基于Cortex-M 3核的车间智能照明设计

栾新源

(上海大学微电子中心,上海200444)

引 言

智能照明控制系统不仅可以节能,还能创造舒适的工作环境、提高工作效率,因此在各工厂车间中的应用越来越多。设计时,除了要满足《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)规定的有关工厂车间的照度要求和照明功率密度要求外,还要考虑操作及功能的人性化和高光效灯具的使用,以便节能。本文以建湖工厂一车间智能照明工程为例, 介绍工业厂房智能照明的设计方法和技巧。

1 车间概况及要求

车间为80m×75m矩形,东西走向钢结构厂房,灯具悬高8m左右。东西两端为开放式现场办公室,自带工位照明。车间以节能灯装配,在线老化为主。另有2条燃气毛管烘烤线,其上方5m处温度有55°C(室温30°C)。原有的方案是使用90盏400W高压钠灯。钠灯功率因数只有0.5,其耗电量高达400×90/0.5=72 kW。工位安装有日光灯照明,故作为辅助照明,查设计标准可知只需200 lx即可。

照明要求:从概况可知工厂车间灯具悬挂较高,故灯具要求寿命长、维护少。生产线的特性要求:显色性好,便于分清颜色;照度分布均匀度合理,眩光小;方便根据不同日照情况调节亮度。

安全要求:按《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)的相关条文,灯具三线单相供电,可靠接地,线粗至少2.5mm;2分支线路沿钢架穿管布线,主线走金属桥架布线;出口处设置应急灯,单独走消防线路。

2 车间的照明设计

按照《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)的要求逐步细化设计。

2.1 光源选择

市面上电光源种类繁多,光源参数比较如表1所列。

表1 光源参数比较

选择标准普遍遵循“三高”原则:高发光效率,高寿命,高显色性。金属卤化物灯不但符合“三高”标准,而且适合大空间使用。其灯具特性如表2所列。

表2 金属卤化物灯灯具特性

2.2 布灯方案

采用250W金卤灯,1行10个灯,共9行,每行独立控制亮度。由于点着的大量节能灯在老化,实测台面照度为300 lx。

3 控制系统设计

整个系统以触摸屏为核心,在触摸屏上有图形化人机界面,直观地控制灯具。系统框图如图1所示。每个模拟调光器有唯一一个32位地址。开机后触摸屏发送地址查询命令,模拟调光器将自己地址发送给触摸屏,触摸屏存储地址并分配一个通道号给这个地址,亦可在触摸屏上手动分配,建立映射关系。

RS485和CAN总线都是目前应用广泛的现场总线,两者比较如表3所列。

图1 系统框图

表3 RS485和CAN总线比较

由于工厂车间灯光控制要求可靠性高、后期维护工作少,所以控制系统采用CAN总线。CAN总线是一种多主方式的串行通信总线,具有较高的位速率和抗电磁干扰能力,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时,CAN总线仍可提供高达5 kbps的数据传输速率。CAN控制器具有硬件仲裁机制,根据报文的ID决定其发送的优先权,不用担心同时发送时系统会崩溃。模拟调光器收到调光命令后将转换成调光电压,灯具根据收到的电压值调节亮度。

3.1 触摸屏模块

采用8 in屏触摸屏模块进行二次开发,编写应用程序和人机界面。该屏为TFT真彩屏,分辨率为800×600,画面色彩丰富细腻。开发工具选择大众化的Keil C,上手容易。触摸屏界面如图2所示。

3.2 模拟调光模块

核心芯片采用TI公司ARM Cortex-M 3内核的LM 3S8962,最高工作频率为50 MHz。它具有256 KB Flash、64 KB SRAM、6路PWM、4个ADC、CAN控制器、10/100M以太网、UART口、42个I/O口,以及32位的实时时钟(RTC)、万年历功能。

CAN接口芯片选用TI公司的sn65hvd1050d,速度高达1 Mbps,防错接电压-27～40 V不会损毁,瞬间可承受电压范围为-200～200 V,为系统的高可靠性提供了保障。

