工廠企業(yè)LED照明系統(tǒng)改造研究*

孫曉娟

(寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞 721006)

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工廠企業(yè)LED照明系統(tǒng)改造研究*

孫曉娟

(寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞 721006)

針對目前很多大型企業(yè)使用的傳統(tǒng)燈具存在耗能大、壽命短和頻閃嚴重等問題，研究采用LED燈對企業(yè)照明系統(tǒng)進行改造，通過智能控制系統(tǒng)進行LED照明系統(tǒng)控制。對實際案例進行改造后表明，降低了能耗，改善了車間照明環(huán)境。該方案也可進行擴展應(yīng)用到其他建筑室內(nèi)室外照明改造，可提高社會效益和經(jīng)濟效益。

LED照明；照明控制；能耗

隨著LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED燈作為一種全新環(huán)保能源，憑借其高發(fā)光效率和低能耗等優(yōu)勢，將更大范圍地走進生產(chǎn)和生活中。在工業(yè)生產(chǎn)中，照明設(shè)計應(yīng)考慮不同性質(zhì)和場所(如食品照明要顯色性高，工廠倉庫照明要安全性能高，車間流水線照明燈具要無頻閃，顯色性高)，不同地方的照明應(yīng)根據(jù)情況科學地選擇和合理地布置燈具。應(yīng)杜絕因為燈具引起短路而發(fā)生火災(zāi)，造成不必要的損失。在國家節(jié)能減排政策的推動下，新建的大型車間大都采用LED照明系統(tǒng)，而現(xiàn)有的很多大型企業(yè)車間仍然采用傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，因此進行車間LED照明系統(tǒng)改造勢在必行。

1　傳統(tǒng)日光燈在大型生產(chǎn)車間應(yīng)用中的缺陷

傳統(tǒng)日光燈的發(fā)光原理為當燈絲有電流通過時，燈管內(nèi)燈絲發(fā)射電子，管內(nèi)溫度升高，水銀蒸發(fā)，這時，若在燈管兩端加上足夠的電壓，就會使管內(nèi)氬氣電離，燈管由氬氣放電過渡到水銀蒸氣放電。傳統(tǒng)日光燈的發(fā)光原理決定了發(fā)光效率低、能耗高。

國際照明委員會(CIE)提出的9條照明節(jié)能原則中的第4條是采用不產(chǎn)生眩光的高效率燈具[1]。傳統(tǒng)日光燈使用的是交流電，所以會產(chǎn)生100～120次/s的頻閃，工人在長時間的工作中會感覺到不適。

2　LED照明系統(tǒng)的特點

2.1LED車間照明節(jié)能

照明節(jié)能的基本原則是在保證不降低生產(chǎn)作業(yè)視覺要求和不降低照明質(zhì)量的條件下，力求減少照明系統(tǒng)中光能的損失，有效地使用照明用電[2]。傳統(tǒng)燈具會產(chǎn)生大量的熱能，而LED燈具則是把電能全部轉(zhuǎn)換為光能，不會造成能源的浪費。以36W/T8熒光燈為例，額定輸出功率為36 W，由于接入了電感鎮(zhèn)流器，實測輸入功率為42.4 W，即鐵心電感損耗6.4 W ，效率降低85%，大多數(shù)國產(chǎn)的鐵心電感功耗>10 W，功率因數(shù)<0.512。LED燈的電源效率高達90%。1個18 W的LED日光燈管就可取代1個36 W的熒光燈。1個LED日光燈管壽命可達5萬h，而1個熒光燈的壽命通常只有5 000 h，二者相差將近10倍。

2.2LED車間照明品質(zhì)

因為LED燈為純直流供電，無頻閃，基本無紅外線或紫外線的干擾，不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感，亦不會對工作區(qū)域的其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾[3]。

LED日光燈中不含任何有毒物質(zhì)，是一種完全綠色環(huán)保無污染光源。

LED日光燈可以提供任意色溫，而且還可提供紅、綠、藍以至任何一種顏色的燈光，因此LED日光燈能根據(jù)生產(chǎn)工位對色溫的不同要求，采用指定的色溫。LED燈的顯色指數(shù)>80，完全滿足車間生產(chǎn)的使用要求。

