立足 PLC 的城市道路照明節能控制智能設計

王昌江　陳光耀

摘 要：隨著城市化建設的迅猛發展，城市公共照明系統的用電需求量不斷增大，所占城市用電總量的比例也在不斷增大。根據相關數據統計顯示，城市公共照明系統每年需要消耗我國總用電量的9%左右，在所有領域的照明用電量中排名第一。為了更好實現城市道路照明節能控制，結合PLC控制系統，探索城市道路照明節能控制措施，并進行智能設計就顯得極為重要。

關鍵詞：城市道路照明;節能控制;PLC

中圖分類號：TU113.666;TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）06-0101-03

0 引言

城市的良好建設與發展離不開道路照明技術的應用，目前我國大部分城市的道路照明燈的節能控制主要采用了以下三種設計方式：第一，時間控制方式。工作人員按照開關燈時間表通過手動的方式實現操作控制，這種控制方式必須要有工作人員時刻保持在崗狀態。第二，季節控制方式。已季節變化作為開關控制主要參照因素，不管天氣條件發生什么樣的變化，只能隨著季節變化進行控制，由技術人員照明燈的開關時間進行定期調整。第三，光照度控制方式。根據光照度差異變化進行敏銳的捕捉，實現對路燈開關的控制，但是這種節能效果并不理想，會造成夜間供電資源的極大浪費。

在當前綠色理念滲透的大背景下，城市道路照明技術也同樣需要注重低碳、節能理念的融合。立足于PLC的城市道路照明技能控制智能設計則能夠實現城市道路照明節能控制，能夠將智能控制理念與路燈照明需求相結合，實現路燈照明的節能管控與低碳效應。文章將運用PLC技術原理對城市路燈的節能控制進行創新優化設計，希望能夠為城市道路照明設施的節能改造提供一些有價值的參考和借鑒。

1 城市道路照明節能控制智能設計的意義

根據部分調查統計數據顯示，目前，我國城市道路照明燈具的總數量為400萬套左右，而非市政領域（高速公路、工礦企業、機場、碼頭等）所安裝配備的照明燈具共有100萬套左右，總量已經超過了500萬套，并且還數字正在以每年10%的速度快速增長。其中城市公共照明系統每年需要消耗我國總用電量的9%左右，每年的總用電量大約為439億kW·h，如果每千瓦時的電費價格按照0.65元的平均價格計算，一年就要花費285億元。與此同時，鈉燈是城市公共照明所選擇的主要燈具類型，該類型燈具的功率因數較低（0.4～0.5之間），這就占用了大量的無功功率，導致供電部門不得不增加供電設備的容量，從而對電力資源造成了極大的浪費，并且還讓政府在公共用電方面投入了較大的資金，而對城市道路照明采用節能控制智能設計，已經具備成熟的理論基礎，并且也已經具備了可實施的條件，可以有效的降低對電力資源的消耗量，從而有效促進公共用電社會效益和經濟效益的雙重提升[1]。

尤其在當前低碳、環保理念應用環境下，通過城市道路照明節能控制智能設計的開展，能夠將環保理念融入到路燈照明之中，能夠向人們無聲傳遞低碳價值觀，這都有助于我國環保型社會的構建，也能夠讓人們在身體力行過程中感受環保重要性，對于和諧社會的構建、健康生活理念的形成都具有重要作用和影響。

2 城市道路照明節能控制智能設計可行性依據

城市道路照明的節能化、智能化功能是城市基礎建設未來的發展方向，該項設計主要具有以下幾項可行性依據：

第一，在電力供電系統的工作運行當中，為了有效降低和控制供電中存在的線路損耗、用電高峰期末端電壓過低等問題，往往會采用較高的電壓輸送進行解決。而這種方式會導致路燈過大的功率消耗，尤其是進入夜間用電低峰期后，電網電壓依然保持在較高的狀態，多余的電壓會產生過大的發熱量，這樣一來，便會明顯縮短燈具的使用壽命，并且也會導致電費成本的明顯增加。

第二，不管是電網電壓的運行處于偏高或者偏低狀態，在加上電網不潔凈瞬變、諧波等因素的影響，不僅會造成電力資源的極大浪費，并且還會讓燈具的故障率得到明顯的提升，從而造成維護成本投入的明顯增加。

