宋祥吉 焦 松 孫慧利 蔡黃河 余珍勝

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530

0 引言

隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、 智能裝備等信息的愈發(fā)成熟，為我國各大港口向智能化方向轉(zhuǎn)型提供了重要的技術(shù)支撐。智慧港口的建設(shè)是增強(qiáng)港口綜合競爭力的重要手段，智慧港口已成為我國未來智慧交通樞紐的主要發(fā)展方向。中國港口在世界港口中已經(jīng)占據(jù)了重要地位，集裝箱吞吐量已連續(xù)多年位居世界前列，成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量大、增長速度快的國家。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，節(jié)能減排、提升效率成為中國乃至全球的迫切要求。

與城市智慧照明不同，港口智慧照明系統(tǒng)是與港口安全、高效的作業(yè)息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著港口自動(dòng)化進(jìn)程的加快，港口照明設(shè)施的需求量日益增大。目前，碼頭港口的照明控制范圍廣，照明設(shè)施數(shù)量大，分布點(diǎn)多，在對每個(gè)時(shí)間控制器或強(qiáng)電開關(guān)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，由路程遠(yuǎn)、調(diào)整時(shí)間長等因素而造成效率低，人工和車輛需求大。進(jìn)而，依靠人力巡視檢查照明設(shè)備的使用狀態(tài)，受環(huán)境因素及觀察角度的限制，漏檢率和誤判率高，不能保證照明設(shè)備處于最佳使用及維護(hù)狀態(tài)。

現(xiàn)場的大功率燈具工作電壓高，長時(shí)間開啟會(huì)縮短燈具的壽命，造成能源浪費(fèi)，而頻繁地更換昂貴的燈具會(huì)增加照明系統(tǒng)的運(yùn)維費(fèi)用。由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，若要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場照明的多點(diǎn)控制，布線距離長且難度很大。在能源日益短缺，溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，國家和地方政府大力號(hào)召節(jié)能減排、綠色照明的情況下，能有效地控制能源消耗，提高燈具壽命，降低維護(hù)和管理成本，是現(xiàn)代效能型社會(huì)建設(shè)的目標(biāo)，也是港口碼頭智慧化建設(shè)的必然趨勢。當(dāng)前，我國許多港口紛紛開始建設(shè)智慧港口，通過信息通信技術(shù)和智慧港口的建設(shè)提高作業(yè)效率，提升作業(yè)安全，提高企業(yè)效益，使港口變得更加智能。作為智能型基礎(chǔ)設(shè)施，智慧照明[2]是智慧港口建設(shè)中重要的組成部分。

1 智慧照明系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet Of Things，NB-IOT）是IOT 領(lǐng)域的一個(gè)新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，亦稱為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IOT 技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1 所示，目前的NB-IOT 技術(shù)已具備待機(jī)時(shí)間長、網(wǎng)絡(luò)高效連接等性能；NB-IOT 設(shè)備電池壽命可提高至10 a 以上，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。

圖1 NB-IOT 發(fā)展歷程示意圖

1.2 NB-IOT 產(chǎn)品特點(diǎn)

NB-IOT 是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 KHz 的帶寬，可直接部署于GS 米網(wǎng)絡(luò)、 U 米TS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，以便降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IOT 聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，全球主要頻段為900 m，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，NB-IOT 技術(shù)特點(diǎn)對比分析如圖2 所示。

圖2 NB-IOT 技術(shù)特點(diǎn)對比分析

1.3 智能調(diào)光技術(shù)

智慧照明需要對光線進(jìn)行自動(dòng)檢測，在檢測光線不足時(shí)補(bǔ)充電能光，光線充足時(shí)關(guān)閉電能光，以此實(shí)現(xiàn)對能源節(jié)約。為了能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制，需根據(jù)照明系統(tǒng)的實(shí)際工況與功能，采用PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的智能調(diào)光控制。

2 智慧照明系統(tǒng)構(gòu)成

智慧照明系統(tǒng)主要針對智慧港口碼頭自動(dòng)化岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。智慧照明系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程測控終端、 無線通信終端、監(jiān)控中心、監(jiān)控管理軟件等構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的監(jiān)控、控制和管理，還可方便與其他系統(tǒng)互聯(lián)，便于擴(kuò)展，比如手機(jī)APP 等。

