车间照明节能设计实例

摘 要:基于建筑照明设计标准,以触摸屏为核心,设计了一整套照明节能方案。该方案包含由LM3S8962处理器组成的模拟调光器、亮度感应器;由LM293比较器组成的继电器调光电路,以及变功率电感镇流器。方案实施后达到了照度目标和节能目标,在车间照明节能控制中有较高的应用价值。

关键词:车间;照明节能;LM3S8962;触摸屏;模拟调光器

中图分类号:TM923 文献标识码:B

Design Sample of Factory Lighting Power Saving

LUAN Xin-yuan

(Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Abstract: This paper provides the sample of factory lighting power saving design based on constructions lighting design standard. This solution include using LM3S8962 MCU as analog dimmer, light sensor, relays dimmer and adjustable inductance ballast. After used this solution, power saved and kept the original lighting level. this solution is worthy of using in smart lighting control.

Keywords: factory; lighting power saving; LM3S8962; touch panel; analog dimmer

1 车间概况及要求

车间为80×75m的矩形,为东西走向钢结构厂房,挂灯具悬高8m左右。东西两端为开放式现成办公室,自带工位照明。车间以节能灯装配,在线老化为主。另有燃气毛管烘烤线2条,其上方5m处温度有55℃(室温30℃)。现有的方案是使用400W高压钠灯90盏,这个钠灯功率因数只有0.5,其耗电量高达400×90/0.5=72kVA。另工位安装有日光灯照明,故作为辅助照明,查设计标准可知只需200 lx即可。

1.1照明要求

从概况可知,工厂车间灯具悬挂较高,故灯具要寿命长、少维护。生产线的特性要求显色性好,便于分清颜色,照度分布均匀度合理,眩光小,方便根据不同日照情况调节亮度。

1.2 安全要求

按《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)的相关条文,灯具三线单相供电,可靠接地,线粗至少2.5mm2。分支线路沿钢架穿管布线,主线走金属桥架布线。出口处设置应急灯,单独走消防线路。

2车间照明设计

按照《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)的要求逐步细化设计。

2.1光源选择

市面上电光源种类繁多,选择标准普遍遵循“三高”原则:高发光效率、高寿命、高显色性。

很明显,金卤灯符合"三高"标准,且适合大空间使用。我们再看看灯具特性,如表2所示。

可见金卤灯光效高、省电费、显色性好、物色不失真,分辨力高,与其它灯比较,在同等亮度时,可减少灯具数,寿命长,维护次数少,运行费低。高压钠灯色温2,000K,很黄,缺蓝绿辐射。

2.2布灯方案

照度计算公式E = (nφuk)/A,采用250W金卤灯的照度为90×21,500×0.8×0.7/(80×75)=206.4 lx。1行10个灯,共9行。每行独立控制亮度。由于点着大量节能灯在老化,实测台面照度在300 lx。

3控制系统设计

整个系统以触摸屏为核心,在触摸屏上有图形化人机界面,直观地控制灯具。每个模拟调光器有32位唯一地址,开机后触摸屏发送地址查询命令,模拟调光器将自己的地址发送给触摸屏,触摸屏存储地址并分配一个通道号给这个地址,亦可在触摸屏上手动分配,建立映射关系。控制系统采用CAN总线,CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线,具有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时,CAN-bus仍可提供高达5kbps的数据传输速率。CAN控制器具有硬件仲裁机制,并且根据报文的ID决定其发送的优先权,不用担心同时发送时像以太网系统会崩溃。 RS485和CAN都是目前应用最为广泛的现场总线,两者比较如表3所示。工厂车间灯光控制要求可靠性高,后期维护工作少,所以选择了CAN总线。模拟调光器收到调光命令后将转换成调光电压,灯具根据收到的电压值调节亮度。

3.1触摸屏模块

采用某公司8英寸触摸屏模块做二次开发,编写应用程序和人机界面。该屏是分辨率为800×600像素的TFT真彩屏,画面色彩丰富细腻。开发工具是大众化的Keil C,上手容易。

