Nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ tự động điều khiển hệ thống điện chiếu sáng công cộng một số tuyến đường khu trung tâm thành phố bắc ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - - NGUYỄN VĂN THỌ Nghiªn cøu lùa chän giải pháp công nghệ tự động điều khiển hệ thống điện chiếu sáng công cộng số tuyến đờng khu trung tâm thnh phố bắc ninh LUN VN THC S KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN Mà SỐ: 60.52.02.02 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS NGƠ TRÍ DƯƠNG Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực hướng dẫn Tiến sĩ Ngơ Trí Dương Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà nội, ngày … tháng … năm 2013 Người thực Nguyễn Văn Thọ Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… i LỜI CÁM ƠN Lời cho phép xin gửi lời cám ơn tới Thầy Cô giáo người trực tiếp giảng dậy truyền đạt kiến thức cho tơi, tảng bản, hành trang vơ q giá sống Đặc biệt thầy giáo T.S Ngơ Trí Dương phó chủ nhiệm khoa Cơ - Điện Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp quan có giúp đỡ, động viên suốt thời gian học tập làm luận văn Trong trình thực đề tài kiến thức thời gian cịn hạn chế nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến Thầy Cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn chỉnh ! Xin trân trọng cám ơn ! Hà nội, ngày … tháng …… năm 2013 Học viên Nguyễn Văn Thọ Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN………………………………………………… …………….….i LỜI CẢM ƠN.………………………….………………………… ………… … ii MỤC LỤC ……………………………………………………… ……… ………iii DANH MỤC BẢNG ……………………………………………… ……… …….vi DANH MỤC HÌNH ……………………………………………… ……… …….vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH KINH TẾ Xà HỘI THÀNH PHỐ BẮC NINH 1.2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ NHỮNG NGUỒN SÁNG 1.2.1 Bản chất sóng - hạt ánh sáng 1.2.2 Nguồn sáng tự nhiên quang phổ liên tục 1.2.3 Nguồn sáng nhân tạo quang phổ vạch 1.2.4 Các đại lượng đo ánh sáng 1.3 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁT SÁNG 1.3.1 Hiện tuợng phát sáng nung nóng 1.3.2 Hiện tuợng phát sáng phóng điện 1.3.3 Hiện tượng phát sáng huỳnh quang 10 1.3.4 Hiện tượng phát sáng lân quang 11 1.4 CẤU TẠO VÀ THÔNG SỐ CỦA BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 11 1.4.1 Cấu tạo đèn chiếu sáng công cộng 11 1.4.2 Các thông số quang học đèn chiếu sáng công cộng 12 1.5 Phân loại đèn chiếu sáng công cộng 13 1.5.1 Bộ đèn chiếu sáng hẹp 14 1.5.2 Bộ đèn chiếu sáng bán rộng 14 1.5.3 Bộ đèn chiếu sáng rộng 14 1.5.4 Giới thiệu số loại đèn chiếu sáng 14 1.6 Mét sè tiªu chuẩn, quy định chiếu sáng 18 1.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 23 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… iii 1.7.1 PHƯƠNG PHÁP CẮT BỚT TẢI SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH THỜI GIAN 23 1.7.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢM CƠNG SUẤT CỦA BĨNG ĐÈN CHIẾU SÁNG 24 CHƯƠNG THỰC TRẠNG TAI BẮC NINH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 28 2.1 THỰC TRẠNG TẠI BẮC NINH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 28 2.1.1 Khèi l−ỵng quản lý, khai thác hệ thống chiếu sáng công cộng 28 2.1.2 Kết cấu lới đèn trạng 28 2.1.3 Dây dẫn truyền tải: 28 2.1.4 Hệ thống tủ điều khiển: 28 2.1.5 Phơng thức điều khiển v vận hμnh l−íi ®Ìn 29 2.1.6 Hệ thống đèn chiếu sáng: 30 2.1.7 Cáp điện chiếu sáng: 31 2.1.8 Nhu cầu phát triển 31 2.2 CỤ THỂ ĐỐI VỚI MỘT SỐ TUYẾN ĐƯỜNG KHU RUNG TÂM: 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 40 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 40 3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 41 3.2.1 Cảm