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论文方法介绍-基于PLC技术的照明系统设计

2021-05-13 11:51:46

  LED因耗电量低、环保、使用寿命长、坚固耐用、可控性强等而得到了世界范围内的关注。尤其是近年来逐渐成为了全球照明行业应用最为广泛、发展潜力最大的光源之一。因此,本文结合众多新技术设计了一种先进LED照明系统。

  本文设计的照明系统既可以手动控制,亦可以自动控制。手动控制是为了处理一些特殊天气下的使用或者需要对LED灯进行检修或者维护。自动控制是利用光照强度来自动控制系统的运行,其中控制设备既可以利用道路监控系统的视频检测器、PLC及数据传输设备,另外还能够借助添加本地的PLC以及光照度传感器系统进行控制

  随着全球对能源可持续性的压力和全球环境的不断变差,如何可持续发展成为了近些年来研究的焦点问题。基于上述所述的大背景前提下,发光二极管(LED)的诞生改变了照明行业的格局,并产生了新的研究方向。与传统照明工具比较而言,LED有着很多优势。例如,耗电量低、环保、坚固耐用、光束浓度稳定等。

  正是因为LED的这些优势,导致LED的应用范围极为广泛,小到我们的日常生活,大到国防科技。

  LED的光电转换效率接近100%要远远高于其他灯光的转换效率其中白炽灯约10%以及低功耗灯约30%。因此,LED的普及和应用可以显著降低照明能耗。当前,许多发达国家投入了大量的资金、人力来研究LED。由此可见,LED作为一项新技术的重要性。近些年来,我国也开始投入大量的人力、物力来发展推动半导体照明发展,以期早日实现芯片国有化,实现技术独立自主。

  与其他常规照明方式相比较,LED能够通过电子通信技术来改变灯光的颜色和亮度,这就赋予了LED除照明外的额外效果,特别是年来,人们开始追求更高层次的物质享受。这就使得LED照明的使用持续增多,家用LED,道路两旁的路灯,建筑上的大型LED灯,以及一些大型灯光表演等等。通过在不同场合设置不同特点的灯光氛围,不仅满足人们的日常照明使用,更是带给了人们精神层面的享受。另外与传统灯光相比,通过设置合理的亮度还可以对我们的眼睛起到非常好的保护作用。通过上述所述,结合通信技术、电子节能、高效管理控制灯具等综合考量,未来LED的将向着更加节能以及更加智能的方向发展。由此可见,智能LED照明系统的研究具有非常重要的现实意义。

  1.2国内外研究现状

  移动通信技术的快速发展使得用户、网络和终端之间的连接更加的紧密。对于用户来说,借助网络可以快速的对控制系统进行访问,进而进行一些其他的数据交流活动。随着智能时 黄的即将到来,近年来,越来越多的商家提出发展智能家居系统并进行了相关产品的研发。智能LED照明作为智能家居系统的重要组成之一获得了极大的关注。与传统照明不同的是,智能LED照明系统的核心不再是照明,而是借助于LED优异的控制,利用现有现有的先进技术、传感器和互联网传播的事情与基于智能控制产品。

  国外智能照明的发展较早,在智能照明方面已经取得了很大成功如WIELAND、三星、LG等。国内受限于消费者意识、社会发展以及市场价格等因素,在相当长时间没有取得进步,直到近些年来,社会经济的快速发展使得人们逐渐注重高层次的生活追求,国内一些LED照明厂商逐渐推出智能照明系统,大量的科技人员与资金投入到智能照明系统的研发,并且已经逐渐投入市场。

  与此同时,智能照明已经从室内发展到室外,从日常生活发展到各个方面。而中国的智能LED照明市场仍有很大发展潜力。

  第二章照明系统控制方式

  2.1照明系统控制方式的选择

  当前市场上常用的照明系统控制方式有WiFi、蓝牙、超宽带(UWB)以及电力线载波(PLC)。其中前三者均为无线传输方式,而PLC是有线传输方式。但是由于PLC通信走电力线,所以在应用时,无须重新布线。因此在布线这块,四种方式均不需要布线。以下通过对四种控制方式进行全方位的对比,来说明本文选择PLC作为照明控制方式的原因。

  (1)网络容量:蓝牙网络最多可以包含8个设备,可以实现236个设备的组网;

  WiFi的网络容量最多可达2007;而UWB的网络容量大于蓝牙网络小于WiFi。而PLC可以实现上万个节点规模。所以在网络容量方面,与其他三种控制方式相比,PLC拥有得天独厚的优势。

