電氣自動(dòng)化技術(shù)在照明工程中的應(yīng)用探討

馬 巍

江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213032

0 引言

照明在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如建筑照明、城市道路照明等，屬于電氣工程的一部分。從工程設(shè)計(jì)規(guī)劃的角度來講，設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)大多對工程主體關(guān)注度高，而對照明的關(guān)注不足，因而很容易將照明這一耗電大戶給忽略掉。從節(jié)能降耗的角度來講，很多行業(yè)的節(jié)能降耗實(shí)踐已經(jīng)證明，電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用對節(jié)能降耗有著明顯的作用。因此，分析電氣自動(dòng)化技術(shù)在照明工程中的實(shí)際應(yīng)用，具有典型的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電氣自動(dòng)化技術(shù)

進(jìn)入電氣時(shí)代后，隨著電力產(chǎn)品的出現(xiàn)，工業(yè)界誕生了電氣自動(dòng)化技術(shù)。早期電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，通過接觸器、繼電器等元器件來實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的邏輯控制，以及自動(dòng)判斷機(jī)械狀況。隨著電子信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)也隨之更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的接觸器、繼電器被微電子產(chǎn)品所取代，其中典型裝備是可編程邏輯控制器和單片機(jī)，可編程邏輯控制器是目前電氣自動(dòng)化技術(shù)中最關(guān)鍵的裝備之一。從工控領(lǐng)域的實(shí)踐來看，典型的電子自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是可編程邏輯控制器+變頻器+電氣設(shè)備的架構(gòu)，整個(gè)架構(gòu)是M2M的形式，是物與物的連接，提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，物與物的連接生產(chǎn)效率陷入瓶頸，而在信息物理系統(tǒng)的發(fā)展下，數(shù)字化成為一個(gè)關(guān)鍵的趨勢，因此物與物之間的聯(lián)系中還將加入人，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人、事、物的廣泛連接，即IoT。在這一趨勢下，電氣自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)深入各領(lǐng)域，并且?guī)缀醭蔀樽詣?dòng)控制的核心，尤其是在數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)中，電氣自動(dòng)化技術(shù)的作用越來越明顯[1]。

2 照明工程概述

照明工程屬于電氣工程的前端，主要目的是改善光照環(huán)境。照明具有不同的環(huán)境，比如室內(nèi)、廣場、道路等，在不同環(huán)境下，照明工程系統(tǒng)的控制特點(diǎn)不同，通常需要利用天然光和人工光源系統(tǒng)來滿足環(huán)境光照要求。照明并不是一個(gè)單純的學(xué)科，而是涉及光學(xué)、美學(xué)、電學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、建筑學(xué)等的綜合性學(xué)科，照明工程屬于典型的技術(shù)與資金密集型行業(yè)。

2.1 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前不管是室內(nèi)照明還是室外照明，均耗能大，如城市照明和建筑照明。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，城市照明的用電量占全社會用電量的10%，而其中35%的電量是被浪費(fèi)的。近十幾年來，城市道路照明燈具總量發(fā)展至幾千萬，數(shù)千萬的照明燈具耗電量是非常巨大的，而由于照明管理上存在缺陷，導(dǎo)致照明燈具使用不合理，很多無人時(shí)段長時(shí)間亮燈現(xiàn)象顯著，消耗了電能，卻沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。建筑照明的耗電量在整個(gè)建筑物的用電量中占比30%以上，特別是商業(yè)綜合體建筑耗電量更大。這種龐大的耗電量與綠色發(fā)展理念明顯不符，深層次的原因在于傳統(tǒng)照明控制體系已經(jīng)不適應(yīng)照明工程的需求。在智能建筑興起后，BAS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)照明監(jiān)控，但是也只是具備簡單的區(qū)域控制以及時(shí)控能力，無法針對場景控制燈光，更遑論在智慧城市建設(shè)中，城市照明更加需要一個(gè)統(tǒng)一的自動(dòng)化甚至智能化管理平臺來實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，以達(dá)到高效使用照明系統(tǒng)，并節(jié)能降耗的目標(biāo)[2]。

2.2 基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的照明系統(tǒng)改造

按照當(dāng)前智慧城市建設(shè)情形，電氣自動(dòng)化技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)，對于照明工程而言，采取電氣自動(dòng)化技術(shù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，目前典型的改造方式是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力信息技術(shù)等，打造廣泛連接的照明系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，前端設(shè)備需要集成調(diào)制解調(diào)器、傳感器以及驅(qū)動(dòng)器，利用4G或5G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這方面的相關(guān)研究很多，重點(diǎn)要對后臺平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，要求后臺必須滿足數(shù)據(jù)存儲、預(yù)處理、分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘以及成果展示的功能，現(xiàn)階段可基于網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，使用HADOOP開源框架打造后臺應(yīng)用平臺；利用云計(jì)算的自定義平臺自定義海量數(shù)據(jù)處理平臺，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算；基于大數(shù)據(jù)分析，利用數(shù)據(jù)挖掘算法，對照明工程相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，分析照明規(guī)律，明確重點(diǎn)照明區(qū)域，為系統(tǒng)改造提供參考?？梢暬故酒脚_同樣比較關(guān)鍵，需要采用靈活多樣的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，并且要求數(shù)據(jù)跨平臺訪問，并能進(jìn)行可視化分析[3]。

