王昌江　陳光耀

摘 要：隨著城市化建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市公共照明系統(tǒng)的用電需求量不斷增大，所占城市用電總量的比例也在不斷增大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，城市公共照明系統(tǒng)每年需要消耗我國(guó)總用電量的9%左右，在所有領(lǐng)域的照明用電量中排名第一。為了更好實(shí)現(xiàn)城市道路照明節(jié)能控制，結(jié)合PLC控制系統(tǒng)，探索城市道路照明節(jié)能控制措施，并進(jìn)行智能設(shè)計(jì)就顯得極為重要。

關(guān)鍵詞：城市道路照明;節(jié)能控制;PLC

中圖分類號(hào)：TU113.666;TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）06-0101-03

0 引言

城市的良好建設(shè)與發(fā)展離不開(kāi)道路照明技術(shù)的應(yīng)用，目前我國(guó)大部分城市的道路照明燈的節(jié)能控制主要采用了以下三種設(shè)計(jì)方式：第一，時(shí)間控制方式。工作人員按照開(kāi)關(guān)燈時(shí)間表通過(guò)手動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)操作控制，這種控制方式必須要有工作人員時(shí)刻保持在崗狀態(tài)。第二，季節(jié)控制方式。已季節(jié)變化作為開(kāi)關(guān)控制主要參照因素，不管天氣條件發(fā)生什么樣的變化，只能隨著季節(jié)變化進(jìn)行控制，由技術(shù)人員照明燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行定期調(diào)整。第三，光照度控制方式。根據(jù)光照度差異變化進(jìn)行敏銳的捕捉，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開(kāi)關(guān)的控制，但是這種節(jié)能效果并不理想，會(huì)造成夜間供電資源的極大浪費(fèi)。

在當(dāng)前綠色理念滲透的大背景下，城市道路照明技術(shù)也同樣需要注重低碳、節(jié)能理念的融合。立足于PLC的城市道路照明技能控制智能設(shè)計(jì)則能夠?qū)崿F(xiàn)城市道路照明節(jié)能控制，能夠?qū)⒅悄芸刂评砟钆c路燈照明需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路燈照明的節(jié)能管控與低碳效應(yīng)。文章將運(yùn)用PLC技術(shù)原理對(duì)城市路燈的節(jié)能控制進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)槌鞘械缆氛彰髟O(shè)施的節(jié)能改造提供一些有價(jià)值的參考和借鑒。

1 城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)的意義

根據(jù)部分調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，我國(guó)城市道路照明燈具的總數(shù)量為400萬(wàn)套左右，而非市政領(lǐng)域（高速公路、工礦企業(yè)、機(jī)場(chǎng)、碼頭等）所安裝配備的照明燈具共有100萬(wàn)套左右，總量已經(jīng)超過(guò)了500萬(wàn)套，并且還數(shù)字正在以每年10%的速度快速增長(zhǎng)。其中城市公共照明系統(tǒng)每年需要消耗我國(guó)總用電量的9%左右，每年的總用電量大約為439億kW·h，如果每千瓦時(shí)的電費(fèi)價(jià)格按照0.65元的平均價(jià)格計(jì)算，一年就要花費(fèi)285億元。與此同時(shí)，鈉燈是城市公共照明所選擇的主要燈具類型，該類型燈具的功率因數(shù)較低（0.4～0.5之間），這就占用了大量的無(wú)功功率，導(dǎo)致供電部門(mén)不得不增加供電設(shè)備的容量，從而對(duì)電力資源造成了極大的浪費(fèi)，并且還讓政府在公共用電方面投入了較大的資金，而對(duì)城市道路照明采用節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)，已經(jīng)具備成熟的理論基礎(chǔ)，并且也已經(jīng)具備了可實(shí)施的條件，可以有效的降低對(duì)電力資源的消耗量，從而有效促進(jìn)公共用電社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升[1]。

