全光纖環網站坪照明系統在上海虹橋國際機場中的應用

張 偉

[上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

上海虹橋國際機場傳統站坪照明系統控制方式單一,采用本地時控器和手動相結合的定時回路開關控制,不能根據經緯度或節氣變化智能調整運行時間、不能實現單個照明的實時監測和故障報警、不能定制各種控制模式,缺乏大數據共享與分析的能力,不能遠程綜合分析多個站坪區域的照明系統的運行狀態[1]。

因此,對機場站坪照明進行網絡化智能改造,采用高可靠性的工業級標準產品設計標準,全程網絡采用全光纖以太網環網通信技術,實現遠程B/S架構監控管理。整個系統采用遠程集中管理、區域分布式環網控制模式,對高桿燈照明及機位牌和橋位牌等進行智能開關和運營狀態監控,并可根據不同要求和使用時間對照明系統的開閉控制進行分桿、分組、分區域等多種選擇,并可結合光照度、經緯度、節氣和全夜燈/半夜燈模式以達到按需照明和節能效果。同時系統軟件平臺設計和硬件架構充分考慮了易于擴展、可多客戶端監管的需求,并預留了OPC Server數據接口,可擴展接收航班等智能交互信息,自動開閉相關區域的站坪照明,從而實現機場站坪照明的自動化無人管理[2-3]。

1 站坪照明全網系統控制原理和架構

采用的智能照明控制系統融合了先進的智慧B/S軟件管理平臺、工業控制通信、能耗趨勢監測、照度智能感知、航班信息聯動等技術,整體系統基于TCP/IP以太網網絡協議的星型主干網+區域環網的通信架構,并通過單模光纖作為連接鏈路物理介質,可實現站坪照明控制系統平臺遠程對每個終端智能照明控制器的直接監控和信息交互,更易于高效、高速、高抗干擾性的管理維護[4-5]。

智能照明系統軟件管理平臺的拓撲結構屬于B/S瀏覽器/服務器模式控制系統,遠程服務器主機通過二層網管型核心交換機星型擴展出多個站坪區域控制子光纖環網,實現分布式管理,各控制子光纖環網配備可編程智能照明控制器和工業級環網光電交換機。遠程監控中心配備雙中心服務器互為備用,并通過智能服務器鏡像軟件和相關設備實現自動災備。另外站坪照明控制系統提供OPC Server數據接口,可與航班信息系統或機場傳統BA系統進行對接,實現提前智能化開關相應站坪的高桿燈、機位牌和橋位牌[6-7]。

站坪照明全網系統網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 站坪照明全網系統網絡拓撲圖

上海虹橋國際機場的站坪照明全網系統的應用控制架構由終端控制層、網絡通信層和系統管理層3部分架構而成[8-9]。

1.1 終端控制層

終端控制層由機場站坪配電間、變配電箱變、高桿燈配電亭等內安裝的智能照明控制器、智能電表、工業級環網光電交換機等實現精細到單桿高桿燈、單個機位牌和橋位牌的監控。并配備一對室外型照度傳感器作為互為備用、照度比對,智能照明控制器通過RS-485通信方式采集照度傳感器的照度值。

可根據站坪照明、機位牌、橋位牌控制要求進行分回路的控制,可進行半夜燈、全夜燈的節能控制模式。各個回路均能進行手動操作,開閉相關區域的照明燈具。并安裝智能電表,對電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等進行分析,將能量和異常信息反饋進入智慧B/S軟件管理平臺。

1.2 網絡通信層

網絡通信層是基于TCP/IP以太網網絡協議的星型主干網+區域環網的通信架構,并通過單模光纖作為連接鏈路物理介質。

虹橋T1和T2站坪共劃分為10大區域通過星型光纖網絡匯聚到遠程工業級網管型中心交換機,實現與系統管理層的系統服務器的數據交互。各大區域內智能照明控制器和工業級環網光電交換機通過單模光纖環網實現網絡級聯和監控,各個智能照明控制器相互獨立,單獨控制器損壞不影響該區域照明的控制。

1.3 系統管理層

系統管理層由工業級網管型中心交換機、配備鏡像軟件的雙系統服務器、監控電腦、智能照明系統軟件管理平臺、航班信息聯動等組成。T2航站樓主系統服務器和T1航站樓備份系統服務器同步對網絡通信層交互的數據進行分析處理和存儲等,并通過航班信息系統預留的系統接口和開放的通信協議,來實時讀取航班信息作為照明系統精準控制的組成部分。

