鄒美強

廣東新粵交通投資有限公司（廣東 廣州 510000）

0 引言

我國高速公路的發(fā)展速度飛快，與之相關的機電系統(tǒng)功能日益完善，并被大規(guī)模應用于各種高速公路隧道照明中。由于隧道照明耗費大量的電能，會進一步增加高速公路運營成本，因此要采取有效的節(jié)能節(jié)電技術，進一步完善高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能節(jié)電功能，保證行車安全，提高高速公路的經(jīng)濟效益[1]。

1 系統(tǒng)整體方案設計

高速公路隧道照明智能節(jié)電設計要結合高速公路隧道照明的需求，合理應用智能節(jié)電技術，打造完善的智能監(jiān)控系統(tǒng)[2]。為此，需要充分發(fā)揮計算機控制技術的作用，將GPRS和ZigBee無線通信網(wǎng)絡相結合，確保電網(wǎng)輸入電壓得到有效控制，智能化調節(jié)隧道照明系統(tǒng)，以達到節(jié)能節(jié)電的效果。隧道照明智能化監(jiān)控系統(tǒng)可及時、全面地采集回路和相關設備的參數(shù)，然后由微處理器分析和處理各項參數(shù)，處理好的數(shù)據(jù)經(jīng)被傳至控制系統(tǒng)，再由控制中心結合數(shù)據(jù)結果展開相應的控制[3]。為了達到自動調節(jié)電壓的目的，要采用無線傳輸?shù)姆绞?，將各回路尾燈的電壓上傳至上位機，系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進行全面的分析，對節(jié)電柜的電壓輸出進行有效控制。每個回路尾燈電壓用戶在系統(tǒng)的支持下可自行設定節(jié)電目標值，不會影響照明燈具的正常運行。

2 系統(tǒng)功能與控制方法

2.1 系統(tǒng)功能

（1）采用遠程單燈控制模式可對開關和高壓鈉燈進行遠程控制。（2）根據(jù)實際情況開啟多個照明回路，通過遠程控制的方式確保輸出電壓得到有效調節(jié)，也可采用手動控制的方式。（3）及時采集在隧道回路中產(chǎn)生的輸出電壓和電流，并監(jiān)控節(jié)電柜的運行狀況，從而了解其運行狀態(tài)。（4）對電壓和電流信息進行全面分析，并制訂相應的調節(jié)方案。（5）根據(jù)不同的時間段，制訂相應的照明方案，結合實際需求選擇相應的亮度，達到節(jié)能節(jié)電效果。（6）根據(jù)白天和夜晚的實際情況，合理調節(jié)燈具的工作電壓。（7）對監(jiān)控數(shù)據(jù)和歷史記錄等信息進行查詢和打印[4]。（8）對節(jié)電柜運行情況進行實時監(jiān)督和信息采集，通過遠程抄錄的方式展示節(jié)電柜的電子電表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。（9）提前留出各種類型的接口，確保系統(tǒng)功能得到進一步拓展。

2.2 控制方法

為了避免隧道照明系統(tǒng)出現(xiàn)控制問題，可以采用PID控制算法，同時重視PID控制器參數(shù)的整定。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除控制誤差，必須先明確PID控制器的結構，可采用PI調節(jié)器、PID調節(jié)器。當被控對象受到外部因素干擾后，會處于失衡狀態(tài)，此時，需依靠系統(tǒng)強大的自我恢復及平衡能力。這種自我恢復能力會受到被控對象的限制。具有自平衡性能的被控對象中不包含P與PD控制器。在該系統(tǒng)中，為實現(xiàn)參數(shù)整定，宜采用擴充臨界比例度法。該方法的主要依據(jù)是模擬PID控制器中所使用的臨界比例度[5-8]。

3 關鍵設備選型與設計——節(jié)電柜

在進行節(jié)電柜設計時，宜采用補償式無極調壓穩(wěn)壓電路，確保照明系統(tǒng)得到智能化控制，提高燈具負載力和承載力，將輸出電壓控制在合理范圍內，提高穩(wěn)壓精度[9-10]。當照明系統(tǒng)運行后，需將采集的輸出電壓通過基準電壓與檢測控制電路進行對比，以發(fā)揮輸出控制信號的調壓作用，達到穩(wěn)壓目的。數(shù)據(jù)采集器會對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，然后有效調節(jié)和控制電壓，確保輸出電壓值更加合理。高壓鈉燈在啟動階段需要較高的電壓，宜采用比額定電壓更高的輸出模式迅速啟動燈具。系統(tǒng)會根據(jù)采集數(shù)據(jù)的情況對工作模式進行自動化調節(jié)，一旦出現(xiàn)電壓過高或過低的情況，節(jié)電柜就會自動切換到旁路狀態(tài)[11-13]。