2.1 遠(yuǎn)程控制終端

遠(yuǎn)程控制終端設(shè)計(jì)及選型除了滿足智慧照明監(jiān)控的需要外，還必須能適用于戶外環(huán)境或室內(nèi)長期運(yùn)行。終端具備有線和無線通信接口，可與無線數(shù)據(jù)管理終端通信，主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理、控制輸出和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、經(jīng)緯度控制、主動(dòng)報(bào)警、接收遠(yuǎn)程命令、開關(guān)燈指令等功能。

2.2 無線數(shù)據(jù)通信

無線數(shù)據(jù)通信主要負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與無線數(shù)據(jù)管理終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，通訊方式可采用以太網(wǎng)、或GPRS 與無線數(shù)據(jù)管理終端連接，通信傳輸更可靠。

2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是根據(jù)智慧照明的控制功能要求監(jiān)視、控制和記錄所有現(xiàn)場設(shè)備信息的操作平臺(tái)。監(jiān)控中心主要由監(jiān)控主機(jī)、人機(jī)接口、相關(guān)外設(shè)及與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)接口等設(shè)備構(gòu)成。管理人員對整個(gè)照明回路系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，能夠顯示回路的開關(guān)狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)修改時(shí)序調(diào)度事件、讀取數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視事件和報(bào)警應(yīng)答等操作。同時(shí)，可在線通過可視化操作軟件對集中管理器進(jìn)行多路或單個(gè)回路的控制，也可采集每個(gè)回路的三相電壓、電流、有功和無功功率；也可接入智能電表將每個(gè)回路的耗電情況遠(yuǎn)程采集到軟件平臺(tái)，方便用戶對節(jié)能情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

另外，監(jiān)控中心可對各遠(yuǎn)端監(jiān)控點(diǎn)采用輪詢或并行訪問，并行訪問可在同一時(shí)刻收發(fā)不同的數(shù)據(jù)，完成監(jiān)測、控制、采集等多重任務(wù)；還可實(shí)現(xiàn)終端自動(dòng)回報(bào)、分組控制等高效率的功能。

2.4 監(jiān)控管理軟件

照明管理平臺(tái)軟件主要依托數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、運(yùn)算服務(wù)器等設(shè)備，監(jiān)測燈具設(shè)備運(yùn)行、遠(yuǎn)程控制燈具的亮度、燈具故障推送、故障及功耗統(tǒng)計(jì)，協(xié)調(diào)智能燈具控制器的運(yùn)行與管理；其主要功能包括燈具控制、地圖監(jiān)控、策略管理、分組管理、報(bào)表管理、能耗分析、故障告警等。

1）燈具控制 實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場所有設(shè)備的運(yùn)行情況，并準(zhǔn)確調(diào)取所有設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

2）地圖監(jiān)控 在地圖上準(zhǔn)確顯示每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況；

3）策略管理 制定各種自動(dòng)控制方式，訂制控制策略，實(shí)現(xiàn)無人化運(yùn)行；

4）分組管理 可單燈，自由分組和批量等方式靈活控制設(shè)備；

5）計(jì)劃管理 可手動(dòng)，自動(dòng)和定時(shí)下發(fā)調(diào)光和開關(guān)任務(wù)；

6）報(bào)表管理 準(zhǔn)確查詢現(xiàn)場設(shè)備的歷史記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯；

7）能耗分析 接入國網(wǎng)規(guī)約電表后設(shè)置各種能耗閾值，可以準(zhǔn)確顯示耗能情況并進(jìn)行對比；

8）故障告警 監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警并分析，支持平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警，還可通過短信息或郵件的形式發(fā)送給指定的人。

