為提高港口照明亮化設施智能化管理水平，開發(fā)港口智能照明自動化控制系統(tǒng)。在照明回路中安裝PLC等終端設備，在值班室專用PC機上安裝后臺軟件，并搭設通信光纖鏈路，以此構成自動化控制系統(tǒng)。值班員通過后臺軟件對PLC下達指令，觀察由PLC上傳的照明回路狀態(tài)信息。控制系統(tǒng)能批量設置開關燈時間，并根據季節(jié)的變化自動調整開關燈時間。控制系統(tǒng)根據照明回路的實際電流與額定電流的比值計算出亮燈率，具備照明回路故障、亮燈率低等報警功能。在PLC上配置觸摸式顯示屏，可以進行就地控制，實現控制系統(tǒng)的遠程和就地等2種控制模式。在董家口港區(qū)應用的結果表明，控制系統(tǒng)可以應用在任何照明亮化自控環(huán)境中，與人工現場管理相比具有較大優(yōu)勢。

0　引　言

在青島港董家口港區(qū)方圓10 km的場地內分布著眾多照明亮化設施，主要包括134座高桿燈、2 400余盞路燈。原先照明亮化設施的開關燈時間由就地時控器控制，值班員每月2次根據季節(jié)變化現場調整開關燈時間，夜間定期巡檢亮燈情況。時控器調整周期較長，造成開關燈時間與日照時間不能精準銜接，導致值班員不能實時掌握亮燈情況，不能及時排除照明故障。每次時控調整需要2人工作2 d時間，每次夜間巡檢需要2人工作1.5 h左右，耗費大量的人力、物力。通過開發(fā)照明自動化控制系統(tǒng)，將就地時控器控制模式改為“后臺+PLC”控制模式，在值班室設置后臺軟件，實現照明亮化設施開關燈時間軟件一鍵設置、根據季節(jié)的變化自動調整開關時間、亮燈率在線檢測和故障報警等功能。

1　系統(tǒng)設計

自動化控制系統(tǒng)架構按照分層、分布式結構設計，按功能分為3層網絡拓撲結構，主要包括現場采集控制層、網絡通信層和后臺軟件管控層等。系統(tǒng)采用高可靠性的工業(yè)級標準設備，可連續(xù)采集和處理設備狀態(tài)信號，及時向值班員提供有關運行信息，并準備執(zhí)行值班員下發(fā)的操作指令。系統(tǒng)的響應時間短，實時數據刷新時間不超過5 s，從控制命令下達到執(zhí)行的時間不超過2 s，重要報警響應時間不超過1 s。系統(tǒng)易于擴展，可以通過增加照明回路或升級設備性能，滿足今后港口增加照明亮化設施的需求。3層網絡拓撲結構示意圖見圖1。

1.1　現場采集控制層

現場采集控制層主要包括安裝在變電所和箱式變壓器內的電氣設備，例如監(jiān)控儀表、電流互感器和中間繼電器等。各電氣設備具有精密、可靠等特點，適用于多種工作環(huán)境。所有電氣設備之間完全獨立，按照明回路數量一對一配置。現場采集控制層負責采集各照明回路的電氣數據，主要包括照明回路電壓、電流和開關狀態(tài)等，并能根據PLC指令可靠動作。

1.2　網絡通信層

網絡通信層主要包括PLC可編程控制器（配置觸摸式顯示屏）、交換機、通信隔離柵和光纖收發(fā)器等設備。網絡通信層作為系統(tǒng)樞紐層，由若干區(qū)域子網通過星型或環(huán)形光纖網絡匯聚到遠程網管型光電交換機，再連接到服務器或工作站。各通信設備之間通過光纖介質連接，采用以太網TCP/IP通信協議。網絡通信層的主要任務包括定時控制照明亮化設施的開啟和關閉、完成現場數據的收集、通信協議的轉換、接收和傳送指令等，實現現場采集控制層與后臺軟件管控層之間的信息傳輸。現場采集控制層先通過通信總線將各個監(jiān)控儀表采集的信息傳遞給網絡通信層，然后再通過網絡上傳至后臺軟件管控層。同時，現場采集控制層會接收后臺軟件管控層下發(fā)的遠程控制指令，實現對照明亮化設施的遠程控制。

