基于DALI-BUS技術的起重機照明節能設計

劉 彬 曹逸榮 顧佳晨

1上海振華重工集團有限公司 上海 200125 2上海交通職業技術學院 上海 200314

0 引言

進入21世紀以來，在節能減排政策性導向指引下，越來越多的節能減排技術應用于港口行業，諸如船舶岸電技術、氫能源技術、供電系統的節能減排技術。其中，港區照明能耗控制的技術可行性更強，故可引入相關科學技術手段、合理控制照明能耗。

現階段港區照明的使用場景主要有：場地照明、作業區照明、設備行走照明，其中作業區照明燈具數量遠大于其他2類場景。作業區照明燈具又以投光燈為主要耗能單位，故有效降低港機設備上投光燈能耗即可實現港區照明能耗的下降。

目前較為普遍的降低投光燈能耗的技術手段是將傳統的鈉燈、金鹵燈變更為LED投光燈。雖然LED投光燈的初始成本通常高于傳統照明燈具，但節能和減少維護方面具有優勢。實際港區相關案例表明，LED投光燈節能可達55%～60%，而維護成本最多可下降90%左右，這也使得許多港口工程技術人員偏愛LED燈具。此外，與高壓氣體放電燈不同的是，LED照明技術往往一打開就處于全光照狀態。傳統的照明燈具則可能需要幾分鐘才能實現最大照度，此工況被動地讓操作員養成了不愛關燈的習慣，造成能源的浪費。然而，簡單地將高壓氣體放電燈變更為LED燈，仍舊無法完全滿足港區設備作業工況的復雜多樣性，存在一定能耗浪費的情況。因此，可利用DALI技術實現基于LED燈具的智能控制，進而實現能耗的進一步降低。

1 DALI數字協議概述

數字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）是一種數字照明控制的專用協議，該通訊協議遵循IEC 62386標準，允許設備之間進行雙向通信，因此，設備可報告故障、反饋設備狀態和其他信息的查詢。利用數字量信號實現對燈具電流的控制，從而實現燈具照度的控制。由于DALI數字通訊協議采用的數字量信號對燈具予以控制，故避免了主回路中動力線對信號控制線的干擾問題。從DALI基本特征上看，DALI數字接口還可下掛64盞燈具，并可實現每盞燈具的地址分配、參數設置。該特征有利于上位機對燈具的群控，照明區域的智能化、節能化調節。

圖1是DALI的系統框圖，清晰地展現了DALI系統采用了主從式的結構。DALI總線作為控制總線與燈具、傳感器、DALI網關相連接，實現了數據上的傳輸?？偩€上的所有燈具及傳感器都預設了地址，并且該地址是獨立唯一的。當系統運行時，PLC可通過DALI總線訪問各個燈具及傳感器的地址，實現對各個燈具及傳感器地址內參數的讀寫。目前DALI數字協議技術已在歐洲的燈具設計中廣泛使用。

圖1 DALI系統框圖

2 實例應用

以德國某港口的DALI系統硬件架構作為實例，描述其技術方案，在此基礎上闡述基于DALI技術方案的投光燈節能工況。

2.1 DALI在起重機上的硬件架構設計

DALI系統主要的硬件架構有4部分組成，分別是DALI網關、主PLC、具有DALI數字接口的投光燈、布線及電纜。

DALI網關選用IntesisBox的DALI to Modbus TCP & RTU網關模塊，該模塊供電電壓為24 VDC，其中Port A中的A3、A4與DALI總線相連。Port B中的EIA232通訊協議與EIA485（B1/B2/B3）作為DALI通訊協議備用接口留存。Ethernet Modbus Port接口用于與主PLC相連。

需注意網關模塊屬于IEC 62386-102中的控制裝置，要根據具體的適用場景來選配合適的網關（本文中的網關僅適用于DT0，DT1，DT6，如表1所示）。

表1 網關配置表

在投光燈的選用方面，需考慮的因素較多。為匹配DALI控制總線，使得投光燈套件必須配置DALI數字通訊接口。與此同時，為節約能源損耗仍舊選用LED燈。為節約電纜用量，投光燈套件選用單相230 VAC的供電電源。為方便維修更換，把驅動板以及供電設備配置獨立驅動接線盒。另外，依據標書要求色溫為4 000 K，配置10 kV浪涌保護?；谏鲜鲆?，最終選用Philips BVP515 LED1200/740 T25投光燈。此處需要特別注明，投光燈套件內的DALI數字接口、浪涌保護等器件全部放置于驅動接線盒內。驅動接線盒內具體的電纜接頭配置如圖2所示。圖中Mains為外部電源進線電纜，接至左側橙色端子。DALI為外部DALI控制總線，接至右側藍色端子。另有Connection Box為外部投光燈接線盒電纜，接至驅動接線盒右側NTC-1/-2/-3端子。NTC為熱敏電阻，當投光燈的工作溫度超出設定值時，通過DALI數字接口協議，將報警信號反饋至PLC。-1/-2/-3則是投光燈的燈模組的供電電源。

