基于电力线载波的智能照明单灯控制系统设计

奚培锋,　张　伟

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海　200063]



基于电力线载波的智能照明单灯控制系统设计

奚培锋,张伟

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海200063]

设计了基于电力线载波技术的智能照明单灯控制系统,介绍了系统的总体方案和架构,详细阐述了系统的硬件电路模块和软件设计。提出智能照明单灯控制系统通过源路由中继算法和独特的组网通信控制协议,实现单灯的实时监控、能耗计量、诊断评估和综合调度等功能,且达到良好的节能效果,有效降低维护成本。

智能照明; 电力线载波; 源路由; 自适应控制

0　引　言

目前,智能照明系统一般都基于电力线载波(Power Line Carrier,PLC),通过载波方式将模拟或数字信号进行传输通信[1-2],具有通信距离远、可靠性高、辐射干扰较低等优点,更无需重新铺设线路,利用原有的电力线就可以实现照明的智能管理,大大降低通信系统的成本。

本文设计了基于PLC技术的智能照明单灯控制系统,通过源路由中继算法和独特的组网通信控制协议,在实现单灯状态监控的同时达到良好的节能效果,并有效降低维护成本,是构建绿色智慧城市的有效手段[3]。

1　系统总体设计

1.1系统架构

基于PLC的智能照明单灯控制系统总体架构设计如图1所示。

该智能照明单灯控制系统以PLC集中器、单灯终端模块为现场控制核心,并结合远程智能照明综合管理平台、智能感知传感的综合型架构应用模式,从而满足道路交通、工厂园区和公共建筑等不同应用场合下对精细到单灯智能照明的各类控制管理需求[4-5]。基于PLC的智能照明单灯控制系统整体划分为三层:

(1) 现场控制层,由单灯终端模块实现对照明区域内每个单灯节点的管理,主要包括开/关、0～100%无极调光、能耗电流/电压等电量参数采集与上报等。单灯终端模块通过PLC技术与PLC集中器通信和交互。PLC集中器对区域管辖的所有单灯终端模块进行管控和轮询,作为区域控制核心和桥梁,实现远程系统管理平台与终端单灯的交互。

(2) 通信传输层,负责各分区域照明现场与远程系统管理平台的数据交互通信,主要基于有线光纤工业以太网或无线GPRS/3G/4G,实现各种情况下的数据交互。

图1　基于PLC智能照明单灯控制系统总体架构

(3) 系统管理层,负责整体照明系统的管理调度,主要由监控平台、综合型数据服务器、通信设备、显示输出设备、报警设备等组成,实现对精细到单灯的监控管理,并对实时和历史数据进行分析、处理和存储等。

1.2系统组成

1.2.1智能管理平台

整体系统为典型的B/S架构,可通过移动终端设备安装的APP访问远程管理中心服务器,实现对终端照明系统的远程监测和管理[6],并可通过综合型服务器和数据库实现各区域数据共享。

1.2.2PLC集中器

PLC集中器通过Modbus通信有效实现远程监控平台对本地照明灯具的集中管理,包含Modbus通信、三相载波通信、固件更新等功能模块,通过源路由多级中继方式实现与本地三相电力网络上所有单灯终端模块的交互通信。根据存储的路由信息,通过主备用中继自适应、超时重发、网络状态信息反馈和单广波数据帧相结合的方式,快速实现对本地三相电力线照明系统的组网。

1.2.3单灯终端模块设计

单灯终端模块作为智能照明系统重要的终端监控设备,包含电量采集、调光驱动、载波通信、固件更新、继电驱动等功能模块。除具备单灯继电开关、脉宽调制或调光调节、能耗计量等综合功能,该单灯终端模块通过源路由加备用中继节点方式实现了PLC系统中继组网,并实时采集输出驱动电源的电流和电压数据异常变化,实现单灯物理损耗状态报警和过载保护等功能。

2　现场控制系统硬件设计

2.1主电路功能设计

电力线载波集中器的核心MCU选用芯片STM32f100RC,三相载波芯片通过相互独立的UART口与MCU通信,集中器作为Modbus从站通过RS-485模块与智能管理平台交互。电源处理部分,设计由电力线(220 V)通过变压和桥式整流输出12 V直流稳压电源,并采用LM7805和LM1117三端稳压芯片,为MCU和PLC芯片实现5.0 V、3.3 V的供电。集中器设计了电源、三相载波通信状态和Modbus通信状态的指示灯,作为直观的运行监测。

PLC集中器硬件架构如图2所示。

图2　PLC集中器硬件架构

单灯终端模块的核心MCU选用芯片STM8l151c8。电量采集模块实时采集灯具的用电情况并存储,包括电压、电流、有功功率和累计电度等电量数据,并通过分析得出单灯和模块的运营状态数据。在收到集中器的轮询命令后,将这些电量和状态数据上传。集中器通过分析采集上来的信息,可以得到每一盏灯的能耗数据、运行状态。

调光模块实现照明单灯的调光控制,提供了两种调光方式,可通过改变脉冲占空比PWM实现对照度的调节,也可通过输出模拟电压0～10 V的D/A调光,具体定制使用时可任选其中一种。

单灯终端模块硬件架构如图3所示。

2.2PLC收发滤波电路设计

PLC收发滤波电路由共模抑制部分、PLC隔离滤波部分组成,一方面通过耦合、信号放大和调制解调等,实现对特定波段的载波信号的稳定发送和接收;另一方面通过共模抑制、交流电信号的滤波隔离实现单灯终端模块电源的供给。

