Решения по освещению для птицеводства: система освещения курятников

Решения по освещению для птицеводства: система освещения курятников

Каталог:
1. Анализ и проектирование схемы освещения в птичниках
2. Анализ распределения света
3. Решение по управлению освещением
4. Решение по общему управлению
5. Решение по режиму электропитания

В настоящем документе представлен комплексный проект системы освещения для птичников. В нём подробно описаны конфигурация и технические характеристики системы, используется соотношение расстояния к высоте для оценки распределения освещения и светового потока отдельных ламп, описана стратегия управления освещением, определён подход к управлению системой и установлены критерии проектирования импульсного источника питания для каждой секции.

1. Анализ и проектирование схемы освещения в птичниках

1.1 Внутренняя планировка птичников

Длина птичника составляет 120 метров, ширина – 16 метров, а общая площадь – 1920 квадратных метров. Для снижения потребления электроэнергии и затрат компания, курирующая проект, заказала установку нового светодиодного освещения. Учитывая различную потребность в освещении на разных этапах цикла выращивания цыплят и различия в росте бройлеров в разных секциях птичника, компания решила разделить птичник на четыре отдельные зоны освещения. Каждая зона будет иметь независимое управление освещением, а сам курятник будет оснащен центральным пультом управления.

Исходя из этих требований, было разработано решение по компоновке системы освещения, включающее центральный узел управления и четыре независимо управляемые секции. Сотрудники смогут управлять освещением каждой секции с центрального узла. Для обеспечения равномерного освещения для всех кур в период выращивания свет должен быть равномерно распределен по всему полу птичника.

1.2 Требования к освещению в период роста цыплят

Освещение играет решающую роль в улучшении роста и набора веса бройлеров, поэтому технологии освещения играют важнейшую роль на современных птицеводческих фермах . Потребности бройлеров в освещении различаются на разных этапах роста. В период нагула у недавно вылупившихся цыплят ограниченное зрение, поэтому для поддержания их здорового развития, стимулируя их к еде и питью, обычно используется освещение высокой интенсивности. На взрослой стадии освещение низкой интенсивности помогает снизить уровень активности бройлеров, минимизируя клевание и другие проявления поведения, что способствует набору веса. В период выращивания птицы освещение низкой интенсивности помогает успокоить бройлеров, облегчая сотрудникам уход за ними.

Требования к освещению на трёх этапах цикла выращивания цыплят следующие: от 0 до 7 дней (фаза наседки) – 50 люкс; от 8 до 45 дней (фаза роста) – 10 люкс; а в период реализации – 5 люкс. Таким образом, освещение должно быть постоянным на протяжении всего цикла выращивания цыплят, при этом требуемый уровень освещённости должен меняться в зависимости от возраста цыплят.

1.3 Требования к контролю

Зоны управления освещением в курятнике, включая зону управления для персонала и зону основного кормления. Зона основного кормления, в свою очередь, разделена на четыре отдельные зоны. Главный центр управления расположен в зоне управления для персонала, а каждая из четырёх зон управляется подчиненным узлом управления. Общие характеристики следующие:

(1) Главный центр управления должен иметь возможность индивидуально управлять освещением в каждой зоне, позволяя устанавливать такие настройки, как «выкл», «освещение 51 лк, 10 лк и 50 лк».

(2) Для обеспечения безопасности напряжение электропитания должно оставаться ниже порога безопасности, поскольку сотрудники часто входят и выходят во время кормления.

(3) Все осветительное оборудование должно быть надлежащим образом защищено от дождя, воды и ударов молнии.

2. Анализ распределения света

Освещение в курятнике служит для общего освещения. Необходимо обеспечить равномерное освещение пола во время кормления. Равномерность освещения в курятнике зависит от количества, высоты и расстояния между установленными светильниками. В соответствии с требованиями подрядной организации, светильники в курятнике будут установлены на высоте 3 метра.

2.1 Соотношение расстояния к высоте и равномерность освещения

В данной статье для определения схемы расположения и необходимого количества осветительных приборов используется подход, основанный на соотношении расстояния к высоте. Соотношение расстояния к высоте определяется как отношение максимального расстояния между двумя соседними светильниками к высоте их установки, что обеспечивает равномерное освещение рабочей поверхности, как показано на рисунке 3(a), который представляет собой отношение s к h в системе. При отсутствии отражений освещённость земли определяется световым потоком каждой лампы, участвующей в установке. На рисунках 3(a) и (b) схематически представлены методы расчёта освещённости земли для двух и четырёх соседних светильников соответственно.

