LED隧道照明控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

張玲 郝翠霞

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

1 引言

在山區(qū)高速公路建設(shè)中，隧道所占比例很大，建成通行后公路隧道用電費(fèi)用相當(dāng)驚人。由于偏遠(yuǎn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，車(chē)流量很小，隧道照明費(fèi)用已成為高速公路隧道管理部門(mén)的一筆沉重負(fù)擔(dān)，特別在運(yùn)營(yíng)的前幾年，征收的通行費(fèi)還不夠運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)支出。如何提高隧道的運(yùn)營(yíng)效率、降低能源消耗，成為高速公路建設(shè)亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)有的隧道照明控制大多采用時(shí)序控制法，主要通過(guò)投退不同的照明回路，以增減工作燈具數(shù)量的方式來(lái)達(dá)到目的。這種控制方法雖然簡(jiǎn)單、可靠，但未完全考慮環(huán)境因素對(duì)隧道照明的影響，如天氣條件、隧道通風(fēng)狀況、交通量以及車(chē)速對(duì)照度的要求等，不能完全滿(mǎn)足隧道照明的要求，并且能耗高。隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，目前高效節(jié)能的LED照明燈已越來(lái)越多地應(yīng)用于隧道照明系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的光源相比，LED具有低壓、低功耗、高可靠性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，是一種符合環(huán)保、節(jié)能的綠色照明光源。為了進(jìn)一步發(fā)揮LED照明的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在采用LED作為隧道照明時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化照明設(shè)計(jì)布燈方案，完善控制策略和控制手段。LED燈的驅(qū)動(dòng)電源可以接受調(diào)光控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)整輸出電流控制LED燈的光輸出，這一特點(diǎn)使得我們可以通過(guò)采用更為完善的控制技術(shù)來(lái)降低照明能耗，提高系統(tǒng)的技術(shù)水平。本文將從完善控制策略的角度提出LED隧道照明控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用方案，綜合分析隧道照明的要求及其特點(diǎn)，為大功率LED隧道照明控制系統(tǒng)提供完整的解決方案。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

LED隧道照明控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心的主控計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)LED隧道照明控制器以及相關(guān)通信設(shè)備等構(gòu)成。隧道照明控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集隧道外照度值、隧道內(nèi)照度值、車(chē)流量、車(chē)速等數(shù)值，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)定的調(diào)光控制邏輯計(jì)算出各隧道、各區(qū)段當(dāng)前的照度參數(shù)，再通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)向各隧道LED照明控制器發(fā)出調(diào)光控制指令。根據(jù)隧道的特點(diǎn)，隧道照明控制包括入口段區(qū)域照明控制、過(guò)渡段區(qū)域照明控制、基本段區(qū)域照明控制 (若干)和出口區(qū)域照明控制。隧道照明控制器根據(jù)接收到的調(diào)節(jié)命令，自動(dòng)調(diào)整燈具電源的輸出電流 (PWM方式的占空比)，改變LED隧道燈的光通量或者工作狀態(tài)。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)照度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到當(dāng)前隧道照明的照度，判斷當(dāng)前的照度是否滿(mǎn)足隧道照明要求，如果不滿(mǎn)足，就下發(fā)新的控制命令給LED隧道燈，從而改變隧道的照度。燈具和照明控制器之間，以及燈具和燈具之間的數(shù)據(jù)傳輸可采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接。為了滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的控制需要，隧道照明控制器設(shè)置有多路輸出接口，最多可同時(shí)控制8路輸出。為保證行車(chē)安全，調(diào)光系統(tǒng)在調(diào)節(jié)隧道照度時(shí)，采用照度漸變控制方式，分步逐級(jí)達(dá)到目標(biāo)照度，以避免因照度突然變化而產(chǎn)生不安全因素。

LED隧道照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，隧道照明控制器采集車(chē)輛檢測(cè)器、照度檢測(cè)儀等傳感器的檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的照明控制策略，對(duì)整個(gè)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的控制策略如下:正常情況下，在沒(méi)有車(chē)輛進(jìn)入隧道時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的洞內(nèi)外照度差值，在隧道內(nèi)只開(kāi)啟相應(yīng)的基本照明;在車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)到車(chē)輛即將進(jìn)入隧道時(shí)，開(kāi)啟隧道洞口的加強(qiáng)照明;當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)入隧道后，則將車(chē)輛前面一段相應(yīng)距離的照明加強(qiáng);一旦檢測(cè)到后面無(wú)車(chē)輛跟進(jìn)，則將車(chē)輛后面的加強(qiáng)照明關(guān)閉，并調(diào)低基本照明照度。同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的照度值還可判斷晴天、陰天、白天、晚上等時(shí)間段數(shù)據(jù)，從而開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的照明燈具。

