基于Cortex-M 3核的車間智能照明設計

欒新源

(上海大學微電子中心,上海200444)

引 言

智能照明控制系統不僅可以節能,還能創造舒適的工作環境、提高工作效率,因此在各工廠車間中的應用越來越多。設計時,除了要滿足《建筑照明設計標準》(GB50034-2004)規定的有關工廠車間的照度要求和照明功率密度要求外,還要考慮操作及功能的人性化和高光效燈具的使用,以便節能。本文以建湖工廠一車間智能照明工程為例, 介紹工業廠房智能照明的設計方法和技巧。

1 車間概況及要求

車間為80m×75m矩形,東西走向鋼結構廠房,燈具懸高8m左右。東西兩端為開放式現場辦公室,自帶工位照明。車間以節能燈裝配,在線老化為主。另有2條燃氣毛管烘烤線,其上方5m處溫度有55°C(室溫30°C)。原有的方案是使用90盞400W高壓鈉燈。鈉燈功率因數只有0.5,其耗電量高達400×90/0.5=72 kW。工位安裝有日光燈照明,故作為輔助照明,查設計標準可知只需200 lx即可。

照明要求:從概況可知工廠車間燈具懸掛較高,故燈具要求壽命長、維護少。生產線的特性要求:顯色性好,便于分清顏色;照度分布均勻度合理,眩光小;方便根據不同日照情況調節亮度。

安全要求:按《建筑設計防火規范》(GB 50016-2006)的相關條文,燈具三線單相供電,可靠接地,線粗至少2.5mm;2分支線路沿鋼架穿管布線,主線走金屬橋架布線;出口處設置應急燈,單獨走消防線路。

2 車間的照明設計

按照《建筑照明設計標準》(GB50034-2004)的要求逐步細化設計。

2.1 光源選擇

市面上電光源種類繁多,光源參數比較如表1所列。

表1 光源參數比較

選擇標準普遍遵循“三高”原則:高發光效率,高壽命,高顯色性。金屬鹵化物燈不但符合“三高”標準,而且適合大空間使用。其燈具特性如表2所列。

表2 金屬鹵化物燈燈具特性

2.2 布燈方案

采用250W金鹵燈,1行10個燈,共9行,每行獨立控制亮度。由于點著的大量節能燈在老化,實測臺面照度為300 lx。

3 控制系統設計

整個系統以觸摸屏為核心,在觸摸屏上有圖形化人機界面,直觀地控制燈具。系統框圖如圖1所示。每個模擬調光器有唯一一個32位地址。開機后觸摸屏發送地址查詢命令,模擬調光器將自己地址發送給觸摸屏,觸摸屏存儲地址并分配一個通道號給這個地址,亦可在觸摸屏上手動分配,建立映射關系。

RS485和CAN總線都是目前應用廣泛的現場總線,兩者比較如表3所列。

圖1 系統框圖

表3 RS485和CAN總線比較

由于工廠車間燈光控制要求可靠性高、后期維護工作少,所以控制系統采用CAN總線。CAN總線是一種多主方式的串行通信總線,具有較高的位速率和抗電磁干擾能力,而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10 km時,CAN總線仍可提供高達5 kbps的數據傳輸速率。CAN控制器具有硬件仲裁機制,根據報文的ID決定其發送的優先權,不用擔心同時發送時系統會崩潰。模擬調光器收到調光命令后將轉換成調光電壓,燈具根據收到的電壓值調節亮度。

3.1 觸摸屏模塊

采用8 in屏觸摸屏模塊進行二次開發,編寫應用程序和人機界面。該屏為TFT真彩屏,分辨率為800×600,畫面色彩豐富細膩。開發工具選擇大眾化的Keil C,上手容易。觸摸屏界面如圖2所示。

3.2 模擬調光模塊

核心芯片采用TI公司ARM Cortex-M 3內核的LM 3S8962,最高工作頻率為50 MHz。它具有256 KB Flash、64 KB SRAM、6路PWM、4個ADC、CAN控制器、10/100M以太網、UART口、42個I/O口,以及32位的實時時鐘(RTC)、萬年歷功能。

