陳紹勇，王 波，彭俊先

（貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司東風發(fā)電廠，貴州省清鎮(zhèn)市 551408）

0 引言

地下廠房照明系統(tǒng)主要是為生產人員服務，隨著現(xiàn)場生產人員不斷精簡，導致原24h值守模式的廠房變成無人值守，“長亮燈”模式的照明系統(tǒng)就顯得太浪費，無法達到智能化（數(shù)字化）電廠建設的基本要求。因此，照明系統(tǒng)的改變將顯得至關重要，而實時監(jiān)測與統(tǒng)計區(qū)域人流、車流出入數(shù)據(jù)，精準控制照明系統(tǒng)則是實現(xiàn)這一目標重要的技術手段。節(jié)能減排一直都是每個企業(yè)的大問題，為此，在現(xiàn)有水電廠照明系統(tǒng)的基礎上，針對區(qū)域人流、車流出入數(shù)據(jù)的研究與分析，設計一套結構簡單、操作方便，能夠根據(jù)照明區(qū)域內的實際情況智能控制照明設備的開關的控制系統(tǒng)，以及使用該控制系統(tǒng)來對照明區(qū)域進行智能照明控制的方法，在電廠無人值班模式下節(jié)能、智能化建設等方面有著非常重大的意義。

1 基于區(qū)域編碼智能判斷的節(jié)能照明系統(tǒng)的總體思路

目前國外最出名的智能照明專家有飛利浦照明、iisfree等公司，它們都是全球照明引領企業(yè)，業(yè)務涵蓋整個全球，但是它們的照明系統(tǒng)昂貴、復雜且不經濟實用。國內外大多數(shù)照明系統(tǒng)，照明時間均是24h“長亮燈”模式設置，部分企業(yè)只是在燈具、照明亮度、控制方式、情景模式等方面做了智能控制，個別單位“依據(jù)熱釋電探測原理，采用主動、被動探測器相結合的探測方式，以人體信息和自然光作為照明燈亮滅的依據(jù)，由單片機統(tǒng)一采光、采樣、分區(qū)和延時，對移動和靜止的人體紅外信號進行探測”［1］，實現(xiàn)照明系統(tǒng)計算機監(jiān)控的網(wǎng)絡化。貴州馬馬崖發(fā)電廠的智能照明系統(tǒng)，只是從燈具、集中控制方式方面進行控制，主要“通過基于Web平臺的各類應用開發(fā)，讓全體員工可以通過手機、電腦等各類客戶端，向系統(tǒng)反饋照明控制、節(jié)能效果，并且反饋意見將被切實納入到系統(tǒng)控制策略的調整中”，但照明模式依舊是24h“長亮燈”模式；還有貴州大力礦物公司采用思路也是從燈具方面實現(xiàn)智能，未能實現(xiàn)集中管理等。為此，東風發(fā)電廠通過以下幾個方面進行智能照明系統(tǒng)的研究。

（1）結合“遠程集控，少人值守”生產模式，利用現(xiàn)代科技技術，創(chuàng)建基于區(qū)域編碼智能判斷的節(jié)能照明系統(tǒng)理念及構架，其中包括系統(tǒng)體系結構、硬件及軟件平臺、智能元件選擇及安裝方式等問題的研究與確定。

（2）通過系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域編碼的設計、移動物體進出智能判斷、“歸零”原理、容錯機制、闖入智能防控、多出入口同時進出智能判斷及精準的電量計算等功能的設計實現(xiàn)。

（3）通過該系統(tǒng)改變照明模式，節(jié)約電量，實現(xiàn)“人走燈滅，節(jié)能減耗”的目的。

前兩個方面是本項目研究的主要問題，后者是項目要實現(xiàn)的目標，他們相輔相成，共同構成了基于區(qū)域編碼智能判斷的節(jié)能照明系統(tǒng)整體框架。

2 智能照明控制系統(tǒng)及智能照明控制方法的研究

智能照明控制系統(tǒng)包括處理器、照明區(qū)域的照明設備、用于驅動照明設備開關且與處理器電性連接的驅動電路以及用于采集進出照明區(qū)域人數(shù)且與處理器電性連接的信息采集器。在國內外無明顯相同參照系統(tǒng)的背景下，本文將通過區(qū)域編碼設計、進出智能判斷容錯機制建立、“歸零”原理及聯(lián)動報警研發(fā)，形成一套基于區(qū)域編碼智能判斷的節(jié)能照明系統(tǒng)，控制原理圖如圖1所示。

2.1 區(qū)域編碼設計

進行科學區(qū)域編碼設計，讓系統(tǒng)能智能識別及區(qū)分每個區(qū)域，確保數(shù)據(jù)的正確性。如圖2所示，編碼A、B、C、D分別是區(qū)域的四個進出口。編碼01、02、03、04、11、12、13、14分別是A、B、C、D進出口處的監(jiān)測元件代碼。

