Artykuł dotyczący oświetlenia hal

SYSTEM INTELIGENTNEGO OŚWIETLENIA SPOSÓB NA
ZMNIEJSZENIE KOSZTÓW EKSPLOATACJ HAL
PRZEMYSŁOWYCH
Ryszard Ferenc
Trimax Sp. z o.o.
Streszczenie. Nowe rozwiązania techniczne w dziedzinie oświetlenia hal umożliwiają znaczne zmniejszenie kosztów
energii i eksploatacji. Sposobem na to są systemu inteligentnego oświetlenia, które w zmieniających się warunkach
oświetlenia minimalizują zużycie energii elektrycznej
1. INTELIGENTNE OŚWIETLENIE – MODA
CZY KONIECZNOŚĆ?
Wzrost kosztów energii elektrycznej z jednej strony, a
możliwości techniczne w dziedzinie oświetlenia z drugiej, wymuszają szukanie nowych rozwiązań w sposobach oświetlenia hal w celu zmniejszenia kosztów,
zwłaszcza kosztów energii elektrycznej.
W stosowanym obecnie oświetleniu wykorzystuje się powszechnie efektywne źródła światła takie
jak wysokoprężne lampy sodowe, metalohalogenkowe
czy świetlówki. Dlatego dalsze zmniejszenie zużycia
energii, nie jest możliwe jedynie na drodze wymiany
źródeł światła czy opraw jak to miało miejsce do tej
pory.
Jeśli oświetlenie wykonane zostało zgodnie z obowiązującymi w tym zakresie normami, obniżenie mocy zasilania opraw spowoduje pogorszenie się jakości
oświetlenia na co nie można sobie pozwolić.
Są jednak sytuacje gdzie zmniejszenie mocy
opraw nie skutkuje nie powaduje odstępstw normyy.
Są to hale w których występują następujące sytuacje:
1. projektant przewidział zapas natężenia oświetlenia z uwagi na zmniejszenie skuteczności
oświetlenia w czasie (zanieczyszczenie opraw,
zmniejsza skuteczność źródeł światła)
2. w oświetleniu udział ma światło naturalne,
zewnętrzne. Hale wyposażone w świetliki,
okna, otwarte bramy zasilane
3. nie zawsze jednocześnie pracuje się na
wszystkich stanowiskach
4. dynamicznie zmienia się sytuacja w zakresie
potrzeb oświetlenia; np. zróżnicowane w czasie natężenie ruchu wózków w poszczególnych sektorach magazynu.
To właśnie w takich sytuacjach można, dzięki posiadanym systemom sterowania mocą opraw, znacząco
zmniejszyć konsumpcję energii.
Tak więc kluczem do zmniejszenia kosztów oświetlenia jest sterowanie mocą oświetlenia.
Nie należy zapominać jednak o dodatkowych możliwościach zmniejszenia kosztów eksploatacji oświetlenia przez zmniejszenie pracochłonności prac serwisowo – naprawczych, wydłużenie sprawności źródeł
światła oraz dzięki monitorowaniu pracy sieci oświetlenia.
1.1.
Sposoby redukcji mocy.
Dla wspomnianych źródeł światłą można zastosować
dwa sposoby redukcji mocy.
Redukować moc można na drodze zmniejszania napięcia zasilającego źródło światła lub dzięki zmianie częstotliwości.
Sterowanie napięciowe stosuje się jedynie do opraw
wyposażonych w elektromagnetyczne stateczniki, dla
których zmniejszenie napięcia zasilania skutkuje
zmniejszeniem mocy źródła światła. Do tego celu wykorzystuje się transformatory.
Częstotliwościową metodę redukcji mocy realizuje się
za pomocą elektronicznych stateczników.
1.2.
Cechy funkcjonalne redukcji mocy
za pomocą transformatorów
Do redukcji mocy napięciem stosuje się transformatory, które podłącza się do zasilania obwodów elektrycznych oświetlenia.
