為提高港口照明亮化設施智能化管理水平，開(kāi)發(fā)港口智能照明自動(dòng)化控制系統。在照明回路中安裝PLC等終端設備，在值班室專(zhuān)用PC機上安裝后臺軟件，并搭設通信光纖鏈路，以此構成自動(dòng)化控制系統。值班員通過(guò)后臺軟件對PLC下達指令，觀(guān)察由PLC上傳的照明回路狀態(tài)信息?？刂葡到y能批量設置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，并根據季節的變化自動(dòng)調整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間?？刂葡到y根據照明回路的實(shí)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(jìn)行就地控制，實(shí)現控制系統的遠程和就地等2種控制模式。在董家口港區應用的結果表明，控制系統可以應用在任何照明亮化自控環(huán)境中，與人工現場(chǎng)管理相比具有較大優(yōu)勢。

0　引　言

在青島港董家口港區方圓10 km的場(chǎng)地內分布著(zhù)眾多照明亮化設施，主要包括134座高桿燈、2 400余盞路燈。原先照明亮化設施的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間由就地時(shí)控器控制，值班員每月2次根據季節變化現場(chǎng)調整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，夜間定期巡檢亮燈情況。時(shí)控器調整周期較長(cháng)，造成開(kāi)關(guān)燈時(shí)間與日照時(shí)間不能精準銜接，導致值班員不能實(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，耗費大量的人力、物力。通過(guò)開(kāi)發(fā)照明自動(dòng)化控制系統，將就地時(shí)控器控制模式改為“后臺+PLC”控制模式，在值班室設置后臺軟件，實(shí)現照明亮化設施開(kāi)關(guān)燈時(shí)間軟件一鍵設置、根據季節的變化自動(dòng)調整開(kāi)關(guān)時(shí)間、亮燈率在線(xiàn)檢測和故障報警等功能。

1　系統設計

自動(dòng)化控制系統架構按照分層、分布式結構設計，按功能分為3層網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，主要包括現場(chǎng)采集控制層、網(wǎng)絡(luò )通信層和后臺軟件管控層等。系統采用高可靠性的工業(yè)級標準設備，可連續采集和處理設備狀態(tài)信號，及時(shí)向值班員提供有關(guān)運行信息，并準備執行值班員下發(fā)的操作指令。系統的響應時(shí)間短，實(shí)時(shí)數據刷新時(shí)間不超過(guò)5 s，從控制命令下達到執行的時(shí)間不超過(guò)2 s，重要報警響應時(shí)間不超過(guò)1 s。系統易于擴展，可以通過(guò)增加照明回路或升級設備性能，滿(mǎn)足今后港口增加照明亮化設施的需求。3層網(wǎng)絡(luò )拓撲結構示意圖見(jiàn)圖1。

1.1　現場(chǎng)采集控制層

現場(chǎng)采集控制層主要包括安裝在變電所和箱式變壓器內的電氣設備，例如監控儀表、電流互感器和中間繼電器等。各電氣設備具有精密、可靠等特點(diǎn)，適用于多種工作環(huán)境。所有電氣設備之間完全獨立，按照明回路數量一對一配置?，F場(chǎng)采集控制層負責采集各照明回路的電氣數據，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、通信隔離柵和光纖收發(fā)器等設備。網(wǎng)絡(luò )通信層作為系統樞紐層，由若干區域子網(wǎng)通過(guò)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)控制照明亮化設施的開(kāi)啟和關(guān)閉、完成現場(chǎng)數據的收集、通信協(xié)議的轉換、接收和傳送指令等，實(shí)現現場(chǎng)采集控制層與后臺軟件管控層之間的信息傳輸?，F場(chǎng)采集控制層先通過(guò)通信總線(xiàn)將各個(gè)監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 )上傳至后臺軟件管控層。同時(shí)，現場(chǎng)采集控制層會(huì )接收后臺軟件管控層下發(fā)的遠程控制指令，實(shí)現對照明亮化設施的遠程控制。

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(zhuān)用PC上的監控軟件。此監控軟件是根據港口照明亮化設施的特點(diǎn)有針對性開(kāi)發(fā)的，其功能模塊主要包括系統功能總貌、照明控制、港區照明位置圖查看、照明回路狀態(tài)檢測、報警信息一覽和數據一覽（包括照明亮化設施累計運行時(shí)間）等。上述功能模塊的歷史數據被存儲在服務(wù)器，可被值班員直接檢索和打印。專(zhuān)用PC的網(wǎng)絡(luò )與辦公網(wǎng)絡(luò )分開(kāi)，實(shí)現獨立運行。后臺軟件和現場(chǎng)設備組成“集中-分散式”管理系統。當后臺軟件發(fā)生故障時(shí)，安裝在現場(chǎng)的PLC不受影響，仍能按預先下發(fā)的指令獨立工作。

2　系統功能

2.1　系統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(shí)現照明亮化設施的自動(dòng)化控制。值班員可以在后臺軟件中通過(guò)下發(fā)指令的方式控制照明亮化設施，也可以根據實(shí)際情況通過(guò)變電所或箱式變壓器內的PLC就地控制。通過(guò)后臺軟件，值班員可以實(shí)現照明亮化設施的自動(dòng)開(kāi)關(guān)和遠程手動(dòng)開(kāi)關(guān)，并可以一鍵設置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，實(shí)現定時(shí)控制功能。值班員在遠程控制設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），設置照明亮化設施開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，點(diǎn)擊“確定”按鈕后即可完成現場(chǎng)開(kāi)關(guān)燈時(shí)間的更改。值班員也可以根據現場(chǎng)需求，選擇強制開(kāi)關(guān)燈功能，即時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈操作。遠程控制設置界面截圖見(jiàn)圖2。在就地控制模式下需要值班員在現場(chǎng)通過(guò)觸摸式顯示屏對PLC進(jìn)行設置。值班員也可根據工作需要就地通過(guò)顯示屏觀(guān)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(guān)的圖形結構顯示功能