圖1 控制原理設計圖Figure 1 Control principle design drawing

區(qū)域編碼流程圖設計（以A、C進出口為例）：通過圖3所示的流程圖可知，每個進出口數(shù)據(jù)存儲至獨立單元，相互不受影響，并且進用+1表示，出用-1代表，而數(shù)據(jù)單元存儲進出綜合數(shù)據(jù)。

2.2 移動物體進出智能判斷研究

系統(tǒng)通過在每個照明區(qū)域進出口各安裝兩對光柵傳感器判斷移動物體進出方向。系統(tǒng)在每個照明區(qū)域進出口各安裝兩對光柵傳感器，通過采集其動作順序先后判斷移動物體進出方向，實現(xiàn)移動物體流向智能識別，從而統(tǒng)計進出物體數(shù)量，為“歸零”原理提供精確數(shù)據(jù)。

圖3 區(qū)域編碼流程圖Figure 3 Area coding flow chart

2.2.1 移動物體進出區(qū)移動物體進出智能判斷技術流程設計

假設Ai為第i次進出區(qū)域A進出口存儲單元，Bj為第j次進出區(qū)域進出口區(qū)域存儲單元，Ck為第k次進出區(qū)域C進出口區(qū)域存儲單元，Dl則為第l次進出區(qū)域D進出口區(qū)域存儲單元。那么就會如下判斷：

程序判斷第i次當02至01，則Ai=+1，A進入口為進入?yún)^(qū)域。相反，01至02，則Ai=-1，A進入口為離開區(qū)域。

程序判斷第j次當04至03，則Bj=+1，B進入口為進入?yún)^(qū)域。相反，03至04，則Bj=-1，B進入口為離開區(qū)域。

程序判斷第k次當12至11，則Ck=+1，C進入口為進入?yún)^(qū)域。相反，11至12，則Ck=-1，C進入口為離開區(qū)域。

程序判斷第l次當14至13，則Dl=+1，D進入口為進入?yún)^(qū)域。相反，13至14，則Dl=-1，D進入口為離開區(qū)域。

2.2.2 兩個傳感器安裝距離的確定

如圖2區(qū)域平面所示，要實現(xiàn)移動物體進出智能判斷，必須在每個進出口安裝兩個傳感器，通過判斷先后動作順序智能實現(xiàn)移動物體進出方向確認。但是兩個傳感器安裝距離沒有任何國家、行業(yè)標準和制度可查，因此在同一個出入口分別安裝距離5、8、10、12、15m共5對傳感器進行測試，產生容錯條件和誤報次數(shù)為依據(jù)進行研究分析。

通過表1、圖4可知，安裝距離為10m的傳感器計算更精確，容錯條件和誤報次數(shù)最少。

表1 安裝距離誤報統(tǒng)計表Table 1 Installation distance error report statistical table

圖4 安裝距離誤報統(tǒng)計圖Figure 4 Installation distance error statistics chart

2.2.3 多出入口同時進出智能判斷

每個區(qū)域都有一個或更多出入口特性，一旦發(fā)生多個出入口同時進入或離開，一般系統(tǒng)就會出現(xiàn)判斷錯誤或失靈狀況，但是這套系統(tǒng)的控制中心會通過識別出入口區(qū)域編碼信息，利用進/出區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計單元進行計算統(tǒng)計，相互之間不受影響。

2.3 “歸零”原理

系統(tǒng)PLC控制中心利用編碼技術對區(qū)域多出入口同時進出智能計數(shù)與識別，將相應信號存入各自獨立數(shù)據(jù)單元，對進、出區(qū)域的數(shù)據(jù)統(tǒng)計單元進行實時數(shù)據(jù)比較，并采用容錯方法對無法進行準確判斷進出的異常信號及時清除，確保數(shù)據(jù)的可靠性，若兩個數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)不一致，則開啟照明，若相等則作“歸零”處理，同時清除數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)，關閉相關區(qū)域照明。

“歸零”原理的設計，即當進區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計單元與出區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計單元數(shù)據(jù)相等，那么結論單元就歸零，通過該邏輯原理，有效地實現(xiàn)照明系統(tǒng)的控制輸出。

具體控制流程圖如圖5所示。

圖5 歸零原理流程圖Figure 5 The principle of “zero” flow chart

2.4 容錯機制技術流程設計

容錯機制將無法進行準確判斷進出的異常信號及時清除，保證正常進出區(qū)域物體計數(shù)的精確性。系統(tǒng)實時監(jiān)測與計算進出口存儲單元數(shù)據(jù)，當兩者數(shù)據(jù)不一致累計時間達到10min且未監(jiān)測到任何進出口有傳感器動作信號時，系統(tǒng)會進行一次“歸零”處理，清除所有的存儲單元，關閉照明系統(tǒng)，大大降低了照明電量。