Urządzenia takie umożliwiają zmniejszenie w
określonym czasie napięcia w obwodach zasilających oprawy.
Powoduje to, że redukcji mocy podlegają jednocześnie wszystkie oprawy zasilane tym
urządzeniem - grupowa redukcja mocy.
1.3.
Redukowanie mocy za pomocą
elektronicznych stateczników.
Redukcja mocy z wykorzystaniem elektronicznych stateczników pozwala na indywidualne sterowanie każdą
oprawą dzięki możliwościom komunikowania się z
każdym statecznikiem. Należy wspomnieć, że istnieją
styczniki elektroniczne, które nie mają funkcji sterowania. Zastępują one jedynie elektromagnetyczne
układy zasilania lamp wyładowczych. Stateczniki te
uniemożliwiają jakiekolwiek sterowanie oprawami.
Elektroniczne, sterowane stateczniki nadają się do systemów indywidualnego sterowania oprawami.
Stateczniki sterowane podzielić można pod względem
komunikacji na dwie grupy:
1. stateczniki sterowane analogowo, sygnałem
napięciowym 1-10V
2. stateczniki sterowane cyfrowo
Wykorzystywanie „analogowych” stateczników w
znacznym stopniu ogranicza funkcjonalność systemów
sterowania. Stateczniki takie nie generują informacji
zwrotnych, więc nie jest możliwy bezpośredni nadzór
pracy oprawy. W ramach systemów sterowania stosuje
się czasami wprowadzenie dodatkowych czujników,
które mierząc parametry zasilania statecznika, natężenie i napięcie, pozwalają w ramach systemu sterowania
wyliczać moc oraz wykrywać stan pracy i stan wyłączenia.
Stateczniki „cyfrowe” mogą oferować znacznie więcej
funkcji w zakresie monitoringu pracy opraw.
1.4.
System Sterowania
Oświetlenie hal to zazwyczaj duża liczba opraw, nierzadko przekraczająca kilkaset sztuk, w ramach jednego pomieszczenia. W pomieszczeniach takich potrzeby
oświetlenia zmieniają się dynamicznie w czasie w różnych fragmentach hali. Bezcelowe jest korzystanie z
ręcznego wspomagania wprowadzania zmian parametrów, co próbuje się często robić instalując wyłączniki
zasilania w poszczególnych sektorach w ramach standardowych systemów oświetlenia. Praktyka wykazuje,
że pracownicy zajęci wykonywaniem swoich zadań
zapominają o możliwości czasowego wyłączania
oświetlenia.
Dlatego systemy sterujące muszą zapewniać w pełni
automatyczną zmianę parametrów oświetlenia w zależności od zewnętrznych sygnałów.
Cenioną funkcją takich systemów jest wspomaganie
zarządzania eksploatacją oświetlenia: monitoring pracy
opraw, ewidencja awarii, serwisów itp.
Szczegóły możliwych rozwiązań zostaną przedstawione na przykładzie Systemu Inteligentnego Oświetlenia
Columbus.
2. SYSTEM COLUMBUS – PRZYKŁAD
MOŻLIWYCH ROZWIĄZAŃ
System Columbus jest narzędziem do zarządzania
oświetleniem przemysłowym mającym na celu zminimalizowanie kosztów eksploatacji, a w tym redukcję
zużycia energii elektrycznej oraz kosztów eksploatacyjnych.
W skład systemu wchodzą elementy elektroniczne i
różne typów oprogramowania.
SYSTEM CENTRALNY
Rozkazy
Sygnały
Parametry
SYSTEM IMPORTU
DANYCH
Ethernet
GPRS
LUNA
Lokalny Układ Nadzoru
SYSTEM
INWENTARYZACJI
Skrętka
PLC
Rozkazy
Sygnały
ELBALL
Elektroniczny statecznik
Zasilanie
źródła światła
ŹRÓDŁO ŚWIATŁA
Rys.1 Elementy Systemu Columbus.
