电气自动化技术在工业照明系统中的应用探讨

2024-04-02张翔

天津科技 2024年3期

张翔

中国石化天津分公司天津 300271

0 引言

在工业领域中，早期主要使用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和单片机来实现对生产设备的自动控制。随着科学技术的快速发展，电气控制已融合电子信息、互联网、微电子等多领域的技术和产品。照明系统的优化是建设智能化工厂的一个重要组成部分，通过在工业照明系统中应用电气自动化技术，控制电能消耗，对工区照明设备的整体亮度、照明时间等进行自动化调整，对室内灯具的显色度、亮度、色温进行自动控制，提升照明的工作水平和可靠性，实现节能降耗。

1 照明系统中电气自动化技术的应用

1.1 红外线与微波双鉴探测技术

传统的工厂照明控制一般采用手动开关控制，存在人员忘关灯、长亮灯的情况，即使采用定时照明控制的策略，也会存在无人在场时长亮灯的情况，从而导致电能白白损耗。将红外线与微波双鉴探测技术运用在灯具控制策略中，即采取人体热释电红外加微波双鉴感应、照度感应、定时控制、场景控制等方式，通过高精度运算放大器单元使感应器之间经485总线相互通信，配合微电脑数字滤波算法，以最大限度地检测轻微的人体动作［1］。白天照度充足时，照明系统即使检测到有人也不开灯。阴天或晚上照度较低时，任何一个感应器检测到有人在场就自动开灯；当所有感应器都检测到无人后，开始计时关灯。基于此，实现工厂照明系统全自动智能管理，从而最大限度地节约电能。

1.2 软开关技术

软开关技术实质是电力电子技术的一种应用。软开关不存在实体触点，而是一种开关过程，是虚拟性应用程序，其在照明工程中的应用能够有效地节省电能消耗。软开关与传统的灯具“硬开关”相比存在明显差异。软开关中加入谐振设备对照明灯具的电流、电压进行控制，开通前，电压降到零；关断前，电流先降到零，消除开关过程中电压、电流的重叠，从而显著减小甚至消除开关损耗［2］。

1.3 数字镇流器技术

镇流器主要是限流和产生瞬间高压的设备。早期的照明灯具常用电感镇流器，但是电感镇流器存在能耗高、体积大、功率因数低、启动性能差等缺点，已逐步被淘汰。目前应用广泛的是电子镇流器，通过电子元器件的设计，调整每个HID的输出功率，将交流电的中频转换为高频，进一步限制电流，具有节能降耗、低频闪、发光稳定、噪声低等优点。不过电子镇流器在使用过程中容易出现谐波，多个电子镇流器共同工作时，会互相发生干扰。因此，随着电气自动化技术的发展，数字镇流器应运而生。

数字镇流器内部采用数字式微控制单元（Micro-controller Unit，MCU）或数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）作为控制核心，以高频脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）驱动MOSFET，最终输出交流方波点亮气体放电。数字镇流器能够克服电子镇流器的干扰问题，同时具有重量轻、体积小、能源效率高、便于扩展通信等明显优势［3］。不过数字镇流器技术复杂，且成本较高，目前适用范围还不够广，未来有望大规模投入使用。

1.4 物联网技术

电气自动化技术可以与物联网技术相结合，构建照明系统物联网，实现厂区照明和道路照明的实时监控和控制［4］。在厂区内通过传感器、高清摄像头等设备，采集控制系统所需要的画面和信息，以5G网络信号实时传输到控制终端，并根据现场变化作出判断，提供最优照明策略。如厂区夜间进行紧急设备抢修工作，多名修理人员和管理人员在场，系统会自动对照明进行控制，并提供合适的光线角度和光源强度；如果是正常运行的装置，或没有人的道路，系统对摄像头和传感器传输的数据综合判断后，会合理调整或关闭照明方式，从而节约电能。