  (2)误码率:相比较其他三种无线传输方式,PLC的误码率要更低,可以实现更加精确的传输。

  (3)无线传输方式的速率要快于有线传输方式。但无线传输方式的限制性太大,对周边环境的要求也比较高。比如对于路灯来说,路旁如果有树木进行遮

  (4)挡的话,传输效果可能会变得比较差。

  (5)对于无线传输方式来说,因为有天线,所以需要进行打孔,将天线从孔中引导出来,而在灯杆或者其他地方打孔无疑会增加施工成本。

  综上所述,本文选择PLC作为照明系统的控制方式。

  2.2电力线载波通信技术基础

  PLC是利用电力线来进行数据传输的通信技术。首先将需要进行传输的数字信号调制成包含有信息的高频信号,然后利用将高频信号耦合到电力线上,然后进行数据传输;在通信系统的接收端将电力线上的载波信号借助耦合设备分离出来,使用解调模块将先前分离出来的信号解调成原始信号,最后传送到终端设备。

  2.2.1扩频技术

  扩频技术是一种信息处理技术,可以很好的抵抗外界的干扰。根据频谱扩展的方式,扩频技术可分为直接序列扩频技术、跳频技术和跳时技术。以及三种技术结合成的混合扩频系统。最常见的系统扩大混合光谱系统大多是身着时间-扩展频谱系统直接序列,身着-身着系统频率系统时间和频率跳-系统频谱扩展系统直接序列。

  扩频技术的特点

  (1)抗干扰

  因为扩频技术使用频谱扩展技术来扩展频谱的信号发送是一系列意想不到的宽带信号干扰的来源只有pseudo-aleatorias,干扰与通信系统有完全相同的 黄码序列扩展,因此,扩展频谱通信系统有一个伟大的抵抗干扰。

  (2)抗截获

  功率信号频谱的分配相当均匀扩张在各式各样的频率,和光谱密度信号功率频谱扩展系统是一个很小的直接序列往往都隐藏光谱密度下的噪声水平,而携带的频率调频系统随机按下,故而扩频系统拥有着极大截获阻力。

  (3)抗衰落

  扩频系统的调制信号频带非常宽,选择性衰减仅仅对调制信号的很少部分产生影响,故而对整个信号造成的影响非常小。所以膨胀谱系统拥有着非常强的康氏衰减性。

  (4)抗多径

  多路径是所有通信系统要应对的问题,它可能很难解决。但对于系统频谱扩展频谱扩展技术,不仅有一种高阻道路本身,而是众多,如果符合某些条件,包括道路多的能量可以用来提高整个通信系统的性能。

  (5)数模兼容

  扩频系统能够传输数字以及模拟信号。

  2.2.2数字信号调制技术

  在传输数字信号之前,应该先将数字信号转换成可以在高压线路上传输的高频载波信号,然后才能进行接下来的高压线路传输,称之为信号调制。接收到高频载波信号之后,然后在接收端将其转换为数字信号,称之为解调。参照不同的调制技术,可分为:频移键控(FSK)、调幅键控(ASK)和相移键控(PSK)。

  (1)振幅键控

  带振幅键的ASK是一种调制模式,它根据数字信号调节载波信号的振幅,其采取的调制模式较为简单。ASK一般可以分成二进制振幅键(2ASK)和多维振幅键(MASK)。

  (2)频移键控

  FSK的频移键是采取不同的数字信号调制载波信号的频率。它具有更好的抗噪声和衰减能力,稳定性和可靠性,以及相对容易的实现。频率偏移键FSK可以分成二进制频率偏移键(2FSK)和多播频率偏移键(MFSK)。2FSK是一种载波信号,按照数字信号0或1生成两种不同的频率,而MFSK 黄表各种不同频率的载波信号的各种数字信息。

  2FSK的基本法则是按相应的数字信号传输相应频率的信号,当数字信号为0时传输频率信号f1;数字信号为1时,则传输f2。携带2FSK生成信号有两种途径:借助选择和基于独立断开两台发电机频率调制信号通过一个变换电路、信号所携带的这种方法是当两个信号相互不携带网络;另外一个方法是根据调频电路

  产生不同的载波信号,此方法产生的载波信号在两个载波信号切换时是连续相位的。

  (3)相移键控

  相移PSK模式是基于载波信号根据调制信号的相位调节。PSK通常分为两类,二进制移相键(2PSK)和多维移相键(MPSK)。2PSK载波信号只有0和180度的相位。即把数字信号0和1调谐到两个信号相位之差为180度、频率一样的载波信号之内。