рис.3 Схематическая диаграмма соотношения расстояния к высоте

На рисунке 3(a) показан сценарий с двумя соседними лампами, A и B, которые идентичны по типу и имеют одинаковую высоту установки (h) и расстояние (s). Точки M и Q расположены на земле непосредственно под лампами A и B соответственно, а N является серединой отрезка линии MQ. Угол θ образован между вертикалью лампы A и линией, соединяющей лампу A с точкой N, называемый углом освещенности. Если лампа A обеспечивает освещенность E₀ точки M, то для того, чтобы точка N получила E₀, обе лампы A и B должны вносить E₀/2 освещенности в точку N, гарантируя, что уровни освещенности в точках M, N и Q будут равны или близки, тем самым поддерживая равномерное освещение земли между двумя лампами.

На рисунке 3(b) показано расположение четырёх соседних светильников A, B, C и D, расположенных в форме квадрата. Для достижения равномерного освещения каждый светильник должен обеспечивать E₀/4 освещённости в геометрическом центре O, обеспечивая таким образом, чтобы суммарное освещение в точке O равнялось E₀ от каждого светильника, тем самым гарантируя равномерное освещение земли всеми четырьмя светильниками.

Если рассматривать осветительный прибор как точечный источник света с равномерным освещением, то освещённость любой точки на поверхности земли зависит от угла освещения θ. Как показано на рисунке 3(а), вклад освещения от лампы A в любую точку на поверхности земли можно выразить следующей формулой:

Eₙ=E₀cos³θ.

Eh представляет собой освещённость любой точки поверхности земли, а Eo – освещённость точки M, расположенной непосредственно под лампой. Кривая, иллюстрирующая освещённость и углы освещения, представлена ​​на рисунке 4. Подставив E₀/2 и Eo/4 из рисунков 3 (а) и 3 (б) в формулу, можно определить углы освещения θ₁ и θ₂, необходимые для достижения равномерного освещения при двух и четырёх соседних лампах, которые составляют θ=37,5° и θ₂=51° соответственно.

рис.4 Кривая функции ЭА

На рисунке 3(a) показана треугольная зависимость, показывающая соотношение расстояния к высоте для двух и четырёх светильников: S₁/h=2tanC и S₂/h=√2tanθ₂, где S₁ и S₂ — расстояния между двумя соседними светильниками в каждом случае. Подставляя h=3 м, получаем S₁≈4,60 м и S₂≈5,23 м. Учитывая, что ширина курятника составляет 16 м, результаты показывают, что использование только двух соседних светильников вдоль 120-метровой центральной линии курятника не обеспечит равномерного освещения по краям. Следовательно, для достижения равномерного распределения освещения по всему курятнику необходимо четыре соседних светильника.

2.2 Проектное решение освещения курятников

Схема освещения для четырёх соседних светильников требует, чтобы расстояние между ними было менее 5,23 метра. Учитывая избыточную конструкцию и размеры курятника шириной 16 метров и длиной 120 метров, всего 96 светильников расположены по схеме 4×24. В каждом ряду расположено 24 светильника на расстоянии 5 метров друг от друга, а в каждом столбце – 4 светильника на расстоянии 4 метра друг от друга. Расстояние между соседними светильниками как в рядах, так и в столбцах составляет менее 5,23 метра, что соответствует необходимым критериям. Световой эффект, показанный на рисунке, иллюстрирует зону освещения 1/4 зоны для каждого светильника. Перекрывающиеся круги освещения 1/4 от четырёх соседних светильников обеспечивают равномерное освещение всей площади.

2.3 Требуемый световой поток для отдельных ламп

Первые 7 дней цикла выращивания цыплят составляют фазу брудеринга, в течение которой интенсивность освещения достигает пика. В течение этого периода все лампы в курятнике должны обеспечивать среднюю освещённость пола 50 люкс.

Зависимость между средней освещенностью на полу курятника и необходимым световым потоком выражается формулой (2-5)20.21:

В этой формуле E представляет собой среднюю освещенность, Φ обозначает требуемый световой поток, C — коэффициент использования, K — коэффициент обслуживания, а S — площадь, освещаемая лампой освещения.