由上述分析可知，利用電氣自動(dòng)化技術(shù)改造照明系統(tǒng)，核心點(diǎn)在于前端和后端。關(guān)于后端，上文已做了詳細(xì)分析，就是要打造數(shù)字平臺，集監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控等功能為一體。關(guān)于前端，則是要打造適合的智能化照明系統(tǒng)，燈具需要集成一些微電子產(chǎn)品，以完成對場景的實(shí)時(shí)分析，以及根據(jù)場景的變化實(shí)時(shí)調(diào)整照明系統(tǒng)工作狀態(tài)。這要求前端照明系統(tǒng)必須具備高效的感知能力，即必須讓照明燈具知道自己應(yīng)當(dāng)“干什么”。例如，一條道路上的路燈，該道路車流量的變化較大，上半夜時(shí)車流量、人流量巨大，路燈需開啟，以為車輛與行人提供良好的道路照明；到了下半夜車流量與人流量驟減，甚至可能為零，此時(shí)就需要路燈自己判斷是否開啟照明，如果開啟照明，照度又應(yīng)當(dāng)達(dá)到多少。

為了達(dá)到更高效率的自動(dòng)化調(diào)整，需要邊緣計(jì)算的支持。邊緣計(jì)算的本質(zhì)是將云計(jì)算服務(wù)直接下沉到用戶側(cè)或者非?？拷脩魝?cè)的RAN邊緣，并提供云計(jì)算服務(wù)。由于后臺與前端之間是存在傳輸延時(shí)情況的，照明系統(tǒng)自動(dòng)化是一套大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)體系，加上還可能需要連接其他事物，如聯(lián)網(wǎng)汽車等，因而需要更高效的數(shù)據(jù)處理方式。對于照明系統(tǒng)而言，完全由后臺處理數(shù)據(jù)并不是大問題，只是考慮到照明系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)處理量也會越來越大，總有一天會出現(xiàn)無法適應(yīng)的情況，因此考慮邊緣計(jì)算也是一種理想的嘗試[4]。

3 照明控制系統(tǒng)的一般框架

隨著智能建筑的興起，建筑自動(dòng)化程度越來越高，照明系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也在提升，但是由于BAS系統(tǒng)功能并不是特別強(qiáng)大，其中的照明子系統(tǒng)還有進(jìn)一步擴(kuò)展的空間。目前比較先進(jìn)的一種電氣自動(dòng)化控制方式是采用全數(shù)字、模塊化、分布式架構(gòu)，基于總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各種控制模塊的連接，形成一個(gè)照明控制網(wǎng)絡(luò)，并作為BAS的子系統(tǒng)接入BAS中，也可單獨(dú)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

4 案例分析

基于上述系統(tǒng)框架，目前某商業(yè)廣場所使用的照明系統(tǒng)是比較典型的應(yīng)用案例。該廣場的照明系統(tǒng)有兩個(gè)部分，分別為公共照明和夜景照明，照射范圍包括百貨超市公共區(qū)域、室內(nèi)步行街公共區(qū)域、建筑外墻、室外景觀、廣場等，燈光類型包含普通照明、效果照明、應(yīng)急照明等，對于不同區(qū)域、不同的燈具型號及不同的照度要求，需要有不同的照明模式設(shè)計(jì)，這對照明系統(tǒng)的控制功能要求非常細(xì)致[5]。

基于該廣場所應(yīng)用的照明控制系統(tǒng)來論，其主要包含如下功能。

（1）操作控制。系統(tǒng)支持自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、BAS智能化管理系統(tǒng)控制三種方式，并可隨時(shí)切換控制方式。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程中，中控設(shè)備上預(yù)設(shè)場景定時(shí)自動(dòng)控制方案，到時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)控制各回路開關(guān)動(dòng)作，手動(dòng)控制時(shí)，通過照明系統(tǒng)鏈路或BAS系統(tǒng)鏈路向各回路開關(guān)下發(fā)控制指令。

（2）監(jiān)測功能。各回路開關(guān)受系統(tǒng)監(jiān)控，各控制模塊以及網(wǎng)關(guān)模塊是監(jiān)控的重點(diǎn)。