第三，從時間和人流量的統計理論知識看，當進入夜間后，來往車輛、行人數量減少時，對照明度方面的需求就會明顯下降，附近企業生產暫停、居民休息，用電量也會明顯減少，但是線路電壓卻依然處于較高的運行狀態，這會對燈具的照明啟動造成嚴重的損害。與此同時，路燈在高電壓狀態下的重啟會產生強烈的眩光，對人的視力健康造成一定的傷害，從而容易導致因人的視力猛然模糊不清導致的交通安全事故的發生。

第四，目前，大多數城市的路燈均選擇氣體放電類型的燈具，其中，以鈉燈的燈光最具穿透力，而這種類型的燈具由于具有獨特的物理特性，需要在較高的電壓條件下才能完成啟動，但是在啟動后便僅需要較低的電壓就可以正常照明，這種特性也為路燈的節能設計提供了可靠的理論依據。

3 立足PLC的城市道路照明節能控制智能設計方案

PLC的城市道路照明節能控制智能設計包括硬件設計、軟件設計、系統調試等多部分，做好每一環節設計，并將這幾部分設計融會貫通，才能真正實現道路照明節能控制智能設計方案的優化實行，才能保證城市道路照明節能控制智能設計的優化。

3.1 硬件設計

3.1.1 系統整體硬件結構的設計方案

基于PLC城市道路照明節能控制智能系統的內部結構只要由三部分組成，即上位機、集中控制器和單燈控制器。

該系統需要設置一臺計算機作為總控制器，通過對集中控制器發出控制指令實現對每盞LED路燈的控制。其中計算機與集中控制器之間以串口的方式實現雙向連接;集中控制器與單燈控制器運用PLC的通信方式實現雙向連接，這樣便可以將供電線與信號線進行有效的融合;在每一盞路燈上均設置單燈控制器，負責接收和傳輸來自于集中控制器的指令，從而對LED路燈的照明狀態進行實時有效的控制。

3.1.2 LED 路燈控制器結構設計

LED路燈控制器開發板可以進行靈活設計，但需要保證開發板為集中控制器模式，并能夠予以穩定運行，集中控制器模式下，LED驅動模塊未予以應用，處于空閑狀態，在單燈控制器模式下，串行口則處于空閑狀態。控制器以PLC為核心控制器，進行信號采集，并實時輸出控制信號，所采用的零配件為PLC芯片MI200E、LED驅動電路、HOLTEK單片機HT46RU232、電源轉換電路等，并組裝而成。其中PLC芯片主導信號傳輸，并將所獲取的信號傳遞至AC220V電力線，單片機獲取上位機通信信號，信號實現LED驅動電路的驅動，再通過電源轉換器對路燈進行控制，并為路燈予以供電[2]。

3.1.3 PLC 模塊設計

PLC模塊設計的主要由PLC芯片MI200E裝置組成。第一，此芯片為上海彌亞微公司自主研發而成，是國內唯一一款高集成數模混合通信芯片，使用該芯片能夠進行信息的同步傳輸，內部包括擴頻/解擴、高性能數字功率放大器、輸入信號整形放大、調制/解調、高性能帶通濾波器、市電檢測等功能，在路燈控制中更加能夠實現節能需要。外部采用SPI設計，能夠進行信號的有效傳遞，同時采用SOP24封裝，這也為MCU接口連接提供強有力幫助。第二，PLC模塊電路設計，保證PLC模塊設計能夠將PLC芯片的高集成性能包括其中，尤其引腳需要能夠與單片機相連接，即CS、RST、SDO、SDI、SCK，與低壓電力接口相連接部分包含6個引腳，即VAC-、RA+、PA、VAC+、RA-、PB，其中PA、PB則為信號引入輸出引腳，能夠與C9、L3、R12、D4、L4、T1、D3、C18形成信號發送電路。L4、C9則可以進行濾波處理，將信號輸出至耦合變壓器T1，并最終傳遞給220 V電力線路，通信任務則予以傳送完成[3]。

在此過程中，T1的作用不容忽視，主要有兩個方面，一方面能夠讓初級線圈和安規電容C18形成了高通濾波器，有效隔斷50 Hz交流工頻信號，芯片電路的運行則更為安全;另一方面則是次級線圈和外圍電路共同形成帶通濾波器，這樣可以支持調制信號的選擇與信號傳輸;D3、D4則能夠對信號變化幅度予以合理控制，保證電路在信號傳輸過程中得以作用的充分發揮。R12發揮的作用是，在C18斷電時給予有效的放電幫助，放電的整個過程則更為安全;PLC芯片MI200E在接收耦合電路過程中，能夠與發送電路共享T1等部分外圍電路，引腳RAI+、RAI-是模擬信號接收端的差分輸入引腳，C13、L2形成帶通濾波器，對送入MI200E所需的調制信號進行準確的選擇。VAC+、VAC-為 MI200E 過零檢測引腳，與光耦U3等器件形成過零檢測電路，負責對芯片內部電力線過零及負載特性進行檢測[4]。