biến đo độ sáng 41 4.2.2 Bộ điều khiển 47 3.2.3 Lựa chọn cấu chấp hành 51 3.2.4 Thiết lập sơ đồ khối 54 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 54 3.3.1 Xây dựng thuật toán 54 3.3.2 Viết chương trình điều khiển 59 3.4 KẾT QUẢ CHẠY MÔ PHỎNG 62 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… iv 3.4.1 Cách thức mô chương trình 62 3.4.2 Kết mơ chương trình 62 3.4.3 Kết đạt 67 LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 69 Kết luận 69 Kiến nghị hướng phát triển đề tài 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Yêu cầu độ đồng chiếu sáng B¶ng 1.2 ChØ sè G vμ møc ®é chãi lãa B¶ng 1.3 Phân cấp chiếu sáng đờng v quảng trờng: 20 Bảng 1.4 Trị số độ chói trung bình v độ rọi trung bình đợc quy định TCVN 1404 : 2005 21 Bảng 1.5 Trích tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo đờng, phố, quảng trờng đô thị TCXDVN 259: 22 Bảng 1.6 Độ cao treo đèn 22 Bảng 1.7 Phân cấp loại đờng theo mức ®é chiÕu s¸ng 23 Bảng 2.1 Loại đèn v số lượng đèn chiếu sáng phạm vi khác 30 B¶ng 2.2 Tỉng hợp dự báo nhu cầu phát triển HTCSCC TP Bắc Ninh đến năm 2020 32 Bảng 3.1: Bảng phân cơng tín hiệu v o 55 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Thí nghiệm quang phổ liên tục Hình 1.2: Thí nghệm quang phổ vạch Hình 1.3: Đường cong hiệu ánh sáng Hình 1.4: Biểu đồ Kruithof Hình 1.5: Thí nghiệm phóng điện chất khí Hình 1.6: Phóng điện chất khí với nguồn điện hình Sine 10 Hình 1.7: Giải thích tượng phát sáng huỳnh quang 10 Hình 1.8: Cấu tạo đèn chiếu sáng công cộng………………………… … 10 Hình 1.9: Các loại phản quang 12 Hình 1.10: Thiết bị mồi đèn 12 Hình 1.11: Ảnh hưởng sơ đồ bố trí đèn đến hệ số sử dụng 13 Hình 1.12: Góc bảo vệ đèn 13 Hình 1.13: Cấu tạo đèn sợi đốt 14 Hình 1.14: Bóng đèn natri cao áp 15 Hình 1.15: Đèn natri thấp áp 15 Hinh 1.16: Đèn thủy ngân áp suất cao 16 Hình 1.17: Một số dạng bóng đèn huỳnh quang 16 Hình 1.18: Sơ đồ đấu dây giản đồ lượng bóng đèn huỳnh quang 17 Hình 1.19: Hình dạng cấu tạo đèn led 17 Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý đèn cấp công suất 18 Hình 1.21 phương pháp chuyển mạch thời gian 24 Hình 1.22 Dạng sóng hình sin máy giảm cơng suất cách giảm biên độ sóng hình sin 25 Hình 1.23 Dạng sóng hình sin máy giảm cơng suất sử dụng mạch điện tử để thay đổi dạng sóng hình sin 25 Hình 1.24 Hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng cơng cộng 26 Hình 2.1 Hệ thống đèn chiếu sáng đường Nguyễn Đăng Đạo 33 Hình 2.2 Hệ thống đèn chiếu sáng đường Trần Hưng Đạo 34 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… vii Hình 2.3 Hệ thống đèn chiếu sáng đường Lý Thái Tổ 35 Hình 3.1: Đèn sáng 100% cơng suất cao điểm 41 Hình 3.2: Đèn sáng 80% cơng suất thấp điểm 41 Hình 3.3: Đèn sáng 60% cơng suất thấp điểm………………………… …39 Hình 3.4: Tế bào quang 43 Hình 3.5: Cấu tạo photo diot 43 Hình 3.6: Sơ đồ nối photo diot 43 Hình 3.7: Mạch đo chế độ quang 44 Hình 3.8: Photo transitor 44 Hình 3.9: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle 45 Hình 3.10: Ứng dụng transitor quang đóng mở rơle 45 Hình 3.11: Ứng dụng cáp quang càm biến quang đo di chuyển tốc độ quay 45 Hình 3.12: Luxmet 45 Hình 3.13: Cấu tạo cảm biến quang 46 Hình 3.14: Nút điều chỉnh ngưỡng đặt 46 Hình 3.15: Hình dáng bên cảm biến quang E3F2 47 Hình 3.16: Hình dáng kích thước thực PLC S7-200 CPU 224 48 Hình 3.17: Sơ đồ mạch giao tiếp CPU224/AC/RLY với sensor cấu chấp hành 49 Hình 3.18: Giao thức MODBUS 49 Hình 3.19: Cấu tạo chung PLC S7-200 50 Hình 3.20: Bóng đèn natri cao áp 51 Hình 3.21: rơle điện từ loại RXM2LB1P7 Schneider 52 Hình 3.22 Nguyên lý lm việc máy biến áp 53 Hình 3.23.Sơ đồ hệ thống 54 H×nh 3.24 