為提高港口照明亮化設(shè)施智能化管理水平，開發(fā)港口智能照明自動化控制系統(tǒng)。在照明回路中安裝PLC等終端設(shè)備，在值班室專用PC機上安裝后臺軟件，并搭設(shè)通信光纖鏈路，以此構(gòu)成自動化控制系統(tǒng)。值班員通過后臺軟件對PLC下達指令，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)置開關(guān)燈時間，并根據(jù)季節(jié)的變化自動調(diào)整開關(guān)燈時間?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)照明回路的實際電流與額定電流的比值計算出亮燈率，具備照明回路故障、亮燈率低等報警功能。在PLC上配置觸摸式顯示屏，可以進行就地控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程和就地等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)場管理相比具有較大優(yōu)勢。

0　引　言

在青島港董家口港區(qū)方圓10 km的場地內(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)施的開關(guān)燈時間由就地時控器控制，值班員每月2次根據(jù)季節(jié)變化現(xiàn)場調(diào)整開關(guān)燈時間，夜間定期巡檢亮燈情況。時控器調(diào)整周期較長，造成開關(guān)燈時間與日照時間不能精準(zhǔn)銜接，導(dǎo)致值班員不能實時掌握亮燈情況，不能及時排除照明故障。每次時控調(diào)整需要2人工作2 d時間，每次夜間巡檢需要2人工作1.5 h左右，耗費大量的人力、物力。通過開發(fā)照明自動化控制系統(tǒng)，將就地時控器控制模式改為“后臺+PLC”控制模式，在值班室設(shè)置后臺軟件，實現(xiàn)照明亮化設(shè)施開關(guān)燈時間軟件一鍵設(shè)置、根據(jù)季節(jié)的變化自動調(diào)整開關(guān)時間、亮燈率在線檢測和故障報警等功能。

1　系統(tǒng)設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)按照分層、分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，按功能分為3層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主要包括現(xiàn)場采集控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層和后臺軟件管控層等。系統(tǒng)采用高可靠性的工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可連續(xù)采集和處理設(shè)備狀態(tài)信號，及時向值班員提供有關(guān)運行信息，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)時間短，實時數(shù)據(jù)刷新時間不超過5 s，從控制命令下達到執(zhí)行的時間不超過2 s，重要報警響應(yīng)時間不超過1 s。系統(tǒng)易于擴展，可以通過增加照明回路或升級設(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)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.1　現(xiàn)場采集控制層

現(xiàn)場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，適用于多種工作環(huán)境。所有電氣設(shè)備之間完全獨立，按照明回路數(shù)量一對一配置?，F(xiàn)場采集控制層負責(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、電流和開關(guān)狀態(tài)等，并能根據(jù)PLC指令可靠動作。

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、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)通過星型或環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)匯聚到遠程網(wǎng)管型光電交換機，再連接到服務(wù)器或工作站。各通信設(shè)備之間通過光纖介質(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)包括定時控制照明亮化設(shè)施的開啟和關(guān)閉、完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換、接收和傳送指令等，實現(xiàn)現(xiàn)場采集控制層與后臺軟件管控層之間的信息傳輸。現(xiàn)場采集控制層先通過通信總線將各個監(jiān)控儀表采集的信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)通信層，然后再通過網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺軟件管控層。同時，現(xiàn)場采集控制層會接收后臺軟件管控層下發(fā)的遠程控制指令，實現(xiàn)對照明亮化設(shè)施的遠程控制。

1.3　后臺軟件管控層

后臺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)施的特點有針對性開發(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、報警信息一覽和數(shù)據(jù)一覽（包括照明亮化設(shè)施累計運行時間）等。上述功能模塊的歷史數(shù)據(jù)被存儲在服務(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，實現(xiàn)獨立運行。后臺軟件和現(xiàn)場設(shè)備組成“集中-分散式”管理系統(tǒng)。當(dāng)后臺軟件發(fā)生故障時，安裝在現(xiàn)場的PLC不受影響，仍能按預(yù)先下發(fā)的指令獨立工作。

2　系統(tǒng)功能

2.1　系統(tǒng)具備后臺遠程和就地控制等2種管控方式

值班員可選擇后臺遠程或就地控制任一方式實現(xiàn)照明亮化設(shè)施的自動化控制。值班員可以在后臺軟件中通過下發(fā)指令的方式控制照明亮化設(shè)施，也可以根據(jù)實際情況通過變電所或箱式變壓器內(nèi)的PLC就地控制。通過后臺軟件，值班員可以實現(xiàn)照明亮化設(shè)施的自動開關(guān)和遠程手動開關(guān)，并可以一鍵設(shè)置開關(guān)燈時間，實現(xiàn)定時控制功能。值班員在遠程控制設(shè)置界面上選擇需要更改的照明回路（可以進行多回路批量操作，例如一鍵全選和反選功能等），設(shè)置照明亮化設(shè)施開啟和關(guān)閉時間，點擊“確定”按鈕后即可完成現(xiàn)場開關(guān)燈時間的更改。值班員也可以根據(jù)現(xiàn)場需求，選擇強制開關(guān)燈功能，即時進行開關(guān)燈操作。遠程控制設(shè)置界面截圖見圖2。在就地控制模式下需要值班員在現(xiàn)場通過觸摸式顯示屏對PLC進行設(shè)置。值班員也可根據(jù)工作需要就地通過顯示屏觀察照明回路實時信息。PLC觸摸屏控制界面截圖見圖3。