3 實(shí)施方案及選型配置

每臺(tái)岸橋和軌道橋設(shè)備上安裝1 套智能燈具控制器，每個(gè)智能燈具均需匹配1 個(gè)單燈控制器。單燈控制器與LED 設(shè)備燈一體，實(shí)現(xiàn)燈具的無級(jí)調(diào)光；單燈控制器由LED 燈具電源供電，不需要額外供電，LED 設(shè)備燈配置特定對接端口。智能燈具控制器為220 VAC 供電，與港口設(shè)備的PLC 系統(tǒng)連接，可實(shí)現(xiàn)單燈控制器的集中控制；與單燈控制器為無線NB-IOT 通訊，智能燈具控制器將與軌道式集裝箱門式起重機(jī)PLC 系統(tǒng)相連接，岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)的操作指令可實(shí)時(shí)傳至智能燈具控制器，智能燈具控制器依據(jù)PLC 上傳的信息判斷岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)的工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)需求，通過開關(guān)燈或調(diào)節(jié)亮度指令的方式來控制智能LED 燈具，從而通過控制邏輯實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光功能，達(dá)到節(jié)能目的。具體控制方案主要有以下3 種：

1）當(dāng)岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)夜間自動(dòng)作業(yè)時(shí)，智能燈具控制器通過PLC 獲取作業(yè)信息，自動(dòng)將工作面照明燈具開啟至100%亮度，進(jìn)入智能控制模式。

2）當(dāng)岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)無作業(yè)任務(wù)且超過10 min 時(shí)，智能燈具控制器通過PLC 獲取作業(yè)信息，進(jìn)行分區(qū)域控制，控制工作面照明燈具調(diào)光亮度至30%點(diǎn)；燈具降低功率等待時(shí)間及亮度也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

3）照明燈具的自動(dòng)開啟關(guān)閉控制，系統(tǒng)可通過當(dāng)?shù)貢r(shí)間或通過光敏開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)開啟及關(guān)閉；且具備與設(shè)備的PLC 或當(dāng)?shù)貢r(shí)間網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的功能。

3.1 JR-ILC-S200 型智能燈具控制器

JR-ILC-S200 型智能燈具控制器是根據(jù)港口控制需求進(jìn)行開發(fā)的一款高度集成的主控設(shè)備。智能燈具控制器與岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)的PLC 相連獲取操控信息，通過解析將控制信息下發(fā)各智能LED 燈具，智能LED 燈具的實(shí)時(shí)狀態(tài)、功率、故障等信息也將上傳至智能燈具控制器。同時(shí)，該智能燈具控制器自帶人機(jī)界面控制系統(tǒng)，人機(jī)界面上顯示智能燈具控制器和LED 照明燈具的狀態(tài)信息，用戶亦可通過該界面對LED 照明燈具進(jìn)行控制。如圖4 所示。

圖4 智能燈具控制器

3.2 JR-SLC-D 系列單燈控制器

單燈控制器主要安裝于LED 設(shè)備燈，用于接收智能燈具控制器發(fā)來的控制指令，同時(shí)自帶故障檢測模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測燈具工作狀態(tài)。為了保證單燈控制器的散熱效果，整個(gè)殼體采用鋁合金一體拉伸成形，可充分保證內(nèi)部電路元器件的散熱。同時(shí)，為了拆卸方便，單燈控制器殼分為控制器盒、前面板、后面板、上蓋板以及控制板等部分，各部分通過螺絲安裝固定，控制板放置于殼體內(nèi)，采用導(dǎo)熱硅膠灌封工藝。在單燈控制器兩側(cè)分別留有程序燒寫專用接口以及LED 燈具對接端子，如圖5 所示。

圖5 單燈控制器

4 智慧照明系統(tǒng)功能特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)組網(wǎng)控制功能

設(shè)備上的每一臺(tái)燈具都裝有單燈控制器，采用無線/有線通訊方式互聯(lián)，并在每臺(tái)設(shè)備上安裝1 臺(tái)集中控制器，每臺(tái)集中控制器可通過網(wǎng)線接口轉(zhuǎn)換為特定網(wǎng)絡(luò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的遠(yuǎn)程控制，也可通過碼頭中控室PC機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，由中控室的智慧照明管理軟件系統(tǒng)直接控制每一個(gè)燈具。

