基于矩陣磁保持繼電器的智能照明控制電路模塊設計

段曉威，李 健，邱建樹，張世福

(山東中煙工業有限責任公司濟南卷煙廠，山東 濟南 250014)

引言

照明系統一般由光源和控制系統[1]組成，常見的光源有白熾燈光源、氣體放電光源、發光二極管光源。由于發光二極管光源[2]能效高、壽命長，被廣泛使用。發光二極管的工作方式與氣體放電光源的電離放電工作方式不同，只需配合恒流驅動板[3]即可使用，而不需要鎮流器等部件。驅動板內無高壓部件，控制更靈活，不僅可由外部控制器集中控制，也可將控制器集成在驅動板上，易于實現小粒度精細控制、調光控制[4]。由于這種特性，產生了很多優秀的基于發光二極管光源的智能照明控制系統，在室外景觀、體育場館、工廠車間、辦公建筑等場合取得了很好應用效果[5-7]。但發光二極管光源的智能照明控制系統也有一定局限性：一是成本較高，主要是優質發光二極管成本較高，如果預算有限不適合采用；二是穩定性不確定，由于產品較新，其穩定性有待市場驗證，特別是近年來市場競爭激烈，部分產品壓低價格質量縮水，穩定性有待考證；三是既有建筑照明改造難度大，對于一些既有建筑，改造其原有照明系統難度較大，成本較高，改造后提升不明顯，投入產出比不理想。

目前有大量的既有建筑正面臨智能照明改造這一難題，特別是工廠車間、辦公建筑等，對穩定性、預算成本、改造周期都有嚴格要求[8]。面對這一問題，需要一套成本低、可靠性高、改造難度小的智能照明系統，用于既有照明系統改造。目的是以最低的成本帶來最大節能收益，并滿足智能按需靈活控制的需求。

因此，結合工廠車間和辦公建筑實際需求，本文設計了一套智能照明控制電路模塊，適合已經安裝熒光燈、無極燈等氣體放電光源的改造場景[9]。它以小型PLC為外部控制器，穩定性高，且成本低；主體控制電路模塊創新性的將輸出矩陣技術和磁保持繼電器技術[10]結合，具有四個優點：一是極大節約了IO點數，因而可采用體積更小、成本更低的外部控制器；二是失效安全(fail-safe)級別的高可靠性，控制電路模塊全部為無源器件，借助磁保持繼電器技術，即便控制系統失效，仍可維持照明系統正常運行；三是安裝簡易，經過特殊設計，每個控制柜改造只需要增加4條IO線纜、1條網絡通訊線纜，現場安裝極為簡便；四是開放性好，由于采用了PLC外部控制器和內部通用電氣元件，系統開放性高，易于維護和二次改造。

2 系統設計

智能照明控制電路模塊由三部分組成，分別為輸出矩陣板卡、RJ45 10P[11]電纜、繼電器板卡。輸出矩陣板卡的作用是連接PLC的輸出點，通過矩陣方式，將16個PLC輸出轉為8×8矩陣，通過4個RJ14 10P母座連接器輸出4個8×2矩陣。四個繼電器板卡通過RJ45 10P電纜連接到輸出矩陣板卡的RJ45母座，每個繼電器板卡內含8個磁保持繼電器，并具備手動操作開關。RJ45 10P電纜使用10芯雙絞線，用RJ45 10P水晶頭一次壓接成型，使用簡易，布線簡潔。系統架構設計見圖1，邏輯功能見圖2。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture

圖2 邏輯功能圖Fig.2 Control system flowchart

3 輸出矩陣板卡設計實現

輸出矩陣板卡需要接入外部的IO信號實現控制，以常用的PLC控制器為例，PLC的IO點數量與價格有直接關系，IO數量越多，價格也越貴，且PLC體積大，安裝難度大。按照單個照明配電柜32路空開的容量，使用雙線圈磁保持繼電器，需要64個IO口。64個IO口對于簡易的控制器來說數量較多，價格較高，擴展IO會增加系統的不穩定性，且每個IO都占用一定空間，電柜較小的情況下，難以安裝。

