摘 要：燈具老練試驗(yàn)具有長(zhǎng)周期、恒源、恒溫、運(yùn)行狀態(tài)交替等技術(shù)要求，是公路交通機(jī)電照明產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個(gè)燈具性能檢驗(yàn)過(guò)程有著非常重要的作用。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)，研發(fā)一套能按照業(yè)務(wù)需求全天候穩(wěn)定運(yùn)行的智慧化燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警、數(shù)據(jù)集中、多終端監(jiān)測(cè)、應(yīng)用拓展等功能，為燈具老煉試驗(yàn)的安全性、可靠性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了支撐和保障，提高了試驗(yàn)效率。

關(guān)鍵詞：燈具老煉試驗(yàn)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧控制；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TN929.5；TP391.4

1 研發(fā)背景

為了提高LED燈具產(chǎn)品的可靠性和壽命，燈具出廠前一般需要對(duì)其進(jìn)行老煉測(cè)試，可將燈具的不良特性充分暴露出來(lái)，從而進(jìn)行返廠改進(jìn)升級(jí)，避免不合格產(chǎn)品應(yīng)用到工程中[1]。燈具老煉試驗(yàn)是燈具產(chǎn)品檢驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)階段該項(xiàng)試驗(yàn)還采用傳統(tǒng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，存在試驗(yàn)人員投入大、試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)控制方法單一等問(wèn)題，尤其是試驗(yàn)過(guò)程中仍存在較多的不可控因素：

1）試驗(yàn)過(guò)程中要保證環(huán)境濕度在（45±3）%、環(huán)境溫度在（25±3）℃，而整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間周期較長(zhǎng)，在室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保持恒定的溫濕度是必要的，但困難較大。

2）在現(xiàn)有的工作過(guò)程中，為確保試驗(yàn)條件在長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)過(guò)程中符合要求，需專人去觀測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件和試驗(yàn)進(jìn)度；而且在漫長(zhǎng)的試驗(yàn)過(guò)程中有很大一部分時(shí)間試驗(yàn)環(huán)境是處于無(wú)人監(jiān)控的狀態(tài)，因此，試驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程中耗費(fèi)大量人力且存在一定的安全隱患。

3）試驗(yàn)過(guò)程中不容許試驗(yàn)間斷，而現(xiàn)有的設(shè)備主要依靠市電進(jìn)行供電且有斷電的可能，因此，只采用單一的市電供電無(wú)法保證老煉試驗(yàn)的完整進(jìn)行。

為確保LED燈具老煉試驗(yàn)保質(zhì)保量地完成，迫切需要研發(fā)一套具備操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性、自動(dòng)化以及集成化程度高的智慧老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)，因此，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2 研發(fā)目的及意義

智慧化試驗(yàn)室是未來(lái)試驗(yàn)室發(fā)展的必然趨勢(shì)，運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析能力，試驗(yàn)室建筑及設(shè)施可以獲得全面感知能力和安全防護(hù)體系，并擁有極佳的視覺(jué)交互體驗(yàn)，讓試驗(yàn)室設(shè)施環(huán)境以及試驗(yàn)結(jié)果更直觀高效，因此，智慧化試驗(yàn)室的應(yīng)用研究是未來(lái)試驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域的重要研究方向。智慧燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研發(fā)能夠有力推動(dòng)智慧試驗(yàn)室的建設(shè)，借助飛速發(fā)展的現(xiàn)代化信息技術(shù)，提高試驗(yàn)效率和運(yùn)作安全性；同時(shí)解決了試驗(yàn)室日常運(yùn)行中試驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)復(fù)雜、各類試驗(yàn)的運(yùn)行狀態(tài)控制不及時(shí)等問(wèn)題，提高了試驗(yàn)室工作效率和管理水平，為試驗(yàn)檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

智慧燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)施可高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)出有質(zhì)量問(wèn)題的照明燈具，并可進(jìn)行燈具不良特性的總結(jié)分析，避免不合格產(chǎn)品應(yīng)用到工程中，促使燈具產(chǎn)品的可靠性和使用壽命進(jìn)一步提高。另外，本系統(tǒng)的研發(fā)不僅可以豐富試驗(yàn)室的功能、完善試驗(yàn)要求、提高試驗(yàn)精度，更重要的是依托該燈具老煉試驗(yàn)智慧控制系統(tǒng)，可建立信息化智慧試驗(yàn)室的雛形，為后期試驗(yàn)室的智慧化轉(zhuǎn)型提供創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于建立智慧化試驗(yàn)室具有重要借鑒意義。