尤其在當(dāng)前低碳、環(huán)保理念應(yīng)用環(huán)境下，通過(guò)城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)的開(kāi)展，能夠?qū)h(huán)保理念融入到路燈照明之中，能夠向人們無(wú)聲傳遞低碳價(jià)值觀，這都有助于我國(guó)環(huán)保型社會(huì)的構(gòu)建，也能夠讓人們?cè)谏眢w力行過(guò)程中感受環(huán)保重要性，對(duì)于和諧社會(huì)的構(gòu)建、健康生活理念的形成都具有重要作用和影響。

2 城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)可行性依據(jù)

城市道路照明的節(jié)能化、智能化功能是城市基礎(chǔ)建設(shè)未來(lái)的發(fā)展方向，該項(xiàng)設(shè)計(jì)主要具有以下幾項(xiàng)可行性依據(jù)：

第一，在電力供電系統(tǒng)的工作運(yùn)行當(dāng)中，為了有效降低和控制供電中存在的線路損耗、用電高峰期末端電壓過(guò)低等問(wèn)題，往往會(huì)采用較高的電壓輸送進(jìn)行解決。而這種方式會(huì)導(dǎo)致路燈過(guò)大的功率消耗，尤其是進(jìn)入夜間用電低峰期后，電網(wǎng)電壓依然保持在較高的狀態(tài)，多余的電壓會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的發(fā)熱量，這樣一來(lái)，便會(huì)明顯縮短燈具的使用壽命，并且也會(huì)導(dǎo)致電費(fèi)成本的明顯增加。

第二，不管是電網(wǎng)電壓的運(yùn)行處于偏高或者偏低狀態(tài)，在加上電網(wǎng)不潔凈瞬變、諧波等因素的影響，不僅會(huì)造成電力資源的極大浪費(fèi)，并且還會(huì)讓燈具的故障率得到明顯的提升，從而造成維護(hù)成本投入的明顯增加。

第三，從時(shí)間和人流量的統(tǒng)計(jì)理論知識(shí)看，當(dāng)進(jìn)入夜間后，來(lái)往車輛、行人數(shù)量減少時(shí)，對(duì)照明度方面的需求就會(huì)明顯下降，附近企業(yè)生產(chǎn)暫停、居民休息，用電量也會(huì)明顯減少，但是線路電壓卻依然處于較高的運(yùn)行狀態(tài)，這會(huì)對(duì)燈具的照明啟動(dòng)造成嚴(yán)重的損害。與此同時(shí)，路燈在高電壓狀態(tài)下的重啟會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，對(duì)人的視力健康造成一定的傷害，從而容易導(dǎo)致因人的視力猛然模糊不清導(dǎo)致的交通安全事故的發(fā)生。

第四，目前，大多數(shù)城市的路燈均選擇氣體放電類型的燈具，其中，以鈉燈的燈光最具穿透力，而這種類型的燈具由于具有獨(dú)特的物理特性，需要在較高的電壓條件下才能完成啟動(dòng)，但是在啟動(dòng)后便僅需要較低的電壓就可以正常照明，這種特性也為路燈的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

3 立足PLC的城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)方案

PLC的城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等多部分，做好每一環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，并將這幾部分設(shè)計(jì)融會(huì)貫通，才能真正實(shí)現(xiàn)道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化實(shí)行，才能保證城市道路照明節(jié)能控制智能設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

基于PLC城市道路照明節(jié)能控制智能系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)只要由三部分組成，即上位機(jī)、集中控制器和單燈控制器。

該系統(tǒng)需要設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為總控制器，通過(guò)對(duì)集中控制器發(fā)出控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)每盞LED路燈的控制。其中計(jì)算機(jī)與集中控制器之間以串口的方式實(shí)現(xiàn)雙向連接;集中控制器與單燈控制器運(yùn)用PLC的通信方式實(shí)現(xiàn)雙向連接，這樣便可以將供電線與信號(hào)線進(jìn)行有效的融合;在每一盞路燈上均設(shè)置單燈控制器，負(fù)責(zé)接收和傳輸來(lái)自于集中控制器的指令，從而對(duì)LED路燈的照明狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制。