4.2 燈具分組功能

中控室的智慧照明管理軟件系統(tǒng)可對聯(lián)網(wǎng)的每臺(tái)燈具按區(qū)域功能進(jìn)行分組，分組后可對該分組下的所有燈具進(jìn)行同時(shí)的開關(guān)燈或者調(diào)光操作。

4.3 開關(guān)燈功能

1）獨(dú)立開關(guān)燈功能 系統(tǒng)內(nèi)每一臺(tái)燈具都有獨(dú)立的ID 地址，系統(tǒng)可以對設(shè)備的每一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)燈具進(jìn)行獨(dú)立開關(guān)燈操作。

2）整體設(shè)備開關(guān)燈 單臺(tái)設(shè)備為獨(dú)立控制單元，系統(tǒng)可對每臺(tái)設(shè)備的所有聯(lián)網(wǎng)燈具進(jìn)行同時(shí)開關(guān)燈操作。

3）區(qū)域分組開關(guān)燈 以區(qū)域功能作為控制范圍，對區(qū)域內(nèi)的每一組聯(lián)網(wǎng)燈具按功能進(jìn)行分組，并對區(qū)域內(nèi)的相同功能的部分燈具進(jìn)行同時(shí)開關(guān)燈操作。

4）紅外感應(yīng)控制 系統(tǒng)可根據(jù)紅外探頭探測人體所發(fā)出紅外線，控制線路的通斷，實(shí)現(xiàn)照明燈具的自動(dòng)感應(yīng)控制。

4.4 調(diào)光功能

1）獨(dú)立調(diào)光功能 系統(tǒng)內(nèi)每一套燈具都有獨(dú)立的ID 地址，系統(tǒng)可對設(shè)備的每一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)燈具進(jìn)行獨(dú)立調(diào)光操作。

2）整體設(shè)備調(diào)光 單臺(tái)設(shè)備為獨(dú)立控制單元，系統(tǒng)可對每臺(tái)設(shè)備的所有聯(lián)網(wǎng)燈具進(jìn)行同時(shí)調(diào)光操作。

3）區(qū)域分組調(diào)光 以區(qū)域功能作為控制范圍，對區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)聯(lián)網(wǎng)燈具按功能進(jìn)行分組，并對區(qū)域內(nèi)的相同功能的部分燈具進(jìn)行同時(shí)調(diào)光操作。

4.5 電氣參數(shù)監(jiān)測功能

終端控制器內(nèi)置了電能檢測模塊，能對每臺(tái)燈具進(jìn)行功率、電流、電壓、功率因數(shù)、電能等電氣參數(shù)檢測，并可將檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳到智慧照明系統(tǒng)。

4.6 故障檢測并主動(dòng)上報(bào)功能

終端控制器內(nèi)置電能檢測模塊，可將燈具電流、電壓和能耗狀況與常規(guī)狀態(tài)下的基本數(shù)據(jù)做分析判斷，然后再判斷燈具是否故障和故障類型，并主動(dòng)上傳到智慧照明管理軟件操作界面中報(bào)警顯示。

4.7 故障、電能、操作日志歷史查詢和報(bào)表功能

系統(tǒng)配置獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，可對每一個(gè)聯(lián)網(wǎng)燈具的能耗狀況、開關(guān)和故障狀態(tài)、操作記錄進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)，并輸出打印報(bào)表；亦可對分組燈具進(jìn)行電量統(tǒng)計(jì)，并在管理平臺(tái)進(jìn)行節(jié)能分析、顯示及存儲(chǔ)。

5 實(shí)施效果

該智慧照明系統(tǒng)已成功部署于國內(nèi)某港自動(dòng)化碼頭的自動(dòng)化岸邊集裝箱起重機(jī)和軌道式集裝箱門式起重機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了燈具遠(yuǎn)程進(jìn)行開關(guān)智能控制、亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、分組運(yùn)行、區(qū)域調(diào)光、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)分析等智能化操作與管理。另外，與傳統(tǒng)控制方式相比較，該智慧照明系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在節(jié)能減排、節(jié)省管理人員成本、延長燈具使用壽命等方面具有較大優(yōu)勢，符合現(xiàn)代港口綠色、節(jié)能的發(fā)展方向。