智能照明系統(tǒng)在汽車制造沖壓車間的應用

雷遠宏，范 勇，袁 帥，李 成

（1.上海大眾汽車有限公司 長沙分公司，湖南 長沙 410132；2.飛利浦（中國）投資有限公司，上海 200070）

0 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，為滿足照明光照強度的要求，普遍安裝大功率照明燈具。一方面，光照強度分布不均衡，長期強光照環(huán)境將對生產(chǎn)工人視覺造成一定程度損傷，降低工作效率；另一方面，大密度的燈具排布，多回路、多開關的照明管理模式，降低了燈具和開關的使用壽命，對于大功率照明系統(tǒng)也必然帶來很大電能消耗，產(chǎn)生極大浪費，也不便于管理。

隨著先進控制技術的發(fā)展，工業(yè)智能逐步深入到更多領域，早在2012年臺達就曾提出“智能綠色生活”的理念，主要是倡導通過科技改變人們的生活[1]。近些年來智能照明系統(tǒng)在樓宇自動化中得到了非常廣泛的應用，但這種智能型環(huán)保技術在汽車工業(yè)生產(chǎn)照明環(huán)境如沖壓車間尚未推廣使用，主要是由于沖壓車間生產(chǎn)環(huán)境的復雜性，生產(chǎn)車間面積大，屋頂垂直高度較高，對照明強度控制的要求相對較高，照明系統(tǒng)的智能化控制尚未推廣使用。現(xiàn)階段照明系統(tǒng)設計主要關注燈具選型，如金鹵燈、LED燈等，LED燈由于使用壽命長、燈光可調以及節(jié)能等優(yōu)點應用越來越廣泛[2-3]。但相對于金鹵燈而言，LED燈穿透能力較差、光線發(fā)散、照射距離相對較近，并不適合于生產(chǎn)環(huán)境復雜、廠房高度較高的場合?，F(xiàn)階段對于如何提高生產(chǎn)環(huán)境照度均勻性、延長燈具使用壽命以及提高燈光管理水平等方面缺乏非常有效的方案。

有關數(shù)據(jù)表明，我國目前僅照明的用電量4000～5000億千瓦時，約占全年電能消耗的13%[4]。自1996年啟動實施綠色照明工程，照明用電量總體有所降低，但工業(yè)照明用電總量所占比重依然很高，節(jié)能空間大。工廠智能照明系統(tǒng)的開發(fā)應用，極大改善了車間照明環(huán)境的均勻性，提升了車間管理水平，大幅降低能源消耗，促進“十二五”期間國家提出的關于機械工業(yè)節(jié)能減排目標的實現(xiàn)[5]。

1 沖壓車間生產(chǎn)環(huán)境概況

某汽車制造企業(yè)沖壓車間主要包括兩大主功能區(qū)：倉庫區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，其中倉庫區(qū)用于產(chǎn)品零件的臨時堆放和轉運；生產(chǎn)區(qū)相對復雜，包括三條不同的設備生產(chǎn)線區(qū)域、兩個彼此獨立的模具堆放區(qū)及模具維修區(qū)，一個高架倉庫區(qū)，一個自動線成品出料區(qū)，如圖1所示。在日常生產(chǎn)過程中，設備生產(chǎn)區(qū)設備的自動化程度較高，設備內部部分區(qū)域已經(jīng)安裝照明設施，整條生產(chǎn)線外圍對光照強度要求較弱。此外，模具堆放區(qū)和高架倉庫區(qū)域相對于模具維修區(qū)、低跨區(qū)并不需要較強光照環(huán)境。正是由于車間各區(qū)域功能上存在較大差異，燈光控制要求較高，不便于人員管理。

對于大型生產(chǎn)車間，為更好采集室外光源，最大限度節(jié)省能源，都通過安裝天窗進行補光。然而，這種方式僅局限于室外光線較好的天氣。

2 車間照明系統(tǒng)的控制要求

2.1 沖壓車間倉庫區(qū)

圖1 某沖壓車間平面布局圖

倉庫區(qū)作為沖壓件的周轉場地，主要用作沖壓零件的堆放和轉運等工作，在日常生產(chǎn)中對于燈光照度要求相對較低，特別是在工人就餐、低負荷生產(chǎn)、設備停產(chǎn)檢修時需要的光照強度很低，所以需要實現(xiàn)不同工作時段倉庫區(qū)照度的多級調節(jié)。

