為提高港口照明亮化設(shè)施智能化管理水平，開(kāi)發(fā)港口智能照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在照明回路中安裝PLC等終端設(shè)備，在值班室專用PC機(jī)上安裝后臺(tái)軟件，并搭設(shè)通信光纖鏈路，以此構(gòu)成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。值班員通過(guò)后臺(tái)軟件對(duì)PLC下達(dá)指令，觀察由PLC上傳的照明回路狀態(tài)信息。控制系統(tǒng)能批量設(shè)置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，并根據(jù)季節(jié)的變化自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。控制系統(tǒng)根據(jù)照明回路的實(shí)際電流與額定電流的比值計(jì)算出亮燈率，具備照明回路故障、亮燈率低等報(bào)警功能。在PLC上配置觸摸式顯示屏，可以進(jìn)行就地控制，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程和就地等2種控制模式。在董家口港區(qū)應(yīng)用的結(jié)果表明，控制系統(tǒng)可以應(yīng)用在任何照明亮化自控環(huán)境中，與人工現(xiàn)場(chǎng)管理相比具有較大優(yōu)勢(shì)。

0　引　言

在青島港董家口港區(qū)方圓10 km的場(chǎng)地內(nèi)分布著眾多照明亮化設(shè)施，主要包括134座高桿燈、2 400余盞路燈。原先照明亮化設(shè)施的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間由就地時(shí)控器控制，值班員每月2次根據(jù)季節(jié)變化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，夜間定期巡檢亮燈情況。時(shí)控器調(diào)整周期較長(zhǎng)，造成開(kāi)關(guān)燈時(shí)間與日照時(shí)間不能精準(zhǔn)銜接，導(dǎo)致值班員不能實(shí)時(shí)掌握亮燈情況，不能及時(shí)排除照明故障。每次時(shí)控調(diào)整需要2人工作2 d時(shí)間，每次夜間巡檢需要2人工作1.5 h左右，耗費(fèi)大量的人力、物力。通過(guò)開(kāi)發(fā)照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將就地時(shí)控器控制模式改為“后臺(tái)+PLC”控制模式，在值班室設(shè)置后臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)照明亮化設(shè)施開(kāi)關(guān)燈時(shí)間軟件一鍵設(shè)置、根據(jù)季節(jié)的變化自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間、亮燈率在線檢測(cè)和故障報(bào)警等功能。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)按照分層、分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按功能分為3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)采集控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層和后臺(tái)軟件管控層等。系統(tǒng)采用高可靠性的工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可連續(xù)采集和處理設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，及時(shí)向值班員提供有關(guān)運(yùn)行信息，并準(zhǔn)備執(zhí)行值班員下發(fā)的操作指令。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間短，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間不超過(guò)5 s，從控制命令下達(dá)到執(zhí)行的時(shí)間不超過(guò)2 s，重要報(bào)警響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 s。系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可以通過(guò)增加照明回路或升級(jí)設(shè)備性能，滿足今后港口增加照明亮化設(shè)施的需求。3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

1.1　現(xiàn)場(chǎng)采集控制層

現(xiàn)場(chǎng)采集控制層主要包括安裝在變電所和箱式變壓器內(nèi)的電氣設(shè)備，例如監(jiān)控儀表、電流互感器和中間繼電器等。各電氣設(shè)備具有精密、可靠等特點(diǎn)，適用于多種工作環(huán)境。所有電氣設(shè)備之間完全獨(dú)立，按照明回路數(shù)量一對(duì)一配置?，F(xiàn)場(chǎng)采集控制層負(fù)責(zé)采集各照明回路的電氣數(shù)據(jù)，主要包括照明回路電壓、電流和開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，并能根據(jù)PLC指令可靠動(dòng)作。

1.2　網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層主要包括PLC可編程控制器（配置觸摸式顯示屏）、交換機(jī)、通信隔離柵和光纖收發(fā)器等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)通信層作為系統(tǒng)樞紐層，由若干區(qū)域子網(wǎng)通過(guò)星型或環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)匯聚到遠(yuǎn)程網(wǎng)管型光電交換機(jī)，再連接到服務(wù)器或工作站。各通信設(shè)備之間通過(guò)光纖介質(zhì)連接，采用以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信層的主要任務(wù)包括定時(shí)控制照明亮化設(shè)施的開(kāi)啟和關(guān)閉、完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換、接收和傳送指令等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集控制層與后臺(tái)軟件管控層之間的信息傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)采集控制層先通過(guò)通信總線將各個(gè)監(jiān)控儀表采集的信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)通信層，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)軟件管控層。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集控制層會(huì)接收后臺(tái)軟件管控層下發(fā)的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮化設(shè)施的遠(yuǎn)程控制。

