作者：廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 廖鈞濠，華洋，廖祈泉，陳景賢，樊海紅

摘要：隨著(zhù)智慧城市概念的興起，傳統復雜的照明監控系統逐漸無(wú)法滿(mǎn)足現代城市智能化、節能化、可持續化的發(fā)展需求。為此，本文提出一種基于PLC的智慧路燈多聯(lián)動(dòng)照明系統。系統采用RS485接口模塊進(jìn)行通訊，其確保系統信號傳輸的穩定性，提升了監控系統的智能化水平。通過(guò)系統仿真、數據計算和可行性分析，結果表明，本系統在節能及智能化水平方面優(yōu)于傳統照明監控系統，并在處理更復雜的場(chǎng)景時(shí)具有更好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：PLC；智慧路燈；多聯(lián)動(dòng)照明系統；RS485接口模塊

Abstract: With the rise of the concept of smart city, the traditional complexlighting monitoring system is gradually unable to meet the needs ofintelligent, energy-saving and sustainable development of modern cities.Therefore, this paper puts forward a kind of intelligent street lamp multilinkage lighting system based on PLC. The system uses RS485 interfacemodule for communication, which ensures the stability of system signaltransmission and improves the intelligent level of monitoring system.Firstly, through software simulation, followed by data calculation andfeasibility analysis. The experimental results show that the proposedsystem is superior to the traditional lighting monitoring system in energysaving and intelligent level, and has better robustness in dealing withmore complex scenes.

Key words: PLC; Smart streetlights; Multi - linkage lighting system; RS485Interface Module

1　引言

照明系統是城市道路的重要組成部分，為行人和行車(chē)在夜間出行提供了極大的便利。目前，我國道路照明監控系統較為簡(jiǎn)單，節能水平較低[1]，其傳統控制模式只能簡(jiǎn)單實(shí)現在不同時(shí)間段控制整個(gè)路段路燈的開(kāi)啟或關(guān)閉。一種情況是，部分道路深夜選擇關(guān)閉路燈以節省用電，這導致該路段的交通事故發(fā)生率升高；另一種情況是，一些城市街道路燈是整晚點(diǎn)亮，夜晚長(cháng)時(shí)間無(wú)人通行會(huì )造成極大的電能浪費。因此，未來(lái)城市的道路照明需要一種更智能節能的監控管理模式，來(lái)促進(jìn)城市的可持續發(fā)展[2]。本文針對智慧路燈多聯(lián)動(dòng)照明系統的實(shí)現和應用展開(kāi)分析和討論。

2　系統組成

基于PLC的智慧路燈多聯(lián)動(dòng)照明系統包括核心控制部分和從站聯(lián)動(dòng)控制部分。核心部分包括PLC編程控制器、HMI人機交互界面和PLC配套RS485通訊模塊。從站聯(lián)動(dòng)控制部分包括RS485接口模塊、照明繼電開(kāi)關(guān)和超聲波傳感器。多聯(lián)動(dòng)照明系統總體框架如圖1所示。

圖1 多聯(lián)動(dòng)照明系統總體框架

PLC通過(guò)專(zhuān)用線(xiàn)纜連接RS485通訊模塊組成系統主控，HMI人機交互界面通過(guò)RS422或RS232線(xiàn)纜與PLC連接，將RS485接口模塊安裝在燈桿中，系統多個(gè)模塊以菊花鏈的形式進(jìn)行連接，上述超聲波檢測傳感器與RS485接口模塊連接。在系統安裝過(guò)程中需要注意的是：（1）PLC需要外接RS485拓展模塊、支持Modbus RTU通訊協(xié)議。（2）與PLC匹配的RS485拓展模塊與各路燈中的RS485遠程控制模塊通過(guò)雙絞線(xiàn)連接。（3）RS485接口型輸出模塊的輸出端口與照明燈具繼電控制部分連接。（4）燈桿安裝超聲波傳感器與RS485接口型輸出模塊連接。（5）PLC RS485拓展模塊與各燈桿中的RS485遠程控制模塊以菊花鏈形式進(jìn)行連接。