2.2 沖壓車間生產(chǎn)區(qū)

生產(chǎn)區(qū)是沖壓車間的核心區(qū)域，日常生產(chǎn)中各區(qū)域對燈光的照度要求不同。壓機設備區(qū)域對燈光強度要求較低。對應兩條壓機設備線尾低跨區(qū)域，工人活動相對密集、活動強度較大，需要的光線強度也較高；模具堆放區(qū)和模修區(qū)，兩個功能區(qū)對燈光的控制要求不同。模修區(qū)內人工操作工作強度高、對照度的要求也較高。此外，由于三條生產(chǎn)線生產(chǎn)強度不同，時常出現(xiàn)單線生產(chǎn)的情況，因此必須實現(xiàn)任意功能區(qū)域燈光的管理。

此外，照明系統(tǒng)必須要求在滿足日常生產(chǎn)需求的前提下，每個區(qū)域能夠多回路獨立控制。

3 智能照明系統(tǒng)實施方案

針對沖壓車間復雜的生產(chǎn)環(huán)境以及照明要求，本智能照明系統(tǒng)包含兩大功能操作模式，即手動模式和自動模式。兩種模式相互獨立，但在任意時刻照明系統(tǒng)僅能工作在單種模式下。

手動模式是保證在自動模式無法正常開啟時，能夠獨立于自動控制模塊實現(xiàn)燈光的手動設置，手動模式下只能實現(xiàn)各區(qū)域單一回路燈光的開啟和關斷，手動模式的實現(xiàn)是通過操作照明配電箱面板上的手動操作按鈕進行的。

智能模式是車間日常生產(chǎn)過程中照明系統(tǒng)的主要工作模式，能夠通過上位機或遠程控制面板實現(xiàn)智能控制。自動模式包括定時、光控、節(jié)能、人為選擇四種功能，四種功能的實現(xiàn)主要是選擇照明燈光強度的調節(jié)等級，即0%、30%、70%、100%亮燈四個調節(jié)等級。定時功能下可由相關管理人員根據(jù)生產(chǎn)情況切換燈光場景調節(jié)的開啟和關斷時刻，當定時時間到燈光場景將自動切換；光控功能是利用遠程光照探測器檢測的車間實際光照強度自動調節(jié)車間各區(qū)域的光照強度，當檢測車間光照強度較低時，自動增加燈光的調節(jié)等級，反之，亦然；人為選擇亮燈數(shù)量可通過遠程操作面板或上位機選定對應區(qū)域的照明燈調節(jié)等級。節(jié)能功能是一鍵式設置車間部分組合功能區(qū)的照明光照強度，如25線、26線與線尾低跨區(qū)，模具堆放區(qū)與模修區(qū)。

智能模式下四種功能的實現(xiàn)都是一鍵式智能化操作，而且每個區(qū)域中四種功能的設置能夠通過上位機改變智能系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)。倉庫區(qū)作為料片堆放和周轉運輸場地，空間范圍較大，但功能相對單一，燈光要求低，可整體看作一個功能區(qū)。生產(chǎn)區(qū)設備多，而且較為分散，工況復雜，燈光要求高。為實現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域照明系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，每個功能區(qū)獨立控制調節(jié)，彼此互不干涉。一方面，在滿足高強度生產(chǎn)活動的同時，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且便于檢修維護；另一方面，能夠針對每個區(qū)域的照度需求，最大限度地降低電能消耗。

4 系統(tǒng)構架

本方案采用Philips公司的DDRC1220FR-GL作為智能照明的核心驅動模塊，如圖2所示。整個系統(tǒng)為總線制、模塊化、全分布式系統(tǒng)結構，由模塊部分（包括調光器、開關控制器）、現(xiàn)場控制部分（包括遠程控制面板、液晶顯示觸摸屏、光照感測器、時鐘管理器）、監(jiān)控與調試部分（包括調試軟件和PC監(jiān)控機）等部件組成。如圖3所示為光照感測器示意圖。

圖2 智能照明驅動控制模塊

圖3 光照感測器

圖4 智能照明控制系統(tǒng)框架

系統(tǒng)中每個模塊功能相互獨立，通過一根五類四對數(shù)據(jù)通訊線手牽手聯(lián)接起來組成一個控制網(wǎng)絡，單個模塊故障不影響其他模塊的正常工作，而且控制網(wǎng)絡的規(guī)?？伸`活地隨照明系統(tǒng)的大小而改變，系統(tǒng)提供開放的通信協(xié)議，可與各品牌的樓宇、消防、安保等系統(tǒng)相連，系統(tǒng)可無限擴展。智能照明控制系統(tǒng)構架如圖4所示。