（3）告警。當(dāng)系統(tǒng)檢測到回路中存在故障時(shí)，發(fā)出告警提示，并向工作人員發(fā)送定位信息和故障處理單據(jù)。

（4）將各回路細(xì)化為基礎(chǔ)照明、應(yīng)急照明、車位照明、車道照明、頂棚照明、裝飾照明、導(dǎo)向標(biāo)識、廣告燈箱等，然后按照回路類型進(jìn)行編組，有助于各種照明模式的快速切換、組合。

（5）場景模式。預(yù)設(shè)多種場景，如平時(shí)晴天、平時(shí)霧天、平時(shí)陰雨天、節(jié)假日晴天、節(jié)假日陰雨天等場景，不同場景對應(yīng)不同燈光組合模式，同時(shí)每一個(gè)場景中又設(shè)置營業(yè)前準(zhǔn)備、營業(yè)（分白天和夜晚）、閉店后安保等模式，每種模式可按定時(shí)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)切換，也可由BAS系統(tǒng)介入的移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，如此更具有人性化特點(diǎn)。工作人員在現(xiàn)場對光照的感受度是最明顯的，通過人來操控要更靈活，而自動(dòng)化的照明系統(tǒng)為此提供了便利。

（6）歷史數(shù)據(jù)、日志報(bào)表用于記錄、保存歷史數(shù)據(jù)、告警信息、操作記錄，這些數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)挖掘，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法為根基，可實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化。

（7）控制臺可視化界面。

從該廣場照明自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用來看，按照場景規(guī)則定義照明系統(tǒng)運(yùn)作情況，除陰雨天氣燈光全開的情況，每天滿功率運(yùn)行的時(shí)長僅占全天時(shí)長的17%，占運(yùn)營時(shí)長的33%；運(yùn)行一年時(shí)間后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相比于投運(yùn)前的狀況，5—10月統(tǒng)合節(jié)能28%，11—4月統(tǒng)合節(jié)能19%，具有顯著的節(jié)能降耗效果。在系統(tǒng)投運(yùn)之前，照明模式的切換比較復(fù)雜，需要每一個(gè)樓層都安排專門的工作人員，按照工作手冊確定的時(shí)間，準(zhǔn)時(shí)到場操作開關(guān)啟停照明系統(tǒng)，耗時(shí)至少15 min，且存在誤操作的可能；而系統(tǒng)投運(yùn)后，可直接在控制臺可視化平臺上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，只需要幾名工作人員在現(xiàn)場確認(rèn)即可，當(dāng)然系統(tǒng)甚至可以自動(dòng)完成模式切換，工作效率非常高。并且，由于可自動(dòng)感應(yīng)場景情況，燈光效果會隨場景變化而變化，靈活性較高。此外，由于系統(tǒng)不會使照明燈具長時(shí)間處在滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，可有效延長燈具的使用壽命。

5 電氣自動(dòng)化技術(shù)在照明工程中應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)

從該廣場案例來看，利用電氣自動(dòng)化技術(shù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行改造具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間需要按照用戶的需求，針對照明工程的特點(diǎn)，考慮好數(shù)據(jù)共享的可行性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的規(guī)劃，包括照明系統(tǒng)平臺的定位，是單獨(dú)使用還是接入BAS等系統(tǒng)，總線拓?fù)鋺?yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況以及實(shí)際需求來定。為了確保系統(tǒng)運(yùn)行以及控制高效，總線長度與總線上的設(shè)備需要控制規(guī)模，上限應(yīng)當(dāng)為70%。組網(wǎng)方面，考慮是接入現(xiàn)場本身就有的網(wǎng)絡(luò)，還是獨(dú)立組網(wǎng)（系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，但易出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島）。

（2）前后臺設(shè)備要以滿足系統(tǒng)需求為前提，盡可能在保證技術(shù)先進(jìn)的前提下控制成本，可按需要控制的回路數(shù)量選擇輸出設(shè)備，一般為繼電器模塊，按照回路負(fù)載選擇繼電器，根據(jù)照明區(qū)域劃分選擇探頭、傳感器，同時(shí)合理配置電源模塊。

（3）按照當(dāng)前形勢，照明系統(tǒng)自動(dòng)化的核心是照明控制與狀態(tài)反饋，后續(xù)可能在大數(shù)據(jù)下得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，因此要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，不能因太關(guān)注成本而降低系統(tǒng)性能，同時(shí)要考慮系統(tǒng)后期使用維護(hù)的方便性，因而建設(shè)之初必須合理規(guī)劃。

6 結(jié)束語

綜上所述，基于電氣自動(dòng)化技術(shù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行有效改造，對于降低照明系統(tǒng)能耗、增強(qiáng)照明工程的應(yīng)用價(jià)值具有極大的價(jià)值意義，按照目前的技術(shù)形勢，改造照明系統(tǒng)的方式相對簡單，也有成熟的應(yīng)用案例可供參考。文章所探索的自動(dòng)化照明系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，在城市照明、商業(yè)綜合體照明方面應(yīng)用前景廣闊。