電氣自動化技術在工業照明系統中的應用探討

張 翔

中國石化天津分公司 天津 300271

0 引 言

在工業領域中，早期主要使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和單片機來實現對生產設備的自動控制。隨著科學技術的快速發展，電氣控制已融合電子信息、互聯網、微電子等多領域的技術和產品。照明系統的優化是建設智能化工廠的一個重要組成部分，通過在工業照明系統中應用電氣自動化技術，控制電能消耗，對工區照明設備的整體亮度、照明時間等進行自動化調整，對室內燈具的顯色度、亮度、色溫進行自動控制，提升照明的工作水平和可靠性，實現節能降耗。

1 照明系統中電氣自動化技術的應用

1.1 紅外線與微波雙鑒探測技術

傳統的工廠照明控制一般采用手動開關控制，存在人員忘關燈、長亮燈的情況，即使采用定時照明控制的策略，也會存在無人在場時長亮燈的情況，從而導致電能白白損耗。將紅外線與微波雙鑒探測技術運用在燈具控制策略中，即采取人體熱釋電紅外加微波雙鑒感應、照度感應、定時控制、場景控制等方式，通過高精度運算放大器單元使感應器之間經485總線相互通信，配合微電腦數字濾波算法，以最大限度地檢測輕微的人體動作［1］。白天照度充足時，照明系統即使檢測到有人也不開燈。陰天或晚上照度較低時，任何一個感應器檢測到有人在場就自動開燈；當所有感應器都檢測到無人后，開始計時關燈。基于此，實現工廠照明系統全自動智能管理，從而最大限度地節約電能。

1.2 軟開關技術

軟開關技術實質是電力電子技術的一種應用。軟開關不存在實體觸點，而是一種開關過程，是虛擬性應用程序，其在照明工程中的應用能夠有效地節省電能消耗。軟開關與傳統的燈具“硬開關”相比存在明顯差異。軟開關中加入諧振設備對照明燈具的電流、電壓進行控制，開通前，電壓降到零；關斷前，電流先降到零，消除開關過程中電壓、電流的重疊，從而顯著減小甚至消除開關損耗［2］。

1.3 數字鎮流器技術

鎮流器主要是限流和產生瞬間高壓的設備。早期的照明燈具常用電感鎮流器，但是電感鎮流器存在能耗高、體積大、功率因數低、啟動性能差等缺點，已逐步被淘汰。目前應用廣泛的是電子鎮流器，通過電子元器件的設計，調整每個HID的輸出功率，將交流電的中頻轉換為高頻，進一步限制電流，具有節能降耗、低頻閃、發光穩定、噪聲低等優點。不過電子鎮流器在使用過程中容易出現諧波，多個電子鎮流器共同工作時，會互相發生干擾。因此，隨著電氣自動化技術的發展，數字鎮流器應運而生。

數字鎮流器內部采用數字式微控制單元（Micro-controller Unit，MCU）或數字信號處理器（Digital Signal Processing，DSP）作為控制核心，以高頻脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）驅動MOSFET，最終輸出交流方波點亮氣體放電。數字鎮流器能夠克服電子鎮流器的干擾問題，同時具有重量輕、體積小、能源效率高、便于擴展通信等明顯優勢［3］。不過數字鎮流器技術復雜，且成本較高，目前適用范圍還不夠廣，未來有望大規模投入使用。

1.4 物聯網技術

電氣自動化技術可以與物聯網技術相結合，構建照明系統物聯網，實現廠區照明和道路照明的實時監控和控制［4］。在廠區內通過傳感器、高清攝像頭等設備，采集控制系統所需要的畫面和信息，以5G網絡信號實時傳輸到控制終端，并根據現場變化作出判斷，提供最優照明策略。如廠區夜間進行緊急設備搶修工作，多名修理人員和管理人員在場，系統會自動對照明進行控制，并提供合適的光線角度和光源強度；如果是正常運行的裝置，或沒有人的道路，系統對攝像頭和傳感器傳輸的數據綜合判斷后，會合理調整或關閉照明方式，從而節約電能。

2 電氣自動化技術在照明系統中的應用效果

2.1 提升電網運行水平

夜間工廠照明系統負荷較大，在整體照明工程運行工作期間，變電站應用電氣自動化技術可以對負荷進行合理分配使用，確保無人工作場所照明及時關閉，在節約能耗的同時實現精準供電。電力調度中心運用智能控制系統對照明場景中的用電負荷進行全面調控，減少電網負擔，同時確保電網的穩定性與安全性［5］。