容錯機制技術流程設計。本方案中設計當區(qū)域進出口兩對光柵紅外線傳感器只有其中一對動作時，判斷物體未進出該區(qū)域，延時5s后清除此動作信號，防止物體正常進出區(qū)域計數(shù)錯誤。同時系統(tǒng)實時監(jiān)測與計算進出口存儲單元數(shù)據(jù)，當兩者數(shù)據(jù)不一致累計時間達到10min且未監(jiān)測到任何進出口有傳感器動作信號時，系統(tǒng)會進行一次“歸零”處理，清除所有的存儲單元，關閉照明系統(tǒng)，大大降低了照明電量。通過流程圖6可知，容錯機制條件可以無限地在運行過程中，通過出現(xiàn)問題進行不斷完善，若系統(tǒng)滿足容錯機制條件，則清除數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)，并且關閉照明。

2.5 非法闖入智能報警實現(xiàn)

非法闖入智能報警功能的實現(xiàn)及聯(lián)動方式。非法闖入智能報警，是結合門禁系統(tǒng)信息聯(lián)動判斷機制，在區(qū)域判斷有物體進出照明區(qū)域，而門禁系統(tǒng)未接收到開門請求相關信息，判斷此物體為非法闖入該區(qū)域，即聯(lián)動報警系統(tǒng)，啟動非法闖入智能報警。流程圖如圖7所示。

圖7 聯(lián)動非法報警流程圖Figure 7 Linkage illegal alarm flow chart

2.6 基于區(qū)域智能照明控制研究與設計

通過投資、技術要求、人員能力等多方面考慮，選用了以紅外傳感器為檢測元件、PLC控制核心的智能系統(tǒng)，智能照明系統(tǒng)控制電路如圖8所示。

2.7 精準的電量計算

照明系統(tǒng)控制中心在軟件里通過設計的計算方法，一旦區(qū)域發(fā)生照明開啟現(xiàn)象，那么通過測量的該區(qū)域的電流值與時間，計算出該區(qū)域在照明時段發(fā)生的電量多少，并將其存取單次計量單元內，然后將其存儲在日計量單元內，日計量單元再累加送至月計量單元，月計量單元累加送至年計量單元……通過如此累加計算，那么就可以精確計算出每個區(qū)域，每刻、每日、每月、每年發(fā)生電量多少，通過與往年的比較，就能計算出具體節(jié)省的電量。計算公式如式（1）所示［2］：

式中Wd——日電量；

U——額定電壓；

I——線路實測電流；

Ti—— 發(fā)生的照明時間的時段統(tǒng)計，對其進求合，可以得到每日產生的電量，以此類推：

月電量見式（2）：

年電量見式（3）：

圖8 智能照明系統(tǒng)控制電路圖Figure 8 Intelligent lighting system control circuit diagram

將這些計算公式應用與程序設計中，即可實現(xiàn)精確的電量統(tǒng)計。

3 應用推廣前景

基于區(qū)域編碼智能判斷的節(jié)能照明系統(tǒng)首先應用于東風發(fā)電廠生產現(xiàn)場輔交通洞，現(xiàn)已在東風發(fā)電廠生產現(xiàn)場其他照明區(qū)域進行推廣應用，此照明系統(tǒng)從根本上很明顯地降低了東風發(fā)電廠、烏江公司以及集團公司的資金成本，實現(xiàn)了“節(jié)能減耗”的目的。

東風發(fā)電廠原地下廠房照明系統(tǒng)有大約7000盞燈，每盞燈按100W計算，在“長亮燈”工作模式情況下，發(fā)生的日電量為1.68萬kW·h、年電量為613.2萬kW·h，項目實施后，結合該廠的“遠程集控，少人維護”值班模式，每盞燈每天亮的平均時間按1h統(tǒng)計，按照這個值進行計算，發(fā)生的日電量為700kW·h、年電量為25.6萬kW·h，相比之下每年可節(jié)約電量587.6萬kW·h，轉為化經濟效益即每年節(jié)約293.8萬元（每kW·h電按0.5元計算）［4］，產生的經濟效益的有關說明及各欄目的計算依據(jù)見式（4）、式（5）［3］：

式中W——總電量；

P——單個燈具額定功率；

t——照明時間；

N——燈具數(shù)量。

式中M——總電量錢；

J——每kW·h電單價。

按此計算，如果將該項目在公司內部水電廠推廣，烏江公司水電廠總共有9個水電廠，都按保守的燈總數(shù)進行計算，那么就是293.8×9=2644.2萬元，以此類推整個集團公司，就會發(fā)生更加客觀的經濟效益。

除此之外，原照明系統(tǒng)燈具工作時間長、易壞、更換頻率高，該技術應用后將大大降低了燈具工作時間，提高了其壽命，降低了維護成本。

4 結束語

為了實現(xiàn)“人走燈滅，節(jié)能減耗”的綠色環(huán)保照明理念，提出了“基于照明區(qū)域編碼設計的節(jié)能照明系統(tǒng)”“基于光柵傳感器判斷移動物體進出方向的照明系統(tǒng)”設計方法和移動智能識別、區(qū)域數(shù)據(jù)“歸零”及異常信號容錯等技術。經實際應用，節(jié)能效果明顯，同時降低了維修、維護成本，為水電廠照明系統(tǒng)模式開辟出一條嶄新的研究道路，可供其他電廠借鑒和參考，對類似多出入口區(qū)域照明系統(tǒng)應用具有推廣意義。