3.2 軟件設計

在軟件設計方面，主要任務便是如何實現街道路面信息數據的采集與處理。由于系統采集的參數在量綱和數值方面存在著明顯的不同，因此當被測信號轉化為數字量后，還需要完成操作人員熟悉工程量的二次轉換，這便是標度變換。具體的控制測試中，存在著大量的現場干擾，導致采集的數據存在著一定的信號污染問題。針對該問題，可以按照數據受干擾的性質和后果為依據，采取軟件、硬件措施排除干擾。而采用軟件的方法則需要投入較低的成本，并且設計操作也較為簡單靈活。目前常見的軟件抗干擾方法主要包括：有效性檢查、數字濾波、數字調零和自動校正等。本設計的節能控制方案的軟件系統主要分為三個部分，分別為上位機軟件設計、集中控制器軟件設計、單燈控制器軟件設計。圖1分為上位機軟件界面圖和集中控制器和單燈控制器工作流程圖。

3.3 系統調試

在系統測試環節，選擇LED筒燈對LED路燈的受控、照明狀態進行模擬，使用一個集中控制器和3個單燈控制器進行測試。現將具體的測試方法和流程講解如下：

3.3.1 測試環境及條件

第一，測試環境。目前，電力環境對PLC通信系統的運行產生著較大的影響，如果處于較為復雜的電力環境，通信成功率必然會明顯的降低。考慮到該因素，此次測試，決定選擇簡單的電力線路完成。此次測試，是在室內條件下開展的，分別將集中控制器和單燈控制器連接到同一房間內的電源上，但是將其分別接入到不同的電源接口上。

第二，測試條件。主要準備以下硬件和軟件設備：電腦（帶有串口或 USB 接口）、AC220V電源接口、上位機軟件： Microsoft Visual C+ + 6.0。

3.3.2 測試方法及步驟

保證測試準確與有效，主要通過以下兩個步驟完成：

第一，準備工作，這主要是設計達到測試程度之后，將所有裝置模塊依照設計圖或者設計預案完成集中控制器和單燈控制器插接器件連接，集中控制器與安裝配置為串口連接方式，保證每個單燈控制器都能夠與路燈相連接，最后讓系統與AC220V電力環境相連接。

第二，連接完成之后，則可以通過按鍵操作、上位機操作等方式對路燈進行實施控制。上位機操作讓其他部分按鍵操作功能有所弱化，但是通過按鍵可以對路燈進行全開、全滅控制。給系統上電之后，打開上位機軟件，則可以通過軟件操作就電力系統予以全面管控，單燈控制上電后，則可以進行信號接收與傳遞，信號通信則能夠對路燈進行實時控制。

3.3.3 測試結果

通過測試結果看，上位機的操作模式能夠實現對LED筒燈運行狀態的實時準確控制。

4 結語

本文針對城市道路照明系統耗電量巨大的問題，運用PLC技術原理對城市道路照明節能控制系統進行了優化設計，通過實驗測試的結果看，能夠在光照度和時間協同作用條件下有效節省和降低照明燈的耗電量，該設計為城市道路照明系統的升級改造提供了一種可行方案。但是，此次研究依然存在者一些明顯的不足，例如，在夜間沒有車輛行人的場景下，路燈并不夠實現智能化的熄滅。這需要運用機器視覺技術進行的更加深入研究才能解決。

參考文獻

[1] 高益鋒.智慧城市道路照明系統關鍵技術研究與應用[J].電子世界，2020（14）：161-162.

[2] 卞和營，曹森鵬，常英麗，等.基于PLC的城市道路照明節能控制系統設計[J].平頂山學院學報，2018，33（5）：53-55+64.

[3] 景琳.LED路燈智能控制技術模式分析及應用[J].科技資訊，2017，15（20）：46-47.

[4] 蔣鈺.城市道路智能照明控制系統研究[D].成都：西南石油大學，2017.