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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：隨著智慧城市概念的興起，傳統(tǒng)復(fù)雜的照明監(jiān)控系統(tǒng)逐漸無法滿足現(xiàn)代城市智能化、節(jié)能化、可持續(xù)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(tǒng)。系統(tǒng)采用RS485接口模塊進(jìn)行通訊，其確保系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提升了監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。通過系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)計(jì)算和可行性分析，結(jié)果表明，本系統(tǒng)在節(jié)能及智能化水平方面優(yōu)于傳統(tǒng)照明監(jiān)控系統(tǒng)，并在處理更復(fù)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(tǒng)；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(tǒng)是城市道路的重要組成部分，為行人和行車在夜間出行提供了極大的便利。目前，我國(guó)道路照明監(jiān)控系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，節(jié)能水平較低[1]，其傳統(tǒng)控制模式只能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間段控制整個(gè)路段路燈的開啟或關(guān)閉。一種情況是，部分道路深夜選擇關(guān)閉路燈以節(jié)省用電，這導(dǎo)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(zhǎng)時(shí)間無人通行會(huì)造成極大的電能浪費(fèi)。因此，未來城市的道路照明需要一種更智能節(jié)能的監(jiān)控管理模式，來促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展[2]。本文針對(duì)智慧路燈多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用展開分析和討論。

2　系統(tǒng)組成

基于PLC的智慧路燈多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)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(jī)交互界面和PLC配套R(shí)S485通訊模塊。從站聯(lián)動(dòng)控制部分包括RS485接口模塊、照明繼電開關(guān)和超聲波傳感器。多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)總體框架

PLC通過專用線纜連接RS485通訊模塊組成系統(tǒng)主控，HMI人機(jī)交互界面通過RS422或RS232線纜與PLC連接，將RS485接口模塊安裝在燈桿中，系統(tǒng)多個(gè)模塊以菊花鏈的形式進(jìn)行連接，上述超聲波檢測(cè)傳感器與RS485接口模塊連接。在系統(tǒng)安裝過程中需要注意的是：（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(yuǎn)程控制模塊通過雙絞線連接。（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(yuǎn)程控制模塊以菊花鏈形式進(jìn)行連接。

系統(tǒng)主要采用RS485接口模塊進(jìn)行通訊。RS485是多點(diǎn)系統(tǒng)中的通訊接口，RS485可與多種傳輸線纜進(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(duì)簡(jiǎn)單的雙絞線進(jìn)行多點(diǎn)雙向通訊，它的數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。RS485在工業(yè)上作為數(shù)據(jù)交換而廣泛使用的串行通訊方式，數(shù)據(jù)采用平衡傳輸。RS485與雙絞線連接，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用2 4 V工業(yè)電源，連接PLC、HMI人機(jī)交互界面和RS485網(wǎng)絡(luò)通訊模塊提供電源，HMI人機(jī)交互界面通過RS232或RS422與PLC進(jìn)行連接，具體根據(jù)PLC進(jìn)行選擇，RS485通訊模塊通過專用串口線纜與PLC進(jìn)行連接。從站聯(lián)動(dòng)控制安裝在燈桿內(nèi)，并配備專用24V工業(yè)電源為從站控制部分提供電源，RS485模塊通過雙絞線與主站（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。常見的RS485總線連接如圖3[4]，PLC通過連接RS485轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器依次對(duì)每個(gè)設(shè)備以菊花鏈的形式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)RS485總線上設(shè)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(xiàn)實(shí)生活中，從站之間通過雙絞線進(jìn)行連接且兩個(gè)從站之間的距離不超過100米，每隔800米安裝一個(gè)RS485中繼器，以保證遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的穩(wěn)定。

3　系統(tǒng)仿真

設(shè)備以PLC編程控制器為核心，通過拓展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檢測(cè)行車和行人。當(dāng)小車經(jīng)過燈桿，燈桿上的傳感器對(duì)小車進(jìn)行捕捉并產(chǎn)生電信號(hào)回饋至PLC中。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過通訊線纜傳到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并做出相應(yīng)判斷，通過通訊線纜邏輯性地控制路燈的開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)多路燈聯(lián)動(dòng)照明。

為確保多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)能在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)搭建仿真模型。系統(tǒng)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的距離成反比的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在傳感器與行人行車的距離不超過20米，傳感器都能檢測(cè)到行人和行車。系統(tǒng)將開啟行人可視范圍內(nèi)的燈光，其他路燈處于關(guān)閉狀態(tài)如圖4和圖5所示。通過系統(tǒng)仿真，得出多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)是可實(shí)現(xiàn)的。需要說明的是，仿真軟件中路燈關(guān)閉時(shí)燈片為白色，路燈開啟時(shí)燈片為淡黃色。

圖4 無行人系統(tǒng)狀態(tài)

圖5 有行人系統(tǒng)狀態(tài)

4　系統(tǒng)應(yīng)用及可行性分析

多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)應(yīng)用在城市現(xiàn)有路燈，通過在每個(gè)路燈上添加控制模塊并與系統(tǒng)主控通訊，達(dá)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，采集行車數(shù)據(jù)，發(fā)送到系統(tǒng)主控部分的PLC分析做出相應(yīng)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(tǒng)在城市現(xiàn)有路燈的應(yīng)用，本文也對(duì)此方案做了可行性分析。首先假設(shè)一個(gè)中小型城市擁有100000盞路燈，對(duì)此進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及分析。這里設(shè)定路燈A為適配多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)路燈，路燈B為傳統(tǒng)照明路燈。

4.1　能耗方面

一盞傳統(tǒng)照明路燈每小時(shí)大約消耗300瓦，以我國(guó)南方的夏天為標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(tǒng)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)路燈開啟系統(tǒng)，行人和行車途經(jīng)總時(shí)間約為2個(gè)小時(shí)。經(jīng)計(jì)算，適配多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)的100000盞路燈一天大約需要消耗210000千瓦時(shí)，節(jié)省了大約90000千瓦時(shí)的用電量，所得能耗統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 能耗統(tǒng)計(jì)圖

4.2　經(jīng)濟(jì)效益方面

據(jù)調(diào)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(jì)算配用多聯(lián)動(dòng)路燈照明系統(tǒng)的路燈一天大約可節(jié)省45000元，一年大約可以節(jié)省16425000元，所得用電費(fèi)用統(tǒng)表2所示。

表2 用電費(fèi)用統(tǒng)計(jì)圖

4.3　控制技術(shù)方面

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

以上數(shù)據(jù)分析只是在相對(duì)理想的條件下進(jìn)行粗略計(jì)算，但從數(shù)據(jù)上可得出適配多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)的路燈相較于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)照明路燈，無論是耗能方面、經(jīng)濟(jì)效益還是控制技術(shù)方面都是前者優(yōu)于后者的結(jié)論。

5　結(jié)語

綜上所述，多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以有效地節(jié)約能源[6]，提高整個(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了路燈可通過遠(yuǎn)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(xù)化發(fā)展。通過模型搭建、數(shù)據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了多聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)合理性和可行性，為促進(jìn)現(xiàn)代城市向智慧綠色城市的發(fā)展[8]提供了理論基礎(chǔ)。

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?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?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?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?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?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

陳景賢（1971-），男，廣東汕尾人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)任廣東海洋大學(xué)教育信息中心副主任，研究方向?yàn)殡娮优c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?yàn)殡姎夤こ獭㈦姽る娮印?/p>

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       摘自《自動(dòng)化博覽》2021年10月刊