圖1 LED隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)既可對(duì)單個(gè)的照明燈進(jìn)行單控也可對(duì)區(qū)域照明進(jìn)行群控，控制策略可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正，這樣能節(jié)約大量的電能，有效地降低運(yùn)營(yíng)成本。此外，根據(jù)隧道的安防要求，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，本系統(tǒng)還可檢測(cè)控制隧道內(nèi)車(chē)行橫洞卷簾門(mén)和通風(fēng)的狀況。

3 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€結(jié)構(gòu)，通訊方式可選用CAN總線、485總線或Zigbee無(wú)線方式，對(duì)應(yīng)于不同類(lèi)型的LED燈具智能接收控制器接口形式。

LED隧道照明控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

如果LED燈智能接收控制器的接口是RS485總線型的，則可使用隧道照明控制器的RS485模塊，系統(tǒng)接線如圖3所示。

CAN總線和RS485總線的接線方式類(lèi)似。CAN總線具有完善的通信協(xié)議，并且速度優(yōu)于 RS485，并且CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，從而使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

圖3 RS485總線照明控制示意圖

采用CAN和RS485總線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，都需要專(zhuān)門(mén)投資鋪設(shè)通訊線路，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸總線與LED燈電源線路并行敷設(shè)時(shí)，會(huì)有高壓脈沖耦合侵入，通信質(zhì)量易受到影響。而 Zigbee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的一種新興的短距離無(wú)線通訊技術(shù)，能有效解決以上問(wèn)題，非常適合在測(cè)量節(jié)點(diǎn)較多、分散、不要求較高數(shù)據(jù)傳輸速率的控制領(lǐng)域應(yīng)用。本系統(tǒng)中的隧道照明控制器配備 Zigbee模塊，能夠簡(jiǎn)單快速地進(jìn)行Zigbee組網(wǎng)。圖4為Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)照明控制示意圖。

相對(duì)于舞臺(tái)照明需要場(chǎng)景的快速變化，隧道照明的調(diào)光變化較緩慢，因此在通信協(xié)議的選擇上采用了更為合適的DALI(Digital Addressable Lighting Interface:數(shù)字可尋址照明接口)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。DALI是照明控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)LED燈具獨(dú)立尋址并進(jìn)行精確的控制，盡管這些燈具在強(qiáng)電上是同一個(gè)回路或不同回路，但在照明控制上與強(qiáng)電線路無(wú)直接的聯(lián)系。該技術(shù)為控制帶來(lái)極大的靈活性，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)滿(mǎn)足其需求的照明方案，甚至在安裝結(jié)束后的運(yùn)行過(guò)程中仍可修改控制參數(shù)，而無(wú)須對(duì)線路做任何改動(dòng)。采用DALI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，功能模塊相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，調(diào)試也十分便捷，可以實(shí)現(xiàn)許多基于回路控制的智能照明控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

同時(shí)，DALI技術(shù)是雙向通訊，不僅可以發(fā)送控制指令，而且可反饋LED照明控制器及光源的工作狀態(tài)和故障信息，這給運(yùn)營(yíng)維護(hù)和集中管理帶來(lái)了極大的便利。DALI協(xié)議采用數(shù)字照明控制技術(shù)，其無(wú)可比擬的先進(jìn)性，精確的控制效果以及技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)異的開(kāi)放性，使得數(shù)字照明技術(shù)在照明控制領(lǐng)域迅速普及與推廣，而運(yùn)用數(shù)字照明也正成為一種設(shè)計(jì)潮流和應(yīng)用趨勢(shì)。

圖4 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)照明控制示意圖

4 LED隧道燈智能控制單元

在LED隧道照明控制系統(tǒng)中，LED燈智能控制單元是整個(gè)照明控制系統(tǒng)的核心，它接收來(lái)自隧道照明控制器的控制命令，并控制流過(guò)LED的電流，從而達(dá)到調(diào)光的目的。

以CREE公司Q5芯片為例，單顆芯片額定電流為350mA，控制流過(guò)LED的電流大小即可控制其發(fā)出的光通量，控制電流可采用以下2種方法:

(1)通過(guò)斬波調(diào)相控制電流從0～350mA之間連續(xù)可調(diào)，但采用這種方案需要重新設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源，面對(duì)眾多LED廠家的電源，適應(yīng)性很差，不利于普及推廣。