  相位偏移键的抗干扰能力很好,哪怕是处于衰退的信道之内产生的结果也非常棒,当前主要应用于中速通讯系统之内。但他的缺点也是不容忽视的,解调信号位于接收机之时,往往很难直接获得载波信号的相位。

  由于ASK对干扰的抵抗力较低,且馈线通道的噪声非常麻烦,而受到的干扰也很强,故而ASK并不适用于PLC通信;关键阶段变化的二进制BPSK调制方法,是一种非常困难的干扰,但侦查阶段BPSK desmodulación是方法的更复杂,而且很难实现,因此PLC通信也不是适合BPSK;与ASK和PSK相比,FSK具有抗干扰性,实现难度相对较低。

  2.2.3耦合技术

  耦合装置是PLC通信系统的重要组成部分。高频信号载体在传播方面的负责人PLC通信系统必须经过对接的充电线高频电源。PLC通讯系统中最常见的形式,高频信号耦合携带是耦合天线耦合电容耦合、敏感和耦合到空的陶瓷电容耦合和耦合敏感常常使用携带的通讯系统在线能源低电压。电容耦合,又称电容耦合。高频电容器将电力线与高频载波信号连接起来的耦合则为直接耦合。信号发送的时候,载波信号利用高频电容器进入到电网之上,当进行信息接收时,需要再次使用高频电容器分离出载波信号。

  感应耦合器,又称感应耦合器或变压器耦合器,是一种采用变压器耦合器的非接触式耦合器。信号接收后,把电源线加载到高频变压器的一次边缘,可与高频变压器二次边缘的高频载波信号耦合;在发送信号时,将调整后的高频载波信号加载到高频变压器的二次侧,可与一次侧的高频载波信号耦合。

  耐受耦合分为直接耦合,敏感耦合分为间接耦合。与灵敏联轴器的传动特性相比,耐受联轴器无疑更好,其具有更小的工作衰减;另外与电容耦合相比,敏感耦合更加的高效以及简单,但也易于遭受到干扰。因此设计耦合装置的时候,需要综合考量高频载波信号的耦合能力以及效率。

  2.2.4电力线载波通信技术原理

  PLC的工作方式为持续扫描以及循环。换句话来说即PLC进行时,CPU需要按照用户的要求把相应的程序进行编程以及存储到内存之内,另外根据指令的序列号对这些程序进行周期性扫描。每次扫描都需要进行以下三个步骤,采样输入、执行程序以及更新输出。

  2.3 PLC基本结构

  有许多种类的PLC和不同的系统,但它们的结构和运作原则非常相像,往往都是部分关键性部件,比如主机、输入/输出接口、电源接口和外联以及外部设备接口。

  (1)主机

  主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序内存以及用户程序和数据内存。PLC内部存储器主要包含有两类:系统程序存储器,主要存储系统管理和监控程序。系统程序是由制造商设定的,用户无法进行更改;另外一组是用户程序和数据内存,主要存储用户准备的应用程序以及各种临时存储数据。

  (2)输入/输出(I/O)接口

  I/0接口是连接到输入/输出设备的PLC组件。输入接口主要是来接受输入设备的控制信号。输出接口是通过主机借助放大电路处理的输出来驱动输出设备。I/0接口往往采用光电耦合电路来减轻电磁干扰,进而提高其可靠性。I/0点的数量,即输入/输出端子的数量,是PLC的关键技术指标之一。一般来说,小型机、中型机以及大型机分别含有的点数为几十,几百以及上千点数

  (3)电源

  电源主要是给CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源,另外其往往也向输入设备提供直流电源。

  (4)编程器

  编程器是PLC的主要外部手动编程设备,用户可以借助它来输入、检查、更改、调试程序或监视PLC的运行。除了手持程序员,PLC还可以通过适配器和特殊的电缆连接到计算机。

  (5)输入/输出扩展单元

  I/O扩展接口主要是来连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元以及基本单元。

  (6)外部设备接口

  此接口可以把编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相互连接在一起,然后对相应的操作进行完成。

  2.4 PLC系统

  PLC系统的选择主要需要从四个方面综合考虑,I/O点数、PLC的存储容量、CPU性能以及控制成本。比如在对选择PLC系统时,针对I/O点数则需对PLC的输入输出留有余量,防止设备在使用过程出现出现有输入或是输出点损坏的情况下有多余的可进行替换的输入输出点。同样的选择的PLC的存储容量也要大于所编写程序容量。在选择CPU时,要清楚知道每一款PLC的优缺点,这样才能保证我们选择更加合适的PLC来处理我们的项目。控制成本,顾名思义,就是利用最少的钱来解决我们的项目,保证选择具有更高性价比的PLC。