2.2　直觀的圖形結(jié)構(gòu)顯示功能

后臺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、照明回路信息檢測圖和報警信息一覽圖等。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；灰色代表照明回路具備啟動條件；紅色表示通信中斷。港區(qū)平面位置圖見圖4。值班員在平面圖上點擊照明亮化設(shè)施圖標(biāo)，就可以了解該照明回路的詳細電氣數(shù)據(jù)或?qū)ζ溥M行遙控控制。報警信息一覽圖使值班員能在后臺快速查詢到各照明回路的動態(tài)信息和故障報警等情況，報警信息一覽圖的表現(xiàn)形式可以是圖像、報表、曲線或直方圖等。此外，后臺軟件操作簡單易上手，值班員可以根據(jù)工作需要進行界面優(yōu)化。同時，后臺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　條狀圖實時顯示亮燈率

后臺軟件實時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，后臺軟件通過計算實時電流與額定電流的比值，計算出亮燈率，以條狀圖直觀顯示。在軟件內(nèi)可以任意設(shè)置亮燈率報警值（目前董家口港區(qū)亮燈率報警值設(shè)置在95%），當(dāng)實際亮燈率低于報警值時，后臺軟件便會報警，有利于值班員第一時間掌握現(xiàn)場亮燈情況。與之前值班員現(xiàn)場巡視檢查亮燈率相比，后臺軟件檢測更加可靠、迅速，并能實時顯示亮燈率，從而降低勞動強度，提高作業(yè)效率。亮燈率條狀圖界面截圖見圖5。

2.4　根據(jù)季節(jié)變化自動控制照明亮化設(shè)施

后臺軟件可根據(jù)董家口港區(qū)四季節(jié)氣變化、節(jié)假日等情況自動設(shè)置開關(guān)燈時間。在后臺軟件內(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或單臺照明亮化設(shè)施，實現(xiàn)分群、分組、單基的靈活智能化管控。執(zhí)行策略時精確到分秒，實現(xiàn)精準(zhǔn)的自動控制，例如系統(tǒng)自動記憶上一年的開關(guān)燈時間，在后臺軟件中設(shè)置為“年度自動設(shè)置”模式后，全年后臺軟件將按照上一年設(shè)置的頻次、時間進行自動修改。

2.5　完善的報警信息窗口

后臺軟件可以根據(jù)實際需求靈活設(shè)置各類報警信息，對各照明回路的異常故障進行監(jiān)測和報警。報警信息主要包括亮燈率低于95%、回路啟動后無電流、下達操作指令后開關(guān)未執(zhí)行等。后臺軟件可以提供豐富的報警信息瀏覽功能，值班員可通過界面查看具體的信息，并能在報警界面上設(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或保存到文件。

2.6　追溯歷史數(shù)據(jù)

各照明回路的動態(tài)數(shù)據(jù)被保存在后臺軟件的實時數(shù)據(jù)庫中，確保重要數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)會被儲存在短期歷史數(shù)據(jù)庫中，儲存時效為1周。對于比較重要的信息，例如照明回路的報警信息、故障信息和值班員下發(fā)的指令等，可被儲存在長期歷史數(shù)據(jù)庫中，儲存時間為2 a。

2.7　系統(tǒng)可擴展性強

由于自動化控制系統(tǒng)通信協(xié)議的開放性、通用性較強，在港區(qū)將來增加照明亮化設(shè)施時，可以保持后臺軟件原有的界面不動，只要增加相應(yīng)的PLC、電流表等現(xiàn)場設(shè)備，并在后臺軟件中添加新的監(jiān)控點，即可實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。

2.8　權(quán)限設(shè)置功能

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

2.9　PLC具有強大的可編程能力和可擴展性

PLC功能易于擴展，用于采集多種信息和進行多回路控制。對于同一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、自動控制和手動控制等）。同時，PLC具備完整的“三遙”功能。每臺PLC可同時控制16條回路，配置16對I/O點數(shù)，具備故障巡檢功能。一方面，PLC實時檢測現(xiàn)場照明亮化設(shè)施的實際開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)遙測信息上傳；另一方面，PLC時刻準(zhǔn)備接受后臺軟件指令，實現(xiàn)對照明回路的遙控。每臺PLC最多可檢測16條回路電壓、電流量，實現(xiàn)各照明回路遙測信息的上傳。為了便于安裝和維護，PLC采用標(biāo)準(zhǔn)方式進行安裝。PLC現(xiàn)場安裝圖見圖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)施時控調(diào)整需要耗費2 d時間，駕車行駛近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進行夜巡，耗費大量人力、物力。在采用自動化控制系統(tǒng)后，值班員幾秒鐘內(nèi)即可完成時控調(diào)整，并可實時在線查看亮燈率。自動化控制系統(tǒng)幫助值班員全面實時掌握照明亮化設(shè)施的運行狀態(tài)。在采用自動化控制系統(tǒng)后，每年可減少人工、機械費用約10萬元，節(jié)省電費約7萬元。