LED燈不會產(chǎn)生噪聲，使得車間環(huán)境清靜舒適(特別是精密電子儀器生產(chǎn)車間)，沒有噪聲污染。

3　LED照明改造方案

3.1選擇高效節(jié)能型燈具

在車間照明改造中，選擇高效節(jié)能的LED燈具是非常關(guān)鍵的。LED燈參數(shù)選擇決定了照明效果的好壞和發(fā)光效率的高低。根據(jù)車間照明要求，主要考慮如下幾方面的參數(shù)選擇。

1)使用壽命。一個高品質(zhì)的LED燈，使用時間為5～8萬h。

2)發(fā)光效率。發(fā)光效率就是光通量與電功率之比。發(fā)光效率表征了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個重要指標。LED燈的發(fā)光效率>100 lm/W。

3)色溫范圍。 LED色溫是以絕對溫度K來表示。將標準黑體加熱，溫度升高到一定程度時，顏色開始由低色溫至高色溫變化，即由紅→橙紅→黃→黃白→白→藍白逐漸改變，當某光源與黑體的顏色相同時，黑體當時的絕對溫度即光源的色溫。LED燈能根據(jù)生產(chǎn)工位對色溫的不同要求，采用指定的色溫范圍。

4)顯色指數(shù)。LED的顯色指數(shù)即為LED燈對色彩的還原能力的參數(shù)，主要用于定義不同LED光源顯色性的差別。顯色指數(shù)越低，肉眼看來的顏色越失真。高品質(zhì)的LED燈，顯色指數(shù)都能達95以上。

3.2高效的LED照明控制系統(tǒng)

3.2.1智能LED光照度調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

照明控制系統(tǒng)是照明設(shè)計基礎(chǔ)理論的一部分，是照明節(jié)能實施中不可缺少的。通過采用合理的照明控制方式可實現(xiàn)舒適照明，同時也可實現(xiàn)節(jié)能。在灰塵和器械移動等很多影響照度的生產(chǎn)車間，應(yīng)對現(xiàn)場的光照度進行實時檢測和控制。

智能LED光照度調(diào)控系統(tǒng)以微處理器為分布式終端主控器件，根據(jù)終端內(nèi)部預制的LED開啟時間段和預期光照度參數(shù)，基于光照度反饋的LED亮度進行PWM閉環(huán)調(diào)控，并通過無線通信的方式，實現(xiàn)上位機對分布式多點LED調(diào)光控制終端的開關(guān)控制、參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)測，使用戶能方便地調(diào)節(jié)光照度。智能調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通過PWM調(diào)光控制模塊，根據(jù)光照度反饋信號與預期值的比較來判斷是否需要增減LED光源，通過控制占空比以使環(huán)境光照度保持在預期光照度狀態(tài)下。若光照度過強，則占空比遞減；否則，占空比遞增；若光照度等于預期值，則占空比不變[4]。

圖1　智能調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2.2智能LED調(diào)光算法原理

在LED調(diào)光控制算法中，經(jīng)典的PID恒照度算法能自適應(yīng)外界因素的影響而及時準確地將照度調(diào)節(jié)到指定值，其他各項功能也均穩(wěn)定可靠。數(shù)字PID控制部分負責將輸入值與預設(shè)定的照度標準值進行計算，執(zhí)行模塊負責執(zhí)行計算出來的結(jié)果，具體表現(xiàn)為對PWM信號的控制[5]。

