LED隧道照明控制系统的研究与开发

By | 2020年7月24日

  1 引言


  正在山区高速公路建立中,地道所占比例很年夜,建成通行后公路地道用电用度相称惊人。因为偏僻山区经济欠发财,车流量很小,地道照明用度已成为高速公路地道治理部门的一笔繁重累赘,特地正在经营的前几年,征收的通行费还不敷经营养护收入。若何进步地道的经营效率、升高动力耗费,成为高速公路建立亟待处理的成绩。


  现有的地道照明管制年夜多采纳时序管制法,次要经过投退没有同的照明回路,以增减工作灯具数目的形式来达到目的。这类管制办法尽管简略、牢靠,但未齐全思考环境要素对地道照明的影响,如天色前提、地道透风情况、交通量和车速对照度的要求等,不克不及齐全餍足地道照明的要求,而且能耗高。跟着半导体照明技巧的疾速倒退,今朝高效节能的LED照明灯已愈来愈多地使用于地道照明零碎中。与传统的光源相比,LED具备高压、低功耗、高牢靠性、短命命等优点,是一种合乎环保、节能的绿色照明光源。为了进一步施展LED照明的技巧、经济劣势,正在采纳LED作为地道照明时,应留意依据实际状况优化照明设计布灯计划,欠缺管制战略以及管制手法。LED灯的驱动电源能够承受调光管制旌旗灯号,经过调整输入电流管制LED灯的光输入,这一特性使患上咱们能够经过采纳更为欠缺的管制技巧来升高照明能耗,进步零碎的技巧程度。本文将从欠缺管制战略的角度提出LED地道照明管制零碎的完成及其使用计划,综合剖析地道照明的要求及其特性,为年夜功率LED地道照明管制零碎提供完好的处理计划。


  2 零碎架构设计


  LED地道照明管制零碎次要由监控中心的主控较量争论机、现场LED地道照明管制器和相干通讯设施等形成。地道照明管制器经过现场传感器采集地道外照度值、地道内照度值、车流量、车速等数值,并将数据上传至监控中心。主控较量争论机依据规则的调光管制逻辑较量争论出各地道、各区段以后的照度参数,再经过通讯网络向各地道LED照明管制器收回调光管制指令。依据地道的特性,地道照明管制包罗入口段区域照明管制、过渡段区域照明管制、根本段区域照明管制(若干)以及进口区域照明管制。地道照明管制器依据接纳到的调理饬令,主动调整灯具电源的输入电流(PWM形式的占空比),扭转LED地道灯的光通量或许工作状态。主控较量争论机经过照度传感器及时检测到以后地道照明的照度,判别以后的照度能否餍足地道照明要求,假如没有餍足,就下发新的管制饬令给LED地道灯,从而扭转地道的照度。灯具以及照明管制器之间,和灯具以及灯具之间的数据传输可采纳现场总线衔接。为了餍足现场实际的管制需求,地道照明管制器设置有多路输入接口,最多可同时管制8路输入。为保障行车平安,调光零碎正在调理地道照度时,采纳照度突变管制形式,分步逐级达到指标照度,以免因照度忽然变动而孕育发生没有平安要素。


  LED地道照明管制零碎的构造如图1所示。


  如图1所示,地道照明管制器采集车辆检测器、照度检测仪等传感器的检测旌旗灯号,依据预设的照明管制战略,对整个地道的照明零碎进行管制。零碎的管制战略以下:失常状况下,正在不车辆进入地道时,依据检测到的洞表里照度差值,正在地道内只开启相应的根本照明;正在车辆检测器检测到车辆行将进入地道时,开启地道洞口的增强照明;当检测到车辆进入地道后,则将车辆后面一段相应间隔的照明增强;一旦检测到前面无车辆跟进,则将车辆前面的增强照明封闭,并调低根本照明照度。同时依据检测到的照度值还可判别好天、阴天、白昼、早晨等工夫段数据,从而开启或封闭相应的照明灯具。



  图1 LED地道照明管制零碎构造表示图


  本零碎既可对单个的照明灯进行单控也可对区域照明进行群控,管制战略可随时依据实际状况进行修改,这样能节约年夜量的电能,无效地升高经营老本。别的,依据地道的安防要求,当发作火警时,本零碎还可检测管制地道内车行横洞卷帘门以及透风的情况。


  3零碎通讯网络设计


  LED地道照明管制零碎的拓扑构造如图2所示。



  图2 零碎网络拓扑构造表示图


  假如LED灯智能接纳管制器的接口是RS485总线型的,则可以使用地道照明管制器的RS485模块,零碎接线如图3所示。



  图3 RS485总线照明管制表示图


  CAN总线以及RS485总线的接线形式相似。CAN总线具备欠缺的通讯协定,而且速率优于RS485,而且CAN网络中的节点正在谬误重大的状况下具备主动封闭输入性能,从而使总线上其余节点的操作没有受影响。

 

  采纳CAN以及RS485总线通讯技巧进行数据传输,都需求专门投资铺设通信线路,当数据传输总线与LED灯电源线路并行敷设时,会有低压脉冲耦合侵入,通讯品质易遭到影响。而Zigbee是基于IEEE802.15.4协定的一种新兴的短间隔无线通信技巧,能无效处理以上成绩,十分适宜正在丈量节点较多、扩散、没有要求较高数据传输速度的管制畛域使用。本零碎中的地道照明管制器装备Zigbee模块,可以简略疾速地进行Zigbee组网。图4为Zigbee无线网络照明管制表示图。