2.2 提升照明質量

照明設備普遍采用交流電源，在運行過程中會產生頻閃問題，不僅影響照明質量，還會對使用者的視力造成損傷。研究表明，在人腦所接受的所有信息中，視覺信息所占的比例高達80%以上。頻閃頻率為8.8 Hz時，人眼會明顯感到不適。因此，在較差的照明環境下工作時，舒適度和生產效率都會降低，還會導致各種失誤和事故。電氣自動化技術能夠針對照明需求來調整電源供電方式，以避免頻閃現象的發生，通過提升照明質量來改善工作環境，從而提高工作人員的工作效率。

2.3 提升照明系統可靠性

具備廠用變電站的工廠可以對變電站進行智能化改造，將變電站內的照明系統作為站內主網絡下的連接單元與主控制系統連接，通過數據和信息傳輸，實現對站內照明、風扇等設備進行監視和控制，照明子系統連接示意圖見圖1［6］。當照明線路損壞或照明燈具出現故障時，控制系統工作后臺會第一時間發出報警，在系統模擬圖上做出故障標記，使變電站管理人員能夠第一時間知曉，并精準找到故障位置。

圖1 照明子系統連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of lighting subsystem connection

在工業照明系統中，電氣自動化技術的應用可以實現燈光亮度調整、溫度監測及光線角度優化與調整，通過編程、調試和數據分析，利用強大的管理軟件，確保照明系統實現預期的運行效果，延長照明燈具的使用壽命，減少維修費用，降低維護成本，保證照明系統的穩定性和可靠性。

2.4 減少電能損耗

理想狀態下，照明系統的電能利用率為100%，實際應用中，影響照明系統電能利用率的主要原因是燈具的選擇，不同類型的燈具有不同特點，見表1［7］。

表1 照明工程中常見燈具的特點Tab.1 Characteristics of common luminaires in lighting engineering

在石油化工行業的裝置區中，燈具的選取應首先考慮防爆、防水、防塵和防腐等因素［8］，經分析比較后，一般常采用熒光燈和金屬鹵化物燈。LED燈作為新一代光源，具有體積小、質量輕、能耗少、壽命長等優點，與熒光燈和金屬鹵化物燈相比，光通量大，同等照明場所內所需光源數量較少，同時維護費用較低，全壽命周期的經濟分析更為合理，近幾年被越來越多地應用在石油化工裝置現場照明中［9］，見圖2。

圖2 石油化工行業常見的防爆LED燈Fig.2 Common explosion-proof LED in petrochemical industry

3 工業領域照明工程發展前景

要想在工業領域實現良好的照明效果，除了根據現場環境選擇合適的照明設施外，還要結合電氣自動化技術來選取合適的控制策略，如利用上文中提到的物聯網技術，依托可視化操作平臺，監控照明設備的參數，實現在統一的控制系統下對各個燈具進行自動控制。

3.1 光纖照明技術

隨著科學技術的發展與進步，光纖照明技術也越來越普及，光纖照明與傳統照明的本質區別在于光源和光輸出端點是分離的，這樣的好處是一臺光源發生器可以支持多點照明和裝置置于便于維護的地方，方便維修，節省維護成本。同時，光纖照明沒有傳統的照明燈具體積大、發熱、需要防火等缺點，照明光經過光纖過濾后，不導熱、不導電，安全可靠，更適用于石油化工、天然氣平臺、礦區等有爆炸性危險的特殊場所。

3.2 前后端系統改造

工業照明系統前端改造需要將電氣自動化技術融合于計算機和物聯網技術，以集成度高的微電子器件為前端傳感器、驅動器和調制解調器。當前，5G信號水平決定了數據傳輸的時效性，今后的發展趨勢是設計出更高效的前端感知設備。后端系統的改造可以依托云計算技術，利用分布式計算模型，采用挖掘算法進行分析，科學處理大數據，從而為工業照明控制提供可靠支持。

4 結 語

電氣自動化技術的有效應用在減少人為操作對照明過程影響的同時，對于提升照明系統的照明質量、穩定性和減少能源消耗具有重要意義。運用電氣自動化技術對照明系統完成前后端改造，優化控制程序和控制方式，可有效提升照明系統的智能化水平。因此，電氣自動化技術在照明工程中的應用是工業智能化進程的必然趨勢。