Między modułami zachodzi wymiana danych różnymi
kanałami. Komunikacja między Systemem Centralnym
a LUNĄ nazywana jest „transmisją globalną” a miedzy
LUNĄ a ELBALLem „transmisją lokalną.
2.1.
System Centralny
Moduł ten wspomaga zarządzanie eksploatacją –
wszelkimi pracami związanymi z utrzymaniem w
sprawności oświetlenia, umożliwia sterowanie i nadzorowanie opraw. Gromadzone są dane o naprawach, zabiegach konserwacyjnych, częstotliwości i rodzajach
napraw. Bazy kontrahentów, pracowników, dostawców
wykorzystywane są do tworzenie dokumentów zleceń,
rozliczeń wykonanych czynności.
Analizy pozwalają kontrolować jakość procesu eksploatacji.
System Columbus informuje o pracy i stanach awarii
oświetlenia.
Przewidziane są trzy poziomy nadzoru:
a. podstawowy – dla każdej oprawy, dla
każdej doby sporządzane jest sprawozdanie pracy dobowej według określonych
stanów np. praca z pełną mocą, lampa
przyciemnienia czy niesprawne źródło
światła. Informacja ta generowana jest
zawsze niezależnie od woli operatora,
b. szczegółowy – w tym trybie pojawiają się
informacje o bieżącym stanie oprawy
uaktualniane przy każdej zmianie stanu
lampy, tryb ten musi być załączony przez
operatora dla konkretnych opraw,
c. historia pracy – jest to szczegółowy spis
wszystkich zmian stanów lampy wraz z
czasem ich powstania, pobierany jest
przez operatora dla wybranej oprawy.
2.2.
LUNA
Luna – lokalny układ nadzoru jest komputerowym sterownikiem odpowiadającym za komunikację z oprawami, a dokładniej mówiąc z elektronicznymi statecznikami ELBALL.
LUNA pracuje przez 24 godziny na dobę niezależnie
od czasu załączenia oświetlenia, w odróżnienia od Systemu Centralnego, który może był włączany zgodnie z
potrzebami operatora.
2.4.
System Columbus do sterowania i nadzoru wykorzystuje elektroniczne stateczniki ELBALL, dlatego źródła światła, które mogą być stosowane to wysokoprężne lampy sodowe i metalohalogenkowe. Statecznik
ELBALL może być oddalony o źródła światła do 30 m,
wykorzystując standardowe kable.
Pozwala to na umieszczanie stateczników również po
za oprawą na ścianach, antresolach.
Taki sposób montażu ułatwia dostęp do stateczników
oraz zmniejsza ilość elementów mogących ulec awarii,
w najczęściej trudno dostępnych oprawach zmniejszając tym samym nakłady pracy i koniczność użycia wysięgnika.
2.5.
Rys.2 Sterownik LUNA
LUNA komunikuje się „komunikacją globalną” z Systemem Centralnym i „lokalną” z ELBALEM.
Do komunikacji globalnej używa się w oświetleniu
przemysłowym sieci TCP/IP firmy.
Komunikacja lokalna realizowana jest z wykorzystaniem skrętki.
2.3.
Źródło światła
System importu danych
System Columbus wymaga wprowadzenia dużej ilości
danych. Może to być długotrwały proces zwłaszcza
przy tworzeniu bazy podczas pierwszego uruchomienia. By ułatwić to zadanie można wykorzystać system
Import Danych..
2.6.
System Inwentaryzacji
System Inwentaryzacji jest samodzielnym systemem
wchodzący w skład grupy systemów Columbus służący
do szybkiego zbierania danych opisujących elementy
instalacji oświetlenia, które następnie eksportuje się do
systemu centralnego.
ELBALL
Elball jest wysokoczęstotliwościowym statecznikiem
przetwarzającym prąd o napięciu 220 – 230 V i częstotliwości 50 Hz na prąd około 100 V i częstotliwości do
220 kHz, stabilizującym moc zasilania lampy. sterowany mikroprocesorem.
