khi tốt nghiệp có thể đóng góp một phần công sức nhỏ bé xây dựng tổ quốc ngày càng giàu đẹp và phát triển. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm qua, Việt Nam là một nước có nền kinh tế phát triển rất nhanh, nhưng vấn đề phát triển điện năng lại không theo kịp với yêu cầu thực tế. Theo số liệu công bố trong cuốn sách “Chính sách quản lý năng lượng hiệu quả ở Việt Nam”, Năm 2005, Việt Nam đã sản xuất được 53,5 tỷ kWh điện, 34 triệu tấn than, 19 triệu tấn dầu thô và 7 tỷ m3 khí gaz.Từ 2000 tới 2005, mức độ tiêu thụ điện tăng bình quân 14,6 % một năm.Từ 1995 tới 2006, mức độ tiêu thụ than đá đã tăng 17,4 % một năm (11,2 % cho tiêu thụ trong nước và 23 % cho xuất khẩu).Từ 2000 tới 2005, GDP tính theo đầu người của Việt Nam đã tăng từ 401 lên tới 645 USD và tiêu thụ năng lượng đã tăng từ 154 lên tới 250 Kg qui dầu (KQD) tính trên đầu người. Cường độ năng lượng đã tăng từ 412 lên tới 500 KQD/1000 USD. Hình 1 Phát triển điện năng ở Việt Nam Mức độ tiêu thụ năng lượng tính trên đầu người hiện còn thấp, song cường độ năng lượng là lớn, đặc biệt trong công nghiệp (600 tới 700 KQD/1000 USD), và hệ số đàn hồi năng lượng hiện ở mức cao (1,46). Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong các ngành khác nhau là rất lớn: 15 % đối với hoạt động cấp thoát nước và gần 50 % trong công nghiệp xi măng và nông nghiệp. Tháng 9/2003, chính phủ Việt Nam đã thông qua Nghị định về sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng và giao Bộ Công Thương là cơ quan đầu mối trong việc thi hành Nghị định này. Tháng 7/2004, Bộ Công Thương đã ban hành Thông tư qui định việc quản lý và sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đối với các Doanh nghiệp công nghiệp. Ngoài ra, các quy định về tiết kiệm trong sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện đã được quy định trong nội dung Luật Điện lực đã được Quốc hội Việt Nam thông qua ngày 3/12/2004. Theo Hội Chiếu sáng Việt Nam, hiện nay điện năng dành cho chiếu sáng chiếm khoảng 25 - 30% công suất điện tại giờ cao điểm. Hiện cả nước có khoảng 100 triệu bóng đèn các loại dùng để thắp sáng, trong đó có 80 triệu bóng đèn chiếu sáng tại các hộ gia đình và 20 triệu bóng đèn tại cơ quan, nhà máy, xí nghiệp. - Theo thống kê với 80 triệu đèn huỳnh quang chiếu sáng (khoảng 10 triệu là đèn Compact) và với 60 triệu bóng đèn sơi đốt điện năng chiếu sáng của Việt nam chiếm khoảng 35% tổng lượng điện tiêu thụ của cả nước (Trần Đình Đắc - Hội Chiếu sáng đô thị Việt Nam). Hình 2: Mô hình đèn chiếu sáng trên đường cao tốc. - Hiện tại, các thành phố lớn chiếu sáng công cộng chủ yếu dùng đèn thuỷ ngân cao áp, chiếm tỷ lệ khá cao như: Hà nội 52%, Bắc giang 65%, Tuyên Quang 100%, Hội an 60% … loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, hiệu suất chiếu sáng chưa cao, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6000h (Tạp chí tự động hoá ). - Mức tiêu thụ điện trong chiếu sáng ở Việt Nam cao hơn nhiều so với thế giới. Dự báo còn tăng cao hơn bởi do mức độ đô thị hoá và hệ thống chiếu sáng hiện tại được sử dụng vẫn còn cũ kỹ và lạc hậu. - Hệ thống các trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như chưa có thiết bị điều khiển chiếu sáng cho hệ thống (điều khiển công suất - cường độ chiếu sáng, thời gian chiếu sáng ….). - Do thiếu điện, để giảm tiêu thụ điện một số thành phố lớn đã phải dùng biện pháp tắt 1/3 đến 1/2 số đèn chiếu sáng công cộng, làm ảnh hưởng đến độ sáng cần thiết và an toàn trong giao thông. Vì vậy, vấn đề hiện đại hóa hệ thống chiếu sáng công cộng nằm đảm bảo yêu cầu tiết kiệm điện song vẫn phải đáp ứng yêu cầu đảm bảo phục vụ đời sống nhân dân đang được đặt ra cấp thiết. II. