立足 PLC 的城市道路照明节能控制智能设计

王昌江　陈光耀

摘 要：随着城市化建设的迅猛发展，城市公共照明系统的用电需求量不断增大，所占城市用电总量的比例也在不断增大。根据相关数据统计显示，城市公共照明系统每年需要消耗我国总用电量的9%左右，在所有领域的照明用电量中排名第一。为了更好实现城市道路照明节能控制，结合PLC控制系统，探索城市道路照明节能控制措施，并进行智能设计就显得极为重要。

关键词：城市道路照明;节能控制;PLC

中图分类号：TU113.666;TP273                        文献标识码：A                           文章编号：2096-6903（2022）06-0101-03

0 引言

城市的良好建设与发展离不开道路照明技术的应用，目前我国大部分城市的道路照明灯的节能控制主要采用了以下三种设计方式：第一，时间控制方式。工作人员按照开关灯时间表通过手动的方式实现操作控制，这种控制方式必须要有工作人员时刻保持在岗状态。第二，季节控制方式。已季节变化作为开关控制主要参照因素，不管天气条件发生什么样的变化，只能随着季节变化进行控制，由技术人员照明灯的开关时间进行定期调整。第三，光照度控制方式。根据光照度差异变化进行敏锐的捕捉，实现对路灯开关的控制，但是这种节能效果并不理想，会造成夜间供电资源的极大浪费。

在当前绿色理念渗透的大背景下，城市道路照明技术也同样需要注重低碳、节能理念的融合。立足于PLC的城市道路照明技能控制智能设计则能够实现城市道路照明节能控制，能够将智能控制理念与路灯照明需求相结合，实现路灯照明的节能管控与低碳效应。文章将运用PLC技术原理对城市路灯的节能控制进行创新优化设计，希望能够为城市道路照明设施的节能改造提供一些有价值的参考和借鉴。

1 城市道路照明节能控制智能设计的意义

根据部分调查统计数据显示，目前，我国城市道路照明灯具的总数量为400万套左右，而非市政领域（高速公路、工矿企业、机场、码头等）所安装配备的照明灯具共有100万套左右，总量已经超过了500万套，并且还数字正在以每年10%的速度快速增长。其中城市公共照明系统每年需要消耗我国总用电量的9%左右，每年的总用电量大约为439亿kW·h，如果每千瓦时的电费价格按照0.65元的平均价格计算，一年就要花费285亿元。与此同时，钠灯是城市公共照明所选择的主要灯具类型，该类型灯具的功率因数较低（0.4～0.5之间），这就占用了大量的无功功率，导致供电部门不得不增加供电设备的容量，从而对电力资源造成了极大的浪费，并且还让政府在公共用电方面投入了较大的资金，而对城市道路照明采用节能控制智能设计，已经具备成熟的理论基础，并且也已经具备了可实施的条件，可以有效的降低对电力资源的消耗量，从而有效促进公共用电社会效益和经济效益的双重提升[1]。

尤其在当前低碳、环保理念应用环境下，通过城市道路照明节能控制智能设计的开展，能够将环保理念融入到路灯照明之中，能够向人们无声传递低碳价值观，这都有助于我国环保型社会的构建，也能够让人们在身体力行过程中感受环保重要性，对于和谐社会的构建、健康生活理念的形成都具有重要作用和影响。

2 城市道路照明节能控制智能设计可行性依据

城市道路照明的节能化、智能化功能是城市基礎建设未来的发展方向，该项设计主要具有以下几项可行性依据：

第一，在电力供电系统的工作运行当中，为了有效降低和控制供电中存在的线路损耗、用电高峰期末端电压过低等问题，往往会采用较高的电压输送进行解决。而这种方式会导致路灯过大的功率消耗，尤其是进入夜间用电低峰期后，电网电压依然保持在较高的状态，多余的电压会产生过大的发热量，这样一来，便会明显缩短灯具的使用寿命，并且也会导致电费成本的明显增加。

第二，不管是电网电压的运行处于偏高或者偏低状态，在加上电网不洁净瞬变、谐波等因素的影响，不仅会造成电力资源的极大浪费，并且还会让灯具的故障率得到明显的提升，从而造成维护成本投入的明显增加。