1.3　后臺軟件管控層

后臺軟件管控層主要包括安裝在值班室專用PC上的監(jiān)控軟件。此監(jiān)控軟件是根據港口照明亮化設施的特點有針對性開發(fā)的，其功能模塊主要包括系統(tǒng)功能總貌、照明控制、港區(qū)照明位置圖查看、照明回路狀態(tài)檢測、報警信息一覽和數據一覽（包括照明亮化設施累計運行時間）等。上述功能模塊的歷史數據被存儲在服務器，可被值班員直接檢索和打印。專用PC的網絡與辦公網絡分開，實現獨立運行。后臺軟件和現場設備組成“集中-分散式”管理系統(tǒng)。當后臺軟件發(fā)生故障時，安裝在現場的PLC不受影響，仍能按預先下發(fā)的指令獨立工作。

2　系統(tǒng)功能

2.1　系統(tǒng)具備后臺遠程和就地控制等2種管控方式

值班員可選擇后臺遠程或就地控制任一方式實現照明亮化設施的自動化控制。值班員可以在后臺軟件中通過下發(fā)指令的方式控制照明亮化設施，也可以根據實際情況通過變電所或箱式變壓器內的PLC就地控制。通過后臺軟件，值班員可以實現照明亮化設施的自動開關和遠程手動開關，并可以一鍵設置開關燈時間，實現定時控制功能。值班員在遠程控制設置界面上選擇需要更改的照明回路（可以進行多回路批量操作，例如一鍵全選和反選功能等），設置照明亮化設施開啟和關閉時間，點擊“確定”按鈕后即可完成現場開關燈時間的更改。值班員也可以根據現場需求，選擇強制開關燈功能，即時進行開關燈操作。遠程控制設置界面截圖見圖2。在就地控制模式下需要值班員在現場通過觸摸式顯示屏對PLC進行設置。值班員也可根據工作需要就地通過顯示屏觀察照明回路實時信息。PLC觸摸屏控制界面截圖見圖3。

2.2　直觀的圖形結構顯示功能

后臺軟件界面采用直觀圖的設置方式，可避免描述不準確和理解困難等問題，能滿足不同層次值班員的操作要求。直觀圖主要包括港區(qū)平面位置圖、照明回路控制圖、照明回路信息檢測圖和報警信息一覽圖等。在系統(tǒng)操作主界面上顯示港區(qū)平面位置圖，港區(qū)平面位置圖能直觀顯示照明亮化設施所在的變電所或箱式變壓器位置，并在變電所和箱式變壓器名稱旁邊設置圓形指示燈，不同的指示燈顏色代表照明亮化設施不同的狀態(tài)，其中：綠色代表照明回路啟動；灰色代表照明回路具備啟動條件；紅色表示通信中斷。港區(qū)平面位置圖見圖4。值班員在平面圖上點擊照明亮化設施圖標，就可以了解該照明回路的詳細電氣數據或對其進行遙控控制。報警信息一覽圖使值班員能在后臺快速查詢到各照明回路的動態(tài)信息和故障報警等情況，報警信息一覽圖的表現形式可以是圖像、報表、曲線或直方圖等。此外，后臺軟件操作簡單易上手，值班員可以根據工作需要進行界面優(yōu)化。同時，后臺軟件具備操作提示和幫助功能，幫助值班員熟悉操作流程。

2.3　條狀圖實時顯示亮燈率

后臺軟件實時采集各照明回路電流大小。由于照明設備額定工作電流基本穩(wěn)定，后臺軟件通過計算實時電流與額定電流的比值，計算出亮燈率，以條狀圖直觀顯示。在軟件內可以任意設置亮燈率報警值（目前董家口港區(qū)亮燈率報警值設置在95%），當實際亮燈率低于報警值時，后臺軟件便會報警，有利于值班員第一時間掌握現場亮燈情況。與之前值班員現場巡視檢查亮燈率相比，后臺軟件檢測更加可靠、迅速，并能實時顯示亮燈率，從而降低勞動強度，提高作業(yè)效率。亮燈率條狀圖界面截圖見圖5。