  目前市场上主要的PLC公司有Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider和GE。相比较其他公司,Omron公司的PLC产品便于编程、性价比较高,因而本项目采用的是Omron公司的PLC产品。CPU单元是PLC系统的核心单元,因此其选择是本项目的重中之重,Omron的CPU系列主要包含CJ、CP和CS等系列。由于CJ系列的CPU单元具有较大的内置的存储器容量,并且有着高速的运行速度。因此本系统选用是OMRON的CJ2M系列。

  第三章照明系统设计

  LED照明的亮度是指光源的特性、可控性的功率电源、控制信号传输、数据收集、数据处理、通信中央控制室和许多其他技术,以及相应的控制项目高级电脑软件。LED的光照强度可以实时进行管理,管理结果同步上传到控制系统之中。然后根据环境亮度参数,在计算相应的输入数据后,转换为标准信号,控制LED亮度。解决LED亮度控制问题的关键是开发一种稳定、高效、可控的电源。为了使控制系统能够同时远距离控制多个LED,其控制输入采用高电阻形式,保证了远距离控制信号的传输。LED照明系统增加了视频监控系统。在没有行人和车辆的情况下,系统应保持LED的最低亮度;当行人和车辆到达时,系统会立即将LED亮度提高到所需的亮度,从而避免无人驾驶车辆在道路上长时间照明。

  3.1控制系统

  3.1.1 PLC模块介绍

  (1)CPU模块

  CPU模块是PLC的核心,综和CJ2M系列CPU的性能、价格等因素,本项目选用CPU15单元,图1展示了该单元的平面图。该单元所包含的优点如下所示,其包含有较大容量的存储器以及该型存储器的运转速度相当快。此外,CJ2MCPU单元借助标签名称可以利用外部设备来对该单元进行访问,不需要采取I/O地址。通过这种方式可以快速的、方便的添加以及更新一些相关设备;另外对于使用者来说,这样的方式也更有利于使用者进行编程。CJ2MCPU可以提供高可读性的编程环境,其中数组变量地址以及偏移指定等;还对调试功能进行了进一步的强化,极大的增强数据追踪以及在线编辑能力。

  由图3.1可以得到,CJ2M-CPU15具有外围(USB)端口与内置串行端口。USB端口连接到包含有PLC编程软件的电脑上,内置串行端口连接上位机、通用外部设备、可编程终端以及其他设备。

  图3.1 CJ2M-CPU15平面图

  (2)电源模块

  电源模块的作用是对PLC提供动力支撑,本项目选择CJIW-PA205R型电源模块,该型电源的平面图示意图如图3.2所示。该型电源含有AC(交流)输入和DC(直流)输入。将AC输入和LG分别连接三线插头的火线、零线和地端,然后将插头连接到插线板上,就可以使用了。

  图3.2 CJ1W-PA205R平面示意图

  (3)通信模块

  本项目使用CJ1W-SCU31-V1来保障CPU单元与外部I/O模块数据交流。其结构以及平面示意图如图3.3所示。拨码开关TERM为终端电阻开关,本系统使用时需要设置开关为“ON”,其目的是为了减少通讯产生的干扰。wire的拨码开关2和4线制的拨动位置 黄表了串口的工作模式。本SCU单元上面有两个串口,

  在设定通讯模式时需要参照实际情况要求来正确进行设定。

  本系统SCU串行通信模块为了连接回路控制器选择485引脚方式,因此将wire拨到2线端。该模块的连接引脚中1、2、6、8可进行数据传输,其余引脚未使用或被屏蔽。使用485传输模式时,使用双线连接引脚1和2或引脚6和8。

  图3.3 CJ1W-SCU31-V1实物图与平面展示图

  3.2 LED照明工程智能调控系统方案

  需要给所有道路提供相关控制设备(外部照明传感器、电流放大器、模块等),可安装在靠近变电站的道路上,节省成本。亮度传感器安装在路边变频器的外部,面向着道路。

  还可以通过连接连接到功率监控系统的数据交换机,来接收系统相应的指令,借助功率监控系统对照明电路进行调整进而调节灯光亮度。另外功率监控系统还有着相应的配套模块,所灯光亮度还可以利用此模块远程进行控制。

  3.2.1远程控制实现方法

  远程控制是在分段控制分中心的统一控制下进行的。能够满足远程控制cvt监管项目的需求。

  1.路段监控系统。通过在道路路口设立线圈以及监测行人和车辆的视频探测器,将这些装备与监控副中心进行相连接,保证监控副中心可以及时进行监控。

  道路内外均设有亮度探测器,利用计算机系统对所监测数据进行充分的分析以及比较,然后根据分析的结果提出最优照明控制方案。道路照明控制采用电路控制方法。这个跟踪系统是通过调查从现场的每个团队收集数据来完成的。

