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智慧港口里的智慧照明 港口智能照明自动化控制系统

为提高港口照明亮化设施智能化管理水平,开发港口智能照明自动化控制系统。在照明回路中安装PLC等终端设备,在值班室专用PC机上安装后台软件,并搭设通信光纤链路,以此构成自动化控制系统。值班员通过后台软件对PLC下达指令,观察由PLC上传的照明回路状态信息。控制系统能批量设置开关灯时间,并根据季节的变化自动调整开关灯时间。控制系统根据照明回路的实际电流与额定电流的比值计算出亮灯率,具备照明回路故障、亮灯率低等报警功能。在PLC上配置触摸式显示屏,可以进行就地控制,实现控制系统的远程和就地等2种控制模式。在董家口港区应用的结果表明,控制系统可以应用在任何照明亮化自控环境中,与人工现场管理相比具有较大优势。

0 引 言

在青岛港董家口港区方圆10 km的场地内分布着众多照明亮化设施,主要包括134座高杆灯、2 400余盏路灯。原先照明亮化设施的开关灯时间由就地时控器控制,值班员每月2次根据季节变化现场调整开关灯时间,夜间定期巡检亮灯情况。时控器调整周期较长,造成开关灯时间与日照时间不能精准衔接,导致值班员不能实时掌握亮灯情况,不能及时排除照明故障。每次时控调整需要2人工作2 d时间,每次夜间巡检需要2人工作1.5 h左右,耗费大量的人力、物力。通过开发照明自动化控制系统,将就地时控器控制模式改为“后台+PLC”控制模式,在值班室设置后台软件,实现照明亮化设施开关灯时间软件一键设置、根据季节的变化自动调整开关时间、亮灯率在线检测和故障报警等功能。

1 系统设计

自动化控制系统架构按照分层、分布式结构设计,按功能分为3层网络拓扑结构,主要包括现场采集控制层、网络通信层和后台软件管控层等。系统采用高可靠性的工业级标准设备,可连续采集和处理设备状态信号,及时向值班员提供有关运行信息,并准备执行值班员下发的操作指令。系统的响应时间短,实时数据刷新时间不超过5 s,从控制命令下达到执行的时间不超过2 s,重要报警响应时间不超过1 s。系统易于扩展,可以通过增加照明回路或升级设备性能,满足今后港口增加照明亮化设施的需求。3层网络拓扑结构示意图见图1。

  1. 1 现场采集控制层

现场采集控制层主要包括安装在变电所和箱式变压器内的电气设备,例如监控仪表、电流互感器和中间继电器等。各电气设备具有精密、可靠等特点,适用于多种工作环境。所有电气设备之间完全独立,按照明回路数量一对一配置。现场采集控制层负责采集各照明回路的电气数据,主要包括照明回路电压、电流和开关状态等,并能根据PLC指令可靠动作。

  1. 2 网络通信层

网络通信层主要包括PLC可编程控制器(配置触摸式显示屏)、交换机、通信隔离栅和光纤收发器等设备。网络通信层作为系统枢纽层,由若干区域子网通过星型或环形光纤网络汇聚到远程网管型光电交换机,再连接到服务器或工作站。各通信设备之间通过光纤介质连接,采用以太网TCP/IP通信协议。网络通信层的主要任务包括定时控制照明亮化设施的开启和关闭、完成现场数据的收集、通信协议的转换、接收和传送指令等,实现现场采集控制层与后台软件管控层之间的信息传输。现场采集控制层先通过通信总线将各个监控仪表采集的信息传递给网络通信层,然后再通过网络上传至后台软件管控层。同时,现场采集控制层会接收后台软件管控层下发的远程控制指令,实现对照明亮化设施的远程控制。

  1. 3 后台软件管控层

后台软件管控层主要包括安装在值班室专用PC上的监控软件。此监控软件是根据港口照明亮化设施的特点有针对性开发的,其功能模块主要包括系统功能总貌、照明控制、港区照明位置图查看、照明回路状态检测、报警信息一览和数据一览(包括照明亮化设施累计运行时间)等。上述功能模块的历史数据被存储在服务器,可被值班员直接检索和打印。专用PC的网络与办公网络分开,实现独立运行。后台软件和现场设备组成“集中-分散式”管理系统。当后台软件发生故障时,安装在现场的PLC不受影响,仍能按预先下发的指令独立工作。

2 系统功能

  1. 1 系统具备后台远程和就地控制等2种管控方式

值班员可选择后台远程或就地控制任一方式实现照明亮化设施的自动化控制。值班员可以在后台软件中通过下发指令的方式控制照明亮化设施,也可以根据实际情况通过变电所或箱式变压器内的PLC就地控制。通过后台软件,值班员可以实现照明亮化设施的自动开关和远程手动开关,并可以一键设置开关灯时间,实现定时控制功能。值班员在远程控制设置界面上选择需要更改的照明回路(可以进行多回路批量操作,例如一键全选和反选功能等),设置照明亮化设施开启和关闭时间,点击“确定”按钮后即可完成现场开关灯时间的更改。值班员也可以根据现场需求,选择强制开关灯功能,即时进行开关灯操作。远程控制设置界面截图见图2。在就地控制模式下需要值班员在现场通过触摸式显示屏对PLC进行设置。值班员也可根据工作需要就地通过显示屏观察照明回路实时信息。PLC触摸屏控制界面截图见图3。