為節約IO口，采用矩陣驅動的原理進行IO復用。其原理是：輸出矩陣板卡將信號以源型輸出和漏型輸出的方式，區分為陣列驅動的行列兩組，矩陣的每個行列交叉點形成矩陣驅動信號，可將少量輸出信號轉為大量矩陣信號，將16個輸出信號轉為8×8矩陣，可滿足64個信號數量需求。為方便接線和安裝，將8×8矩陣分為4組，每組為8×2矩陣，其中前8個信號為公共8路行選信號；后2個信號為列選信號，這10個信號供繼電器板卡使用。原理圖見圖3。

通過以上設計，輸出矩陣板卡的一端接入外部控制信號，另一端連接到繼電器板卡。為給安裝維護提供便利，避免復雜的接線，在測繪控制器件(即PLC)的接線端子后，定制了PCB梳齒狀插入式連接器，見圖4，安裝維護僅需插入后擰緊接線端子螺絲即可，不需要任何接線。輸出矩陣板卡與每個繼電器板卡通過RJ45 10P電纜的相連，只需插入RJ45水晶頭就可完成接線，方便64個繼電器線圈只需要16個IO口即可完全控制，實物見圖5。

圖3 輸出矩陣板卡原理圖Fig.3 Output matrix board schematic diagram

圖4 輸出矩陣板卡PCB圖Fig.4 Output matrix board PCB draft

圖5 輸出矩陣板卡實物圖Fig.5 Output matrix board product image

4 繼電器板卡設計實現

電力繼電器板卡是系統的最下層，通過接通、斷開主回路(照明光源的火線)，來達到控制照明設備的目的。繼電器板卡由磁保持電力繼電器、防電流倒灌電路、外殼等組成。

目前在電力行業使用的繼電器主要是磁保持繼電器[12]，其切換電流大，通常在30～200A之間，且具備斷電保持功能，即使繼電器驅動電路發生故障，繼電器不因失電而影響工作狀態，仍然可以保持最后一個正常工作時刻的狀態。宏發HFE10電力磁保持繼電器，最大切換電流50A，觸點壽命10萬次，具備手動操作開關，可滿足大功率照明場合使用。

繼電器板卡的其他部件主要有防電流倒灌二極管、續流二極管、LED指示燈、限流電阻、分壓電阻、主回路端壓敏電阻、RJ45 10P連接器等組成。照明光源的驅動電路大多不是阻性負載，在斷開回路時會出現浪涌電壓，其中壓敏電阻具有吸收照明回路浪涌電壓的作用，可以在一定程度上消除電弧對觸底的損耗，提高繼電器觸點使用壽命。

PCB設計上遵循小型化原則，可節約電柜安裝空間，原理圖見圖6，PCB見圖7，實物見圖8。

為方便電氣安裝，板卡使用72 mm標準PCB模塊安裝支架，為阻燃材料配備不同的底座可分別用于35 mm標準導軌安裝或螺絲定位安裝。

圖6 繼電器板原理圖Fig.6 Relay board schematic diagram

圖7 繼電器板卡PCB圖Fig.7 Relay board PCB draft

圖8 繼電器板卡實物圖Fig.8 Relay board product image

5 應用效果

為了保證電路模塊運行的穩定性和可靠性，安裝一臺適應平臺用于測試照明回路的動作結果。實驗采用S7200-SMART SR40作為外部控制器，其輸出端子接到輸出矩陣板卡，然后接4個繼電器板卡。負載為1 kW假負載，驗證測試負載狀態，測試流程見圖9。

圖9 測試流程圖Fig.9 Test flow chart

實驗過程為PLC程序控制所有繼電器循環接通關閉，測試2 h，總共通斷7 680次，記錄有效次數，重復執行20次測量結果如表1所示。

表1 試驗測量結果Table 1 Result of test measurement

經過統計，在大量樣本測試下，系統的有效動作成功率為100%，完全可滿足高可靠性、穩定性照明使用需求。

6 總結

在節能降耗和智能控制的需求下，本文設計的用于智能照明控制的矩陣電路驅動磁保持繼電器的電路模塊，能以極高的穩定性和可靠性完成照明電路控制。該模塊設計制作簡單，可小批量使用，也能量產大規模使用，可滿足32路容量照明電柜使用需求，配合外部控制系統即可實現集中智能控制，是綜合穩定性、可靠性、成本的最優設計，具有較高的應用價值。