1.3　后臺(tái)軟件管控層

后臺(tái)軟件管控層主要包括安裝在值班室專用PC上的監(jiān)控軟件。此監(jiān)控軟件是根據(jù)港口照明亮化設(shè)施的特點(diǎn)有針對(duì)性開(kāi)發(fā)的，其功能模塊主要包括系統(tǒng)功能總貌、照明控制、港區(qū)照明位置圖查看、照明回路狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警信息一覽和數(shù)據(jù)一覽（包括照明亮化設(shè)施累計(jì)運(yùn)行時(shí)間）等。上述功能模塊的歷史數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在服務(wù)器，可被值班員直接檢索和打印。專用PC的網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行。后臺(tái)軟件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成“集中-分散式”管理系統(tǒng)。當(dāng)后臺(tái)軟件發(fā)生故障時(shí)，安裝在現(xiàn)場(chǎng)的PLC不受影響，仍能按預(yù)先下發(fā)的指令獨(dú)立工作。

2　系統(tǒng)功能

2.1　系統(tǒng)具備后臺(tái)遠(yuǎn)程和就地控制等2種管控方式

值班員可選擇后臺(tái)遠(yuǎn)程或就地控制任一方式實(shí)現(xiàn)照明亮化設(shè)施的自動(dòng)化控制。值班員可以在后臺(tái)軟件中通過(guò)下發(fā)指令的方式控制照明亮化設(shè)施，也可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)變電所或箱式變壓器內(nèi)的PLC就地控制。通過(guò)后臺(tái)軟件，值班員可以實(shí)現(xiàn)照明亮化設(shè)施的自動(dòng)開(kāi)關(guān)和遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)關(guān)，并可以一鍵設(shè)置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制功能。值班員在遠(yuǎn)程控制設(shè)置界面上選擇需要更改的照明回路（可以進(jìn)行多回路批量操作，例如一鍵全選和反選功能等），設(shè)置照明亮化設(shè)施開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，點(diǎn)擊“確定”按鈕后即可完成現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)燈時(shí)間的更改。值班員也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，選擇強(qiáng)制開(kāi)關(guān)燈功能，即時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈操作。遠(yuǎn)程控制設(shè)置界面截圖見(jiàn)圖2。在就地控制模式下需要值班員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)觸摸式顯示屏對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置。值班員也可根據(jù)工作需要就地通過(guò)顯示屏觀察照明回路實(shí)時(shí)信息。PLC觸摸屏控制界面截圖見(jiàn)圖3。

2.2　直觀的圖形結(jié)構(gòu)顯示功能

后臺(tái)軟件界面采用直觀圖的設(shè)置方式，可避免描述不準(zhǔn)確和理解困難等問(wèn)題，能滿足不同層次值班員的操作要求。直觀圖主要包括港區(qū)平面位置圖、照明回路控制圖、照明回路信息檢測(cè)圖和報(bào)警信息一覽圖等。在系統(tǒng)操作主界面上顯示港區(qū)平面位置圖，港區(qū)平面位置圖能直觀顯示照明亮化設(shè)施所在的變電所或箱式變壓器位置，并在變電所和箱式變壓器名稱旁邊設(shè)置圓形指示燈，不同的指示燈顏色代表照明亮化設(shè)施不同的狀態(tài)，其中：綠色代表照明回路啟動(dòng)；灰色代表照明回路具備啟動(dòng)條件；紅色表示通信中斷。港區(qū)平面位置圖見(jiàn)圖4。值班員在平面圖上點(diǎn)擊照明亮化設(shè)施圖標(biāo)，就可以了解該照明回路的詳細(xì)電氣數(shù)據(jù)或?qū)ζ溥M(jìn)行遙控控制。報(bào)警信息一覽圖使值班員能在后臺(tái)快速查詢到各照明回路的動(dòng)態(tài)信息和故障報(bào)警等情況，報(bào)警信息一覽圖的表現(xiàn)形式可以是圖像、報(bào)表、曲線或直方圖等。此外，后臺(tái)軟件操作簡(jiǎn)單易上手，值班員可以根據(jù)工作需要進(jìn)行界面優(yōu)化。同時(shí)，后臺(tái)軟件具備操作提示和幫助功能，幫助值班員熟悉操作流程。

2.3　條狀圖實(shí)時(shí)顯示亮燈率

后臺(tái)軟件實(shí)時(shí)采集各照明回路電流大小。由于照明設(shè)備額定工作電流基本穩(wěn)定，后臺(tái)軟件通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)電流與額定電流的比值，計(jì)算出亮燈率，以條狀圖直觀顯示。在軟件內(nèi)可以任意設(shè)置亮燈率報(bào)警值（目前董家口港區(qū)亮燈率報(bào)警值設(shè)置在95%），當(dāng)實(shí)際亮燈率低于報(bào)警值時(shí)，后臺(tái)軟件便會(huì)報(bào)警，有利于值班員第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)亮燈情況。與之前值班員現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查亮燈率相比，后臺(tái)軟件檢測(cè)更加可靠、迅速，并能實(shí)時(shí)顯示亮燈率，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。亮燈率條狀圖界面截圖見(jiàn)圖5。

