校园智能路灯控制系统设计

王 波

上海交通大学

校园智能路灯控制系统设计

王 波

上海交通大学

智能路灯控制系统拟解决由于路灯分散的控制方式和日常的维护滞后所造成的路灯无法统一开启/关闭时间，设备维护不及时等问题。本文以智能路灯控制系统建设的必要性，系统设计的原则和目标，结合校内实际情况，设计优化路灯控制系统的逻辑和结构。通过路灯系统的硬件改造，控制系统界面的设计，形成智能路灯控制系统的整体设计。最后，通过实际使用验证，使智能路灯控制系统，实现实时观察校园各处的路灯照明情况，实现实时对路灯的启闭时间进行统一调整，在节约路灯电费开支的同时，能及时发现和维护损坏的路灯，全面提高日常管理效率，为创建智慧校园打下基础。

监控、自控、管理、维护一体化系统

上海交通大学闵行校区路灯从建设至今已近30年，随着校园的扩建和路灯的增加，经多年的运行和维护，发现路灯的控制方法较为原始，因设备维护滞后，系统的应急处理乏力，对路灯有效的运行造成了较大的障碍。经学校相关部门的决策，综合日常实际使用的情况和目前新兴的技术手段，拟把校区的路灯改造升级为智能化和节约型的控制模式。

智能路灯控制系统通过网络或无线信号远程操控集中控制器，其中自动运行开关可远控、自控和和现场操作，同时可发送报警等信息给值班人员。智能路灯控制系统可实现路灯的统一控制，提高了管理效率。智能控制不仅降低了人工成本，同时也提高了维修的及时率，更重要的是减少了能耗，因此被越来越多的政府和企业所采用。但智能路灯控制系统前期建设项目多，校内路灯数量多，相间距离远且比较分散，需要敷设大量的通信线或信号控制箱，施工期间将造成校内路面大规模开挖，无线信号接受不稳定，建设费用昂贵等问题。

为解决以上问题，结合校内实际情况对智能路灯控制系统、系统结构和软件进行了设计，并与学校原有的电力监控网络有效结合，确保了信息的及时反馈。此外，对原硬件设备和线路的进线进行了改造，减少了校内的重复建设，形成了上海交大智能路灯控制系统。

1 系统设计目标与原则

校园智能路灯控制系统的基础是基于PLC控制的智能路灯管理系统。整个系统包含硬件改造和系统设计。运用计算机网络技术、自动控制技术和自动检测技术构成的监控系统，快速准确的对校内道路照明、建筑灯饰、草坪景观灯等进行智能控制，实现对校内路灯的电源可遥控、遥信、自控、远程管理和现场操作等功能。另外上述功能的实施有利于相关部门了解路灯的运行状况，确保及时的维修和保养，提高了路灯的运行质量和效率，为节约能源和创建智慧校园打下基础。

新智能路灯的控制系统结合实际情况完成了校内监控系统的总体规划与设计，并按计划实施。系统设计在技术上应达到科学性、先进性、可靠性和成熟性的统一。性能上应确保安全、可靠性。使用上应具有可维护性和可扩展性，并且性价比高：

（1）稳定性：系统选择高效集成的设备，便于控制、管理和维护。

（2）实用性：系统界面友好，简易可操作，维护方便。

（3）可靠性：设备应具备适应极端气候环境影响的能力，性能可靠、稳定性强。

图1 整体系统逻辑图

2 系统结构设计

闵行校区路灯原控制方式由36个室内外路灯控制箱单独控制，无法集中统一。为了建设校内智能路灯集控系统，结合多年路灯管理的经验和实际情况，最经济实用的方法是利用校内电力集控中心站的原有网络，连接各个分站至路灯控制箱，从而达到集中控制，具体架构设计和建设如下：

在KB05电力集控中心站内设路灯监控主机，连接大屏幕显示，通过校园电力以太网络至各个配电站（KB01、KB02等），连接各个变电站的室内外配电箱（AL01、AL02等），利用PLC的输出对路灯控制箱的接触器进行分合操作，利用PLC的输入对路灯控制箱的状态进行监控，并对PLC进行自控编程，在相应时段进行自动分合操作，接受主控中心的远程命令和管理，根据信息数据需要及时反馈。[1-2]

整体系统逻辑如图1所示。

系统总体结构如图2所示。

系统用户层：值班人员可以在系统中查询到所有路灯的开启/关灯的状态、控制方式的设定和关灯时间的设定等一系列管理工作，另外可以多元化的对各条路灯制定差异化的控制逻辑，并以通讯方式传达给PLC，让PLC按照指令进行自定义的控制模式。

系统监控层：该层主要以监控主机为主，主要任务是对PLC群的集成和通讯管理。视频监控系统前端含可控云台和固定式监视器，可控云台主要对开关柜进行监视，固定式监视器主要对信号屏监视。为了视频系统与电力系统网络共用更通畅，将原有开关站的百兆网提升为千兆网。