3.1.2 LED 路燈控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED路燈控制器開(kāi)發(fā)板可以進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，但需要保證開(kāi)發(fā)板為集中控制器模式，并能夠予以穩(wěn)定運(yùn)行，集中控制器模式下，LED驅(qū)動(dòng)模塊未予以應(yīng)用，處于空閑狀態(tài)，在單燈控制器模式下，串行口則處于空閑狀態(tài)?？刂破饕訮LC為核心控制器，進(jìn)行信號(hào)采集，并實(shí)時(shí)輸出控制信號(hào)，所采用的零配件為PLC芯片MI200E、LED驅(qū)動(dòng)電路、HOLTEK單片機(jī)HT46RU232、電源轉(zhuǎn)換電路等，并組裝而成。其中PLC芯片主導(dǎo)信號(hào)傳輸，并將所獲取的信號(hào)傳遞至AC220V電力線，單片機(jī)獲取上位機(jī)通信信號(hào)，信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器對(duì)路燈進(jìn)行控制，并為路燈予以供電[2]。

3.1.3 PLC 模塊設(shè)計(jì)

PLC模塊設(shè)計(jì)的主要由PLC芯片MI200E裝置組成。第一，此芯片為上海彌亞微公司自主研發(fā)而成，是國(guó)內(nèi)唯一一款高集成數(shù)模混合通信芯片，使用該芯片能夠進(jìn)行信息的同步傳輸，內(nèi)部包括擴(kuò)頻/解擴(kuò)、高性能數(shù)字功率放大器、輸入信號(hào)整形放大、調(diào)制/解調(diào)、高性能帶通濾波器、市電檢測(cè)等功能，在路燈控制中更加能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能需要。外部采用SPI設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行信號(hào)的有效傳遞，同時(shí)采用SOP24封裝，這也為MCU接口連接提供強(qiáng)有力幫助。第二，PLC模塊電路設(shè)計(jì)，保證PLC模塊設(shè)計(jì)能夠?qū)LC芯片的高集成性能包括其中，尤其引腳需要能夠與單片機(jī)相連接，即CS、RST、SDO、SDI、SCK，與低壓電力接口相連接部分包含6個(gè)引腳，即VAC-、RA+、PA、VAC+、RA-、PB，其中PA、PB則為信號(hào)引入輸出引腳，能夠與C9、L3、R12、D4、L4、T1、D3、C18形成信號(hào)發(fā)送電路。L4、C9則可以進(jìn)行濾波處理，將信號(hào)輸出至耦合變壓器T1，并最終傳遞給220 V電力線路，通信任務(wù)則予以傳送完成[3]。

在此過(guò)程中，T1的作用不容忽視，主要有兩個(gè)方面，一方面能夠讓初級(jí)線圈和安規(guī)電容C18形成了高通濾波器，有效隔斷50 Hz交流工頻信號(hào)，芯片電路的運(yùn)行則更為安全;另一方面則是次級(jí)線圈和外圍電路共同形成帶通濾波器，這樣可以支持調(diào)制信號(hào)的選擇與信號(hào)傳輸;D3、D4則能夠?qū)π盘?hào)變化幅度予以合理控制，保證電路在信號(hào)傳輸過(guò)程中得以作用的充分發(fā)揮。R12發(fā)揮的作用是，在C18斷電時(shí)給予有效的放電幫助，放電的整個(gè)過(guò)程則更為安全;PLC芯片MI200E在接收耦合電路過(guò)程中，能夠與發(fā)送電路共享T1等部分外圍電路，引腳RAI+、RAI-是模擬信號(hào)接收端的差分輸入引腳，C13、L2形成帶通濾波器，對(duì)送入MI200E所需的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的選擇。VAC+、VAC-為 MI200E 過(guò)零檢測(cè)引腳，與光耦U3等器件形成過(guò)零檢測(cè)電路，負(fù)責(zé)對(duì)芯片內(nèi)部電力線過(guò)零及負(fù)載特性進(jìn)行檢測(cè)[4]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，主要任務(wù)便是如何實(shí)現(xiàn)街道路面信息數(shù)據(jù)的采集與處理。由于系統(tǒng)采集的參數(shù)在量綱和數(shù)值方面存在著明顯的不同，因此當(dāng)被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，還需要完成操作人員熟悉工程量的二次轉(zhuǎn)換，這便是標(biāo)度變換。具體的控制測(cè)試中，存在著大量的現(xiàn)場(chǎng)干擾，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)存在著一定的信號(hào)污染問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，可以按照數(shù)據(jù)受干擾的性質(zhì)和后果為依據(jù)，采取軟件、硬件措施排除干擾。而采用軟件的方法則需要投入較低的成本，并且設(shè)計(jì)操作也較為簡(jiǎn)單靈活。目前常見(jiàn)的軟件抗干擾方法主要包括：有效性檢查、數(shù)字濾波、數(shù)字調(diào)零和自動(dòng)校正等。本設(shè)計(jì)的節(jié)能控制方案的軟件系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，分別為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、集中控制器軟件設(shè)計(jì)、單燈控制器軟件設(shè)計(jì)。圖1分為上位機(jī)軟件界面圖和集中控制器和單燈控制器工作流程圖。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)，選擇LED筒燈對(duì)LED路燈的受控、照明狀態(tài)進(jìn)行模擬，使用一個(gè)集中控制器和3個(gè)單燈控制器進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)將具體的測(cè)試方法和流程講解如下：

