隧道照明单灯控制管理系统

  据不完全统计目前我国建成通车的公路隧道已超过2600延公里,且随着交通基础设施的不断完善,公路建设正向地质环境条件更为恶劣的山区发展,公路隧道将进一步延伸。为了保障交通安全,隧道照明是公路建设中不可或缺的重要组成部分。按照我国公路照明设计规范规定,长度大于100m 的公路隧道应设置照明设施,且每延公里隧道照明负荷应不小于60kW,按每日平均开通10个小时计,平均年耗电量达21.6万度(折合76吨标准煤),能耗巨大。再加上维护更新费用,以至于公路隧道照明成了困扰公路运营单位的沉重经济负担。
另外,隧道照明中必须考虑某些特殊的视觉现象,为了对隧道照明进行优化设计,就有必要先了解些基本的视觉问题。在白天,驾驶员进入隧道时会遇到如下视觉问题:刚进入隧道由于白天隧道外的亮度相对于隧道内的高很多,如果隧道足够长,驾驶员看到的是黑乎乎的一个洞,这就是“黑洞”现象;如果隧道很短的话,在驾驶员面前就出一个“黑框”。进入隧道后由明亮的外部进入一个较暗的隧道,视觉会有一定的适应时间,然后才能看清隧道内部的情况,这种现象称为“适应的滞后现象 ”。在隧道中间段,由于汽车排出的废气集聚,形成烟雾,汽车前照灯的光会被这些烟雾吸收和散射,形成光幕和降低前方障碍物与其背景(路面,墙面)之间的亮度对比度,影响障碍物的能见度,给视觉功能带来不利影响。隧道出口处会出现一个很亮的出口,对驾驶员会产生强烈的眩光,从而看不清路况,容易发生车祸。为此隧道照明通常分为入口照明,内部照明和出口照明。其中对入口照明的要求更加严格,要求从与外界相仿的亮度逐渐降低。具体而言,白天隧道入口照明的亮度要根据隧道外的亮度,车速,入口处的视场和隧道的长度来确定的。
节能降耗、保障安全是建设和运营单位迫切需要解决的技术难题。巨川电气科技隧道单灯智能照明控制系统可以节省电量的损耗,同时改善隧道内视觉享受,减轻驾驶员疲劳,有利于提高隧道通行能力保证交通安全。
2.设计依据
隧道和道路照明,尤其是高速公路隧道照明有如下显著特点与要求:
•    灯具节点数量庞大一般为数千盏甚至上万盏;
•    管理区域大,少则一公里,多则近百公里;
•    施工安装和维护难度大,成本高;
•    照明与行车安全相关,需要高可靠性和稳定性;
•    需要集中控制。
基于以上几点,隧道的业主和设计、运营、养护等单位都对照明提出了智能控制的需求。此外,伴随着科技的进步和发展,人们对控制系统也产生了新的性能期望和要求:
•    能在电脑或电子设备上可视的、简单、快捷地控制所有照明灯具
•    对隧道灯具,尤其是加强段照明的灯具实施按需调光,达到消除白洞、黑洞效应的目的,并且能够节能降耗。
•    对道路灯具,按照灯具安装区域的经纬度,运算出天文时钟,自动的在日落时开灯,日出时关灯。按需调光,达到节能降耗的目的。
•    能够迅速、实时地掌握所有灯具的工作状态,对异常状态及时报警,达到提高安全性,并且降低维护成本的目的。

二.系统功能
隧道照明控制方案的实施,依赖于先进控制技术和控制方式的支撑。隧道照明系统配置了照明控制配电箱,能实现现场人工控制和自动控制,并且预留了远程控制模块,以实现对照明设施的远程控制。隧道照明灯具采用手动、遥控、时控三种控制方式进行控制,一般情况下采用遥控和时控方式,检修时采用手动控制。通过时间控制模式,晚上关闭加强照明灯具;基本照明灯具则保持常亮。同时,白天根据洞外亮度情况对隧道加强照明灯具亮度适应曲线进行动态调光控制,以达到安全、舒适、高效、经济的照明效果。该方式重点突出安全和节能控制的特点,体现绿色照明要求,追求“按需照明”的理想没计目标。随着工业自动化水平的提高和照明光源的发展及照明灯具的改善,智能控制方式将会得到更为广泛的应用。具体功能如下:

远程控制与管理:通过CAN总线通信技术和网线实现隧道照明系统的远程智能监控与管理;
隧道分段亮度调节:出口段、入口段、隧道内过渡段、隧道内部等,分段设置,自动进行分段照明控制;
多种控制方式:监控中心远程手动/自动、本机手动/自动、外部强制控制等五种控制方式,系统管理维护更加方便;

数据采集与检测:隧道灯具及设备的电流、电压、功率等数据检测,终端在线、离线、故障状态监测、实现系统故障智能分析;

多功能实时报警:灯具故障,终端故障、线缆故障、断电、断路、短路、异常开箱、线缆、设备状态异常等系统异常实时报警;

综合管理功能:数据报表、运行数据分析、可视化数据、景观设备资产管理等完善的综合管理功能,管理运维更加智能化。

三.隧道单灯控制管理系统
 
系统结构: 
A.隧道单灯管理器
隧道单灯控制器即:集中控制器,安装在配电柜中,1台可管理200盏以下的单灯控制器。
 

工作电压AC220V  50HZ
负载电流5A
环境温度-20℃-70℃
通讯方式CAN总线通讯方式,同时带数据接口
安装方式面板开孔嵌入式/底板支架式
产品重量416g
面板开孔158mm*94mm
外形尺寸162*100*45mm(长*宽*高)

单灯管理器功能特点:
(一)接收和发送子网内的所有单灯控制信号、数据记录、报警处理等。它负责控制子网内的单灯控制器运行,将系统中心的命令下达给单灯控制器,将单灯控制器及线路信息反馈系统中心。集中控制器处于系统中心和单灯控制器的中间,向上通过TXD和RXD数据接口与网关通信,网关再与系统中心通信,向下则是通过 CAN总线通讯协议方式,同各个单灯控制器通信。
(二)可实现对三相电或者单相电的电流(三路)电压(三路)、有功、无功、
功率因素、温度等数据的采集;
(三)接收服务器下发的定时策略存储在本地,上报服务器所要查询的数据;可实现本地或者远程的查询与配置;同时可实现策略的查询、修改;也可进行手动实时控制命令和查询命令;
具体功能如下:
①实时控制:可实时控制每盏单灯开关
②本地控制:回路控制,支持本地操作
③定时控制:分段定时,星期选择
④经纬控制:自动计算当地日出日落时间进行相应的开关控制
⑤2路开关量采集(非法开门、红外检测、烟感货接触器状态等)
主要参数:
工作电压    AC220V  50HZ 
负载电流    5A
环境温度    -20℃-70℃
通讯方式    CAN总线通讯方式,同时带数据接口
安装方式    面板开孔嵌入式/底板支架式
产品重量    416g
面板开孔    158mm*94mm
外形尺寸    162*100*45mm(长*宽*高)
B.隧道单灯控制器( )
安装在灯具内部,实现对每盏灯具的开关控制,调光控制等功能。 

工作电压AC220V  50HZ
负载功率3KW
环境温度-40℃-85℃
回路输出1路
通讯方式CAN总线通讯方式
调光方式PWM/0-10V
防水等级IP65
外形尺寸155*68*40mm(长*宽*高)

隧道单灯控制器功能特点:
控制隧道灯具开关、亮度调节、电流采集、电压采集、计算功率以及功率因数等。单灯控制器安装在灯具内部,满足路灯企业和工程商的使用需求。洞外的亮度检测仪通过CAN口与单灯控制器连接,入洞口的加强照明灯具开启时,单灯控制器通过读取隧道外亮度检测仪的数据,即可根据洞外亮度的等级对LED隧道加强灯具输出功率进行动态调光;另外,加强照明采用自动控制模式,可分为:晴天、云天、阴天、重阴天4级,单灯控制器可其他设置好4个级别的调光功率,满足不同天气状况的照明要求。
主要参数
工作电压    AC220V  50HZ 
负载功率    3KW
环境温度    -40℃-85℃
回路输出    1路
通讯方式    CAN总线通讯方式
调光方式    PWM/0-10V
防水等级    IP65
外形尺寸    155*68*40mm(长*宽*高)
C.智能网关模块( )
智能网关模块是连接集中控制器与后台软件的转换中心,以太网接入网线,设置好IP地址,电脑系统软件即可远程操作管理控制隧道单灯。
 
