基于矩陣磁保持繼電器的智能照明控制電路模塊設(shè)計(jì)

段曉威，李 健，邱建樹(shù)，張世福

(山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250014)

引言

照明系統(tǒng)一般由光源和控制系統(tǒng)[1]組成，常見(jiàn)的光源有白熾燈光源、氣體放電光源、發(fā)光二極管光源。由于發(fā)光二極管光源[2]能效高、壽命長(zhǎng)，被廣泛使用。發(fā)光二極管的工作方式與氣體放電光源的電離放電工作方式不同，只需配合恒流驅(qū)動(dòng)板[3]即可使用，而不需要鎮(zhèn)流器等部件。驅(qū)動(dòng)板內(nèi)無(wú)高壓部件，控制更靈活，不僅可由外部控制器集中控制，也可將控制器集成在驅(qū)動(dòng)板上，易于實(shí)現(xiàn)小粒度精細(xì)控制、調(diào)光控制[4]。由于這種特性，產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的基于發(fā)光二極管光源的智能照明控制系統(tǒng)，在室外景觀、體育場(chǎng)館、工廠車間、辦公建筑等場(chǎng)合取得了很好應(yīng)用效果[5-7]。但發(fā)光二極管光源的智能照明控制系統(tǒng)也有一定局限性：一是成本較高，主要是優(yōu)質(zhì)發(fā)光二極管成本較高，如果預(yù)算有限不適合采用；二是穩(wěn)定性不確定，由于產(chǎn)品較新，其穩(wěn)定性有待市場(chǎng)驗(yàn)證，特別是近年來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，部分產(chǎn)品壓低價(jià)格質(zhì)量縮水，穩(wěn)定性有待考證；三是既有建筑照明改造難度大，對(duì)于一些既有建筑，改造其原有照明系統(tǒng)難度較大，成本較高，改造后提升不明顯，投入產(chǎn)出比不理想。

目前有大量的既有建筑正面臨智能照明改造這一難題，特別是工廠車間、辦公建筑等，對(duì)穩(wěn)定性、預(yù)算成本、改造周期都有嚴(yán)格要求[8]。面對(duì)這一問(wèn)題，需要一套成本低、可靠性高、改造難度小的智能照明系統(tǒng)，用于既有照明系統(tǒng)改造。目的是以最低的成本帶來(lái)最大節(jié)能收益，并滿足智能按需靈活控制的需求。

因此，結(jié)合工廠車間和辦公建筑實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一套智能照明控制電路模塊，適合已經(jīng)安裝熒光燈、無(wú)極燈等氣體放電光源的改造場(chǎng)景[9]。它以小型PLC為外部控制器，穩(wěn)定性高，且成本低；主體控制電路模塊創(chuàng)新性的將輸出矩陣技術(shù)和磁保持繼電器技術(shù)[10]結(jié)合，具有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是極大節(jié)約了IO點(diǎn)數(shù)，因而可采用體積更小、成本更低的外部控制器；二是失效安全(fail-safe)級(jí)別的高可靠性，控制電路模塊全部為無(wú)源器件，借助磁保持繼電器技術(shù)，即便控制系統(tǒng)失效，仍可維持照明系統(tǒng)正常運(yùn)行；三是安裝簡(jiǎn)易，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，每個(gè)控制柜改造只需要增加4條IO線纜、1條網(wǎng)絡(luò)通訊線纜，現(xiàn)場(chǎng)安裝極為簡(jiǎn)便；四是開(kāi)放性好，由于采用了PLC外部控制器和內(nèi)部通用電氣元件，系統(tǒng)開(kāi)放性高，易于維護(hù)和二次改造。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能照明控制電路模塊由三部分組成，分別為輸出矩陣板卡、RJ45 10P[11]電纜、繼電器板卡。輸出矩陣板卡的作用是連接PLC的輸出點(diǎn)，通過(guò)矩陣方式，將16個(gè)PLC輸出轉(zhuǎn)為8×8矩陣，通過(guò)4個(gè)RJ14 10P母座連接器輸出4個(gè)8×2矩陣。四個(gè)繼電器板卡通過(guò)RJ45 10P電纜連接到輸出矩陣板卡的RJ45母座，每個(gè)繼電器板卡內(nèi)含8個(gè)磁保持繼電器，并具備手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)。RJ45 10P電纜使用10芯雙絞線，用RJ45 10P水晶頭一次壓接成型，使用簡(jiǎn)易，布線簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，邏輯功能見(jiàn)圖2。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

圖2 邏輯功能圖Fig.2 Control system flowchart

3 輸出矩陣板卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

輸出矩陣板卡需要接入外部的IO信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制，以常用的PLC控制器為例，PLC的IO點(diǎn)數(shù)量與價(jià)格有直接關(guān)系，IO數(shù)量越多，價(jià)格也越貴，且PLC體積大，安裝難度大。按照單個(gè)照明配電柜32路空開(kāi)的容量，使用雙線圈磁保持繼電器，需要64個(gè)IO口。64個(gè)IO口對(duì)于簡(jiǎn)易的控制器來(lái)說(shuō)數(shù)量較多，價(jià)格較高，擴(kuò)展IO會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，且每個(gè)IO都占用一定空間，電柜較小的情況下，難以安裝。