CAN通信电路如图3所示。稳压器78L05、AZ1117-3.3和AZ1117-2.5为系统供电。LM 3S8962从CAN总线上收到属于自己的调光指令后,将亮度值送给相应的PWM通道,调节占空比,采用二次积分方式转换成电压值。PWM幅值为3.3 V,积分电压最大只有3.3 V。模拟调光电压范围为1～10 V。用LM 358同相放大3.1倍,可满足需要。输出端加三极管13005可提高输出阻抗和高达2 A的驱动电流。亮度感应器主电路类似,可在LM 3S8962的AD0口连接一个MG45光敏电阻来获取亮度值。

图2 触摸屏界面

3.3 灯具模块

灯具采用电子镇流器,效率高,相对而言电感型更可靠。表4为在烤箱中模拟环境下点灯实验。

表4 HID镇流器温度测试报告

在环境温度较高情况下,电子镇流器内部温度过高,直接影响电解电容寿命,进而影响整机的可靠性。在车间有高温设备的情况下,选取电感镇流器比较耐用。通过改变绕组(即改变电感值的方式)可实现变功率。变功率电感镇流器结构框图如图4所示。电感镇流器有4个头,可实现150W、200 W、250W三段调光。

图3 CAN通信电路

4 触摸屏和调光器工作流程

4.1 触摸屏工作流程

图4 变功率电感镇流器结构框图

继电器切换电路如图5所示。1～10 V输入用PC817光耦电器隔离。只需2段调光,可将10 V分为1～5 V、5.1～10 V两个区间。150W为开机状态,调光电压通过555内部电压比较器和5 V比较,切换继电器到250 W。供电用阻容降压产生12 V输出。K3021P带过零检测切换功能,可减少继电器切换火花。

触摸屏程序设有总开、总关、全自动运行、每行灯单独调光以及场景模式。全自动模式即按照上班作息表和天气调节亮度。例如,天气晴朗时,上班期间灯具为200W,吃饭时间关灯;天气不好时,环境光暗,则上班时间灯调整至250W,吃饭时间150W且只亮一半灯。场景模式按实际情景需要半自动设定亮度。例如,关闭日光补偿模式,选择上班模式,则亮度一直最亮;休息模式下,亮度最暗。

触摸屏工作流程如图6所示。

图5 继电器切换电路

图6 触摸屏工作流程

4.2 调光器工作流程

图7 调光器工作流程

调光器主要完成CAN通信和PWM脉宽调制工作。调光器工作流程如图7所示。初始化后等待主机发送查询ID指令,收到后回复ID,主机依据ID发送状态查询命令和调光命令。程序采用接收完成产生中断方式处理数据。

CAN信息帧报文的数据格式:

CAN标准信息帧为11个字节,包括信息部分和数据部分。SOF为帧信息(1字节),其中FF位表示帧格式(标准帧FF=1,扩展帧FF=0)。这里采用标准帧,速率为1200 kbps。PWM程序只需设置即可。

结 语

该车间采用本文设计的电路优化后,节电效果非常明显。改用250W金属卤化物灯后,通过智能控制系统日光补偿和休息节电,可再度节电25%。现耗电量为250×90×75%/0.85≈19853W(其中,0.85为功率因数),节电量为72000-19853≈52147W。按12小时工作计,一年(按365天计算)可节省22.8万度电。该方案技术先进,成本适中,可给企业带来良好的经济效益和社会效益。

[1]赵庆勇.工业厂房的照明设计[J].电工电气,2010(5):58-59.

[2]谢聚良.工业厂房照明的改进与效益[J].西安工业学院学报,1996,16(2).

[3]Luminary Micro Inc.LM 3S8962 MicrocontrollerData Sheet,2009-04.

[4]Robert Bosch GmbH.CAN Specification 2.0,1991-09.

[5]中国建筑科学研究院.GB 50034—2004建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.