  2、简单的能量控制。通过电气监控系统控制照明电路的开启和关闭。每个变电站应安装一个通信处理器,用于收集电力控制数据、处理数据和转换协议。

  来自现场设备的数据由所有变电站的通信设备汇总,然后上传到最近的接入点,然后从接入点上传到路段的监控分中心。遥控照明等级分为四类(晴天、阴天、夜晚和夜晚)。操作者可以通过向本地道路控制器发送路灯编号来实现道路照明的远程控制功能,以调节道路照明。

  通过这种方式,道路可以与监控系统共享设备、传输线和信息资源。本地接收各类亮度调节指令,在监控分中心实施以流量为中心的无级变速调节。

  3.2.2本地PLC控制方法

  1、根据亮度检测数据,全天无级调节亮度,使道路亮度在白天保持在基本照度以上,在强化照度以下“保持亮度”。这种亮度为行人和车辆进入道路而不被行人和车辆发现的事故处理前的安全照明。

  2.行人和车辆通过检测器,实时收集行人和车辆数量、行人和速度的数据,通过产生控制电压进行动态调节。

  3.2.3供电系统及控制原理设计

  路灯准备两边,两边的灯光控制间隔通过两个独立的控制回路,例如:#1电路控制灯的左边,数字电路#2双控制的灯光站在同一边。3号和4号电路分别控制右边的单号和双号灯。当你进入第二阶段时,每一侧都有一个电路关闭,也就是说,1/2的灯被关闭。进入第三阶段后,四个电路中有三个被分割,也就是说,只有四分之一的灯被点亮,这与学校的路灯要求相符合。此外,因为灯具容量较大,因此需要采用双层公交车供电系统,每一段小型公交车为部分路灯供电。采用两阶段总线系统将更加灵活还降低了总线和断路器的容量,方便日后进行安装和维护。每个电路由接触器控制,接触器的动作由PLC程序控制。图3.4为该电路系统示意图。

  图3.4电路系统示意图

  3.3分时智能控制程序编制

  如前所述,照明控制分为每天3个时段,为了尽可能的节约能源,本文在编程时综合考量了一年中的不同季节,例如春季和秋季,一般在下午六点之后,阳光会逐渐变弱,冬季可能在五点之后就会变弱,但在夏季往往会在七点之后才逐渐减弱。故而四季分为不同的周期,在设计时综合考虑了四个季节的识别,尽可能的节约能源。

  3.3.1三时段控制程序编制

  在时段控制程序编制中,使用了数据比较功能指令,与普通指令相比,程序较短,程序大幅简化。把5月1日到10月1日定义为夏秋定时,并把这三个时间段分别划分为18点到21点、2l点到23点、23点到凌晨5点。10月1日开始到明年4月30日,“冬天、春天”和定义、17点到21点21点到23点,23点至上午6点分成3个时间段。道路照明的PLC程序可实现每个季节的时间段控制要求。图3.5示出了道路照明的序列图。在这里说明的是,学校的电力供应的质量很好,从停电少的特点,下面的程序自动更正时间程序,因此第一次驾驶时间从中午12点开始,不应该,此后被照明自动控制,人工干涉是不必要的。

  图3.5道路照明的序列图

  图中x0开始开关的信号,自动选择工作制度和x0状态投入和PLC程序的动作,让x0闭上后开始计数的计数器co。M100是异步式识别控制信号,M100是高级应用在夏秋季时的工作状态,M100是低级应用在冬春季时的工作状态。Y0,Y1,Y2,Y3分别控制道路两侧的灯。从程序中可以看出,第1期间Y0、Y1、Y2、Y3全部为“1”,照明设备全部点亮。第二期间Y0,Y2重置为“0”,道路两侧各点亮1/2灯。第三的期限只有y1控制电路的动作。M200是暑假的控制接点,在寒暑假期中提问,M200断开,Y0,Y2,Y3不能得到电。

  3.3.2季节自动选择程序

  为了最大限度地节约能源,灯的开启时间因站而异。季节选择程序主要是为控制夏季、秋季、冬季和春季的不同时期而设计的。PLC具有日期设置和识别功能,可以对车站的转换进行控制,也可以对车站的不同季节进行控制。程序中的M100是控制季节性程序转换的信号,当M100启用程序时,它进入冬季和春季控制。另一方面,这个项目是夏秋对照。