2.4　根據季節(jié)變化自動控制照明亮化設施

后臺軟件可根據董家口港區(qū)四季節(jié)氣變化、節(jié)假日等情況自動設置開關燈時間。在后臺軟件內可以預設定制100條以上的策略，每條策略可以控制多臺或單臺照明亮化設施，實現分群、分組、單基的靈活智能化管控。執(zhí)行策略時精確到分秒，實現精準的自動控制，例如系統(tǒng)自動記憶上一年的開關燈時間，在后臺軟件中設置為“年度自動設置”模式后，全年后臺軟件將按照上一年設置的頻次、時間進行自動修改。

2.5　完善的報警信息窗口

后臺軟件可以根據實際需求靈活設置各類報警信息，對各照明回路的異常故障進行監(jiān)測和報警。報警信息主要包括亮燈率低于95%、回路啟動后無電流、下達操作指令后開關未執(zhí)行等。后臺軟件可以提供豐富的報警信息瀏覽功能，值班員可通過界面查看具體的信息，并能在報警界面上設置各種條件以便篩選出想要的信息。篩選出的信息可以被直接打印出來或保存到文件。

2.6　追溯歷史數據

各照明回路的動態(tài)數據被保存在后臺軟件的實時數據庫中，確保重要數據的響應速度。實時數據庫數據會被儲存在短期歷史數據庫中，儲存時效為1周。對于比較重要的信息，例如照明回路的報警信息、故障信息和值班員下發(fā)的指令等，可被儲存在長期歷史數據庫中，儲存時間為2 a。

2.7　系統(tǒng)可擴展性強

由于自動化控制系統(tǒng)通信協議的開放性、通用性較強，在港區(qū)將來增加照明亮化設施時，可以保持后臺軟件原有的界面不動，只要增加相應的PLC、電流表等現場設備，并在后臺軟件中添加新的監(jiān)控點，即可實現系統(tǒng)擴展。

2.8　權限設置功能

后臺軟件可按照人員職責分工進行權限設置。根據不同值班員的實際工作需要，對于不同的功能和控制范圍，在后臺分配不同權限等級。值班員憑各自的賬號、密碼登錄后使用。

2.9　PLC具有強大的可編程能力和可擴展性

PLC功能易于擴展，用于采集多種信息和進行多回路控制。對于同一PLC管轄內的不同照明回路，可設置不同的控制策略（例如全夜燈和半夜燈、自動控制和手動控制等）。同時，PLC具備完整的“三遙”功能。每臺PLC可同時控制16條回路，配置16對I/O點數，具備故障巡檢功能。一方面，PLC實時檢測現場照明亮化設施的實際開關狀態(tài)，實現遙測信息上傳；另一方面，PLC時刻準備接受后臺軟件指令，實現對照明回路的遙控。每臺PLC最多可檢測16條回路電壓、電流量，實現各照明回路遙測信息的上傳。為了便于安裝和維護，PLC采用標準方式進行安裝。PLC現場安裝圖見圖6。

3　應用效果

改造前，2人配合完成1次港區(qū)照明亮化設施時控調整需要耗費2 d時間，駕車行駛近40 km的路程，平均每月調整2次。為掌握亮燈情況，晚上亮燈后值班員需定期駕車進行夜巡，耗費大量人力、物力。在采用自動化控制系統(tǒng)后，值班員幾秒鐘內即可完成時控調整，并可實時在線查看亮燈率。自動化控制系統(tǒng)幫助值班員全面實時掌握照明亮化設施的運行狀態(tài)。在采用自動化控制系統(tǒng)后，每年可減少人工、機械費用約10萬元，節(jié)省電費約7萬元。