系统网络层：系统中的PLC通过以太网的方式互相连通，与路灯控制系统的上位机进行通讯，并与GPS时钟进行校准对时。[3]

系统自动控制层：在PLC控制逻辑中分为3大类。（1）为时间继电器控制，该控制方式将保留原有的以时间继电器的方式控制，增加参照经纬度的变化进行调节。（2）为光感控制，该控制方式是以光照传感器接入PLC，再根据用户设定的照度进行逻辑控制。（3）为用户自定义的控制，PLC会保存用户设定的每条路灯线路的控制方式，及开关灯的时间，路灯的开关时间是差异化的，并且具备远程开关的功能。

系统总线层：路灯控制箱、老旧路灯、景观灯箱中的IO模块，通过总线方式连接至上层若干个PLC，由区域PLC进行管理通讯控制。PLC以地域为单位划分各自管辖的路灯区域。同样的以载波方式通讯的IO模块以电力线作为总线接入。

系统控制设备层：系统中采用IO模块控制，该IO模块由单片机制成，多路DIDO，DI用于路灯开关状态的采集，DO则控制路灯的分合闸。DIDO通过中继器完成对路灯的状态采集及控制。

以上IO模块具有MODBUS通讯协议，可以与PLC进行通讯控制，载波IO模块则通过电力线进行MODBUS协议的通讯，适用于老线路路灯。模块以电力线载波通讯为核心，利用电力线载波通讯实现对远端灯光的控制，可以实现对路灯、河道、草坪、广场等需要长时间照明的场合的灯具进行控制，远程控制灯具的开关、检测灯具的工作状态，从而实现高效率和低成本的管理。以电力线载波通讯为核心的智能路灯控制系统，具有易实施、免布线等特点，可以节省大量的电费成本，系统整体效益非常显著。[4]

系统路灯层：校园的路灯类型主要分为3大类。（1）新型的主干道路灯，路灯由大型的路灯箱控制，一个路灯箱能控制多路主干道路灯，路灯的供电线路为两路，间隔方式连接，一路为全夜路灯，一路为半夜路灯，由时间继电器控制。（2）老校区的单线式老路灯，路灯由变电站直接供电，通过时间继电器控制。（3）景观灯及非主干道照明，这些路灯则由一些小型的路灯箱控制，一般一个路灯箱控制一个景观区、一个建筑或建筑群的景观照明或周边道路照明。

3 路灯控制系统图

在KB05电力集控中心站内利用原电力监控系统网络，通过以太网连接各开关子站，并进行分合操作。结合室内外路灯控制箱的实际操作情况，决定路灯系统采用串口光端机和载波模块连接。串口光端机连接需进行室内线路改造，加入IO模块连接；载波模块连接需进行室外路灯箱线路改造，采用载波通讯技术使得PLC控制接线盒内的路灯。在KB05总变电站中心监控系统结构如图3所示。

4 路灯系统的硬件改造

4.1 变电站内部设施改造

改造低压线路，由原配电柜内低压电缆移至墙壁悬挂式路灯配电箱，考虑到智能控制的可扩展性，在路灯配电箱增加基于以太网的西门子PLC。

由于系统是将各个路灯控制箱构成环网，且考虑到路灯控制箱与站之间的传输距离（室外路灯控制箱），为保证通讯速率及通畅，采用光纤通讯，每个变电站内需增加：PLC、光端机、附件等。[5]

图2 系统总体结构图

4.2 路灯控制箱改造

闵行东、中校区路灯控制箱与变电站的距离比较远，线路比较复杂，而且校园内不允许大规模开挖路面，只能沿用原通讯光缆连接控制，由PLC编程来控制路灯控制箱内的IO模块控制断路器从而达到控制此线路下的各路灯，模块需与各站内的PLC以光纤方式通讯，方可达到监控平台和控制中心人员控制的目的，因此需要增加：I/O模块、手/自动开关、光端机、断路器辅助触点、接触器辅助触点、开关电源、固态继电器、光缆、附件等。路灯线路结构图4所示。

系统功能：路灯监控系统可以检测校园各处路灯使用情况，通过PLC输入采样、用户程序执行和输出数据刷新，路灯开关可自动运行、远程管理和可现场操作，可以对路灯的开关时间进行更改、以及进行故障报警等功能的实现。

远程管理：站内监控主机能对所有PLC进行远程管理，设定路灯的开启与关闭时间。遥控：站内监控主机能在监控画面上对路灯进行远程控制。遥调：根据季节变化更改路灯的运行时间。遥信：随时监测校内路灯的开关状态和PLC运行状态是否良好。