Коэффициент использования (Cu) зависит от высоты установки лампы и материала стены. Согласно таблице коэффициентов использования, Cu принимается равным 0,9. Коэффициент обслуживания (K) определяется такими факторами, как старение лампы и накопление пыли, и также принимается равным 0,9.

Подставив в формулу соответствующие значения, включая среднюю освещенность 50 люкс и площадь курятника, можно рассчитать общий световой поток Ø:

При общем количестве ламп 96 световой поток каждой отдельной лампы составляет:

3. Решение для управления освещением

3.1 Мощность ламп освещения и общее потребление энергии

В системе освещения используются светодиодные лампы SMD в корпусе 5730, имеющие световой поток Ø 601мкм 122. Количество светодиодов в каждом осветительном модуле, обозначаемое как n, можно определить следующим образом:

Для обеспечения резервирования каждый осветительный модуль состоит из 24 SMD-светодиодов, обеспечивающих суммарный световой поток 1440 лм, необходимый для удовлетворения потребностей в освещении. Номинальная мощность каждого SMD-светодиода 5730 составляет 0,5 Вт, а рабочий диапазон напряжения — от 2,9 до 3,1 В. Таким образом, мощность P₁, необходимая для одного осветительного модуля, рассчитывается по формуле:

P=0,5Вт×24=12Вт

В результате анализа установлено, что каждый осветительный блок содержит 24 SMD-светодиода общей номинальной мощностью 12 Вт. Учитывая большое количество светодиодов и требования к питанию (номинальное напряжение каждого светодиода составляет 3 В, а минимальное безопасное напряжение для контакта с человеком — 36 В), для соединения светодиодов в каждом осветительном блоке используется гибридная последовательно-параллельная конфигурация 2×12.

В курятнике имеется 96 ламп, что приводит к общей потребляемой мощности:

P₂=12 Вт×96=1152 Вт

3.2 Управление световым освещением

Подобно стандартным диодам, они имеют прямую мертвую зону, прямую рабочую зону, обратную зону отсечки и обратную зону пробоя.

Когда прямое напряжение u, приложенное к p-n-переходу, превышает напряжение включения UF, светодиод переходит в зону прямого включения. Характеристическая кривая в этой зоне имеет заметный крутой наклон, что указывает на очень низкий импеданс светодиода. Даже незначительные колебания прямого напряжения в этой зоне могут привести к значительному увеличению тока светодиода; например, небольшое изменение напряжения ΔV может привести к значительному изменению тока ΔI. Прямой рабочий ток светодиода экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения:

Где Is — обратный ток насыщения. График на рисунке 132531 иллюстрирует зависимость светового потока φ светодиода от среднего тока Iav. Он показывает, что световой поток линейно увеличивается с ростом среднего тока. Таким образом, регулируя ток, протекающий через светодиод, можно регулировать световой поток светодиода, что, в свою очередь, влияет на уровень освещенности в курятнике.

Рабочий ток светодиодной лампы тесно связан с её рабочим напряжением. Кроме того, ток существенно влияет на температуру, которая напрямую влияет на срок службы светодиода. Поэтому крайне важно спроектировать источник питания таким образом, чтобы он поддерживал постоянное напряжение. Световой поток светодиодной лампы прямо пропорционален среднему току, что позволяет регулировать яркость посредством регулировки среднего тока. Это достигается с помощью метода ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

На основании этого анализа и с учетом потребностей в управлении освещением на каждом этапе и участке цикла кормления курятника, 24 светодиодных светильника в каждой секции используют метод ШИМ с регулируемым рабочим циклом для управления освещением в соответствующих зонах.

4. Решение для общего контроля

Общая схема управления представлена ​​на рисунке 15, включая главный центр управления, канал связи и четыре подчинённых узла управления. Метод управления реализован с использованием встраиваемых технологий. Программный контроллер как главного центра управления, так и подчинённых узлов управления использует микропроцессор ATmega16 со встроенным UART и осуществляет связь по последовательному интерфейсу. Учитывая, что длина линии шины управления между главным центром управления и подчинёнными узлами превышает 100 метров, автор разработал протокол связи HJF для обеспечения надёжной и стабильной связи.