Giản đồ thời gian mô tả hoạt động hệ thống đèn 55 Hình 3.25: Sơ đồ kết nối thiết bị vào với PLC 56 Hình 3.26:Mạch động lực 57 Hình 3.27: Lưu đồ thuật tốn chương trình 58 Hình 3.28: Lưu đồ thuật tốn chế độ điều khiển tự động 59 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… viii Hình 3.29: Cấu trúc PLC 60 Hình 3.30: Cấu trúc chương trình PLC 60 Hình 3.31: Sơ đồ vịng qt PLC 60 Hình 3.32: Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC 61 Hình 3.33: Mơ trạng thái khởi động hệ thống 62 Hình 3.34: Mơ cảm biến quang tác động 17h đèn sáng 100% công suất 63 Hình 3.35: Mơ cảm biến quang tác động ≥ 22h đèn sáng 80% công suất 64 Hình 3.36: Mơ cảm biến quang tác động 0≤ t ≤ 5h đèn sáng 60% công suất 65 Hình 3.37: Trời sáng cảm biến quang không tác động, đèn không sáng 66 Hình 3.38: Mơ trạng thái dừng hệ thống 67 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… ix Hình 3.29: Cấu trúc PLC - Nguyên lý hoạt động PLC Hình 3.30: Cấu trúc chương trình PLC Thực chương trình S7-200 PLC làm việc theo kiểu vịng qt, trình đọc đầu vào thực chương trình đưa tín hiệu đầu gọi quét Thời gian quét trình liên tục đọc đầu vào, đánh giá định logic điều khiển đưa tín hiệu Hình 3.31: Sơ đồ vịng qt PLC Trường Đại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 60 Hình 3.32: Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 61 3.4 KẾT QUẢ CHẠY MƠ PHỎNG 3.4.1 Cách thức mơ chương trình 3.4.2 Kết mơ chương trình Hình 3.33: Mô trạng thái khởi động hệ thống Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 62 Hình 3.34: Mơ cảm biến quang tác động 17h đèn sáng 100% công suất   Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 63 Hình 3.35: Mơ cảm biến quang tác động ≥ 22h đèn sáng 80% công suất Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 64 Hình 3.36: Mơ cảm biến quang tác động 0≤ t ≤ 5h đèn sáng 60% công suất Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 65 Hình 3.37: Trời sáng cảm biến quang khơng tác động, đèn không sáng Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 66 Hình 3.38: Mô trạng thái dừng hệ thống 3.4.3 Kết đạt Sau nhiều lần tiến hành chạy mô phỏng, đạt kết sau: - Chương trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ - Đáp ứng yêu cầu tự động bật/tắt giảm công suất đèn Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 67 - Tiết kiệm chi phí: - Mức tiêu thụ điện hàng năm hệ thống thắp sáng hết công suất hoạt động bình thường Hạng mục Đơn vị Mức tiêu thụ điện không chiết giảm Đơn giá điện Giá trị KW/h 31 1.000 đồng 1587 Giờ/năm 4380 Thời gian thắp sáng Chi phí tiền điện tiêu thụ năm 1.000đồng 215.482.000 - Mức tiêu thụ điện hàng năm hệ thống thắp sáng có chiết giảm cơng suất Hạng mục Đơn vị Giá trị Mức tiêu thụ điện không chiết giảm KW/h 31 Mức tiêu thụ điện chiết giảm mức KW/h 24.8 Mức tiêu thụ điện chiết giảm mức KW/h 18.6 Đơn giá điện 103 đồng 1587 Thời gian thắp sáng hết công suất Giờ/năm 1825 Thời gian thắp sáng chiết giảm công suất mức Giờ/năm 730 Thời gian thắp sáng chiết giảm cơng suất mức Gi /năm 1825 Chi phí tiền điện tiêu thụ năm đồng 162.386.000 Số tiền tiết kiệm năm là: 53.096.000đ - Chi phí đầu tư điều khiển: Tên thiết bị Cảm biến ánh sáng (E3F2) PLC – S7 200 - CPU224 Máy biến áp Rơ le, CTT Dây dẫn, thiết bị phụ trợ Phần mềm chương trình Tổng Số lượng 1 Đơn giá(đ) 170.000 4.000.000 13.530.000 64.000 Thành tiền(đ) 170.000 4.000.000 13.330.000 192.000 500.000 35.000.000 35.000.000 53.064.000 Ghi Báo giá Báo giá Báo giá Báo giá Tạm tính Tạm tính - Số tiền tiết kiệm áp dụng điều khiển giảm công suất năm – số tiền đầu tư điều khiển: 53.096.000 – 53.064.000 = 32(đ) Vậy Thời gian thu hồi vốn