根據站坪照明系統總體應用需求,工業級網管型中心交換機采用插拔式設計,可后期根據規模擴展添加配置,軟件平臺也充分考慮數據擴展和接口,系統整體容量大、可擴展性強、安全性能高,滿足機場站坪照明后期工程的系統擴容。

站坪照明全網系統的應用系統架構如圖2所示。

圖2 站坪照明全網系統的應用系統架構

2 站坪照明全網系統設計方案

2.1 虹橋國際機場站坪照明現狀

該項目的實施區域為上海虹橋國際機場T1飛行區東區站坪和T2飛行區西區站坪的高桿燈、機位牌和橋位牌,涵蓋T1的A樓近機位機坪、T1的B樓近機位機坪、T2的近機位機坪、2#遠機位機坪、維修機坪、貨運機坪、舊機位機坪等7個站坪區域。其原有站坪配電間、變配電箱變、高桿燈配電亭等照明控制柜控制方式單一,采用本地時控器和手動相結合的定時回路開關控制;不能根據經緯度或節氣變化智能調整運行時間,需定期人工調整時控器的開關燈時間實現基本的自動控制;不能實現單桿照明和單個機位牌、橋位牌的實時監測和故障報警,需每天定時人工目視巡檢;不能智能采集和分析電量數據,只配備普通型三相電表,通過人工定期抄表記錄進行統計;整體站坪照明控制處于手動或半自動控制狀態,維護工作量大、運營成本高。

2.2 系統改造設計方案

2.2.1 站坪照明系統設備改造設計

在遠程監控中心設置工業級網管型中心交換機、系統服務器、監控電腦,對虹橋國際機場T1和T2站坪管控的高桿燈、機位牌和橋位牌進行智能化改造,系統可實現照明狀態、能耗的采集,在線監測和趨勢分析,基于能耗模型控制等功能。系統采用多級別安全措施,軟件管理平臺和智能照明控制器并行控制照明開關。軟件管理平臺采用B/S架構,可通過Internet或者局域網隨時進行Web訪問,通過相應的安全機制授權,也可查看系統運行情況[10-11]。

對原有站坪配電間、變配電箱變、高桿燈配電亭等照明控制柜內的時控器和普通三相電表進行設備替換,安裝智能照明控制器、三相智能電表、工業級環網光電交換機等,實現精細到單回路照明的智能監控和整柜能耗的自動計量,并依據接觸器開閉觸點信號反饋和電流值分析失電和燈具損壞等異常情況。

在貨運機坪箱變外側固定安裝一對光照感知傳感器,照度比對精確感知室外光照的變化,將照度信息上傳到軟件平臺,作為站坪照明整體運營控制的重要模式之一。

2.2.2 智能照明監控平臺設計

針對虹橋國際機場站坪照明運營需求,開發設計了智慧B/S軟件管理平臺[12-13]。機場監控中心軟件管理平臺交互界面如圖3所示。

圖3 機場監控中心軟件管理平臺交互界面

(1) 實時監控。遠程二維圖形化實時監測高桿燈、機位牌、橋位牌的開關和異常等狀態,可切換成“手動控制”,對單個照明控制柜、區域站坪、整個站坪進行開關操作;或切換成“策略控制”,根據定制策略,自動控制站坪照明;或切換成“照度控制”,根據照度閾值自動控制站坪照明;或切換成“航班信息聯動控制”,根據航班信息自動控制站坪照明。

(2) 能耗分析。可實現對高桿燈、機坪區域、整個站坪的能耗計量和統計、分析、存儲,并可對能耗數據進行年、月、日的比對分析和追溯查詢、導出打印等。

(3) 故障檢測。對高桿燈、機位牌、橋位牌的開關錯誤和燈具破損等故障進行檢測和報警,系統可自動存儲故障,并提供歷史數據和修復數據的分類追溯查詢。

(4) 用戶管理。可添加、編輯、刪除管理用戶,設定用戶名和密碼。并對登錄狀態進行自動記錄,可管理、記錄和查詢歷史登錄人員情況。

(5) 策略控制。可對整體、分區、分組、分桿等進行照明開閉策略設置,按照經緯度和四季變化預設控制策略,策略控制按照需求最多可預設定制200條策略。

(6) 照度控制。實時采集一對照度傳感器的照度值和更新顯示,并計算平均值顯示。根據需求設定自動控制照度比較閾值,當平均值低于該設定閾值時開啟站坪照明。

3 虹橋國際機場站坪照明全網系統實施效果

3.1 安全靈活控制

基于B/S架構的站坪照明全網系統采用多級別安全措施,軟件管理平臺和終端智能照明控制器同步策略并行控制照明開關,軟件管理平臺癱瘓不影響終端照明的正常運行,且終端智能照明控制器相互獨立,任一臺損壞不影響區域其他控制器運行。整體系統具備響應速度快、安全等級高、抗干擾能力強等優點,確保機場站坪照明的亮燈率[14]。