数据报表：对校内各路灯的用电量做分类统计，便于管理和制定灯具节能改造方案。

故障报警：路灯控制箱内接触器跳闸、电缆故障、不正常打开等故障发生时，系统能及时报警，便于及时处理故障。

系统能全天候自动控制：采用经纬度路灯控制器、光控和手动综合集中控制，对整体、分区、单站根据四季变化规律和校园安全管理需要，调整开关灯时间，并具有半夜灯、全夜灯等工作指令，实现校内照明的智能化控制。

图3 监控系统结构图

图4 路灯线路结构图

5 软件界面设计

在路灯监控系统中，硬件设备的功能是由软件来定义的，通过有线串行通信来完成控制要求，通过编程完成大屏幕显示等。监控界面软件采用VCC开发系统，监控画面采用GIS系统设计，更直观的表现出各路灯的运行状况，能直接对线路上的路灯进行时间等控制参数的设定和远控操作。[6-7]

计算机部分界面布置如图5所示。

图5 计算机部分界面布置图

电脑屏幕显示：断路器开关位置，接触器分合位置，自动状态，开关灯时间，路灯实时状态。

PLC运行界面：根据需求显示所有PLC的运行状况。

报警界面：当PLC自动开关，路灯出现故障时、远控失败时，会在屏幕上显示告警窗口，第一时间告知运行状况、后期维护及维护历史记录。

设置界面：能批量更改路灯控制时间。

值班人员通过软件实现对路灯的访问和控制，包括开关灯命令发送、参数配置、状态查询、故障检测等，可以方便直观的了解照明设备运行状况。

6 智能路灯系统的节能效果

智能路灯系统启用后，能源损耗明显减少，根据校内道路照明的情况，自动科学的设定节能时间。前半夜18点～22点（均值）为正常照明时段，22点～6点（均值）为半夜照明时段，后半夜关灯方式采用间隔照明，节电率为25%～30%。路灯维修及巡视原每周2次，现减少至2周1次，人工巡视成本和车辆消耗下降55%。

闵行校区路灯光源主要是250 W钠灯，由于闵行校区主要是人车共行道路，车辆流量逐年增加，参照市政道路照明的指标，道路平均照度建议为8 Lux，均匀度>0.35，并以照明舒适性、节能为主要考虑因素，逐步更改成120W的LED光源，增强路灯节能的效果，路灯耗电功率下降52%。

7 结论

（1）通过原电力监控网络，利用PLC连接控制，完成系统结构和软件的设计，以及硬件的改造，实现了路灯的智能控制，实现校内路灯自控、管理和维护的一体化系统。

（2）智能路灯监控系统，经过大量的试验测试，不但顺利解决了路灯统一控制的问题，而且满足了昼夜分差的不同需求，在保证校内路面不受影响的前提下，降低了校内的重复建设，减少能源的消耗，同时提高日常工作的管理效率，减少了巡查人员和车辆的损耗，提高检修效率，降低维护成本。

（3）2016年智能路监控系统运行至今，运转情况良好，满足日常的工作要求，而且能在校内各路段制定不同季节的开关灯周期策略，在特殊的天气情况时能通过科学自动控制功能增强应急能力，提高了校园环境的安全和形象。

带来的节电效果有：

（1）对现有的照明控制方式改为智能控制，节电率为25%至30%。

（2）把传统的光源改造为LED照明，节电率为50%至55%。

（3）人工巡视成本和车辆消耗下降55%。

[1] 廖常初，PLC编程及应用， 机械工业出版社，2014.1.

[2] 贺一鸣，王崇贵，刘进宇，智能路灯控制系统设计与应用研究，现代电子技术，2010.（1）：190-192.

[3] 李正军，现场总线与工业以太网及其应用技术，机械工业出版社，2011.9.

[4] 李燕，电力系统通信技术，中国电力出版社，2015.1.

[5] 中国机械工业联合会，低压配电设计规范GB 50054-2011，中国计划出版社，2012.1.

[6] 李琳娜，Visual C++编程实战宝典，清华大学出版社，2014.8.

[7] 牟乃夏，王海银，李丹，高松峰，戴洪磊，GIS Engine 地理信息系统开发教程测绘出版社，2015.4.

Control System Design of Campus Intelligent Street Lamp

Wang Bo
Shanghai Jiaotong University

Intelligent street lamp control system deals with some problems, such as unified street lamp run/stop time, not in time equipment maintenance due to scattered streetlights control modes and maintenance delay. The article focuses on importance and necessity of intelligent street lamp control system and principles and goals of system design combined with campus reality. The author optimizes logic and structure of street lamp control system through hardware renovation and interface design of control system to realize overall design of intelligent street lamp control system. Finally the article introduces intelligent street lamp control system realizing real-time street lamps condition across campus and unified run/stop time adjustment through reality verification to save street lamp electric cost and find out broken street lamps to improve daily management efficiency, which paves the way for intelligent campus.

Monitoring, Self-Control, Management, Maintenance Integration System

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.012