節(jié)電柜可根據(jù)照明回路末端電壓的實際情況，合理調節(jié)末端的燈具電壓。在使用節(jié)電柜的過程中，可采用無線技術，確保末端電壓的采集設備與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)得到順利傳輸。支持智能照明節(jié)電設備功效發(fā)揮的計算機技術可對數(shù)據(jù)進行實時采集和處理，并自動跟蹤照明回路的電壓變化情況，自動調節(jié)電壓，保證電壓穩(wěn)定。節(jié)電柜的遠程監(jiān)控功能有助于相關人員了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過遠程自動化控制或手動控制的方式調節(jié)輸出電壓，對節(jié)電設備的輸出電壓等技術參數(shù)進行遠程查看和抄表。采用智能節(jié)電設備后，就能手動控制本地輸出電壓，可自行選擇輸出電壓的檔級。通常，需采用無級調壓穩(wěn)壓技術對智能節(jié)電設備進行調節(jié)。采用智能節(jié)電設備進行調壓和穩(wěn)壓時，輸出電壓的變化十分穩(wěn)定，并能保證每個時段的電壓得到合理調節(jié)，避免燈具的照度發(fā)生變化。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能的實現(xiàn)

高速公路隧道照明智能化節(jié)電與監(jiān)控系統(tǒng)在運行中必須加強數(shù)據(jù)的采集和傳輸。第一，加強對照明回路電壓數(shù)據(jù)的采集，對隧道內和隧道外的亮度進行采集，這樣才能實現(xiàn)對白天和晚上的智能化判斷，并根據(jù)天氣變化情況進行智能化調節(jié)。第二，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行有效的傳輸。要將每個隧道的系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心之中。

4.1 數(shù)據(jù)采集

進行數(shù)據(jù)采集時，可根據(jù)實際情況選擇相應的通信方式。有線通信方式需耗費較多的資金，施工人員需仔細布線，還要定期對其進行維護；載波通信會受到外界因素的干擾，需購置昂貴的設備；采用無線通信方式時，可選擇免費試用的公共頻率通信，通信協(xié)議較多，常見的工業(yè)通信技術是ZigBee技術。ZigBee技術不會耗費大量能源，且速率低、時間間隔短、應用成本低、容量大，在許多領域中得到廣泛應用。在該系統(tǒng)中，應用ZigBee技術構建無線通信網(wǎng)絡，能提高系統(tǒng)的通信質量[14-16]。

ZigBee網(wǎng)絡中有三種拓撲結構。第一種結構是星形結構。該結構主要以協(xié)調器為核心，終端需通過協(xié)調器實現(xiàn)通信，各終端之間不能直接通信。若需進行終端之間的通信，就要由某一終端先將信息傳輸給網(wǎng)絡協(xié)調器，再由其傳輸至另一個終端。星形結構成本較低，在系統(tǒng)中可應用該拓撲結構，確保節(jié)點的開關操作得到有效控制。星形結構的通信范圍與設備和協(xié)調器的距離有關。第二種是樹形結構。樹形結構主要包括協(xié)調器、終端設備節(jié)點、路由節(jié)點等部分，協(xié)調器與路由器各自有其子節(jié)點。在該結構中，各個節(jié)點可以實現(xiàn)通信，若某兩個終端的節(jié)點需要通信，首先要將數(shù)據(jù)傳至上一個節(jié)點，再由公共節(jié)點將數(shù)據(jù)傳至下一個節(jié)點。樹形結構的通信覆蓋面積比較大，但受限于某一節(jié)點的故障，即整個網(wǎng)絡的通信均會因一個節(jié)點的問題而被打斷。第三種是網(wǎng)絡結構。網(wǎng)絡結構主要是以點對點的方式實現(xiàn)通信功能穩(wěn)定，即使某一點失效，也不會影響另一點的通信功能。網(wǎng)絡結構具有一定的靈活性和多樣性，但在使用該結構的過程中會造成通信延時，還會增加運營成本。

在此次設計中，主要采用GPRS技術進行通信，可有效降低成本和費用，滿足系統(tǒng)的監(jiān)控需求，保證數(shù)據(jù)得到有效傳輸。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

進行無線網(wǎng)絡傳輸時，需考慮通信功能。從智能節(jié)電角度出發(fā)，要分別保證其與監(jiān)控中心上位機、單燈控制器控制回路之間的通信功能更加完善。采用GPRS技術可確保節(jié)電柜與上位機之間的數(shù)據(jù)得到有效傳輸，控制中心上位機的控制指令會由交換機發(fā)出，再由光收發(fā)接收器獲取，控制信號會經(jīng)過串口服務器的處理，從而被節(jié)電柜網(wǎng)絡接收。采用ZigBee技術可確保節(jié)電柜與單燈控制器之間的數(shù)據(jù)得到有效傳輸。無線ZigBee技術可在距離較短的范圍內對數(shù)據(jù)進行傳輸。在無須布置線路的情況下，采用ZigBee技術能進一步發(fā)揮通信系統(tǒng)的功能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。即使某一回路的照明出現(xiàn)問題，也不會影響另一回路照明系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)主要采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，確保各控制器之間的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞竭_到通信的目的[17-18]。

5 結束語

文章提出照明系統(tǒng)智能化節(jié)電技術應用的設計方案，以確保隧道照明系統(tǒng)達到理想的節(jié)電效果。隨著我國高速公路事業(yè)蓬勃發(fā)展，要不斷優(yōu)化照明智能節(jié)電技術，完善隧道照明系統(tǒng)的功能，滿足車輛行駛需求，確保行車安全，提高我國高速公路的綜合效益。