第三，从时间和人流量的统计理论知识看，当进入夜间后，来往车辆、行人数量减少时，对照明度方面的需求就会明显下降，附近企业生产暂停、居民休息，用电量也会明显减少，但是线路电压却依然处于较高的运行状态，这会对灯具的照明启动造成严重的损害。与此同时，路灯在高电压状态下的重启会产生强烈的眩光，对人的视力健康造成一定的伤害，从而容易导致因人的视力猛然模糊不清导致的交通安全事故的发生。

第四，目前，大多数城市的路灯均选择气体放电类型的灯具，其中，以钠灯的灯光最具穿透力，而这种类型的灯具由于具有独特的物理特性，需要在较高的电压条件下才能完成启动，但是在启动后便仅需要较低的电压就可以正常照明，这种特性也为路灯的节能设计提供了可靠的理论依据。

3 立足PLC的城市道路照明节能控制智能设计方案

PLC的城市道路照明节能控制智能设计包括硬件设计、软件设计、系统调试等多部分，做好每一环节设计，并将这几部分设计融会贯通，才能真正实现道路照明节能控制智能设计方案的优化实行，才能保证城市道路照明节能控制智能设计的优化。

3.1 硬件设计

3.1.1 系统整体硬件结构的设计方案

基于PLC城市道路照明节能控制智能系统的内部结构只要由三部分组成，即上位机、集中控制器和单灯控制器。

该系统需要设置一台计算机作为总控制器，通过对集中控制器发出控制指令实现对每盏LED路灯的控制。其中计算机与集中控制器之间以串口的方式实现双向连接;集中控制器与单灯控制器运用PLC的通信方式实现双向连接，这样便可以将供电线与信号线进行有效的融合;在每一盏路灯上均设置单灯控制器，负责接收和传输来自于集中控制器的指令，从而对LED路灯的照明状态进行实时有效的控制。

3.1.2 LED 路灯控制器结构设计

LED路灯控制器开发板可以进行灵活设计，但需要保证开发板为集中控制器模式，并能够予以稳定运行，集中控制器模式下，LED驱动模块未予以应用，处于空闲状态，在单灯控制器模式下，串行口则处于空闲状态。控制器以PLC为核心控制器，进行信号采集，并实时输出控制信号，所采用的零配件为PLC芯片MI200E、LED驱动电路、HOLTEK单片机HT46RU232、电源转换电路等，并组装而成。其中PLC芯片主导信号传输，并将所获取的信号传递至AC220V电力线，单片机获取上位机通信信号，信号实现LED驱动电路的驱动，再通过电源转换器对路灯进行控制，并为路灯予以供电[2]。

3.1.3 PLC 模块设计

PLC模块设计的主要由PLC芯片MI200E装置组成。第一，此芯片为上海弥亚微公司自主研发而成，是国内唯一一款高集成數模混合通信芯片，使用该芯片能够进行信息的同步传输，内部包括扩频/解扩、高性能数字功率放大器、输入信号整形放大、调制/解调、高性能带通滤波器、市电检测等功能，在路灯控制中更加能够实现节能需要。外部采用SPI设计，能够进行信号的有效传递，同时采用SOP24封装，这也为MCU接口连接提供强有力帮助。第二，PLC模块电路设计，保证PLC模块设计能够将PLC芯片的高集成性能包括其中，尤其引脚需要能够与单片机相连接，即CS、RST、SDO、SDI、SCK，与低压电力接口相连接部分包含6个引脚，即VAC-、RA+、PA、VAC+、RA-、PB，其中PA、PB则为信号引入输出引脚，能够与C9、L3、R12、D4、L4、T1、D3、C18形成信号发送电路。L4、C9则可以进行滤波处理，将信号输出至耦合变压器T1，并最终传递给220 V电力线路，通信任务则予以传送完成[3]。