系統主要采用RS485接口模塊進(jìn)行通訊。RS485是多點(diǎn)系統中的通訊接口，RS485可與多種傳輸線(xiàn)纜進(jìn)行連接還能支持多種通訊協(xié)議[3-4]。這種通訊接口允許在一對簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)進(jìn)行多點(diǎn)雙向通訊，它的數據傳輸速率、電纜長(cháng)度及可靠性是其他標準無(wú)法比擬的。RS485在工業(yè)上作為數據交換而廣泛使用的串行通訊方式，數據采用平衡傳輸。RS485與雙絞線(xiàn)連接，將其一邊定義成A一邊定義成B[5]。RS485通訊原理圖如圖2所示。

圖2 RS485通訊原理圖

核心控制部分配備專(zhuān)用2 4 V工業(yè)電源，連接PLC、HMI人機交互界面和RS485網(wǎng)絡(luò )通訊模塊提供電源，HMI人機交互界面通過(guò)RS232或RS422與PLC進(jìn)行連接，具體根據PLC進(jìn)行選擇，RS485通訊模塊通過(guò)專(zhuān)用串口線(xiàn)纜與PLC進(jìn)行連接。從站聯(lián)動(dòng)控制安裝在燈桿內，并配備專(zhuān)用24V工業(yè)電源為從站控制部分提供電源，RS485模塊通過(guò)雙絞線(xiàn)與主站（核心控制部分）連接，各從站之間以菊花鏈（手握手方式）進(jìn)行連接。常見(jiàn)的RS485總線(xiàn)連接如圖3[4]，PLC通過(guò)連接RS485轉換器，轉換器依次對每個(gè)設備以菊花鏈的形式進(jìn)行連接，實(shí)現PLC對RS485總線(xiàn)上設備的多點(diǎn)通訊。

圖3 RS485通訊連接方式

超聲波傳感器與RS485接口模塊的輸入端進(jìn)行連接，照明部分繼電控制與模塊的輸出部分進(jìn)行連接。在現實(shí)生活中，從站之間通過(guò)雙絞線(xiàn)進(jìn)行連接且兩個(gè)從站之間的距離不超過(guò)100米，每隔800米安裝一個(gè)RS485中繼器，以保證遠距離傳輸信號的穩定。

3　系統仿真

設備以PLC編程控制器為核心，通過(guò)拓展RS485模塊與多個(gè)路燈進(jìn)行通訊，路燈上安裝超聲波傳感器用來(lái)檢測行車(chē)和行人。當小車(chē)經(jīng)過(guò)燈桿，燈桿上的傳感器對小車(chē)進(jìn)行捕捉并產(chǎn)生電信號回饋至PLC中。傳感器采集到的數據通過(guò)通訊線(xiàn)纜傳到PLC進(jìn)行數據分析處理并做出相應判斷，通過(guò)通訊線(xiàn)纜邏輯性地控制路燈的開(kāi)啟或關(guān)閉，實(shí)現多路燈聯(lián)動(dòng)照明。

為確保多聯(lián)動(dòng)照明系統能在現實(shí)中應用，對系統搭建仿真模型。系統仿真使用了三菱vup仿真軟件，其中傳感器靈敏度與行人和行車(chē)的距離成反比的關(guān)系。仿真結果表明，在傳感器與行人行車(chē)的距離不超過(guò)20米，傳感器都能檢測到行人和行車(chē)。系統將開(kāi)啟行人可視范圍內的燈光，其他路燈處于關(guān)閉狀態(tài)如圖4和圖5所示。通過(guò)系統仿真，得出多聯(lián)動(dòng)照明系統是可實(shí)現的。需要說(shuō)明的是，仿真軟件中路燈關(guān)閉時(shí)燈片為白色，路燈開(kāi)啟時(shí)燈片為淡黃色。

圖4 無(wú)行人系統狀態(tài)

圖5 有行人系統狀態(tài)