2 电气自动化技术在照明系统中的应用效果

2.1 提升电网运行水平

夜间工厂照明系统负荷较大，在整体照明工程运行工作期间，变电站应用电气自动化技术可以对负荷进行合理分配使用，确保无人工作场所照明及时关闭，在节约能耗的同时实现精准供电。电力调度中心运用智能控制系统对照明场景中的用电负荷进行全面调控，减少电网负担，同时确保电网的稳定性与安全性［5］。

2.2 提升照明质量

照明设备普遍采用交流电源，在运行过程中会产生频闪问题，不仅影响照明质量，还会对使用者的视力造成损伤。研究表明，在人脑所接受的所有信息中，视觉信息所占的比例高达80%以上。频闪频率为8.8 Hz时，人眼会明显感到不适。因此，在较差的照明环境下工作时，舒适度和生产效率都会降低，还会导致各种失误和事故。电气自动化技术能够针对照明需求来调整电源供电方式，以避免频闪现象的发生，通过提升照明质量来改善工作环境，从而提高工作人员的工作效率。

2.3 提升照明系统可靠性

具备厂用变电站的工厂可以对变电站进行智能化改造，将变电站内的照明系统作为站内主网络下的连接单元与主控制系统连接，通过数据和信息传输，实现对站内照明、风扇等设备进行监视和控制，照明子系统连接示意图见图1［6］。当照明线路损坏或照明灯具出现故障时，控制系统工作后台会第一时间发出报警，在系统模拟图上做出故障标记，使变电站管理人员能够第一时间知晓，并精准找到故障位置。

图1 照明子系统连接示意图Fig.1 Schematic diagram of lighting subsystem connection

在工业照明系统中，电气自动化技术的应用可以实现灯光亮度调整、温度监测及光线角度优化与调整，通过编程、调试和数据分析，利用强大的管理软件，确保照明系统实现预期的运行效果，延长照明灯具的使用寿命，减少维修费用，降低维护成本，保证照明系统的稳定性和可靠性。

2.4 减少电能损耗

理想状态下，照明系统的电能利用率为100%，实际应用中，影响照明系统电能利用率的主要原因是灯具的选择，不同类型的灯具有不同特点，见表1［7］。

表1 照明工程中常见灯具的特点Tab.1 Characteristics of common luminaires in lighting engineering

在石油化工行业的装置区中，灯具的选取应首先考虑防爆、防水、防尘和防腐等因素［8］，经分析比较后，一般常采用荧光灯和金属卤化物灯。LED灯作为新一代光源，具有体积小、质量轻、能耗少、寿命长等优点，与荧光灯和金属卤化物灯相比，光通量大，同等照明场所内所需光源数量较少，同时维护费用较低，全寿命周期的经济分析更为合理，近几年被越来越多地应用在石油化工装置现场照明中［9］，见图2。

图2 石油化工行业常见的防爆LED灯Fig.2 Common explosion-proof LED in petrochemical industry

3 工业领域照明工程发展前景

要想在工业领域实现良好的照明效果，除了根据现场环境选择合适的照明设施外，还要结合电气自动化技术来选取合适的控制策略，如利用上文中提到的物联网技术，依托可视化操作平台，监控照明设备的参数，实现在统一的控制系统下对各个灯具进行自动控制。

3.1 光纤照明技术

随着科学技术的发展与进步，光纤照明技术也越来越普及，光纤照明与传统照明的本质区别在于光源和光输出端点是分离的，这样的好处是一台光源发生器可以支持多点照明和装置置于便于维护的地方，方便维修，节省维护成本。同时，光纤照明没有传统的照明灯具体积大、发热、需要防火等缺点，照明光经过光纤过滤后，不导热、不导电，安全可靠，更适用于石油化工、天然气平台、矿区等有爆炸性危险的特殊场所。

3.2 前后端系统改造

工业照明系统前端改造需要将电气自动化技术融合于计算机和物联网技术，以集成度高的微电子器件为前端传感器、驱动器和调制解调器。当前，5G信号水平决定了数据传输的时效性，今后的发展趋势是设计出更高效的前端感知设备。后端系统的改造可以依托云计算技术，利用分布式计算模型，采用挖掘算法进行分析，科学处理大数据，从而为工业照明控制提供可靠支持。