2.4　根據(jù)季節(jié)變化自動(dòng)控制照明亮化設(shè)施

后臺(tái)軟件可根據(jù)董家口港區(qū)四季節(jié)氣變化、節(jié)假日等情況自動(dòng)設(shè)置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。在后臺(tái)軟件內(nèi)可以預(yù)設(shè)定制100條以上的策略，每條策略可以控制多臺(tái)或單臺(tái)照明亮化設(shè)施，實(shí)現(xiàn)分群、分組、單基的靈活智能化管控。執(zhí)行策略時(shí)精確到分秒，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自動(dòng)控制，例如系統(tǒng)自動(dòng)記憶上一年的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，在后臺(tái)軟件中設(shè)置為“年度自動(dòng)設(shè)置”模式后，全年后臺(tái)軟件將按照上一年設(shè)置的頻次、時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)修改。

2.5　完善的報(bào)警信息窗口

后臺(tái)軟件可以根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置各類報(bào)警信息，對(duì)各照明回路的異常故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。報(bào)警信息主要包括亮燈率低于95%、回路啟動(dòng)后無(wú)電流、下達(dá)操作指令后開(kāi)關(guān)未執(zhí)行等。后臺(tái)軟件可以提供豐富的報(bào)警信息瀏覽功能，值班員可通過(guò)界面查看具體的信息，并能在報(bào)警界面上設(shè)置各種條件以便篩選出想要的信息。篩選出的信息可以被直接打印出來(lái)或保存到文件。

2.6　追溯歷史數(shù)據(jù)

各照明回路的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)被保存在后臺(tái)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，確保重要數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)會(huì)被儲(chǔ)存在短期歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，儲(chǔ)存時(shí)效為1周。對(duì)于比較重要的信息，例如照明回路的報(bào)警信息、故障信息和值班員下發(fā)的指令等，可被儲(chǔ)存在長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，儲(chǔ)存時(shí)間為2 a。

2.7　系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)

由于自動(dòng)化控制系統(tǒng)通信協(xié)議的開(kāi)放性、通用性較強(qiáng)，在港區(qū)將來(lái)增加照明亮化設(shè)施時(shí)，可以保持后臺(tái)軟件原有的界面不動(dòng)，只要增加相應(yīng)的PLC、電流表等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并在后臺(tái)軟件中添加新的監(jiān)控點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.8　權(quán)限設(shè)置功能

后臺(tái)軟件可按照人員職責(zé)分工進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。根據(jù)不同值班員的實(shí)際工作需要，對(duì)于不同的功能和控制范圍，在后臺(tái)分配不同權(quán)限等級(jí)。值班員憑各自的賬號(hào)、密碼登錄后使用。

2.9　PLC具有強(qiáng)大的可編程能力和可擴(kuò)展性

PLC功能易于擴(kuò)展，用于采集多種信息和進(jìn)行多回路控制。對(duì)于同一PLC管轄內(nèi)的不同照明回路，可設(shè)置不同的控制策略（例如全夜燈和半夜燈、自動(dòng)控制和手動(dòng)控制等）。同時(shí)，PLC具備完整的“三遙”功能。每臺(tái)PLC可同時(shí)控制16條回路，配置16對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)，具備故障巡檢功能。一方面，PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照明亮化設(shè)施的實(shí)際開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)信息上傳；另一方面，PLC時(shí)刻準(zhǔn)備接受后臺(tái)軟件指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明回路的遙控。每臺(tái)PLC最多可檢測(cè)16條回路電壓、電流量，實(shí)現(xiàn)各照明回路遙測(cè)信息的上傳。為了便于安裝和維護(hù)，PLC采用標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行安裝。PLC現(xiàn)場(chǎng)安裝圖見(jiàn)圖6。

3　應(yīng)用效果

改造前，2人配合完成1次港區(qū)照明亮化設(shè)施時(shí)控調(diào)整需要耗費(fèi)2 d時(shí)間，駕車(chē)行駛近40 km的路程，平均每月調(diào)整2次。為掌握亮燈情況，晚上亮燈后值班員需定期駕車(chē)進(jìn)行夜巡，耗費(fèi)大量人力、物力。在采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，值班員幾秒鐘內(nèi)即可完成時(shí)控調(diào)整，并可實(shí)時(shí)在線查看亮燈率。自動(dòng)化控制系統(tǒng)幫助值班員全面實(shí)時(shí)掌握照明亮化設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。在采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，每年可減少人工、機(jī)械費(fèi)用約10萬(wàn)元，節(jié)省電費(fèi)約7萬(wàn)元。