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 1. Giới thiệu về hệ thống Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹ thuật không thể thiếu của các đô thị. Để đáp ứng được tốc độ phát triển đô thị, trong những năm gần đây các đô thị đã không ngừng đầu tư cải tạo và xây dựng hệ thống chiếu sáng công cộng nhằm nâng cao chất lượng ánh sáng. Trên thế giới, hầu hết các đô thị loại vừa và lớn đều được trang bị, lắp đặt một hoặc nhiều trung tâm điều khiển cho hệ thống chiếu sáng thành phố nhằm phát huy hiệu quả cao trong công tác vận hành và kiểm soát lưới đèn. Ở Việt Nam, thành phố Hà Nội là đơn vị lắp đặt trung tâm điều khiển đầu tiên trong cả nước – từ những năm 1980, tiếp theo là thành phố Hồ Chí Minh đã xây dựng trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng với quy mô điều khiển 12.000 điểm sáng. Hình 3: Sơ đồ hệ thống điều khiển ánh sáng công cộng Từ khi ứng dụng trung tâm điều khiển vào việc quản lý hệ thống đèn chiếu sáng các đơn vị quản lý chiếu sáng công cộng đều thấy được các hiệu quả góp phần nâng cao công tác quản lý: - Điều chỉnh linh hoạt thời gian đóng cắt Hệ thống chiếu sáng tại các khu vực từ trung tâm theo tình hình thời tiết, giảm tiêu thụ điện năng. - Từ trung tâm cho phép đóng cắt và giám sát tới từng tủ chiếu sáng của mỗi khu vực. - Quan sát tức thời các thông số điện áp, dòng điện. Báo hiệu sự cố khi có tình trạng chạm chập, quá tải và các hiện tượng câu móc điện. - Quản lý số liệu vận hành: Tình trạng đóng cắt, mức độ tiêu thụ điện năng. - Tổng hợp số liệu, chiết xuất các báo cáo phục vụ công tác quản lý - Giảm thời gian đi kiểm tra lưới đèn cho Công nhân quản lý vận hành. - Góp phần nâng cao năng lực và ứng dụng công nghệ mới cho các cán bộ kỹ thuật của công ty. 2. Các đặc trưng của hệ thống trong thực tế. Một hệ thống chiếu sáng công cộng trong thực tế thường bao gồm các thành phần chính: Trung tâm điều khiển: Trung tâm điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển các tủ điện chiếu sáng thông qua các tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, role thời gian hoặc từ người vận hành hệ thống. Tùy theo công nghệ mà trung tâm điều khiển được kết nối với các tủ điều khiển và các cảm biến ánh sáng theo các cách khác nhau. Hình 3: Trung tâm điều khiển hệ thống Hình 4: Điều khiển hệ thống từ trung tâm điều khiển. Tủ điều khiển chiếu sáng: Tủ điều khiển chiếu sáng được kết nối với trung tâm điều khiển để điều khiển một hoặc một cụm đèn chiếu sáng trên một khu vực nhất định. Đèn chiếu sáng: Để đảm bảo yêu cầu tiết kiệm điện năng thì công nghệ đèn chiếu sáng đóng vai trò vô cùng quan trọng. Hiện nay hầu hết đèn chiếu sáng đều là đèn thủy ngân cao áp. Một số nơi đã áp dụng công nghệ đèn chiếu sáng hai cấp công suất (Bi Power). *) Các giải pháp công nghệ điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng đang được áp dụng tại Việt Nam Việc xây dựng các trung tâm điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng là việc ứng dụng các công nghệ truyền thông phù hợp. Các thông tin điều khiển được truyền từ trung tâm đến các tủ điều khiển chiếu sáng và có thể đến từng điểm sáng tùy theo cấp độ của từng công nghệ: điều khiển đóng cắt pha, điều khiển chế độ tiết kiệm năng lượng tại tủ điều khiển chiếu sáng, điều khiển tiết giảm công suất tại các điểm sáng và nhận các thông tin phản hồi từ các điểm sáng, lưới điện chiếu sáng, các tủ điều khiển chiếu sáng về phòng điều khiển trung tâm. Hiện nay các công nghệ truyền thông được sử dụng cho trung tâm điều khiển gồm có 3 loại như sau: - Mô hình 1: Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển đến các tủ điều khiển khu vực được kết nối qua đường dây điện thoại dial-up (truyền thông qua đường điện thoại công cộng). Từ các tủ điều khiển khu vực này thông tin được truyền đến các tủ điều khiển chiếu sáng thông qua đường cáp cấp điện chiếu sáng (công nghệ truyền thông qua đường tải điện hạ thế: Power Line Communication (PLC)). Với công nghệ PLC: tín hiệu truyền dữ liệu được điều chế với dòng điện 220V/50Hz để truyền đi mà không cần một đường dây truyền dữ liệu thứ. Sử dụng giải pháp đường truyền thông dial-up có nhiều hạn chế cho việc quản lý vận hành, điều khiển & giám sát không được tức thời vì muốn điều khiển hoặc giám sát đến một tủ khu vực máy tính tại phòng điều khiển trung tâm phải quay số trực tiếp đến các tủ điều khiển khu vực (mỗi một lần quay số chỉ lấy được kết quả từ một tủ điều khiển khu vực, muốn lấy két quả từ tủ điều khiển khu vực khác lại hải quay số lần nữa) nên thời gian điều khiển và nhận thông tin phản hồi chậm, giám sát không tức thời cho tất cả các khu vực chiếu sáng. Việc thiết kế các mạch truyền thông qua cáp điện chiếu sáng tại các tủ điều khiển chiếu sáng trong một khu vực là rất phức tạp khi lắp đặt đường cáp ngầm. Độ ổn định của hệ thống cũng không được cao vì đường truyền PLC giữa các tủ điều khiển chiếu sáng là tương đối xa nên chất lượng truyền thông cũng không được tốt, khoảng cách tối đã giữa các tủ trong mỗi khu vực là < 2km. - Mô hình 2: Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển đến các tủ điều khiển khu vực được kết nối qua đường truyền ADSL. Từ các tủ điều khiển khu vực này thông tin được truyền đến các tủ điều khiển chiếu sáng và đến các điểm sáng thông qua đường truyền PLC (công nghệ truyền thông qua đường tải điện hạ thế: Power Line Communication) tận dụng đường cáp cấp điện chiếu sáng để truyền thông tin điều khiển giám sát. Với giải pháp này việc thiết kế lắp đặt phải được lắp đặt đồng bộ cả thiết bị điều khiển và thiết bị tiết kiệm năng lượng cho từng điểm sáng vì vậy giá thành đầu tư rất lớn. Giải pháp này đã được áp dụng tại Trung tâm điều khiển chiếu sáng công cộng Thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên dây là giải pháp truyền thông có dây nên giá thành lắp đặt cao và vận hành hệ thống cũng mất nhiều nhân công. - Mô hình 3: Sử dụng mạng không dây GSM/GPRS để điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng. Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển đến các tủ điều khiển chiếu sáng và ngược lại được truyền qua mạng không dây, truyền thông từ tủ điều khiển đến các điểm sáng qua cáp điện chiếu sáng (PLC). Ứng dụng giải pháp này sẽ giảm bớt được cấp điều khiển khu vực, chỉ còn 2 cấp điều khiển là tủ điều khiển trung tâm và tủ điều khiển chiếu sáng. Đường truyền tín hiệu từ trung tâm điều khiển đến các tủ điều khiển chiếu sáng sử dụng đường truyền không dây (sử dụng mạng GSM/GPRS). Từ tủ điều khiển chiếu sáng thông tin được truyền đến các điểm sáng thông qua đường truyền PLC, sử dụng cáp điện chiếu sáng hiện có cấp nguồn cho lưới đèn để truyền thông tin giám sát điều khiển đến từng điểm sáng. Mô hình này là mô hình ứng dụng hiện đại nhất hiện nay, là giải pháp đã được quốc tế thừa nhận trong lĩnh vực điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng công cộng. Là đường truyền không dây nên có thể lắp đặt tại bất cứ vị trí nào, có vùng phủ sóng không hạn chế, dễ dàng mở rộng hệ thống. Không làm ảnh hưởng đến các cơ sở hạ tầng đã xây dựng. Giá thành đầu tư theo mô hình này là phù hợp với các thành phố nước ta. Các thành phố có thể đầu tư theo từng bước tuỳ theo các cấp độ vận hành theo yêu cầu thực tế của từng địa phương: + Điều khiển, giám sát đến tủ điều khiển chiếu sáng: Lắp đặt thiết bị điều khiển tại tủ, thiết bị tiết giảm công suất tại tủ. + Điều khiển, giám sát đến từng đèn nhằm tiết kiệm điện năng. Có thể điều khiển và kết nối với nhiều loại balast và bộ tiết giảm công suất khác nhau của nhiều hãng sản xuất. 3. Phương án thiết kế hệ thống Do giới hạn của đồ án cũng như giới hạn về kiến thức môn học nên chúng em đã lên phương án thiết kế hệ thống như sau: Khối điều khiển trung tâm: Khối điều khiển trung tâm được xây dựng dựa trên vi điều khiển Atmega8 có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ cảm biến ánh sáng để điều khiển độ sáng đèn đường. Khối điều khiển được trang bị một màn hình LCD 16x2 nhằm hiển