為節(jié)約IO口，采用矩陣驅(qū)動(dòng)的原理進(jìn)行IO復(fù)用。其原理是：輸出矩陣板卡將信號(hào)以源型輸出和漏型輸出的方式，區(qū)分為陣列驅(qū)動(dòng)的行列兩組，矩陣的每個(gè)行列交叉點(diǎn)形成矩陣驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可將少量輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為大量矩陣信號(hào)，將16個(gè)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為8×8矩陣，可滿足64個(gè)信號(hào)數(shù)量需求。為方便接線和安裝，將8×8矩陣分為4組，每組為8×2矩陣，其中前8個(gè)信號(hào)為公共8路行選信號(hào)；后2個(gè)信號(hào)為列選信號(hào)，這10個(gè)信號(hào)供繼電器板卡使用。原理圖見(jiàn)圖3。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，輸出矩陣板卡的一端接入外部控制信號(hào)，另一端連接到繼電器板卡。為給安裝維護(hù)提供便利，避免復(fù)雜的接線，在測(cè)繪控制器件(即PLC)的接線端子后，定制了PCB梳齒狀插入式連接器，見(jiàn)圖4，安裝維護(hù)僅需插入后擰緊接線端子螺絲即可，不需要任何接線。輸出矩陣板卡與每個(gè)繼電器板卡通過(guò)RJ45 10P電纜的相連，只需插入RJ45水晶頭就可完成接線，方便64個(gè)繼電器線圈只需要16個(gè)IO口即可完全控制，實(shí)物見(jiàn)圖5。

圖3 輸出矩陣板卡原理圖Fig.3 Output matrix board schematic diagram

圖4 輸出矩陣板卡PCB圖Fig.4 Output matrix board PCB draft

圖5 輸出矩陣板卡實(shí)物圖Fig.5 Output matrix board product image

4 繼電器板卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

電力繼電器板卡是系統(tǒng)的最下層，通過(guò)接通、斷開(kāi)主回路(照明光源的火線)，來(lái)達(dá)到控制照明設(shè)備的目的。繼電器板卡由磁保持電力繼電器、防電流倒灌電路、外殼等組成。

目前在電力行業(yè)使用的繼電器主要是磁保持繼電器[12]，其切換電流大，通常在30～200A之間，且具備斷電保持功能，即使繼電器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，繼電器不因失電而影響工作狀態(tài)，仍然可以保持最后一個(gè)正常工作時(shí)刻的狀態(tài)。宏發(fā)HFE10電力磁保持繼電器，最大切換電流50A，觸點(diǎn)壽命10萬(wàn)次，具備手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，可滿足大功率照明場(chǎng)合使用。

繼電器板卡的其他部件主要有防電流倒灌二極管、續(xù)流二極管、LED指示燈、限流電阻、分壓電阻、主回路端壓敏電阻、RJ45 10P連接器等組成。照明光源的驅(qū)動(dòng)電路大多不是阻性負(fù)載，在斷開(kāi)回路時(shí)會(huì)出現(xiàn)浪涌電壓，其中壓敏電阻具有吸收照明回路浪涌電壓的作用，可以在一定程度上消除電弧對(duì)觸底的損耗，提高繼電器觸點(diǎn)使用壽命。

PCB設(shè)計(jì)上遵循小型化原則，可節(jié)約電柜安裝空間，原理圖見(jiàn)圖6，PCB見(jiàn)圖7，實(shí)物見(jiàn)圖8。

為方便電氣安裝，板卡使用72 mm標(biāo)準(zhǔn)PCB模塊安裝支架，為阻燃材料配備不同的底座可分別用于35 mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝或螺絲定位安裝。

圖6 繼電器板原理圖Fig.6 Relay board schematic diagram

圖7 繼電器板卡PCB圖Fig.7 Relay board PCB draft

圖8 繼電器板卡實(shí)物圖Fig.8 Relay board product image

5 應(yīng)用效果

為了保證電路模塊運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，安裝一臺(tái)適應(yīng)平臺(tái)用于測(cè)試照明回路的動(dòng)作結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用S7200-SMART SR40作為外部控制器，其輸出端子接到輸出矩陣板卡，然后接4個(gè)繼電器板卡。負(fù)載為1 kW假負(fù)載，驗(yàn)證測(cè)試負(fù)載狀態(tài)，測(cè)試流程見(jiàn)圖9。

圖9 測(cè)試流程圖Fig.9 Test flow chart

實(shí)驗(yàn)過(guò)程為PLC程序控制所有繼電器循環(huán)接通關(guān)閉，測(cè)試2 h，總共通斷7 680次，記錄有效次數(shù)，重復(fù)執(zhí)行20次測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Table 1 Result of test measurement

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在大量樣本測(cè)試下，系統(tǒng)的有效動(dòng)作成功率為100%，完全可滿足高可靠性、穩(wěn)定性照明使用需求。

6 總結(jié)

在節(jié)能降耗和智能控制的需求下，本文設(shè)計(jì)的用于智能照明控制的矩陣電路驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器的電路模塊，能以極高的穩(wěn)定性和可靠性完成照明電路控制。該模塊設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單，可小批量使用，也能量產(chǎn)大規(guī)模使用，可滿足32路容量照明電柜使用需求，配合外部控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)集中智能控制，是綜合穩(wěn)定性、可靠性、成本的最優(yōu)設(shè)計(jì)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。