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浅谈隧道及道路照明智能控制方案

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(一)隧道和道路照明的特点与要求

  隧道和道路照明,尤其是高速公路隧道照明有如下显著特点与要求:

  灯具节点数量庞大一般为数千盏甚至上万盏;

  管理区域大,少则一公里,多则近百公里;

  施工安装和维护难度大,成本高;

  照明与行车安全相关,需要高可靠性和稳定性;

  需要集中控制。

  基于以上几点,隧道的业主和设计、运营、养护等单位都对照明提出了智能控制的需求。

  此外,伴随着科技的进步和发展,人们对控制系统也产生了新的性能期望和要求:

  能在电脑或电子设备上可视的、简单、快捷地控制所有照明灯具

  对隧道灯具,尤其是加强段照明的灯具实施按需调光,达到消除白洞、黑洞效应的目的,并且能够节能降耗。

  对道路灯具,按照灯具安装区域的经纬度,运算出天文时钟,自动的在日落时开灯,日出时关灯。按需调光,达到节能降耗的目的。

  能够迅速、实时地掌握所有灯具的工作状态,对异常状态及时报警,达到提高安全性,并且降低维护成本的目的。

  支持自动调光和时控调光、手动调光等多种控制模式。

  (二)隧道及道路照明常用智能控制方案介绍

  智能控制成为了隧道及道路照明的一项课题。近年来常用的智能控制方案有如下几种:

  1、回路控制(PWM或模拟信号)

  采用双绞线传递PWM信号,PWM接口的驱动按照PWM占空比调节输出电流达到调节亮度的目的。

  优点是PWM接口电源驱动价格较低,缺点是只能回路调光,不能单灯调光;没有数据通信不能掌控灯具状态;电源驱动没有智能保护机制;区域控制器的摆放位置受到限制,且数量需求较大;双绞线铺设工作量较大。

  2、Dali总线

  采用双绞线传递Dali信号,每个灯具上的Dali电源有独立的地址会对发给自己的命令做出调光、回传参数等响应。

  优点是Dali协议成熟可靠并且是公开的,缺点是Dali协议主要适合与几十盏灯的室内照明控制,用在几千盏灯具的隧道内会导致区域控制器的数量大大增加;通信速度很慢只有1.2Kbps,会导致控制命令的响应时间很长;接口电路只能采用模拟电路设计,没有成熟、可靠、低价的芯片支持;总线铺设工作量大。

3、RS485总线

  采用双绞线传递RS485信号,每个灯具上的电源驱动有独立的地址会对发给自己的命令做出调光、回传参数等响应。

  优点是RS485总线通信技术已使用30年,有丰富的、低价的、成熟可靠、多种性能规格的接口芯片;单根总线通信距离长,可达到1200米,因此可大大减少隧道现场使用的区域控制器数量;总线通信速率较高,一般为9.6Kbps~115.2Kbps,缺点是总线铺设工作量较大。

  4、电力载波(PLC)

  利用电力线传递数字信号,每个灯具上的电源驱动有独立的地址会对发给自己的命令做出调光、回传参数等响应。

  优点是不需要铺设控制线,缺点是目前常用的窄带PLC通信速率为5.4Kbps以下,速度较慢;电网噪声尤其是脉冲噪声对PLC干扰很大;PLC不能跨变压器实现,因此区域控制器的数量也不少。

  5、无线

  遵循IEEE802.15.4协议,利用无线射频传递数字信号,每个灯具上的电源驱动有独立的地址,会对发给自己的命令做出调光、回传参数等响应。

  优点是不需要铺设控制线;通信速率较高可达到250Kbps;区域控制器安装位置可随意指定,所需数量较少;缺点是区域控制器和电源驱动需安装一根天线。

  (三)智能控制通信协议的主要需求

  所有的智能控制方案都离不开通信协议的支持,控制系统中通信协议是所有功能的基石。但无论国外还是国内,目前在道路照明领域却并没有成熟、可靠、功能强大的主流通信协议。

  针对以上情况,鸣志于2010年开始拜访和调研相关的隧道照明设计单位、隧道照明维护保养单位、施工单位和主要灯具设计生产厂商。在整合了各家的需求后,我们针对隧道照明智能控制的通信协议,总结归纳出了一些主要需求:

  1、协议需兼容多种通信方式,包括总线通信,无线通信,电力载波通信等,以方便用户针对不同环境选择合适的通信载体。

  2、协议需支持尽可能多的地址分配,以减少现场集中控台的数量,达到降低施工难度和成本的目的。

  3、需支持单灯控制,达到针对不同类型、不同功能、不同厂商灯具可分别调光的功能。

  4、需支持组播调光,广播调光,达到灵活分组,迅速调光的功能

  5、需支持场景调光,达到根据外界环境参数自动调光功能

  6、需支持双向通信,查询每盏灯具电压,电流,温度等状态,并以此判断照明状况功能。

  7、需支持对通信链路监测和判断功能,以判断是否有节点不在控制区域内。

  8、协议需支持在线升级功能,最大程度的降低客户的后期维护、升级成本。

  9、协议需简单可靠,适合于低成本的硬件设计方案。

  针对以上研究和调研结果,结合鸣志在工业控制领域内的研发经验,我们在2011年受上海市建交委的委托,会同LED照明工作小组及其他单位意见,一起设计出了适合隧道照明领域的智能控制通信协议LCP-SH。

此协议为开放协议,经过两次上海建交委组织的专家评审会议审核,已成为上海地区的隧道照明控制系统的地方标准。

  3年来使用此控制协议的实际案例包括上海大连路隧道灯光改造工程,甬台温高速塘岭隧道灯光改造工程,广东省广珠西三期国家高速,上海申长路智能控制试点工程,忻州高速改造工程,银双隧道改造工程等项目。

  累计控制节点数量达到3万多盏,实施中包含了总线通信和无线通信两种方式。功能强大,效果稳定,取得了业主认可。

  (四)LCP-SH与其他现存灯光控制协议的对比

  (五)遵循LCP-SH协议的控制系统典型配置

  在隧道中,LCP-SH协议的控制系统典型配置如下图所示。控制中心的服务器和隧道现场的区域控制器通过以太网连接,由于隧道距离长,一般使用隧道内的光缆作为传输介质。

  区域控制器与智能驱动、单灯控制器、照度监测仪、车流检测仪等设备依靠RS485总线或者射频无线连接,传递数字信号,此信号遵循LCP-SH协议。

在道路照明中,LCP-SH协议的控制系统典型配置如下图所示。控制中心的服务器和道路现场的区域控制器通过无线运营商的数字通信服务连接;区域控制器与智能驱动、单灯控制器、照度监测仪、车流检测仪等设备依靠射频信号或者PLC通信连接,传递数字信号,此信号遵循LCP-SH协议。此配置可以大大减少道路控制系统的电缆铺设成本和施工周期,降低施工难度。

  控制软件和数据库安装在服务器上,用户可使用电脑或手持终端通过以太网登录到服务器上,通过对服务器上软件的操作,可视化、简单、迅速的完成对道路上所有灯具的监控和管理。


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智能路灯监控终端又称作智能路灯控制器、路灯三遥监控终端等,是开开物联自主研发生产的新一代智能照明监控终端,集手动控制、自动控制、定时控制、遥控、遥信、遥测、无线远程通信等功能于一身。智能路灯监控终端采用主控终端+九路电流电压采集终端通过RS485接口手拉手组合而成,支持测量9路电流、9路电压、有功功率、无功功率、功率因数,总电能及单相电能。
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