  图4 Zigbee无线网络照明管制表示图


  绝对于舞台照明需求场景的疾速变动,地道照明的调光变动较迟缓,因而正在通讯协定的抉择上采纳了更为合适的DALI(DigitalAddressableLightingInterface:数字可寻址照明接口)协定规范。DALI是照明管制设施之间数据通讯的接口规范,该技巧的最年夜特性是可对零碎内LED灯具自力寻址并进行准确的管制,虽然这些灯具正在强电上是同一个回路或没有同回路,但正在照明管制上与强电线路无间接的联络。该技巧为管制带来极年夜的灵敏性,可依据需求设计餍足其需要的照明计划,乃至正在装置完结后的运转进程中仍可修正管制参数,而毋庸对线路做任何改动。采纳DALI规范的零碎,性能模块绝对较少,构造简略,装置不便,调试也非常便捷,能够完成许多基于回路管制的智能照明管制零碎无奈完成的性能。


  同时,DALI技巧是双向通信,不只能够发送管制指令,并且可反馈LED照明管制器及光源的工作状态以及毛病信息,这给经营保护以及集中治理带来了极年夜的便当。DALI协定采纳数字照明管制技巧,其无与伦比的进步前辈性,准确的管制成果和技巧的规范化以及优良的开放性,使患上数字照明技巧正在照明管制畛域迅速普及与推行,而运用数字照明也正成为一种设计潮水以及使用趋向。


  4 LED地道灯智能管制单位


  正在LED地道照明管制零碎中,LED灯智能管制单位是整个照明管制零碎的外围,它接纳来自地道照明管制器的管制饬令,并管制流过LED的电流,从而达到调光的目的。


  以CREE公司Q5芯片为例,单颗芯片额外电流为350mA,管制流过LED的电流巨细便可管制其收回的光通量,管制电流可采纳如下2种办法:


  (1)经过斩波调相管制电流从0~350mA之间延续可调,但采纳这类计划需求从新设计开关电源,面临泛滥LED厂家的电源,顺应性很差,无益于普及推行。


  (2)以各厂家LED灯具电源的额外输入电流为基准值,采纳PWM(PulseWidthModulation:脉宽调制)的形式管制电源的均匀输入电流从而完成调光管制。


  本零碎的LED灯调光管制器采纳PWM形式调制,光通量0~256级延续可调,可衔接于灯具电源以及LED模组之间,与照明灯具原有电源有关,依据需求最多可管制6个LED模组。由于无需扭转原有灯具电源构造,因此顺应性广,管制精度高,稳固性好。LED灯智能管制单位零碎构造如图5所示。



  图5 LED灯智能管制单位零碎构造图


  各LED灯具厂家依据本身灯具的特性对LED灯珠采纳串并联合构,将LED灯珠组分解1个或几个模块,正在每一个模块内采纳串连构造,模块间采纳并联合构。LED灯智能管制单位依据接纳到的管制饬令管制每一个模组的PWM调制旌旗灯号,可完成分组调光或联结调光。


  正在PWM调制频次的抉择上,招考虑正在地道内LED照明灯可能会与其余光源孕育发生差频效应。地道内除了LED灯外,可能还装置有低压钠灯、荧光灯等,假如频次太低,差频后会呈现重大的频闪,重大时将影响地道熟行车平安。然而假如PWM的调制频次太高,又会添加开关损耗,招致电源发烧,电源效率升高。依据屡次钻研测试,将PWM调制旌旗灯号的频次抉择正在2kHz~10kHz之间较为合适,本计划抉择的调制频次为6kHz。


  LED灯智能管制单位的要害部件为年夜功率开关器件,可供抉择的开关器件有可控硅、年夜功率MOS管、晶闸管、IGBT等。可控硅技巧成熟、管制简略,但工作频次较低,没有适宜PWM调制使用,而晶闸管、IGBT等通常使用于几十安以上的年夜电流场所,因而本计划抉择年夜功率MOS器件。


  依据对年夜功率MOS器件的生效模子剖析,正在年夜于90%的状况下MOS器件的生效均体现为断路生效,因而为了保障照明管制零碎的牢靠性,开关器件采纳旁路形式,这样正在绝年夜少数毛病状况下,会放弃LED灯具全亮,从而保障地道熟行车平安。


  测试后果标明,采纳PWM调制电源效率高、对供电电源的净化较小。开关电源低压侧电流波形如图6所示,图7为电源电流频谱剖析图。由图7可知,3次、5次谐波已辨别衰减到5.2%、4.3%,阐明采纳此计划对电源零碎的净化很小。



  图6 电源电流波形图


  5 完结语


  正在实际应用进程中,地道照明管制零碎还应与地道透风零碎、火警报警零碎和环境监测零碎互联,以达到最好的管制成果。因为地道的非凡构造,地道内的烟尘特地多,且不容易散失,地道照明管制零碎既要思考光线的穿透功能,也要思考因为烟尘反射而酿成的亮度丧失。而地道透风则是升高烟雾浓度的无效手法,因而,照明管制以及透风管制之间存正在肯定的联络,若何使两者对立且节能成果更好,有待进一步讨论。当地道发作火警时,为了紧迫救济,若何疾速实时关上全副照明,也有待钻研。


  但无论若何,LED地道照明管制零碎以其精良的管制功能以及无效的节能降耗战略,势必正在地道照明零碎中失去宽泛的使用,为进步高速公路的经营效率,升高运转老本,进步行车平安性施展更年夜的作用。


 


编纂:Cedar