智能网关功能特点:
通过以太网可以接入Internet实现远距离通信,布线简单,一般采用网线的屏蔽线接口;支持多联网通信,传输稳定,速率高!
主要参数:
工作电压    DC12-24V  500mA
使用环境    -40℃-85℃
LAN以太网    10/100M bps
配置方式    网口
串口波特率    9600bps
网络协议    TCP
外形尺寸    81*104*26mm(长*宽*高)

工作电压DC12-24V  500mA
使用环境-40℃-85℃
LAN以太网10/100M bps
配置方式网口
串口波特率9600bps
网络协议TCP
外形尺寸81*104*26mm(长*宽*高)

D.中继器( )
当CAN通讯线超出1200米,需增加一个中继器,使得电脑远程控制通讯信号更加稳定,保证数据传输的稳定性和高效性。

工作电压DC12-24V  500mA
使用环境-45℃-85℃
工作消耗<1W
通讯接口CAN-BUS总线
数据吞吐量3000fps
隔离保护CAN端口具备2500VDC电气隔壁
外形尺寸60*102*27mm(长*宽*高)

中继器功能特点:
提供4个CAN信号接口,实现独立CAN网络间数据交换;
过滤错误CAN信息,改变网络拓扑结构;
延长网络通讯距离,增加节点数量;
主要参数:
工作电压    DC12-24V  500mA
使用环境    -45℃-85℃
工作消耗    <1W 
通讯接口    CAN-BUS总线
数据吞吐量    3000fps
隔离保护    CAN端口具备2500VDC电气隔壁
外形尺寸    60*102*27mm(长*宽*高)

E.系统软件(计算机系统+软件监控平台)
 
系统中心主要实现通过系统控制软件对不同(集中管理器)下的单灯控制器进行远程数据访问和控制,包括参数配置,控制命令发送、现场灯具状态收集等。能够显示路灯开关状态信息,能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度,可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作,具体功能如下:
远程开关:可对任意一盏、一路或自定义的一组路灯进行远程开关控制;ö
远程调光:可对任意一盏、一路或自定义的一组路灯进行远程调光控制;ö
状态查询:可随时查询路灯的开关状态、亮度、电流、电压、功率等数据。ö
自动巡检:系统具有自动巡检的功能,可代替人工巡检。ö
自动运行:系统可自动执行设置好的照明策略,可实现定时开关灯、分时段调光等。ö
情景照明:可自定义设置任意分区、分组、分时以及隔盏亮灯等情景照明模式ö
故障报警:可实现故障报警、故障检测ö
数据报表:可按日、月、年统计用用电量、节能率等数据,并生成相关报表ö
历史记录:可保存操作历史记录,能追溯操作失误问题ö
设备管理:可管理单灯控制器、集中管理器等设备,包括录入、修改、删除、查询等功能。ö
分级权限:不同级别的用户可设置不同的管理区域和操作权限ö
地图功能:系统集成GIS地理信息系统,可在地图上查看和管理任一盏路灯。ö
 
四.隧道单灯控制系统的实际应用
1.节能方面
目前隧道照明的能耗有70%左右是浪费在过渡照明上。因此,隧道照明节能,首先必须从减少过度照明着手。若要减少过度照明,就要求照明灯具的功率能够根据需要进行调控。那种用单纯减小灯具设计功率以减少过度照明的方法是不可取的。因为这种方法会使照明系统运营一段时间后亮度就会低于规范要求。到那时,除非增加灯具数量,否则就只有采用降低行车速度或频繁更换光源的方法来解决了。采用无级调光这种方式是一种不错的选择,这种无级调光方式是基于LED 光源基础上实现的。它可使灯具亮度根据需要任意调整,隧道内需要多亮,照明灯具就提供多大的亮度,在满足规范的前提下避免了过度照明,最大限度地节约了电能。
 
