油田路灯远程节能控制系统的研制

赵珑莹（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

油田路灯远程节能控制系统的研制

赵珑莹（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

由于东北地区一年四季日照时间随季节变化较为明显，为了节能降耗，同时准确按照日出日落时间进行调节路灯亮灭时间，需要定期到控制开关箱内调节控制器启停时间，以达到节能降耗的效果。针对油田特定的功能，研制了路灯节能控制器，作为远端设备放置于开关箱内部，用于启动控制路灯的交流接触器，从而通过交流接触器，启动路灯。

路灯远程控制器；电流数据采集；光强采集

目前市场上也有许多路灯控制产品，多数只能完成时钟控制单一的功能，还需要人工调节。有些也配备了无线控制，但是控制距离较近，无法完成油田场区控制的需要。没有一种集光照采集、温度采集、电流采集、时钟控制、远程操控、远程数据回传的一个性能完备的设备。通过对路灯控制器各种功能进行研究，同时进行集中整合，研制出1台针对油田的路灯控制节能设备。

1　系统总体结构设计

整体系统由后台组态设备及路灯开关箱远程控制装置组成。后台组态设备将MODBUS-ASCII通信协议指令，通过大功率无线收发模块进行发送。远端控制设备采用单片机，按照组态通信协议规则，编写Modbus协议程序，完成与组态设备进行通讯。远端设备负责采样电流、光照强度、温度数据，并且读取时钟芯片时钟数据，并且驱动继电器控制路灯交流接触器启动。

2　远端控制设备的设计

远端控制器主要实现时钟控制、光强度检测、电流数据采集、无线通讯等主要功能。远端控制器放置于路灯控制开关箱内，实现对路灯的时钟控制、远程无线控制以及各种参数的数据回传功能。通过这些远传参数的实时分析，可合理远程设定路灯启停控制时间，达到节能效果。

2.1远端控制设备电源系统电路

远端设备芯片、液晶、无线模块、时钟芯片都为5 V直流电压供电。若采用5 V电源适配器，远端设备受到电网电压波动时，直接输出的5 V直流电压会受到干扰，因此采用12 V电源适配器，经电源电路转换，得到5 V直流电压［1］。

电源采用而开关型降压芯片发热小，电源效率高的LM2596s-5.0开关电源芯片，其设计电路见图1。

图1　LM2596S-5.0芯片电路

2.2RTC实时时钟电路

RTC时钟电路采用DS1302时钟芯片。DS1302功耗低、性能稳定，可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时。电路设计见图2。

图2　DS1302时钟电路

2.3光强检测电路设计

光强检测采用光敏电阻作为光强度传感器进行采集光强度信号。其设计电路见图3。然后将经光强检测输出的电压值送入单片机进行AD转换。

图3　光强检测电路

2.4继电器驱动电路

选用电磁式继电器作为设备最终控制器件。通过继电器的导通，启动开关箱内的大功率交流接触器，从而控制点亮与熄灭路灯。继电器驱动电路见图4。

图4　继电器驱动电路

对于继电器的驱动，采用光电耦合器件PC814。Q1为P型三极管，此处采用9012三极管，最大集电极电流为500 mA，放大倍数为135倍，由单片机IO口控制开通。R3电阻为了保证在控制器上电瞬间，单片机IO电平不稳定时，防止后级继电器误导通，故在此加上拉电阻。由于PC814初级为1个发光二极管，发光二极管的正常电流范围在5～10 mA，Q1的饱和压降为0.3 V，二极管正向压降为0.7 V，故由公式：

式中：Vcc——电源电压，V；

Vceo——三极管集-射极压降，V；

Vd——光耦二极管压降，V；

R4——限流电阻，Ω。

可以计算出，R4为470 Ω。继电器RL1控制端为一电感线圈，在线圈通电后，产生磁通势，将触电吸合，进行后级控制。

2.5液晶驱动电路设计

这中采用LCD1602液晶屏作为远端控制装置人机交互界面的显示器。LCD1602为工业字符型液晶，每行可以显示16个字符，可以同时显示2行。它可以专门用来显示数字、字母、符号。其工作电压为5 V，内置192种字符，LCD1602液晶驱动电路见图5。

图5　LCD1602液晶驱动电路

2.6电流检测电路的设计

远端控制装置安装与路灯控制开关箱内，而路灯开关箱电缆电流值在正常运行下约为20 A，电流值比较大，不能进行直接测量，而采用加装电流互感器方式进行隔离测量。这里采用100/5电流互感器，将0～100 A交流电流信号转化为0～5 A交流电流［2］。

电路板上采用穿芯式电路板电流传感器，如图6所示。将0～5 A交流电流信号转化为0～2.5 mA交流电流信号。并且连接上一个20 Ω的电阻，将0～2.5 mA电流信号转化为0～50 mV交流电压信号。

图6　穿芯式电路板电流传感器

将该信号做进一步放大处理，送单片机进行AD转换并完成电流值的计算。

3　后台组态设备的设计

组态设备的电路包括液晶屏驱动电路、无线数据传输电路完成各部分功能的实现。

3.1液晶屏界面设计

液晶界面主要包括启停控制、运行电压电流监控、启停时间设定与光强监测界面。其界面见图7。厂厂区路灯电缆长度约10 km，造价上百万元。若出现接地带病运行的状况，电缆会过热、绝缘强度降低，加速老化，最终导致整条电缆报废。随时监控运行电流，可及时发现电缆故障相序，及时处理维修，可延长电缆使用寿命5年。一般电缆使用寿命为15年，年折旧金额为6.66万元。则年节约费用1.66万元。

图7　路灯运行监控界面

3.2无线通讯电路设计

无线通讯引脚为RS232串行接口，因此需要与单片机TTL串口完成电平转换［3］，所以采用MAX232芯片。其电路原理图见图8。

图8　无线通讯电路设计

4　现场应用效果分析

将路灯远端监控装置安装于开关箱内，通过后台设备可在5 km范围内进行遥控操作，带来的经济效益如下：

1）监控运行电流，延长电缆寿命。每个采油

2）节省监测人工、车辆台班费用。每月约节省3人、2工时，车辆2台班，约560元。全年节约费用6720元。

5　结论

远端控制器主要实现时钟控制、光强度检测、电流数据采集、无线通讯等主要功能。远端控制器放置于路灯控制开关箱内，实现对路灯的时钟控制、远程无线控制以及各种参数的数据回传功能。通过这些远传参数的实时分析，可合理远程设定路灯启停控制时间，达到节能效果。

［1］尉广军，朱宇虹.几种恒流源电路的设计［J］.电子与自动化，2010（1）:45-46.

［2］罗晴兰.RS-485总线通信技术在红外线报警系统中的应用［J］.电工电气，2010，（5）:27-30.

［3］杨晓光，寇臣锐，汪友华.太阳能LED路灯照明控制系统的设计［J］.电气应用，2009，（3）:28-31.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.07.002

2015-12-16

（编辑沙力妮）

赵珑莹，2010年毕业于山东工商学院（电气工程及其自动化专业），从事变电所高压试验、继电保护检修工作，E-mail：490465384@qq.com，地址：黑龙江省大庆市大庆油田有限责任公司第四采油厂电力维修大队，163000。