圖2 投光燈接線盒接線圖

電纜的配置應基于投光燈、DALI網關的技術參數進行選型。針對DALI網關需要配置24 VDC電源。DALI網關上的DALI控制總線應由控制電纜與各投光燈相連接，由于DALI總線傳輸數據包由19位組成，通訊速率1 200 bps；邏輯電平‘0’的電壓范圍為-6.6～6.5V、邏輯‘1’的電壓范圍為9.5～22.5V，這種寬電壓應用范圍使得DALI對線材的要求不高，因此，DALI線不要求使用雙絞線或專用電纜等專用的配線，但需確保總線上的最大電壓降不能超過2 V，最長的距離不超過300 m。DALI網關與PLC之間的通訊應為Ethernet網線連接，實現與主PLC之間的數據交互。針對投光燈則需要額外配置230 VAC電源。電纜的選用方面必須考慮項目所在地標準規范及準入機制。由于該項目地處德國，故所有選用的電纜必須擁有德國電氣工程師協會認證（DIN VDE）認證。

2.2 DALI協議的節能工況設計

DALI協議為每一盞投光燈配置了對應地址，因此DALI總線可實現對照明系統內任意一盞投光燈的控制，這也使得各個碼頭可根據自身的工況需求對投光燈進行動態設計。經多方討論，針對德國項目設置了單機下的投光燈節能控制、多機下的投光燈節能控制2種工況。

2.2.1 單機下的投光燈節能控制工況

當岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）在夜間作業時，傳統碼頭通常將所有的大梁投光燈打開，實現工作區域的照明。然而，當小車機構在海陸側來回移動的過程中，會遮擋大梁上的部分投光燈，必定出現無效照明。此外，當小車運行至裝卸集裝箱位置時，除了大梁投光燈提供工作區域照明之外，小車架投光燈一并提供工作區域照明，進而使得工作區域的照度急劇提升。然而工作區域的照度并非越高越好，尤其對于現場司機而言，不同年齡段、不同體質對光的適應性是不同的。年輕司機可能需要較強照度；年長司機可能更需要較弱照度，以減緩司機的眼部疲勞，提高工作效率?；谏鲜鰩c問題，單機下的投光燈節能控制采用了以下方案：

1）降低整體投光燈的照度 當岸橋控制未合時，利用DALI總線控制大梁上的投光燈，使之前大梁照度降低至正常照度的80%。小車架照度為正常照度的80%。

2）在PLC程序方面，利用小車絕對值編碼器的位置反饋，實現對大梁投光燈的照度控制。即當小車機構行駛至前大梁時，前大梁的投光燈照度整體下降至70%，小車架照度提升至90%，確保整體照度符合作業要求及技術規格書。另外，當小車機構行駛至后大梁時，前大梁投光燈照度恢復至正常照度的80%，而中后大梁的投光燈則降低至正常照度的70%，小車照度提升至90%，確保整體照度符合作業要求及技術規格書。以上工況的選擇，一方面可以避免當小車機構運行至岸橋海側面進行集裝箱的裝卸時，由于小車機構遮擋了大梁上的投光燈，導致小車機構下方照度降低的問題。另一方面也降低了由于小車機構前后運動導致的大梁上投光燈無效照明產生的能耗浪費。另外還提供了更清晰的作業環境。

3）為了設計更人性化的燈光控制系統，該項目在司機室內配置調光旋鈕及區域選擇開關。該旋鈕及選擇開關信號反饋至PLC。每位駕駛員可依據自身的身體條件選擇適應自身的照度。另外，德國是一個多雨雪的國家，常出現雨水或積雪覆蓋集裝箱上，導致雨雪在強光照射下產生反射眩光，使作業期間的操作員產生眼部不適。那么，可通過調光旋鈕的控制降低投光燈照度改善照明環境，以提高作業安全性、減少操作員的疲勞。

2.2.2 多機下的投光燈節能控制工況

當多臺岸橋同時在一個泊位對同一船舶進行集裝箱裝卸時，投光燈的照度必定產生疊加從而產生照度過高的情況。針對上述情況，可結合DALI總線技術予以解決。DALI總線收集每臺設備上的投光燈數據，并反饋至PLC，PLC將接收到數據反饋至碼頭終端控制平臺。與此同時，碼頭終端控制平臺持續接收各臺設備的大車位置信息。當終端控制平臺接收到多臺岸橋同時于同一泊位進行集裝箱裝卸時，根據前期照度計算模型發出相對應的指令至每臺岸橋，使每臺岸橋的大梁投光燈照度降低。該技術方案在降低能耗的同時，還可確保整體的作業區域照度滿足基本的標準閾值。當然要實現以上功能則需要碼頭搭建一個數據交互平臺，才能確保單臺設備的相關數據可以上傳至數據中心，并由終控基于數據對各設備發出指令進行控制。