(2)以各廠家LED燈具電源的額定輸出電流為基準(zhǔn)值，采用PWM(Pulse Width Modulation:脈寬調(diào)制)的方式控制電源的平均輸出電流從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。

本系統(tǒng)的LED燈調(diào)光控制器采用PWM方式調(diào)制，光通量0～256級(jí)連續(xù)可調(diào)，可連接于燈具電源和LED模組之間，與照明燈具原有電源無(wú)關(guān)，根據(jù)需要最多可控制6個(gè)LED模組。因?yàn)闊o(wú)需改變?cè)袩艟唠娫唇Y(jié)構(gòu)，因而適應(yīng)性廣，控制精度高，穩(wěn)定性好。LED燈智能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

各LED燈具廠家根據(jù)自身燈具的特點(diǎn)對(duì)LED燈珠采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將LED燈珠組合成1個(gè)或幾個(gè)模塊，在每個(gè)模塊內(nèi)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，模塊間采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。LED燈智能控制單元根據(jù)接收到的控制命令控制每個(gè)模組的PWM調(diào)制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)分組調(diào)光或聯(lián)合調(diào)光。

在PWM調(diào)制頻率的選擇上，應(yīng)考慮在隧道內(nèi)LED照明燈可能會(huì)與其他光源產(chǎn)生差頻效應(yīng)。隧道內(nèi)除LED燈外，可能還安裝有高壓鈉燈、熒光燈等，如果頻率過(guò)低，差頻后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻閃，嚴(yán)重時(shí)將影響隧道內(nèi)行車(chē)安全。但是如果PWM的調(diào)制頻率過(guò)高，又會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致電源發(fā)熱，電源效率降低。根據(jù)多次研究測(cè)試，將PWM調(diào)制信號(hào)的頻率選擇在2kHz～10 kHz之間較為合適，本方案選擇的調(diào)制頻率為6kHz。

LED燈智能控制單元的關(guān)鍵部件為大功率開(kāi)關(guān)器件，可供選擇的開(kāi)關(guān)器件有可控硅、大功率MOS管、晶閘管、IGBT等。可控硅技術(shù)成熟、控制簡(jiǎn)單，但工作頻率較低，不適合PWM調(diào)制應(yīng)用，而晶閘管、IGBT等通常應(yīng)用于幾十安以上的大電流場(chǎng)合，因此本方案選擇大功率MOS器件。

根據(jù)對(duì)大功率MOS器件的失效模型分析，在大于90%的情況下MOS器件的失效均表現(xiàn)為斷路失效，因此為了保證照明控制系統(tǒng)的可靠性，開(kāi)關(guān)器件采用旁路方式，這樣在絕大多數(shù)故障情況下，會(huì)保持LED燈具全亮，從而保證隧道內(nèi)行車(chē)安全。

測(cè)試結(jié)果表明，采用PWM調(diào)制電源效率高、對(duì)供電電源的污染較小。開(kāi)關(guān)電源高壓側(cè)電流波形如圖6所示，圖7為電源電流頻譜分析圖。由圖7可知，3次、5次諧波已分別衰減到5.2%、4.3%，說(shuō)明采用此方案對(duì)電源系統(tǒng)的污染很小。

圖5 LED燈智能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 電源電流波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際使用過(guò)程中，隧道照明控制系統(tǒng)還應(yīng)與隧道通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)互聯(lián)，以達(dá)到最佳的控制效果。由于隧道的特殊結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)的煙塵特別多，且不易消散，隧道照明控制系統(tǒng)既要考慮光線的穿透性能，也要考慮由于煙塵反射而造成的亮度損失。而隧道通風(fēng)則是降低煙霧濃度的有效手段，因此，照明控制和通風(fēng)控制之間存在一定的聯(lián)系，如何使二者統(tǒng)一且節(jié)能效果更好，有待進(jìn)一步探討。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了緊急救援，如何快速及時(shí)打開(kāi)全部照明，也有待研究。

但無(wú)論如何，LED隧道照明控制系統(tǒng)以其良好的控制性能和有效的節(jié)能降耗策略，必將在隧道照明系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，為提高高速公路的運(yùn)營(yíng)效率，降低運(yùn)行成本，提高行車(chē)安全性發(fā)揮更大的作用。

圖7 電源電流頻譜分析圖

［1］公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］．JTJ026.1～1999

［2］陳仲林．公路隧道照明設(shè)計(jì)研究 ［J］．中國(guó)照明工程年鑒，2008:293～295

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