3 系統(tǒng)主要組成及技術(shù)應(yīng)用

3.1 燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成及方法研究

3.1.1 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)由供配電系統(tǒng)、燈箱、智慧控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的組成如圖1所示。其中，供配電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)、不間斷電源、市電電網(wǎng)組成，因此產(chǎn)品不受外部環(huán)境條件的影響，可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行；智慧控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元（4G-DTU）、顯示屏、報(bào)警器和繼電器等組成，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的本地控制和遠(yuǎn)程控制，從而有效解決了現(xiàn)有裝置中出現(xiàn)的問(wèn)題和不足。

3.1.2 方法研究

燈具老煉試驗(yàn)規(guī)范要求為不間斷累計(jì)運(yùn)行1" 000" h，其間每點(diǎn)亮11.5 h之后熄滅0.5 h，以此循環(huán)。通過(guò)PLC輸出控制繼電器，進(jìn)而控制燈具亮滅。本地系統(tǒng)具有溫濕度采集、燈具信息添加、試驗(yàn)進(jìn)度記錄等功能。由于溫濕度為4～20 mA電流信號(hào)，故需要轉(zhuǎn)換，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓電流互感器為0～10 V電壓信號(hào)，故在采集器選型時(shí)選擇8路多樣采集器，而非PLC模擬量輸入模塊，同時(shí)，采集器有信號(hào)隔離功能，為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保障。燈具在開(kāi)始試驗(yàn)之前，必須把相關(guān)信息錄入本系統(tǒng)，包括樣品編號(hào)、燈具的規(guī)格型號(hào)等，之后選擇槽位上的燈具，啟動(dòng)試驗(yàn)。該過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄試驗(yàn)燈具的狀態(tài)和試驗(yàn)進(jìn)度，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行備份和處理，若發(fā)生緊急狀況，諸如燈具燒毀、系統(tǒng)故障、大規(guī)模停電等，云平臺(tái)將通過(guò)短信和公眾號(hào)提醒操作員及管理員。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在燈具老煉試驗(yàn)控制中的應(yīng)用

3.2.1 主控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

本系統(tǒng)采用S7-1200 PLC控制器為主控，擁有多種功能擴(kuò)展模塊，如數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、RS485通信模塊等，可按功能需求任意選配。針對(duì)工業(yè)設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)則通過(guò)循環(huán)掃描、集中采樣、集中輸出的方式，具有控制精度高、開(kāi)發(fā)難度低、兼容設(shè)備多、功能豐富等特點(diǎn)，并且有本地與云控制數(shù)據(jù)還可通過(guò)以太網(wǎng)連接或者外部訪問(wèn)協(xié)議（OPC-UA、MODBUS等）的方式向外傳輸[2]。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制燈箱內(nèi)部各路燈位輸出電壓、數(shù)據(jù)采集及上傳，4G-DTU模塊能夠?qū)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)接收終端即云平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端會(huì)接收并實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息化、自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)于建設(shè)智慧化實(shí)驗(yàn)室具有重要的意義。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，便于管理，以PLC控制器為中心節(jié)點(diǎn)的其他節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的工作。PLC同時(shí)兼有通信能力，負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至4G-DTU，傳輸協(xié)議為以太網(wǎng)，其兼容性大，信息承載量大，傳輸速度快。而4G-DTU負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的云平臺(tái)，由云服務(wù)器處理并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2.3 數(shù)據(jù)上云協(xié)議（MQTT）

MQTT是國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）推出的一個(gè)極其輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，構(gòu)建于傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）之上，提供有序、可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制[3-4]。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍性能低下，且網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量也不可靠，因此在設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下特性：

1）足夠輕量，方便嵌入式設(shè)備快速解析和響應(yīng)；

2）支持雙向通信，即服務(wù)器和客戶端之間可以相互收發(fā)消息；

3）由于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不穩(wěn)定，實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備也不適合持續(xù)等待服務(wù)器響應(yīng)，因此協(xié)議需要支持異步傳輸機(jī)制；

4）足夠靈活，支持設(shè)備和服務(wù)的多樣化。

本地設(shè)備安裝協(xié)議軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）或配置文件，通過(guò)訂閱主題消息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訂閱同一主題，即可接收本地設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，消息共享具有及時(shí)性。

3.3 燈箱設(shè)計(jì)及溫度控制方法研究

因試驗(yàn)須在無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行，同時(shí)溫度有著嚴(yán)格的要求，需滿足25±3℃，故此系統(tǒng)采用專業(yè)燈箱及冷卻方式。

3.3.1 燈箱設(shè)計(jì)