后臺軟件界面采用直觀(guān)圖的設置方式，可避免描述不準確和理解困難等問(wèn)題，能滿(mǎn)足不同層次值班員的操作要求。直觀(guān)圖主要包括港區平面位置圖、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。在系統操作主界面上顯示港區平面位置圖，港區平面位置圖能直觀(guān)顯示照明亮化設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(chēng)旁邊設置圓形指示燈，不同的指示燈顏色代表照明亮化設施不同的狀態(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)擊照明亮化設施圖標，就可以了解該照明回路的詳細電氣數據或對其進(jìn)行遙控控制。報警信息一覽圖使值班員能在后臺快速查詢(xún)到各照明回路的動(dòng)態(tài)信息和故障報警等情況，報警信息一覽圖的表現形式可以是圖像、報表、曲線(xiàn)或直方圖等。此外，后臺軟件操作簡(jiǎn)單易上手，值班員可以根據工作需要進(jìn)行界面優(yōu)化。同時(shí)，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(shí)時(shí)顯示亮燈率

后臺軟件實(shí)時(shí)采集各照明回路電流大小。由于照明設備額定工作電流基本穩定，后臺軟件通過(guò)計算實(shí)時(shí)電流與額定電流的比值，計算出亮燈率，以條狀圖直觀(guān)顯示。在軟件內可以任意設置亮燈率報警值（目前董家口港區亮燈率報警值設置在95%），當實(shí)際亮燈率低于報警值時(shí)，后臺軟件便會(huì )報警，有利于值班員第一時(shí)間掌握現場(chǎng)亮燈情況。與之前值班員現場(chǎng)巡視檢查亮燈率相比，后臺軟件檢測更加可靠、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　根據季節變化自動(dòng)控制照明亮化設施

后臺軟件可根據董家口港區四季節氣變化、節假日等情況自動(dòng)設置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。在后臺軟件內可以預設定制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施，實(shí)現分群、分組、單基的靈活智能化管控。執行策略時(shí)精確到分秒，實(shí)現精準的自動(dòng)控制，例如系統自動(dòng)記憶上一年的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，在后臺軟件中設置為“年度自動(dòng)設置”模式后，全年后臺軟件將按照上一年設置的頻次、時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)修改。

2.5　完善的報警信息窗口

后臺軟件可以根據實(shí)際需求靈活設置各類(lèi)報警信息，對各照明回路的異常故障進(jìn)行監測和報警。報警信息主要包括亮燈率低于95%、回路啟動(dòng)后無(wú)電流、下達操作指令后開(kāi)關(guān)未執行等。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(guò)界面查看具體的信息，并能在報警界面上設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　追溯歷史數據

各照明回路的動(dòng)態(tài)數據被保存在后臺軟件的實(shí)時(shí)數據庫中，確保重要數據的響應速度。實(shí)時(shí)數據庫數據會(huì )被儲存在短期歷史數據庫中，儲存時(shí)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(cháng)期歷史數據庫中，儲存時(shí)間為2 a。

2.7　系統可擴展性強

由于自動(dòng)化控制系統通信協(xié)議的開(kāi)放性、通用性較強，在港區將來(lái)增加照明亮化設施時(shí)，可以保持后臺軟件原有的界面不動(dòng)，只要增加相應的PLC、電流表等現場(chǎng)設備，并在后臺軟件中添加新的監控點(diǎn)，即可實(shí)現系統擴展。

2.8　權限設置功能

后臺軟件可按照人員職責分工進(jìn)行權限設置。根據不同值班員的實(shí)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(jìn)行多回路控制。對于同一PLC管轄內的不同照明回路，可設置不同的控制策略（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PLC可同時(shí)控制16條回路，配置16對I/O點(diǎn)數，具備故障巡檢功能。一方面，PLC實(shí)時(shí)檢測現場(chǎng)照明亮化設施的實(shí)際開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現遙測信息上傳；另一方面，PLC時(shí)刻準備接受后臺軟件指令，實(shí)現對照明回路的遙控。每臺PLC最多可檢測16條回路電壓、電流量，實(shí)現各照明回路遙測信息的上傳。為了便于安裝和維護，PLC采用標準方式進(jìn)行安裝。PLC現場(chǎng)安裝圖見(jiàn)圖6。

3　應用效果

改造前，2人配合完成1次港區照明亮化設施時(shí)控調整需要耗費2 d時(shí)間，駕車(chē)行駛近40 km的路程，平均每月調整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，耗費大量人力、物力。在采用自動(dòng)化控制系統后，值班員幾秒鐘內即可完成時(shí)控調整，并可實(shí)時(shí)在線(xiàn)查看亮燈率。自動(dòng)化控制系統幫助值班員全面實(shí)時(shí)掌握照明亮化設施的運行狀態(tài)。在采用自動(dòng)化控制系統后，每年可減少人工、機械費用約10萬(wàn)元，節省電費約7萬(wàn)元。