đầu tư năm Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 68 LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Sau thời gian tiến hành nghiên cứu, đến đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ tự động điều khiển hệ thống điện chiếu sáng công cộng số tuyến đường khu trung tâm thành phố Bắc Ninh.” hoàn thành Qua việc nghiên cứu em thu số kết sau: - Nghiên cứu phương pháp điều khiển chiếu sáng lựa chọn phương pháp phù hợp để điều khiển tuyến phố cụ thể khu vực Bắc Ninh - Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng cho thiết bị chiếu sáng:… - Nghiên cứu số đèn chiếu sáng thơng dụng: Đèn sợi đốt, đèn phóng điện, đèn huỳnh quang, đèn compact, đèn led, đèn hai cấp công suất - Nghiên cứu việc ứng dụng PLC vào hệ thống điều khiển công suất đèn chiếu sáng công cộng - Thiết kế thiết bị điều khiển có chức : - Điều khiển bật tắt /đèn tự động trời tối / sáng - Điều khiển công suất đèn - Thông qua việc thiết kế mơ chương trình chạy - Biết cách ứng dụng phần mềm Step7- Micro/Win32 V4.0 vào việc viết chương trình điều khiển, sử dụng phần mềm mô Simulator 2.0 Ing English việc kiểm tra sơ làm việc chương trình Kiến nghị hướng phát triển đề tài - Công nghệ điều khiển chiếu sáng nước ta chưa áp dụng nhiều nên trước mắt đề tài phát triển theo hướng hoàn thiện sản phẩm để thử nghiệm số nơi nhằm đánh giá hoạt động hệ thống đưa yêu cầu phát triển cao đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ Để đề tài ứng dụng vào thực tiễn, em có kiến nghị sau: - Cần thử nghiệm hệ thống tuyến đèn chiếu sáng cụ thể, hiệu chỉnh thiết kế, tính tham số kỹ thuật phù hợp - Đánh giá tác động môi trường thực tế lên hoạt động hệ thống ngược lại - Mở rộng cấu hình, đáp ứng quy mô ứng dụng khác - Sau thiết bị chạy ổn định cho lắp đặt ứng dụng Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Phan Xuân Minh TS Nguyễn Dỗn Phước, Tự động hóa với Simatic S7-200, Nhà xuất khoa học kỹ thuật TS Tăng Văn Mùi TS Nguyễn Tiến Dũng, Điều khiển logic lập trình PLC, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Kỹ thuật chiếu sáng Lê Văn Doanh, Đặng Văn Đào, Lê Hải Hưng, Ngô Xuân Thành, Nguyễn Anh Tuấn Chủ biên Lê Văn Doanh.- NXB Khoa häc vμ kü thuËt, Hμ Néi Tăng Văn Mùi, Nguyễn Tiến Dũng, Điều khiển logic lập trình PLC, nhà xuất khoa học kỹ thuật Phạm Quốc phó, Nguyễn Đức Chiến, giáo trình cảm biến, Nhà xuất khoa học k thut Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo đờng, phố, quảng trờng đô thị TCXDVN 259: 2001 Báo cáo tình hình kinh tế xã hội tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 2011-2015 DaleWilken, Balu, Anan thanarayanan, patrick Hasson “European road lighting Technologies” Federal Highway administration http://www.dientuvietnam.net Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 70 Phụ Lục Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 71 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 72 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 73 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… i ... - Phương pháp điều khiển Dùng công nghệ truyền thông qua đường điện lực kết hợp với cơng nghệ định vị GPGS Hình 1.24 Hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công cng u im: - Điều chỉnh... CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG Hệ thống điều khiển chiếu sáng cơng cộng (ĐKCS) nhiều tiện ích phức tạp, nhìn chung chúng có hai nhiệm vụ: tắt ánh sáng không cần điều khiển phát... máy giảm công suất sử dụng mạch điện tử để thay đổi dạng sóng hình sin 25 Hình 1.24 Hệ thống điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng 26 Hình 2.1 Hệ thống đèn chiếu sáng đường