2.控制方式
采用巨川电气科技智能隧道灯控制系统后即可实现基本照明和加强照明相结合的控制模式,一套系统里面即可实现开关、调光、巡检控制,可根据不同的环境需求实现无极调光变换,达到管理方便、节省能源的功能。
考虑既要保证隧道的舒适度、亮度要求,又要充分节约能源、降低运行费用,隧道照明采用照明自动化控制、就地控制和遥控。根据洞外环境亮度、交通量的变化,按白天(晴朗)、傍晚(多云)、阴雨天、重阴、夜间、深夜六级标准对洞内照度进行控制。晴朗的白天基本照明和加强照明灯具全部开启,傍晚或多云天气加强照明灯减半,阴雨天加强照明灯开启1/4,重阴天加强照明灯开启1/8,夜间加强照明灯全部关闭,深夜交通量较小时基本照明灯具可按50%调光。
照明自动控制由设备监控系统负责,巨川电气科技 LED 照明调光系统预留了开放标准的CAN通信接口,可外接各种传感器。洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号传送至控制装置上,再由其换算后输出0~10V 直流模拟信号去控制 LED 灯具的输出功率,从而达到控制被照场所亮度的目的。 
2.2.1基本照明控制
隧道内基本照明的特点是工作时间长,需要24小时持续照明。根据这一特点,在设计基本照明亮度时考虑了足够的冗余量。但在使用时,我们并不需要将设计冗余全部用上,即满功率工作;而是需要多少功率就提供多少功率。在未来若干年内,当灯具出现一定的光衰时,可通过控制系统相应增加灯具的输出功率,使隧道内的基本照明强度始终都能满足规范要求而又不会产生过度照明。
2.2.2加强照明控制
隧道加强照明灯具早晨开启和晚上关断的时间以及灯具开启后的亮度调节均由隧道单灯控制系统装置进行控制。控制系统根据检测到的洞外亮度数据,经计算后去控制洞内灯具的输出功率。这种自动跟踪洞外亮度,调节洞内亮度的照明方式,有效避免了过度照明,实现了按需照明的目标,最大限度地节约了电能。
2.2.3应急照明控制
隧道的应急照明灯具又兼做基本照明灯具,均由 EPS 电源供电。当市电断电时,控制装置瞬间将基本照明灯具的功率同步控制到额定功率的15%左右。这使得系统在市电断电情况下应急照明的配光特性与原先的基本照明相同,最大限度地避免了交通事故的发生。
3.LED调光控制的优越性
隧道采用 LED 照明亮度单灯智能控制系统后,节能只是其优越性的一个方面。由于节能,它的工作温度绝大部分时间都处在一个较低的水平。而工作温度的降低,又会衍生出其他的效益:
(1)亮度无级控制,比分级控制的同类灯具更节能40%,比钠灯照明节能70%~90%
(2)由于一年中只有夏天的中午,加强照明灯具才接近满功率工作,大多数时间均在10%~60%的功率下工作;而基本照明的设计冗余留到远期再用,近期的工作功率也低于灯具的额定功率。这使得灯具和电源的长期工作温度非常低,不仅可大幅减小 LED 的光衰,还延长了 LED 和电源的寿命。
(3)下半夜功率可同步减半,灯具配光特性保持不变,避免了单侧关灯所产生的危及行车安全的斑马效应。
(4)系统设计简单,只须2个回路,即一个基本照明回路和一个加强照明回路。基本照明又兼应急照明;当市电断电时,所有基本照明的功率均降至额定功率的
10%,从而确保了照度的均匀性。
(5)当隧道未达到设计车流量时,可依据规范对洞内照明强度进行相应折减,折减量可根据需要任意设定,以确保在满足规范的前提下最大限度地节约电能,避免过度照明,使系统真正实现了设计师们追求的按需照明的设计理念。
(6)与分级调光系统相比,该系统可节约相当数量的电缆、控制箱及相应电气的费用。
 

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于灯火阑珊处,于暗香离别时,未曾放弃。
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