LED隧道照明控制系统的研究与开发

2011-08-08张玲郝翠霞

照明工程学报 2011年4期

张玲郝翠霞

(南京工业职业技术学院，江苏南京 210046)

1 引言

在山区高速公路建设中，隧道所占比例很大，建成通行后公路隧道用电费用相当惊人。由于偏远山区经济欠发达，车流量很小，隧道照明费用已成为高速公路隧道管理部门的一笔沉重负担，特别在运营的前几年，征收的通行费还不够运营养护支出。如何提高隧道的运营效率、降低能源消耗，成为高速公路建设亟待解决的问题。

现有的隧道照明控制大多采用时序控制法，主要通过投退不同的照明回路，以增减工作灯具数量的方式来达到目的。这种控制方法虽然简单、可靠，但未完全考虑环境因素对隧道照明的影响，如天气条件、隧道通风状况、交通量以及车速对照度的要求等，不能完全满足隧道照明的要求，并且能耗高。随着半导体照明技术的快速发展，目前高效节能的LED照明灯已越来越多地应用于隧道照明系统中。与传统的光源相比，LED具有低压、低功耗、高可靠性、长寿命等优点，是一种符合环保、节能的绿色照明光源。为了进一步发挥LED照明的技术、经济优势，在采用LED作为隧道照明时，应注意根据实际情况优化照明设计布灯方案，完善控制策略和控制手段。LED灯的驱动电源可以接受调光控制信号，通过调整输出电流控制LED灯的光输出，这一特点使得我们可以通过采用更为完善的控制技术来降低照明能耗，提高系统的技术水平。本文将从完善控制策略的角度提出LED隧道照明控制系统的实现及其应用方案，综合分析隧道照明的要求及其特点，为大功率LED隧道照明控制系统提供完整的解决方案。

2 系统架构设计

LED隧道照明控制系统主要由监控中心的主控计算机、现场LED隧道照明控制器以及相关通信设备等构成。隧道照明控制器通过现场传感器采集隧道外照度值、隧道内照度值、车流量、车速等数值，并将数据上传至监控中心。主控计算机根据规定的调光控制逻辑计算出各隧道、各区段当前的照度参数，再通过通信网络向各隧道LED照明控制器发出调光控制指令。根据隧道的特点，隧道照明控制包括入口段区域照明控制、过渡段区域照明控制、基本段区域照明控制 (若干)和出口区域照明控制。隧道照明控制器根据接收到的调节命令，自动调整灯具电源的输出电流 (PWM方式的占空比)，改变LED隧道灯的光通量或者工作状态。主控计算机通过照度传感器实时检测到当前隧道照明的照度，判断当前的照度是否满足隧道照明要求，如果不满足，就下发新的控制命令给LED隧道灯，从而改变隧道的照度。灯具和照明控制器之间，以及灯具和灯具之间的数据传输可采用现场总线连接。为了满足现场实际的控制需要，隧道照明控制器设置有多路输出接口，最多可同时控制8路输出。为保证行车安全，调光系统在调节隧道照度时，采用照度渐变控制方式，分步逐级达到目标照度，以避免因照度突然变化而产生不安全因素。

LED隧道照明控制系统的结构如图1所示。

如图1所示，隧道照明控制器采集车辆检测器、照度检测仪等传感器的检测信号，根据预设的照明控制策略，对整个隧道的照明系统进行控制。系统的控制策略如下:正常情况下，在没有车辆进入隧道时，根据检测到的洞内外照度差值，在隧道内只开启相应的基本照明;在车辆检测器检测到车辆即将进入隧道时，开启隧道洞口的加强照明;当检测到车辆进入隧道后，则将车辆前面一段相应距离的照明加强;一旦检测到后面无车辆跟进，则将车辆后面的加强照明关闭，并调低基本照明照度。同时根据检测到的照度值还可判断晴天、阴天、白天、晚上等时间段数据，从而开启或关闭相应的照明灯具。

图1 LED隧道照明控制系统结构示意图

本系统既可对单个的照明灯进行单控也可对区域照明进行群控，控制策略可随时根据实际情况进行修正，这样能节约大量的电能，有效地降低运营成本。此外，根据隧道的安防要求，当发生火灾时，本系统还可检测控制隧道内车行横洞卷帘门和通风的状况。

3 系统通信网络设计

本系统网络拓扑采用总线结构，通讯方式可选用CAN总线、485总线或Zigbee无线方式，对应于不同类型的LED灯具智能接收控制器接口形式。

LED隧道照明控制系统的拓扑结构如图2所示。

图2 系统网络拓扑结构示意图

如果LED灯智能接收控制器的接口是RS485总线型的，则可使用隧道照明控制器的RS485模块，系统接线如图3所示。

CAN总线和RS485总线的接线方式类似。CAN总线具有完善的通信协议，并且速度优于 RS485，并且CAN网络中的节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，从而使总线上其他节点的操作不受影响。

图3 RS485总线照明控制示意图

采用CAN和RS485总线通信技术进行数据传输，都需要专门投资铺设通讯线路，当数据传输总线与LED灯电源线路并行敷设时，会有高压脉冲耦合侵入，通信质量易受到影响。而 Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的一种新兴的短距离无线通讯技术，能有效解决以上问题，非常适合在测量节点较多、分散、不要求较高数据传输速率的控制领域应用。本系统中的隧道照明控制器配备 Zigbee模块，能够简单快速地进行Zigbee组网。图4为Zigbee无线网络照明控制示意图。