本項目智能照明驅動模塊都安裝在各照明區(qū)域配電箱內，所有照明配電箱面板上均帶有燈光手動和自動管理模式切換開關。當切換開關切換到手動模式下自動模式失能，此時可利用配電箱面板上的按鈕現(xiàn)場控制照明回路的開啟或者關閉，有效避免了自動模式出現(xiàn)故障時無法控制照明回路的問題；在切換開關切換到自動模式時手動模式失能，只能通過一鍵式遠程操作面板和上位機發(fā)送控制指令。

5 智能照明控制實施效果

通過引入智能照明控制系統(tǒng)，能夠在保證正常生產(chǎn)的同時，根據(jù)車間不同生產(chǎn)區(qū)域不同工作時段的燈光的需求，自動調整燈光場景，實現(xiàn)照明控制的智能化。借助上位機軟件程序的設置，使得現(xiàn)場燈光靈活地響應生產(chǎn)的照明要求。特別是在單線生產(chǎn)時，自動關閉待生產(chǎn)區(qū)的照明回路，有效延長了燈具的使用壽命，并達到節(jié)能的效果。

如圖5所示為智能模式下一鍵式遠程控制面板，通過該控制面板可實現(xiàn)所有燈光場景一鍵式智能操作，方便現(xiàn)場生產(chǎn)工人對燈光場景的切換操作。圖6、7、8為某一陰雨天氣時，開卷線區(qū)域智能模式下開100%、70%、30%三種場景對比效果圖。根據(jù)現(xiàn)場光照強度檢測結果，當日70%模式下，該區(qū)域光照強度就能達到419Lux，能夠完全滿足需求。

圖5 智能照明系統(tǒng)遠程控制面板

圖7 智能模式下開卷線區(qū)域開70%

圖8 智能模式下開卷線區(qū)域開30%

圖9 智能模式下倉庫區(qū)域開0%

圖10 倉庫區(qū)開0%時的光照強度

如圖9所示為某一晴朗天氣白班中餐時刻，倉庫區(qū)域智能光控模式開啟，由于室外光線充足，倉庫區(qū)采光較好，達到光控模式下光照強度的窗口設定值400Lux，此時整個倉庫區(qū)照明回路全部自動關閉，測得現(xiàn)場的光照強度值為414.6Lux，如圖10所示。

目前，沖壓車間倉庫區(qū)照明燈共299盞，功率為250W；生產(chǎn)區(qū)照明燈共675盞，其中低跨區(qū)117盞，功率為250；其余功率為400W。按正常生產(chǎn)每天2個班次，每個班次9個小時，每月30天計算，非智能模式下車間全年能耗約為2120256千瓦時。智能模式下，當室外天氣晴朗，光線較好時，如按照正常生產(chǎn)強度，年消耗電能約為1030320千瓦時，節(jié)約95萬千瓦時；當室外光線相對較弱時（如陰雨天氣等），年消耗電能約為1187784千瓦時，節(jié)約135萬千瓦時。結合當?shù)厝晏鞖鉅顩r，平均年節(jié)約電能消耗費用80～100萬元。

6 結束語

智能照明系統(tǒng)作為現(xiàn)代化工廠照明系統(tǒng)的一種先進管理模式，在滿足不同工作狀態(tài)、不同功能需求的同時，有效改善車間光照均勻性，減少管理人員數(shù)量，減少能源消耗。特別是當下能源日益緊缺，人們環(huán)保意識逐漸增強。智能照明在工廠照明系統(tǒng)的推廣應用對于建設綠色工廠、優(yōu)化企業(yè)成本投入結構、降本增效、提升自身市場競爭力都具有較大的現(xiàn)實意義。

[1]臺達公司.臺達共創(chuàng)智能綠生活 [Z].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（6）.

[2] 張昊程.LED調光方案及其驅動器設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[3] 姜靜靜.LED智能燈遠程控制管理系統(tǒng)的研究與設計[D].長春：吉林大學，2013.

[4] 孫永劍.節(jié)能燈點亮大市場[Z].中華工商時報，2012-10-12.

[5] 蔡惟慈.蔡惟慈談“十二五”機械工業(yè)節(jié)能減排[Z].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（6）.