PLC收发滤波电路设计如图4所示。

图3　单灯终端模块硬件架构

图4　PLC收发滤波电路设计

2.3复合调光电路设计

复合调光电路提供了两种调光方式,可通过改变脉冲占空比实现对灯具亮度调节的PWM调光,也可通过输出模拟电压0～10 V的D/A调光,具体定制时只能选择其中的任意一种,实现LED、高压钠灯等主流照明灯具的无极调光。

复合调光电路设计如图5所示。

2.4电能计量监测电路设计

电能计量监测电路对终端照明灯具实时采集用电情况并存储,包括电流、电压、有功功率和电度的精确计量技术,在收到集中器的轮询命令后,将这些电量数据上传。而集中器通过分析采集上传的电量参数,可以得到具体到每一盏灯的能耗数据、运行状态。

电能计量监测电路如图6所示。

3　整体系统软件设计

3.1源路由中继路由算法

现场控制层采用高效、稳定的主从式静态源路由中继组网算法,实现照明终端网络最大4级中继通信组网,并采用主中继和备用中继自适应动态更改路由。通过该算法,实现区域内最多240个单灯终端模块的高效稳定组网和通信。

该源路由中继组网算法实现区域PLC集中器和一定规模单灯终端模块的组网,再配备上位机监控管理平台,从而实现精细到单灯的实时监控、能耗计量、诊断评估和综合调度等重要功能。其核心设计如下:

(1) 根据三相电力线网络单灯终端模块的组网规模和分布情况,形成多级主中继和备用中继源路由中继组网信息,以及每个单灯终端模块的路由路径,将全部路由中继信息下发存储到PLC集中器中。

(2) 集中器根据存储的路由中继信息,通过广播报文方式分别对三相网络中多级主备用中继单灯终端模块进行中继信息配置。集中器首先广播配置信息,一级中继和备用中继获取配置信息后,再进行中继广播,从而由近及远依次直到最远主备用中继。

图6　电能计量监测电路

(3) 当最远主备用中继被配置成功后,依据配置的中继路由信息主动单播反馈,也依次由近及远通过多级主中继或备用中继单灯终端模块中继,直到PLC集中器,以确认配置组网成功。

(4) 在多级反馈中继过程中,采用超时重发机制,依据此功能上一级中继可动态识别下一级主中继或备用中继是否正常,从而自适应寻找最佳路由路径。

源路由组网通信示意如图7所示。

图7　源路由组网通信示意

3.2组网通信协议设计

组网通信协议种类分广播报文和单播报文。

(1) 广播报文用于三相中继备用表发送、三相全开/全关/全调光。广播报文首先由PLC集中器发送,当第一个中继单灯终端模块接收成功后,替换源地址再次广播发送,下一个中继单灯终端模块接收成功并判断出是前一中继单灯终端模块发送,再次替换源地址广播发送,以此方式直到最后一个中继单灯终端模块。为保证广播的可靠性,当最后一个中继单灯终端模块收到广播消息后,需反馈单播报文到集中器。

(2) 单播报文用于三相单灯开关调光、三相单灯电流电压有功功率异常采集、三相单灯电度采集。

单播报文首先由PLC集中器发送,当第一个中继单灯终端模块接收成功后,立即回复短报文,告知接收成功,如果集中器在超时后仍未接收到该回复,则再重发一次。立即回复后该中继单灯终端模块替换下一跳地址和转发源地址再次单播转发,以此方式直到最后目的单灯终端模块。为保证单播的可靠性,当目的从站收到单播消息后,先执行命令,再反馈单播报文到PLC集中器。

4　结　语

设计的电力线载波集中器通过组网单灯终端模块,响应远程管理层交互信息,实现对本地区域照明灯具的开关调光、运营状态、能耗计量等集中监控管理,有效形成可满足国内各种照明应用场合的现场控制层,再配备相应的本地管理平台和远程移动监控终端,共同构架城市级智能照明综合管理系统,实现精细到单灯的实时监控、能耗计量、诊断评估和综合调度等重要功能。

[1]张克明.基于ARM与电力线载波技术的广场照明系统设计[J].现代电子技术,2010(17):125-127.

[2]李健,蒋全胜,任灵芝.智能路灯控制系统设计[J].工业控制计算机,2010,23(6):110-112.

[3]荣晶.基于PLC的智能路灯系统设计[J].现代电子技术,2012(24):159-164.

[4]符常友,蓝集明.基于PL3201的低压电力线载波通信系统设计[J].四川理工学院学报:自然科学版,2011,24(6):659-661.

[5]贺一鸣,王崇贵,刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究[J].现代电子技术,2010(1):207-210.

[6]钱宏.一种多功能智能路灯控制系统方案设计[J].数控技术,2013(5):15-16.

Design of Single Smart-lighting Control System Based on PLC Technology

XI Peifeng,ZHANG Wei

[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200063, China]

A single smart-lighting control system was proposed based on power line carrier(PLC) technology.The overall scheme and architecture of system were introduced,and the designs of hardware circuit modules and software were elaborated in detail.It is pointed out that through the relay algorithm of source routing and unique network communication control protocol,the single smart-lighting control system realizes the functions of real-time monitoring,energy metering,diagnostic assessment and integrated dispatching,which obtains a good energy-saving effect and effectively reduces the maintenance costs.

smart lighting; power line carrier(PLC); source router; adaptive control

奚培锋(1981—),男,高级工程师,从事智能电网用户端系统方面的工作。

TU 88

B

1674-8417(2016)07-0057-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.015

2016-03-10

张伟(1984—),男,工程师,从事智能照明控制系统及应用方面的工作。