3.3.1 測(cè)試環(huán)境及條件

第一，測(cè)試環(huán)境。目前，電力環(huán)境對(duì)PLC通信系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生著較大的影響，如果處于較為復(fù)雜的電力環(huán)境，通信成功率必然會(huì)明顯的降低?？紤]到該因素，此次測(cè)試，決定選擇簡(jiǎn)單的電力線路完成。此次測(cè)試，是在室內(nèi)條件下開(kāi)展的，分別將集中控制器和單燈控制器連接到同一房間內(nèi)的電源上，但是將其分別接入到不同的電源接口上。

第二，測(cè)試條件。主要準(zhǔn)備以下硬件和軟件設(shè)備：電腦（帶有串口或 USB 接口）、AC220V電源接口、上位機(jī)軟件： Microsoft Visual C+ + 6.0。

3.3.2 測(cè)試方法及步驟

保證測(cè)試準(zhǔn)確與有效，主要通過(guò)以下兩個(gè)步驟完成：

第一，準(zhǔn)備工作，這主要是設(shè)計(jì)達(dá)到測(cè)試程度之后，將所有裝置模塊依照設(shè)計(jì)圖或者設(shè)計(jì)預(yù)案完成集中控制器和單燈控制器插接器件連接，集中控制器與安裝配置為串口連接方式，保證每個(gè)單燈控制器都能夠與路燈相連接，最后讓系統(tǒng)與AC220V電力環(huán)境相連接。

第二，連接完成之后，則可以通過(guò)按鍵操作、上位機(jī)操作等方式對(duì)路燈進(jìn)行實(shí)施控制。上位機(jī)操作讓其他部分按鍵操作功能有所弱化，但是通過(guò)按鍵可以對(duì)路燈進(jìn)行全開(kāi)、全滅控制。給系統(tǒng)上電之后，打開(kāi)上位機(jī)軟件，則可以通過(guò)軟件操作就電力系統(tǒng)予以全面管控，單燈控制上電后，則可以進(jìn)行信號(hào)接收與傳遞，信號(hào)通信則能夠?qū)β窡暨M(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3.3.3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果看，上位機(jī)的操作模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LED筒燈運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市道路照明系統(tǒng)耗電量巨大的問(wèn)題，運(yùn)用PLC技術(shù)原理對(duì)城市道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果看，能夠在光照度和時(shí)間協(xié)同作用條件下有效節(jié)省和降低照明燈的耗電量，該設(shè)計(jì)為城市道路照明系統(tǒng)的升級(jí)改造提供了一種可行方案。但是，此次研究依然存在者一些明顯的不足，例如，在夜間沒(méi)有車輛行人的場(chǎng)景下，路燈并不夠?qū)崿F(xiàn)智能化的熄滅。這需要運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行的更加深入研究才能解決。

參考文獻(xiàn)

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