thị các thông tin cần thiết về hệ thống. Cảm biến ánh sáng: Cảm biến ánh sáng được chọn là cảm biến quang trở được kết trực tiếp với khối điều khiển trung tâm. Tín hiệu từ cảm biến quang trở truyền về được vi điều khiển xử lý trực tiếp thông qua chức năng ADC để đưa ra tín hiệu điều khiển đèn đường. Đèn chiếu sáng: Đèn chiếu sáng được nhóm chọn là loại đèn 220V – 30W phổ biến trong thực tế. Đèn chiếu sáng sẽ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm thông qua một mạch công suất để thay đổi độ sáng theo cường độ ánh sáng bên ngoài. III. PHẠM VI NGHIÊN CỨU, GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. - Các giải pháp điều khiển hệ thống chiếu sáng thông minh. - Phần mềm Altium để thiết kế mạch in. - Chip điều khiển Atmega8. - Phần mềm mô phỏng Proteus 7 professional - Phần mềm lập trình CodeVision lập trình cho vi điều khiển. - Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển mô hình - Xây dựng mô hình và mô phỏng hoạt động. - Kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài [...]...CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG I BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM Với yêu cầu về bộ xử lí trung tâm, phù hợp với phạm vi và giới hạn của đề tài, chúng em chọn vi điều khiển Atmega8 để điều khiển toàn hệ thống I ATMEGA8 1 TỔNG QUAN Những Tính Năng Chính Của ATmega8: • Có 8Kbyte bộ nhớ flash • Có thể xóa lập trình được... SRAM và bộ nhớ EEPROM Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại tách biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng - Bộ nhớ SRAM có dụng lượng 1 K bytes, Bộ nhớ SRAM có hai chế độ hoạt động là chế độ thông thường và chế độ tương thích với ATmega103, muốn thiết lập bộ nhớ SRAM hoạt động theo chế độ nào ta sử dụng bit cầu chì M103C ( M103C fuse bit (9) ) Atmega8 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc... KHÁI NIỆM VỀ NGẮT Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn xàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ:Khi bộ truyền nhận UART nhận được một byte nó sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC,hợc khi nó đã truyền được một byte thì cờ TX được thiết lập… Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương trình (con trỏ PC)... hớp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được phục vụ Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên Để truy nhập vào SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ... cùng với dịch chuyển Địa chỉ của toán hạng nguồn hoặc đích được trỏ bởi thanh ghi Y hoặc Z cộng thêm một chỉ số nào đó 4.2.6 Địa chỉ gián tiếp dữ liệu: Đây là cách mà CPU truy nhập tới dữ liệu trong RAM thông qua thanh ghi X,Y,Z địa chỉ của dữ liệu được lưu trong thanh ghi này 4.2.7 Địa chỉ dữ liệu gián tiếp cùng với tăng hoặc giảm con trỏ 4.2.8 Địa chỉ của hằng số trong bộ nhớ chương trình Cách này chỉ... ghi dữ liệu và các thanh ghi điều khiển các cổng vào ra Chúng có thể truy nhập được bằng 2 cách: - Bằng địa chỉ trực tiếp Ví dụ: STR $3F,R11 hoặc: STR SREG.R11 - Hoặc có thể truy nhập gián tiếp chúng thông qua thanh ghi X, Y, Z Ví dụ : LDI R28,0x00 LDI R27,0x5F STD X,R11 Hai ví dụ này hoàn toàn tương đương, đều ghi dữ liệu vào thanh ghi SREG 4.2.12 Status Register (SREG) Đây là thanh ghi trạng thái . đã xây dựng. Giá thành đầu tư theo mô hình này là phù hợp với các thành phố nước ta. Các thành phố có thể đầu tư theo từng bước tuỳ theo các cấp độ vận hành theo yêu cầu thực tế của từng địa. chiếu sáng chưa cao, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6000h (Tạp chí tự động hoá ). - Mức tiêu thụ điện trong chiếu sáng ở Việt Nam cao hơn nhiều so với thế giới. Dự báo còn tăng cao hơn bởi do mức. Nam). Hình 2: Mô hình đèn chiếu sáng trên đường cao tốc. - Hiện tại, các thành phố lớn chiếu sáng công cộng chủ yếu dùng đèn thuỷ ngân cao áp, chiếm tỷ lệ khá cao như: Hà nội 52%, Bắc giang 65%, Tuyên