4　系統應用及可行性分析

多聯(lián)動(dòng)照明系統應用在城市現有路燈，通過(guò)在每個(gè)路燈上添加控制模塊并與系統主控通訊，達到路燈集群聯(lián)動(dòng)效果。整個(gè)多聯(lián)動(dòng)控制裝置，通過(guò)每個(gè)路燈安裝的控制模塊所連接的超聲波傳感器，采集行車(chē)數據，發(fā)送到系統主控部分的PLC分析做出相應控制反饋，為道路交通提供更靠譜的照明方案并提高道路照明的能源利用率。

多聯(lián)動(dòng)照明系統在城市現有路燈的應用，本文也對此方案做了可行性分析。首先假設一個(gè)中小型城市擁有100000盞路燈，對此進(jìn)行數據計算及分析。這里設定路燈A為適配多聯(lián)動(dòng)照明系統路燈，路燈B為傳統照明路燈。

4.1　能耗方面

一盞傳統照明路燈每小時(shí)大約消耗300瓦，以我國南方的夏天為標準，普通路燈每日工作時(shí)間段為每日的19時(shí)至次日的5時(shí)[5]，計算出100000盞路燈一天大約需要消耗300000千瓦時(shí)。而適配多聯(lián)動(dòng)照明系統的路燈在19時(shí)到24時(shí)時(shí)間段正常工作，在每日的24時(shí)至次日的5時(shí)路燈開(kāi)啟系統，行人和行車(chē)途經(jīng)總時(shí)間約為2個(gè)小時(shí)。經(jīng)計算，適配多聯(lián)動(dòng)照明系統的100000盞路燈一天大約需要消耗210000千瓦時(shí)，節省了大約90000千瓦時(shí)的用電量，所得能耗統計如表1所示。

表1 能耗統計圖

4.2　經(jīng)濟效益方面

據調查道路照明屬于市政用電，一般價(jià)格為0.5元1千瓦時(shí)。經(jīng)計算配用多聯(lián)動(dòng)路燈照明系統的路燈一天大約可節省45000元，一年大約可以節省16425000元，所得用電費用統表2所示。

表2 用電費用統計圖

4.3　控制技術(shù)方面

適配多聯(lián)動(dòng)照明系統的路燈既可通過(guò)HMI人機交互界面進(jìn)行線(xiàn)下操控，也可以通過(guò)與PLC適配的RS485通訊模塊進(jìn)行線(xiàn)上操控。相較于傳統而復雜的電網(wǎng)控制，該系統的控制更加多樣且簡(jiǎn)單[7]。

以上數據分析只是在相對理想的條件下進(jìn)行粗略計算，但從數據上可得出適配多聯(lián)動(dòng)照明系統的路燈相較于國內傳統照明路燈，無(wú)論是耗能方面、經(jīng)濟效益還是控制技術(shù)方面都是前者優(yōu)于后者的結論。

5　結語(yǔ)

綜上所述，多聯(lián)動(dòng)照明系統的設計與應用可以有效地節約能源[6]，提高整個(gè)路燈系統的運行效率，實(shí)現了路燈可通過(guò)遠程操控，降低了人力上的成本，促進(jìn)城市的智能水平和可持續化發(fā)展。通過(guò)模型搭建、數據計算及實(shí)驗分析，驗證了多聯(lián)動(dòng)照明系統合理性和可行性，為促進(jìn)現代城市向智慧綠色城市的發(fā)展[8]提供了理論基礎。

作者簡(jiǎn)介：

廖鈞濠（2001-），男，廣東梅州人，廣東海洋大學(xué)本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動(dòng)化。

華　洋（2001-），男，廣東佛山人，廣東海洋大學(xué)本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動(dòng)化。

廖祈泉（2000-），男，廣東梅州人，廣東海洋大學(xué)本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動(dòng)化。

陳景賢（1971-），男，廣東汕尾人，碩士，高級實(shí)驗師，現任廣東海洋大學(xué)教育信息中心副主任，研究方向為電子與通信。為本文通訊作者。

樊海紅（1977-），女，江蘇南通人，副教授，碩士，先任教于廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，主要研究方向為電氣工程、電工電子。

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       摘自《自動(dòng)化博覽》2021年10月刊