為滿足試驗(yàn)無(wú)對(duì)流風(fēng)、溫度、濕度的要求，特設(shè)計(jì)燈具的實(shí)驗(yàn)箱體，壁厚4 cm，雙夾層設(shè)計(jì)，內(nèi)部填充巖棉，在一定程度上保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。箱體實(shí)物圖如圖4所示。

3.3.2 溫度控制方法

為滿足溫度條件，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，系統(tǒng)采用液體冷卻方式。每個(gè)燈箱內(nèi)部均有換熱銅管，其重量較輕、導(dǎo)熱性好、低溫強(qiáng)度高，同時(shí)又比一般金屬易彎曲、易扭轉(zhuǎn)、不易裂縫、不易折斷，并具有一定的抗凍脹和抗沖擊能力。通過(guò)比例-積分-微分（PID）算法控制進(jìn)水流量，以此將燈箱內(nèi)部溫度精準(zhǔn)地控制在設(shè)定值范圍內(nèi)[5]。

在工業(yè)過(guò)程中，連續(xù)控制系統(tǒng)的理想PID控制規(guī)律為[6]：

式中：u（t）為控制器輸出的控制量（輸出）；

e（t）為偏差信號(hào)，是給定量與輸出量之差值（輸入）；

Kp 為比例系數(shù)（對(duì)應(yīng)參數(shù)P）；

Ti 為積分時(shí)間常數(shù)（對(duì)應(yīng)參數(shù)I）；

Td 為微分時(shí)間常數(shù)（對(duì)應(yīng)參數(shù)D）；

偏差e（t）由設(shè)定值r（t）和實(shí)際輸出值y（t）得出：

e（t）=r（t）-y（t）""""""""""""""""" （2）

PID的輸入?yún)?shù)為e（t），PID控制器的輸出參數(shù)和被控對(duì)象的輸入?yún)?shù)是u（t）。

3.4 燈具老煉試驗(yàn)監(jiān)控管理中心功能設(shè)置

中央級(jí)設(shè)置在線監(jiān)控中心，作為燈具老煉自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全和數(shù)據(jù)查看與控制為一體的終端，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、室內(nèi)狀況、燈具狀態(tài)、電壓電流、燈具信息及故障情況并進(jìn)行統(tǒng)一管理。監(jiān)控管理級(jí)在監(jiān)控中心配備有主機(jī)、操作員工作站，主機(jī)通過(guò)專用網(wǎng)卡與整個(gè)系統(tǒng)相連，并作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備保持通信，通過(guò)組態(tài)屏進(jìn)行相關(guān)燈具的數(shù)據(jù)輸入。同時(shí)，監(jiān)控中心可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞燈具信息和試驗(yàn)進(jìn)度等情況至移動(dòng)端和電腦端，方便試驗(yàn)人員掌握試驗(yàn)情況。在監(jiān)控中心設(shè)大屏幕或模擬顯示屏上，以圖形的方式直觀地顯示各區(qū)域的試驗(yàn)情況。

本地的顯示與控制采用昆侖通態(tài)觸摸屏，可在界面上添加新增燈具，連接燈具相關(guān)變量，做到動(dòng)畫(huà)效果和控制效果完美結(jié)合，本地顯示界面如圖5所示。遠(yuǎn)程控制中心是集數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、曲線分析、報(bào)警信息、燈具添加與刪除的綜合控制平臺(tái)，設(shè)備通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，采用web端展示，目前已經(jīng)完成控制中心的設(shè)計(jì)需求，后期將繼續(xù)優(yōu)化界面設(shè)計(jì)，做到交互的快速性和美觀性。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)界面分別如圖6、圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)時(shí)間繼電器控制的燈具老煉試驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用市電、不間斷電源與柴油發(fā)電機(jī)相結(jié)合的供電方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備全天候穩(wěn)定運(yùn)行，并通過(guò)PID溫度控制冷卻液體建立不受外部因素影響的恒定試驗(yàn)環(huán)境，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)更新速度快、監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的本地控制和遠(yuǎn)程控制，有效解決了現(xiàn)有設(shè)備中存在的問(wèn)題和不足。

基于物聯(lián)網(wǎng)的燈具老煉試驗(yàn)智慧控制系統(tǒng)能夠有效控制公路照明燈具產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品檢驗(yàn)?zāi)芎模诒ＷC完善試驗(yàn)要求的同時(shí)提高試驗(yàn)精度，有力推動(dòng)數(shù)字化、信息化、智能化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。同時(shí)，該自動(dòng)控制系統(tǒng)填補(bǔ)了以往公路照明燈具產(chǎn)品老煉試驗(yàn)自動(dòng)化、智能化控制的空白，很大程度地節(jié)省了人力、物力、電力，能夠更好地服務(wù)交通發(fā)展。

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