相对于舞台照明需要场景的快速变化，隧道照明的调光变化较缓慢，因此在通信协议的选择上采用了更为合适的DALI(Digital Addressable Lighting Interface:数字可寻址照明接口)协议标准。DALI是照明控制设备之间数据通信的接口标准，该技术的最大特点是可对系统内LED灯具独立寻址并进行精确的控制，尽管这些灯具在强电上是同一个回路或不同回路，但在照明控制上与强电线路无直接的联系。该技术为控制带来极大的灵活性，可根据需要设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可修改控制参数，而无须对线路做任何改动。采用DALI标准的系统，功能模块相对较少，结构简单，安装方便，调试也十分便捷，可以实现许多基于回路控制的智能照明控制系统无法实现的功能。

同时，DALI技术是双向通讯，不仅可以发送控制指令，而且可反馈LED照明控制器及光源的工作状态和故障信息，这给运营维护和集中管理带来了极大的便利。DALI协议采用数字照明控制技术，其无可比拟的先进性，精确的控制效果以及技术的标准化和优异的开放性，使得数字照明技术在照明控制领域迅速普及与推广，而运用数字照明也正成为一种设计潮流和应用趋势。

图4 Zigbee无线网络照明控制示意图

4 LED隧道灯智能控制单元

在LED隧道照明控制系统中，LED灯智能控制单元是整个照明控制系统的核心，它接收来自隧道照明控制器的控制命令，并控制流过LED的电流，从而达到调光的目的。

以CREE公司Q5芯片为例，单颗芯片额定电流为350mA，控制流过LED的电流大小即可控制其发出的光通量，控制电流可采用以下2种方法:

(1)通过斩波调相控制电流从0～350mA之间连续可调，但采用这种方案需要重新设计开关电源，面对众多LED厂家的电源，适应性很差，不利于普及推广。

(2)以各厂家LED灯具电源的额定输出电流为基准值，采用PWM(Pulse Width Modulation:脉宽调制)的方式控制电源的平均输出电流从而实现调光控制。

本系统的LED灯调光控制器采用PWM方式调制，光通量0～256级连续可调，可连接于灯具电源和LED模组之间，与照明灯具原有电源无关，根据需要最多可控制6个LED模组。因为无需改变原有灯具电源结构，因而适应性广，控制精度高，稳定性好。LED灯智能控制单元系统结构如图5所示。

各LED灯具厂家根据自身灯具的特点对LED灯珠采用串并联结构，将LED灯珠组合成1个或几个模块，在每个模块内采用串联结构，模块间采用并联结构。LED灯智能控制单元根据接收到的控制命令控制每个模组的PWM调制信号，可实现分组调光或联合调光。

在PWM调制频率的选择上，应考虑在隧道内LED照明灯可能会与其他光源产生差频效应。隧道内除LED灯外，可能还安装有高压钠灯、荧光灯等，如果频率过低，差频后会出现严重的频闪，严重时将影响隧道内行车安全。但是如果PWM的调制频率过高，又会增加开关损耗，导致电源发热，电源效率降低。根据多次研究测试，将PWM调制信号的频率选择在2kHz～10 kHz之间较为合适，本方案选择的调制频率为6kHz。

LED灯智能控制单元的关键部件为大功率开关器件，可供选择的开关器件有可控硅、大功率MOS管、晶闸管、IGBT等。可控硅技术成熟、控制简单，但工作频率较低，不适合PWM调制应用，而晶闸管、IGBT等通常应用于几十安以上的大电流场合，因此本方案选择大功率MOS器件。

根据对大功率MOS器件的失效模型分析，在大于90%的情况下MOS器件的失效均表现为断路失效，因此为了保证照明控制系统的可靠性，开关器件采用旁路方式，这样在绝大多数故障情况下，会保持LED灯具全亮，从而保证隧道内行车安全。

测试结果表明，采用PWM调制电源效率高、对供电电源的污染较小。开关电源高压侧电流波形如图6所示，图7为电源电流频谱分析图。由图7可知，3次、5次谐波已分别衰减到5.2%、4.3%，说明采用此方案对电源系统的污染很小。

图5 LED灯智能控制单元系统结构图

图6 电源电流波形图

5 结束语

在实际使用过程中，隧道照明控制系统还应与隧道通风系统、火灾报警系统以及环境监测系统互联，以达到最佳的控制效果。由于隧道的特殊结构，隧道内的烟尘特别多，且不易消散，隧道照明控制系统既要考虑光线的穿透性能，也要考虑由于烟尘反射而造成的亮度损失。而隧道通风则是降低烟雾浓度的有效手段，因此，照明控制和通风控制之间存在一定的联系，如何使二者统一且节能效果更好，有待进一步探讨。当隧道发生火灾时，为了紧急救援，如何快速及时打开全部照明，也有待研究。

但无论如何，LED隧道照明控制系统以其良好的控制性能和有效的节能降耗策略，必将在隧道照明系统中得到广泛的应用，为提高高速公路的运营效率，降低运行成本，提高行车安全性发挥更大的作用。