CAN接口芯片選用TI公司的sn65hvd1050d,速度高達1 Mbps,防錯接電壓-27～40 V不會損毀,瞬間可承受電壓范圍為-200～200 V,為系統的高可靠性提供了保障。

CAN通信電路如圖3所示。穩壓器78L05、AZ1117-3.3和AZ1117-2.5為系統供電。LM 3S8962從CAN總線上收到屬于自己的調光指令后,將亮度值送給相應的PWM通道,調節占空比,采用二次積分方式轉換成電壓值。PWM幅值為3.3 V,積分電壓最大只有3.3 V。模擬調光電壓范圍為1～10 V。用LM 358同相放大3.1倍,可滿足需要。輸出端加三極管13005可提高輸出阻抗和高達2 A的驅動電流。亮度感應器主電路類似,可在LM 3S8962的AD0口連接一個MG45光敏電阻來獲取亮度值。

圖2 觸摸屏界面

3.3 燈具模塊

燈具采用電子鎮流器,效率高,相對而言電感型更可靠。表4為在烤箱中模擬環境下點燈實驗。

表4 HID鎮流器溫度測試報告

在環境溫度較高情況下,電子鎮流器內部溫度過高,直接影響電解電容壽命,進而影響整機的可靠性。在車間有高溫設備的情況下,選取電感鎮流器比較耐用。通過改變繞組(即改變電感值的方式)可實現變功率。變功率電感鎮流器結構框圖如圖4所示。電感鎮流器有4個頭,可實現150W、200 W、250W三段調光。

圖3 CAN通信電路

4 觸摸屏和調光器工作流程

4.1 觸摸屏工作流程

圖4 變功率電感鎮流器結構框圖

繼電器切換電路如圖5所示。1～10 V輸入用PC817光耦電器隔離。只需2段調光,可將10 V分為1～5 V、5.1～10 V兩個區間。150W為開機狀態,調光電壓通過555內部電壓比較器和5 V比較,切換繼電器到250 W。供電用阻容降壓產生12 V輸出。K3021P帶過零檢測切換功能,可減少繼電器切換火花。

觸摸屏程序設有總開、總關、全自動運行、每行燈單獨調光以及場景模式。全自動模式即按照上班作息表和天氣調節亮度。例如,天氣晴朗時,上班期間燈具為200W,吃飯時間關燈;天氣不好時,環境光暗,則上班時間燈調整至250W,吃飯時間150W且只亮一半燈。場景模式按實際情景需要半自動設定亮度。例如,關閉日光補償模式,選擇上班模式,則亮度一直最亮;休息模式下,亮度最暗。

觸摸屏工作流程如圖6所示。

圖5 繼電器切換電路

圖6 觸摸屏工作流程

4.2 調光器工作流程

圖7 調光器工作流程

調光器主要完成CAN通信和PWM脈寬調制工作。調光器工作流程如圖7所示。初始化后等待主機發送查詢ID指令,收到后回復ID,主機依據ID發送狀態查詢命令和調光命令。程序采用接收完成產生中斷方式處理數據。

CAN信息幀報文的數據格式:

CAN標準信息幀為11個字節,包括信息部分和數據部分。SOF為幀信息(1字節),其中FF位表示幀格式(標準幀FF=1,擴展幀FF=0)。這里采用標準幀,速率為1200 kbps。PWM程序只需設置即可。

結 語

該車間采用本文設計的電路優化后,節電效果非常明顯。改用250W金屬鹵化物燈后,通過智能控制系統日光補償和休息節電,可再度節電25%。現耗電量為250×90×75%/0.85≈19853W(其中,0.85為功率因數),節電量為72000-19853≈52147W。按12小時工作計,一年(按365天計算)可節省22.8萬度電。該方案技術先進,成本適中,可給企業帶來良好的經濟效益和社會效益。

[1]趙慶勇.工業廠房的照明設計[J].電工電氣,2010(5):58-59.

[2]謝聚良.工業廠房照明的改進與效益[J].西安工業學院學報,1996,16(2).

[3]Luminary Micro Inc.LM 3S8962 MicrocontrollerData Sheet,2009-04.

[4]Robert Bosch GmbH.CAN Specification 2.0,1991-09.

[5]中國建筑科學研究院.GB 50034—2004建筑照明設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2004.