站坪照明全網系統采用多層系統架構,由終端控制層、網絡通信層和系統管理層三部分構成,對虹橋機場站坪高桿燈、機位牌、橋位牌進行遠程可視化監控[15-16]。可根據運營需求切換成手動控制、節氣控制、光感控制、航班信息聯動控制等模式。

(1) 手動控制。對站坪各區域高桿燈、機位牌、橋位牌進行遠程人工開關或控制模式的切換,可整體、分區、分組、分桿、分回路手動開關,應用于燈具維修檢測、消防演習、節假日活動和特殊控制等情況。

(2) 節氣控制。根據虹橋機場經緯度和節氣變化情況對照明的控制需求定制一年自動開關運營策略,隨節氣的變化不斷自動調整開關運營時間。由軟件管理平臺自動監控虹橋機場站坪高桿燈、機位牌、橋位牌的開關、模式變化等。

(3) 光感控制。現場變配電箱變安裝一對室外光照度傳感器,可對機場光照變化進行探測,區分識別四季變化下的白晝和黑夜、惡劣天氣,并將照度值采集上傳到軟件管理平臺進行顯示和分析,作為站坪照明開關控制的判斷依據之一,進一步提升站坪照明全網系統的智能化和節能化。

(4) 航班信息聯動控制。系統可通過航班信息系統預留的系統接口和開放的通信協議,來實時讀取航班信息用于站坪照明系統實現控制功能。

對于進港航班,在進港前0.5 h提前開啟保障機位高桿燈;航班到達后,再預留0.5 h作為保障計劃和人員撤離的時間,高桿燈的啟停數量和照度需滿足標準。

對于離港航班,提前0.5 h開啟保障機位高桿燈,為保障車隊和人員提供充足的照度,航班離開保障機位0.5 h后,高桿燈的啟停數量和照度滿足局方標準即可。

對于實際航班信息采集方式、高桿燈管控模式、燈具開啟時間和數量,系統調試時應和機場人員配合,根據航班信息、照度測試數據等確定最終航班信息聯動管控方案。

3.2 照明數據監測

(1) 電量數據監測。可對虹橋機場站坪配電間、變配電箱變、高桿燈配電亭等照明控制柜的電量進行自動計量和數據采集上傳,包含電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素等參數。并通過智慧B/S軟件管理平臺對電量數據進行自動分析、處理和存儲,并提供圖形化的歷史數據、趨勢數據和對比數據,為完善站坪照明系統設計和運行策略提供依據。

(2) 照明狀態監測。智能照明控制器通過接觸器觸點信號反饋輸入獲取真實開關狀態,與上級控制命令進行對比判斷故障;通過采集電流值分析失電、燈具損壞等異常情況;通過通信數據交互分析網絡中斷等異常情況。智慧B/S軟件管理平臺定期采集機場站坪內高桿燈、機位牌、橋位牌的運營狀態和異常故障,并進行可視化顯示和及時預警,通過精準定位有效縮短了站坪照明的維修響應時間,提高了檢修效率,節省了人力和運營成本。

4 控制模式和節能分析

上海虹橋國際機場站坪照明可根據運營需求切換成手動控制、節氣控制、光感控制、航班信息聯動控制等模式,其中航班信息聯動控制為主運行模式,關聯性強、自動化程度高、節能效果好[17-18]。航班信息聯動控制設定如表1所示。

表1 航班信息聯動控制設定

根據表1,可計算出上海虹橋國際機場站坪照明改造后的節能率為20.83%,更換成LED燈具后節能率更高。

航班信息聯動控制系統可根據航班信息數據,提前設置關聯區域站坪照明的工作功率和運營時間段并進行自動調整控制,實現按需照明和精準化管理。并結合照度測試數據等,形成更具自適應的站坪照明控制方案,且系統控制過程中無需更改經驗參數,適用于各種機場和港口的高桿燈照明控制。

5 結 語

上海虹橋國際機場站坪照明全網系統的建設采用全光纖以太網環網架構方案和技術,并融合智慧B/S管理平臺、工業控制、能耗監測、照度智能感知、航班信息聯動等新型技術,提升虹橋機場站坪照明的信息化和自動化管理水平,大幅降低機場站坪照明的綜合運營和管理成本,實現較高的功能效益和經濟效益。