隨著智能控制算法的發(fā)展和應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也在各領(lǐng)域取得了突飛猛進的發(fā)展。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通常采用“輸入層-隱含層-輸出層”模型，其中隱含層可以基于實際需求，采用不同數(shù)量的閾值單元，通常情況下，如果輸入層與輸出層的對應(yīng)復雜度較低，可以采用數(shù)量為5～10的隱含層閾值單元；對于復雜度較高的應(yīng)用，需要采用15個以上的隱含層閾值單元[6]。輸入層數(shù)據(jù)使用光照采集模塊的輸出值，輸出層數(shù)據(jù)提供給LED控制系統(tǒng)作為控制值。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)準確程度，首先通過模擬計算輸入層到隱含層的權(quán)值、隱含層到輸出層的權(quán)值以及節(jié)點閾值，從而得到合理的區(qū)間值，然后基于實際環(huán)境進行調(diào)整。

3.3LED車間照明案例分析

針對某鋼鐵公司車間照明改造情況來分析，在改造前，車間照明用100、1 000和3 000 W大燈，辦公記錄區(qū)域用100 W燈，累計數(shù)量在1萬顆，年用電量大，不符合國家節(jié)能減排標準；因此，采用LED燈具進行改造。改造前、后燈珠功率的對比如圖2所示。從圖2中可以看出，在相同照度下，LED燈的節(jié)能效果明顯更佳。

圖2　傳統(tǒng)燈具與LED燈對比圖

從企業(yè)的經(jīng)濟效益來看(見表1)，1個100 W的鎢絲燈和1個11 W的LED燈對比，使用LED燈每年節(jié)約費用262元。LED燈的改造給企業(yè)帶來了很可觀的經(jīng)濟效益。

表1　LED燈與傳統(tǒng)燈具經(jīng)濟比較　(元/a)

4　結(jié)語

LED照明改造的成功案例將會更加推進LED燈的全面應(yīng)用，LED燈是第3代綠色照明在車間作業(yè)內(nèi)的一個應(yīng)用典范。隨著LED經(jīng)驗不斷成熟，技術(shù)不斷發(fā)展，LED光源將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，從而大幅度降低能源損耗，保護環(huán)境，獲得豐厚的社會和經(jīng)濟效益。從LED燈在車間的成功應(yīng)用上可以看出，除了低碳節(jié)能，其均勻光照強度、高顯像指數(shù)、防止視覺疲勞和冷光源設(shè)置等多方面優(yōu)點，不僅體現(xiàn)了新一代光源設(shè)備先進功效的優(yōu)勢，更能很好地代表這類新興光源的進一步發(fā)展方向。工廠車間LED節(jié)能改造的案例，同樣適用于商場、辦公樓、學校和大型停車場等。

[1] 那紅宇.淺談實現(xiàn)建筑電氣節(jié)能的多種措施[J].低壓電器，2008(22)：51-54.

[2] 周向陽.建筑電氣節(jié)能設(shè)計[J].科學時代，2012(2)：54-55.

[3] 陳洪，陳清蓉，魯廣洲.淺析LED工礦燈應(yīng)用于煙廠卷包車間的優(yōu)勢[J].通訊世界, 2014(1):111-112.

[4] 顧梁，茅靖峰，程瑩，等.分布式無線智能LED光照度調(diào)控系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2015,23(1):115-117.

[5] 蔡顯鋒，吳青， 劉建坤，等.港口LED照明智能控制系統(tǒng)的恒照度控制研究[J].交通信息與安全，2013(6)：100-103.

[6] 沈花玉，王兆霞，高成耀．BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層單元數(shù)的確定[J].天津理工大學學報，2008(5)：13-15.

*寶雞文理學院院級重點科研項目(ZK11171)

責任編輯馬彤

Research on the Transformation of LED Lighting System in the Factory

SUN Xiaojuan

(Deptment of Electronics & Electrical Engneering, Baoji University of Arts & Science, Baoji 721006, China)

Due to the problems existing in conventional lighting units at large business, for example, high energy consumption, short service life, and stroboscopic serious. Use LED lamp for enterprise lighting system, and using intelligent control system is essential. Experience has proved that this is a proper method for large business workshop. This can be make workshop Low energy and good environment. This method can also be used in other places, such as indoor and outdoor lighting system.

LED lighting system, lighting control system, energy

TM 923

B

孫曉娟(1979-)，女，講師，主要從事電氣工程及其自動化等方面的研究。

2015-12-25