4.1 Главный центр управления

Главный центр управления служит интерфейсом между оператором и основным оборудованием управления, а также управляет подчинёнными узлами управления. Для удобства использования персоналом, занимающимся разведением, центр оснащен поворотными переключателями для управления освещением и светодиодными индикаторами, отображающими рабочее состояние. Четыре поворотные переключатели используются для управления четырьмя однополюсными четырёхпозиционными переключателями, которые управляют режимами освещения в четырёх секциях курятника: выключено, освещённость 5 лк, 10 лк и 50 лк. Три светодиодных индикатора соответствуют уровням освещённости 5 лк, 10 лк и 50 лк. На практике главный центр управления формирует рабочие требования для четырёх зон в кадры протокола связи HJF, которые затем передаются в модуль управления каждой секции по шине протокола.

4.2 Канал связи

Канал связи отвечает за приём, анализ и передачу информации от главного центра управления к подчинённым узлам управления. Расстояние от главного центра управления до самой удалённой точки управления подчинённого узла в зоне разведения превышает 100 метров, а дальность передачи данных через последовательный порт UART микропроцессора превышает 10 метров, что может привести к потере пакетов. Для обеспечения связи на больших расстояниях реализованы передатчик и приёмник, преобразующие данные UART в формат HJF, создавая канал связи по протоколу HJF через шину.

4.3 Подчиненный узел управления

Система управления освещением использует ШИМ-диммирование, при этом управляющий импульс ШИМ генерируется ведомым узлом управления. Топология управления представлена ​​на рисунке 14. Ведомый узел управления получает рабочие требования, анализируя сообщения от приёмника канала связи, и формирует управляющий импульс ШИМ с соответствующим коэффициентом заполнения на основе этих требований. Этот ШИМ-импульс регулирует соединение между источником питания 36 В и соответствующими осветительными приборами в каждой секции, тем самым управляя освещением путём управления средним током.

5. Решение проблемы с питанием

5.1 Указатель параметров источника питания

Общая мощность, необходимая для 96 светильников в курятнике, составляет 1152 Вт, при этом на каждую секцию управления требуется 288 Вт. Для обеспечения безопасного электропотребления используется источник постоянного напряжения 36 В. Кроме того, для соответствия стандартам безопасности изоляции вход и выход должны быть изолированы, что обуславливает использование импульсного источника питания с изолированной топологией для каждой секции управления. Следовательно, импульсный источник питания проектируется для каждой секции на основе анализа и конкретных условий предприятия с учетом запаса резервирования. Конкретные параметры импульсного источника питания следующие:

Входное напряжение: сеть переменного тока 220 В; Выходное напряжение: постоянный ток 36 В; Максимальная выходная мощность: 400 Вт; Максимальный выходной ток: 11,12 А; КПД: ≥90%; Диапазон рабочих температур: от -50 ℃ до +60 ℃; Характеристики изоляции: вход и выход изолированы, и все выходные порты, а также входные порты переменного тока 220 В и заземление могут выдерживать высокое напряжение.

5.2 Распространенные изолированные топологии

Изолированные топологии включают прямую топологию, обратноходовую топологию, двухтактную прямую топологию, двухтактную топологию, полумостовую топологию и полную мостовую топологию. Эти топологии оснащены изолирующим трансформатором, что позволяет им обеспечивать высокое напряжение и высокую выходную мощность.

5.3 Выбор топологии первичного источника питания

После анализа и сравнения различных распространённых топологий, а также с учётом стандарта электропитания 36 В/400 Вт для каждой зоны управления в курятнике, в данной статье топология с двусторонним прямым включением определена как основная топология преобразования постоянного тока для разработанного импульсного источника питания. Двусторонняя прямая топология обладает рядом преимуществ :

(1) Он хорошо подходит для импульсных источников питания малой и средней мощности, что делает его идеальным выбором для источников питания мощностью 300–500 Вт, особенно для блока питания с разделением на 36 В/400 Вт, обсуждаемого в этой статье.

(2) Топология имеет простую структуру, которую легко реализовать, что значительно снижает производственные затраты и делает ее пригодной для массового производства, что соответствует потребностям бизнеса.

(3) В двухтактной прямой топологии падение напряжения на электронно-лучевом коммутаторе минимально, и схема работает без прямого смещения. Это снижает требования к силовым электронно-лучевым коммутаторам и высокочастотным трансформаторам.

(4) Топология обеспечивает стабильный выходной сигнал, высокую эффективность преобразования, минимальные потери при переключении, пониженное тепловыделение и надежную работу, что делает ее пригодной для длительной бесперебойной работы вне помещений.