Zastępuje dławik elektromagnetyczny, kondensator i
układ zapłonowy.
Realizuje między innymi funkcje: rezonansowego zapalania źródła światła, zmiany mocy, komunikację ze
sterownikiem, informowania o stanach pracy i awariach.
Sterowanie redukcją mocy odbywać się może:
a) sygnałem napięciowym – 230V
b) sterowaniem komputerowym
Rys.3 Elektroniczny statecznik ELBALL
3. TYPOWE KONFIGURACJE
System Columbus umożliwia różnego typu konfiguracje instalacji sterowania i nadzoru, pozwalające dostosować się do wymagań dla konkretnych obiektów. Sterowanie może odbywać się autonomiczne - bez połączenia z Systemem Centralnym lub ze zdalnym połączeniem: sterowanie komputerem (wymagany jest sterownik LUNA) lub sygnałem napięciowym (wymagane są czujniki).
3.1.
Hale oświetlane również światłem
naturalnym.
Dla hal produkcyjnych oświetlanych również światłem
dziennym (okna, świetliki) stosuje się najczęściej konfigurację z automatycznym utrzymaniem wymaganego
natężenia oświetlenia na poziomie pracy.
W tej konfiguracji stosuje się czujniki mierzące natężenie oświetlenia, dzięki którym system utrzymuje
wymagany poziom oświetlenia uwzględniając wpływ
światła zewnętrznego. Istnieje możliwość automatycznego wyłączenia i włączenia oświetlenia. Sterować
można dowolnymi grupami opraw.
Elementy tego rozwiązania: System Centralny, LUNA,
czujniki natężenia, ELBALLe
9.
Maksymalna moc opraw zapewniająca wymagany
poziom natężenia przy całkowitym barku światła
zewnętrznego.
3.2.
Rys.4. Elementy systemu oświetlenia hal przemysłowych
Efektem zastosowania tego wariantu jest zmniejszenie
zużycia energii elektrycznej z jednoczesnym zapewnieniem wymaganego poziomu natężenia oświetlenia
na stanowiskach pracy.
Rys.5. Zapis poboru mocy przez oświetlenie hali wyposażonej
w świetliki, rejestracji dokonano we wrześniu 2009 roku.
Na wykresie zaznaczono fazy zmian oświetlenia:
1. poziom natężenia oświetlenia dla tej hali dla oświetlenia tradycyjnego, wyposażonego w układy elektromagnetyczne. Tak znaczna różnica wynika z zastosowania wysokoczęstotliwościowych elektronicznych stateczników, które dzięki minimalnym
stratom cieplnym oraz większej skuteczności
świetlnej źródeł światła zasilanych wysokimi częstotliwościami pozwalają zmniejszyć moc bez utraty strumienia w stosunku do klasycznych opraw.
2. Proces zapalania i rozgrzewania źródeł światłą
3. osiągnięcie mocy maksymalnej niezbędnej co całkowitego wygrzania lamp
4. automatyczna redukcja mocy oświetlenia na skutek
narastania wpływu oświetlenia naturalnego
5. osiągnięcie minimalnego poziomu redukcji mocy
opraw, w cytowanym przypadku konfiguracja automatycznych zmian mocy nie pozwalała na automatyczne wyłączanie i włączanie oświetlenia. Gdyby jednak ta funkcja była uaktywniona oświetlenie
byłoby automatycznie wyłączane gdy natężenie naturalne zapewniało by wymagany poziom natężenia
6. okresowy wzrost mocy na skutek zmniejszenia
wpływu światła dziennego (intensywne zachmurzenie)
7. proces ciągłego zwiększania mocy na skutek nadchodzącego zachodu słońca
8. redukcja mocy w czasie przerwy regulaminowej,
system zgodnie z konfiguracją pamięta pory przerw
i w ich trakcie przechodzi z tryby pracy automatycznego utrzymania natężenia oświetleniem na
tryb określonego poziomu przyciemnienia. Po zakończeniu przerwy system wraca do poprzedniego
trybu.