2.3 單機下的投光燈節能能耗計算

以德國項目為例，其岸橋相關參數為：起重機軌距35 m，軌上起升高度49.5 m，前伸距71.6 m，后伸距33 m，滿載起升速度v滿載=80 m/min=1.33 m/s，滿載起升加/減速度a滿起=2 m/s2，起升空載速度v空載=180 m/min=3 m/s，空載起升加/減速度a空起=4 m/s2，小車運行速度v小車=240 m/min=4 m/s，小車運行加/減速度a小車=6 m/s2。

為準確估算投光燈節能能耗計算，需結合岸邊集裝箱起重機典型循環路線圖及速度與時間波形圖進行分析。以裝船作業模式為例，假設小車與起升機構非聯合操作，則在單程操作模式下，其循環路線圖如圖3所示；其起升/小車速度與時間波形圖如圖4所示。由圖3、圖4可知，在岸橋裝船過程中，涉及的工作循環如表2所示。

圖3 岸橋工作循環圖

圖4 速度時間波形圖

表2 作業過程表

為簡化計算，假設小車的平均運行距離L=60 m(即從中梁中點至前大梁中點之間的距離)，中梁中心點至絞點為15 m，前大梁中點至絞點為45 m，裝箱起升高度H=32 m，船上集裝箱放置位置為軌道面。

根據單機下的投光燈節能工況，投光燈能耗的節約主要由于小車海陸側位置的變化而產生的，因此需要計算在單個工作循環中，小車位置處于海側及陸側時間。依據岸橋裝船過程中的作業過程表（見表2），各時間段計算數據為

式中：tAB為起升滿載的情況下從A點起升至32 m處的B點所需時間。

式中：tBC陸側為小車機構從中梁中點移動至大梁絞點處所需的時間。

小車在海側的總時間為

小車在陸側的總時間為

式中：tCB陸側為小車機構從大梁絞點處向中梁中點移動至所需的時間，計算方法同tBC陸側，tCB陸側=3.367 s；tBA為空載情況下，從高度32 m處下降至抓箱位置，計算過程同tAB，tBA=11.41 s；tAA為對位鎖銷環節的時間，按經驗值tAA=15 s；tBC海側段為小車機構由絞點向海側中心點位置，計算過程同 tBC陸側，tBC海側段=11.582 s；tCD為滿載情況下，起升從H高度的C點下降至D點，計算過程同tAB，tCD=25.05 s；tDD為松開旋鎖的時間，按經驗值tDD=10；tDC為起升機構空載情況下，從D點上升至高度H的C點所需時間，計算過程同tAB，tDC=11.41 s；tCB海側為小車機構從大梁中心點位置至絞點所需時間，計算過程同 tBC海側，tCB海側=11.582 s。

基于標書要求，為達到對應照度要求，其投光燈配置位置、數量、功率如表3所示。

表3 投光燈配置表

在單個循環周期下，如果未使用DALI控制，那么單機投光燈總電功為

W1=∑PT=0.68

式中：ΣP為總功率，T為總時間。

如采用DALI控制，以大梁絞點作為分界點區分海陸側不同工況下的投光燈總電功為

式中：P海側狀態為海側處的投光燈總功率，t海側為小車在海側的總時間，P陸側狀態為陸側處的投光燈總功率，t陸側為小車在陸側的總時間。

上述計算清晰可見，在使用DALI控制的工況下，總電功節省約21%。

單機岸橋投光燈的開啟時間按照每天17:00～7:00計算，費用按1.025元/kW·h計算。1 a預計節約用電費用為22 257.7元。因此，從實際的計算結果上看，采用DALI控制方案，能耗與運營成本上降低明顯。

3 DALI協議的維護設計

從DALI總線的特性可知，當DALI總線上各設備正常運行時，其設備數據與PLC數據進行實時交互。

為了便于維修人員對投光燈等照明系統的維護及檢修，德國項目要求投光燈的照度數據、燈具編號數據、驅動單元故障信號加入至CMS，碼頭維修人員可通過CMS清晰地了解到整個照明系統的工作情況，而當某個燈或驅動單元出現故障時，也可以及時顯示故障，無需再花費大量時間排查具體的故障原因，節約了大量檢修時間。DALI系統是一個開放的控制系統，不同的生產廠家生產的鎮流器只需要滿足DALI協議即可互換使用，從而使購買備件更加靈活和高效，為維護保養提供便利。

4 總結

DALI系統通過兩線雙向串行數字通信協議最終將投光燈與主PLC連接起來，使岸橋照明系統不僅僅只有打開和關閉狀態，更可以滿足不同需求下的照明要求。從實際節能計算結果上分析，采用DALI技術在節能減排的效果上明顯，在岸橋的燈具改造上有著巨大市場潛力。