  1. 2 直观的图形结构显示功能

后台软件界面采用直观图的设置方式,可避免描述不准确和理解困难等问题,能满足不同层次值班员的操作要求。直观图主要包括港区平面位置图、照明回路控制图、照明回路信息检测图和报警信息一览图等。在系统操作主界面上显示港区平面位置图,港区平面位置图能直观显示照明亮化设施所在的变电所或箱式变压器位置,并在变电所和箱式变压器名称旁边设置圆形指示灯,不同的指示灯颜色代表照明亮化设施不同的状态,其中:绿色代表照明回路启动;灰色代表照明回路具备启动条件;红色表示通信中断。港区平面位置图见图4。值班员在平面图上点击照明亮化设施图标,就可以了解该照明回路的详细电气数据或对其进行遥控控制。报警信息一览图使值班员能在后台快速查询到各照明回路的动态信息和故障报警等情况,报警信息一览图的表现形式可以是图像、报表、曲线或直方图等。此外,后台软件操作简单易上手,值班员可以根据工作需要进行界面优化。同时,后台软件具备操作提示和帮助功能,帮助值班员熟悉操作流程。

  1. 3 条状图实时显示亮灯率

后台软件实时采集各照明回路电流大小。由于照明设备额定工作电流基本稳定,后台软件通过计算实时电流与额定电流的比值,计算出亮灯率,以条状图直观显示。在软件内可以任意设置亮灯率报警值(目前董家口港区亮灯率报警值设置在95%),当实际亮灯率低于报警值时,后台软件便会报警,有利于值班员第一时间掌握现场亮灯情况。与之前值班员现场巡视检查亮灯率相比,后台软件检测更加可靠、迅速,并能实时显示亮灯率,从而降低劳动强度,提高作业效率。亮灯率条状图界面截图见图5。

4 根据季节变化自动控制照明亮化设施

后台软件可根据董家口港区四季节气变化、节假日等情况自动设置开关灯时间。在后台软件内可以预设定制100条以上的策略,每条策略可以控制多台或单台照明亮化设施,实现分群、分组、单基的灵活智能化管控。执行策略时精确到分秒,实现精准的自动控制,例如系统自动记忆上一年的开关灯时间,在后台软件中设置为“年度自动设置”模式后,全年后台软件将按照上一年设置的频次、时间进行自动修改。

  1. 5 完善的报警信息窗口

后台软件可以根据实际需求灵活设置各类报警信息,对各照明回路的异常故障进行监测和报警。报警信息主要包括亮灯率低于95%、回路启动后无电流、下达操作指令后开关未执行等。后台软件可以提供丰富的报警信息浏览功能,值班员可通过界面查看具体的信息,并能在报警界面上设置各种条件以便筛选出想要的信息。筛选出的信息可以被直接打印出来或保存到文件。

  1. 6 追溯历史数据

各照明回路的动态数据被保存在后台软件的实时数据库中,确保重要数据的响应速度。实时数据库数据会被储存在短期历史数据库中,储存时效为1周。对于比较重要的信息,例如照明回路的报警信息、故障信息和值班员下发的指令等,可被储存在长期历史数据库中,储存时间为2 a。

  1. 7 系统可扩展性强

由于自动化控制系统通信协议的开放性、通用性较强,在港区将来增加照明亮化设施时,可以保持后台软件原有的界面不动,只要增加相应的PLC、电流表等现场设备,并在后台软件中添加新的监控点,即可实现系统扩展。

  1. 8 权限设置功能

后台软件可按照人员职责分工进行权限设置。根据不同值班员的实际工作需要,对于不同的功能和控制范围,在后台分配不同权限等级。值班员凭各自的账号、密码登录后使用。

  1. 9 PLC具有强大的可编程能力和可扩展性

PLC功能易于扩展,用于采集多种信息和进行多回路控制。对于同一PLC管辖内的不同照明回路,可设置不同的控制策略(例如全夜灯和半夜灯、自动控制和手动控制等)。同时,PLC具备完整的“三遥”功能。每台PLC可同时控制16条回路,配置16对I/O点数,具备故障巡检功能。一方面,PLC实时检测现场照明亮化设施的实际开关状态,实现遥测信息上传;另一方面,PLC时刻准备接受后台软件指令,实现对照明回路的遥控。每台PLC最多可检测16条回路电压、电流量,实现各照明回路遥测信息的上传。为了便于安装和维护,PLC采用标准方式进行安装。PLC现场安装图见图6。3 应用效果

改造前,2人配合完成1次港区照明亮化设施时控调整需要耗费2 d时间,驾车行驶近40 km的路程,平均每月调整2次。为掌握亮灯情况,晚上亮灯后值班员需定期驾车进行夜巡,耗费大量人力、物力。在采用自动化控制系统后,值班员几秒钟内即可完成时控调整,并可实时在线查看亮灯率。自动化控制系统帮助值班员全面实时掌握照明亮化设施的运行状态。在采用自动化控制系统后,每年可减少人工、机械费用约10万元,节省电费约7万元。