Hale magazynowe.
W halach magazynowych świetnie sprawdza się rozwiązanie ze sterowaniem oświetleniem na zasadzie
wykrywania ruchu.
W miejscach gdzie nie wykonuje się pracy oświetlenie
jest przyciemnione. Pojawienie się pracowników, wózków widłowych skutkuje natychmiastowym rozjaśnieniem. System pozwala na tworzenie sektorów indywidualnie sterowanych.
Elementy konfiguracji: ELBALLe, czujniki ruchu. W
tym wypadku nie potrzebne jest stosowania sterowania
komputerowego. Funkcję przyciemniania realizuję
elektroniczne stateczniki Elball po otrzymaniu sygnału
napięciowego zmieniają moc. Szybkość przyciemniania opraw można regulować, proces pełnego rozjaśniania trwa krócej niż jedną sekundę.
Rysunek 6 elementy systemu
Wielkość oszczędności w tym przydatku zależy od
liczby sektorów (korytarze można podzielić dodatkowo
na sektory), liczby wózków, natężenia ruchu oraz wybranego poziomu przyciemnienia
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Legenda
1
1
regał
nr sektora
nr ścieżki
granica sektora
oprawa
wózek widłowy
Rys.7. Sytuacja oświetlenia w magazynie wysokiego składowania.
oświetlenia klasycznego, wykorzystującego lampy sodowe i metalohalogenkowe.
Elektroniczne, wysokiej częstotliwości stateczniki,
dzięki małym stratom cieplnym i wysokiej częstotliwości zasilania źródeł światła zwiększają strumienia
świetlnego stosunku do opraw wyposażonych w stateczniki elektromagnetyczne. Skutkuje to oszczędnościami w zużyciu energii rzędu 15 do 20 procent bez
funkcji sterowania.
Dodatkowe oszczędności zapewnia sterowanie oświetleniem.
80,0%
70,0%
60,0%
50,0%
40,0%
30,0%
20,0%
10,0%
81
100
64
49
36
9 10
11 12
13 14
15 16
17 18
19 20
25
8
9
7
1
Liczba wozkow widlowych
16
1 2
3 4
5 6
4
0,0%
Liczba sektrow
Rys.8. Wykres pokazujący skalę oszczędności dla różnej
liczby sektorów i wózków widłowych.
Oszczędności na poziomie 20% są niezależne od ilości wózków i liczby sektorów ponieważ zastosowanie systemu
gwarantuje większą sprawność układu statecznik elektroniczny ELBALL - lampa.
4. PODSUMOWANIE
Dzięki możliwościom inteligentnych systemów oświetlenia obiektów przemysłowych istnieje możliwość
znacznego zmniejszenia kosztów eksploatacji na poziomie zmniejszenia zużycia energii oraz na poziomie
prac konserwacyjno naprawczych.
4.1.
Zmniejszenie kosztów energii
elektrycznej.
Zmniejszenie zużycia energii elektrycznej może
wynosić 30% – 60% w stosunku do nowoczesnego
4.2.
Zmniejszenie kosztów eksploatacji.
Zmniejszenie kosztów konserwacji powstaje
na skutek:
9
mniejszej liczby zabiegów konserwacyjnych – lampy zasilane EBLALL-ami świecą dłużej
od zasilanych dławikami co skutkuje zmniejszeniem wydatków na nowe źródła światła oraz
mniejsze koszty robocizny i sprzętu
9
elektroniczny statecznik montowany po
za trudno dostępnymi oprawami pozwala zmniejszyć nakłady na robociznę i sprzęt
9
centralne odnotowywanie wszelkich
czynności naprawczo – konserwacyjnych pozwala
dokładnie je rozliczać, analizować jakość zastosowanych elementów co prowadzi do zmniejszenia
nakładów na utrzymane oświetlenia w sprawności.
Tak więc przy ciągle rosnących kosztach energii oraz
większej troski o środowisko Systemy Inteligentnego
Oświetlenia stają się koniecznością.