在此过程中，T1的作用不容忽视，主要有两个方面，一方面能够让初级线圈和安规电容C18形成了高通滤波器，有效隔断50 Hz交流工频信号，芯片电路的运行则更为安全;另一方面则是次级线圈和外围电路共同形成带通滤波器，这样可以支持调制信号的选择与信号传输;D3、D4则能够对信号变化幅度予以合理控制，保证电路在信号传输过程中得以作用的充分发挥。R12发挥的作用是，在C18断电时给予有效的放电帮助，放电的整个过程则更为安全;PLC芯片MI200E在接收耦合电路过程中，能够与发送电路共享T1等部分外围电路，引脚RAI+、RAI-是模拟信号接收端的差分输入引脚，C13、L2形成带通滤波器，对送入MI200E所需的调制信号进行准确的选择。VAC+、VAC-为 MI200E 过零检测引脚，与光耦U3等器件形成过零检测电路，负责对芯片内部电力线过零及负载特性进行检测[4]。

3.2 软件设计

在软件设计方面，主要任务便是如何实现街道路面信息数据的采集与处理。由于系统采集的参数在量纲和数值方面存在着明显的不同，因此当被测信号转化为数字量后，还需要完成操作人员熟悉工程量的二次转换，这便是标度变换。具体的控制测试中，存在着大量的现场干扰，导致采集的数据存在着一定的信号污染问题。针对该问题，可以按照数据受干扰的性质和后果为依据，采取软件、硬件措施排除干扰。而采用软件的方法则需要投入较低的成本，并且设计操作也较为简单灵活。目前常见的软件抗干扰方法主要包括：有效性检查、数字滤波、数字调零和自动校正等。本设计的节能控制方案的软件系统主要分为三个部分，分别为上位机软件设计、集中控制器软件设计、单灯控制器软件设计。图1分为上位机软件界面图和集中控制器和单灯控制器工作流程图。

3.3 系统调试

在系统测试环节，选择LED筒灯对LED路灯的受控、照明状态进行模拟，使用一个集中控制器和3个单灯控制器进行测试。现将具体的测试方法和流程讲解如下：

3.3.1 测试环境及条件

第一，测试环境。目前，电力环境对PLC通信系统的运行产生着较大的影响，如果处于较为复杂的电力环境，通信成功率必然会明显的降低。考虑到该因素，此次测试，决定选择简单的电力线路完成。此次测试，是在室内条件下开展的，分别将集中控制器和单灯控制器连接到同一房间内的电源上，但是将其分别接入到不同的电源接口上。

第二，测试条件。主要准备以下硬件和软件设备：电脑（带有串口或 USB 接口）、AC220V电源接口、上位机软件： Microsoft Visual C+ + 6.0。

3.3.2 测试方法及步骤

保证测试准确与有效，主要通过以下两个步骤完成：

第一，准备工作，这主要是设计达到测试程度之后，将所有装置模块依照设计图或者设计预案完成集中控制器和单灯控制器插接器件连接，集中控制器与安装配置为串口连接方式，保证每个单灯控制器都能够与路灯相连接，最后让系统与AC220V电力环境相连接。

第二，连接完成之后，则可以通过按键操作、上位机操作等方式对路灯进行实施控制。上位机操作让其他部分按键操作功能有所弱化，但是通过按键可以对路灯进行全开、全灭控制。给系统上电之后，打开上位机软件，则可以通过软件操作就电力系统予以全面管控，单灯控制上电后，则可以进行信号接收与传递，信号通信则能够对路灯进行实时控制。

3.3.3 测试结果

通过测试结果看，上位机的操作模式能够实现对LED筒灯运行状态的实时准确控制。

4 结语

本文针对城市道路照明系统耗电量巨大的问题，运用PLC技术原理对城市道路照明节能控制系统进行了优化设计，通过实验测试的结果看，能够在光照度和时间协同作用条件下有效节省和降低照明灯的耗电量，该设计为城市道路照明系统的升级改造提供了一种可行方案。但是，此次研究依然存在者一些明显的不足，例如，在夜间没有车辆行人的场景下，路灯并不够实现智能化的熄灭。这需要运用机器视觉技术进行的更加深入研究才能解决。

参考文献

[1] 高益锋.智慧城市道路照明系统关键技术研究与应用[J].电子世界，2020（14）：161-162.

[2] 卞和营，曹森鹏，常英丽，等.基于PLC的城市道路照明节能控制系统设计[J].平顶山学院学报，2018，33（5）：53-55+64.

[3] 景琳.LED路灯智能控制技术模式分析及应用[J].科技资讯，2017，15（20）：46-47.

[4] 蒋钰.城市道路智能照明控制系统研究[D].成都：西南石油大学，2017.