3.2模拟调光模块

核心采用TI的LM3S8962,该MCU是最新的ARM Cortex-M3内核。内存为256KB Flash,64KB SRAM。

● 16/32-bit RISC指令;

● 惊人的1.25 DMIPS/MHz,最高50MHz操作频率;

● 32-bit的实时时钟(RTC),万年历功能;

● 6路PWM,4个ADC,CAN控制器,10M/100M以太网,UART口,42个IO口。

速度很快的MCU,功能强大,价格却低廉,仍旧可使用大家熟悉的Keil开发平台,十分方便。

CAN接口芯片为TI的sn65hvd1050d,速度高达1Mbps,防错接电压从-27～40V不会损毁,瞬间可承受电压-200～200V,非常结实可靠的一颗芯片,为系统的高可靠性提供了保障。8962从CAN总线上收到属于自己的调光指令后,将亮度值送给相应的PWM通道,调节占空比,采用二次积分方式转换成电压值。PWM幅值为3.3V,积分电压最大只有3.3V。模拟调光电压范围为1～10V。用LM358同相放大3.1倍,可满足需要。输出端加13005可提高输出阻抗和高达2A的驱动电流。亮度感应器主电路和这个相同,在AD0口连接一个MG45光敏电阻,获取亮度值。

3.3灯具模块

灯具采用电子镇流器,效率高,相对而言电感型更可靠。表4所示为在烤箱中模拟环境点灯实验。

在环境温度较高的情况下,电子镇流器内部温度过高,直接影响电解电容寿命,进而影响整机可靠性。在车间有高温设备的情况下,选取电感镇流器比较耐用。变功率通过改变绕组即改变电感值的方式实现,电感出4个头,实现150W、200W、250W三段调光,如图4所示。

继电器切换电路如图5所示。1～10V输入用PC817光耦电气隔离,只需3段调光,可将10V分为1～3V、3.1～6V、6.1～10V三个区间。150W为开机状态,输入通过比较器LM293和3V、6V比较,切换相应继电器到200W和250W。 供电用viper12降压产生12V输出。

4触摸屏和调光器工作流程

4.1触摸屏工作流程

触摸屏程序设有总开、总关、全自动运行,每行灯单独调光以及场景模式。全自动即按照上班作息表和天气调节亮度,例如晴好天气上班时间灯开200W,吃饭时间关灯。天气不好,环境光暗,则上班时间灯开250W,吃饭时间150W且只亮一半灯。场景模式则按实际情景需要半自动设定亮度,例如点日光补偿模式关闭,直接点上班模式,则亮度一直最亮,点休息模式则最暗。

调光器主要做CAN通讯和PWM脉宽调制工作。初始化后等待主机发查询ID命令,收到后回复ID。主机然后依据ID发送状态查询命令和调光命令,程序采用接收完成产生中断方式处理数据。

CAN信息帧报文的数据格式:CAN标准信息帧为11个字节,包括两个部分:信息部分和数据部分。字节1为帧信息,其中FF位表示帧格式(标准帧FF = 1,扩展帧FF = 0)。这里采用标准帧,速度为1,200kbps。

PWM程序只需设置即可。

5结论

该车间通过本文提供的设计电路优化后,节电效果非常明显。变成250W后,通过智能控制系统日光补偿和休息节电可省电25%,现耗电250×90×0.75/0.85=19,853W,可节电72,000-19,853=52,147W,按12小时工作计,一年可节电22.8万度电。该方案技术上先进,成本适中,大力推广则可给企业带来良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 赵庆勇. 工业厂房的照明设计[J]. 电工电气,2010 No.5:58-59.

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[4] Robert Bosch GmbH. CAN Specification 2.0. 1991, 9.

[5] 中国建筑科学研究院. GB50034-2004建筑照明设计标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2004.

作者简介:栾新源(1979-),男,籍贯湖北,毕业于上海大学,硕士研究生,现就职于上海亚明灯泡厂,主要研究方向为智能照明、LED动态背光、灯光控制。E-mail:hddeepblue@21cn.com。

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