孫志鵬 內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司
李佳春 程 斌 中達(dá)電通股份有限公司
摘要：通過對聯(lián)合生產(chǎn)型工業(yè)廠房的照明需求分析，對智能照明控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，闡述了DALI智能照明系統(tǒng)在工廠中的應(yīng)用。實(shí)際效果證明，DALI技術(shù)可以有效提高廠內(nèi)照明燈具的自動化程度，提高管理效率，降低能耗。完全滿足聯(lián)合生產(chǎn)型工業(yè)廠房對智能照明控制智能化、節(jié)能高效的需要。
關(guān)鍵詞：DALI 照度 智能控制
Design of Intelligent Lighting System for Dairy Industry Workshop
Sun Zhipeng Inner Mongolia Yili Industrial Group Co., Ltd.
Li Jiachun, Cheng Bin Delta Green Technology Co., Ltd.
Abstract: Based on the analysis of the lighting requirements of the joint production industrial plant, the intelligent lighting control is optimized, and the application of DALI intelligent lighting system in the plant is described. The actual results show that DALI technology can effectively improve the automation level of lighting fixtures in the plant, improve management efficiency and reduce energy consumption. It can fully meet the needs of intelligent lighting control, energy saving and high efficiency of joint production industrial plant.
Keywords: DALI, Illumination, Intelligent Control
聯(lián)合生產(chǎn)廠房普遍高度為15m左右的高大空間，且內(nèi)部設(shè)多個功能隔間，為了滿足工作、生產(chǎn)的需要，廠房內(nèi)選用的燈具大多為大功率LED照明燈具。然而隨著工廠設(shè)備自動化程度提高，自動化產(chǎn)線所需的照明隨之減少，此時如果仍按照原有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然導(dǎo)致能耗的極大浪費(fèi)及設(shè)備的損耗。另外，工廠內(nèi)往往采用班倒的方式進(jìn)行作業(yè)，一成不變的長期強(qiáng)光環(huán)境使得車間內(nèi)工作人員日夜顛倒，不分晝夜，影響員工身體健康。
隨著智能照明技術(shù)的快速發(fā)展，DALI數(shù)字可調(diào)光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，然而DALI可調(diào)光技術(shù)仍舊大規(guī)模使用在傳統(tǒng)樓宇、辦公室場所內(nèi)，在食品生產(chǎn)車間內(nèi)尚未得到推廣。主要在于食品生產(chǎn)車間對燈具的工藝要求較高，而同時能夠滿足食品車間工藝要求，又支持DALI協(xié)議的燈具市面上比較少。隨著DALI技術(shù)的不斷發(fā)展，以及在傳統(tǒng)辦公樓宇中的成功應(yīng)用，加之國家與企業(yè)愈發(fā)重視節(jié)能減排，DALI數(shù)字可調(diào)光技術(shù)在工廠車間內(nèi)的推廣勢在必行。
1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)
乳制品工業(yè)廠房布局較復(fù)雜，其中聯(lián)合車間最具代表性，其具有面積大、吊頂高、功能間多、潔凈等級不同、照明應(yīng)用場景多等特點(diǎn)。
圖1 伊利某液態(tài)奶工廠的聯(lián)合車間前處理單元
以伊利某液態(tài)奶工廠的聯(lián)合車間灌裝單元為例，單個灌裝間建筑面積約900m2，吊頂高度為9～10m，如圖1所示。房間內(nèi)布置不同高度的設(shè)備及管架、橋架。為了盡可能利用自然光，節(jié)約能耗，側(cè)墻及頂部設(shè)置自然采光。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大致分為運(yùn)行、停止、清洗、檢修�？紤]工廠的擴(kuò)建因素，一般還需在前處理單元不同工藝段設(shè)置預(yù)留空間，這些空間在工廠運(yùn)行前期是不擺放設(shè)備的。工廠7×24小時連續(xù)運(yùn)行。
基于以上的特點(diǎn)，導(dǎo)致我們利用傳統(tǒng)的回路控制、時間表控制、人員存在控制、照度控制、自動結(jié)合手動控制的方案均不再符合實(shí)際使用需求，也無法達(dá)到最理想的節(jié)能效果。這對方案設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，如何能夠利用有限的投資，滿足使用需求，且實(shí)現(xiàn)至少10%的節(jié)能，是我們在方案設(shè)計(jì)階段解決的問題。
2 設(shè)計(jì)原則
我們以前處理為例，該設(shè)備區(qū)域按照200Lux照度設(shè)計(jì)，選擇120W工況LED燈具130多盞。為保證照度均勻且可覆蓋設(shè)備、管架、橋架頂部，滿足檢修要求，燈具采用均布，部分作業(yè)面采用局部照明。然而在實(shí)際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)日常生產(chǎn)運(yùn)行期間，部分燈具并不需要點(diǎn)亮，或者不需要以最大亮度運(yùn)行。這樣就造成了能源的浪費(fèi)，也造成了燈具壽命的降低，且照度無法恒定。如果通過管理手段解決，那么需要工作人員經(jīng)常去開關(guān)燈具，這樣的方式帶來諸多不變。
為了解決實(shí)際存在的問題，我們將節(jié)能、照度、人性化作為設(shè)計(jì)原則。
3 軟硬件方案設(shè)計(jì)
方案設(shè)計(jì)時我們必須明確以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)：
（1） 單燈可控；
（2） 可調(diào)光；
（3） 具備集中管理功能；
（4） 可根據(jù)區(qū)域照度調(diào)光；
（5） 靈活的控制策略及手動控制功能；
（6） 任意燈具可自由組合，燈具可隨設(shè)備布局調(diào)整、功能間的調(diào)整快速進(jìn)行分組。
基于以上幾個關(guān)鍵點(diǎn)，通過對軟件功能、硬件性能的對比和測試，最終選擇臺達(dá)LOYTEC品牌DALI總線的智能照明軟硬件。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 智能照明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
在中控室內(nèi)設(shè)置一臺照明服務(wù)器，用于將樓宇自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至集中照明管理平臺。上層管理軟件平臺同時支持C/S（Client-Server）和B/S（Brower-Server）架構(gòu)，可通過瀏覽器或者安裝客戶端進(jìn)行訪問。
DALI燈具、傳感器和燈控面板均通過手拉手串聯(lián)或自由拓?fù)湫问竭B接，DALI總線采用RVSP2×1.5，最長距離不超過300m，最終連接到DALI照明控制器上�？刂破魍ㄟ^以太網(wǎng)線接入工廠控制專網(wǎng)，由中控室統(tǒng)一管理。觸控屏通過以太網(wǎng)線直接接入控制網(wǎng)絡(luò)。
DALI智能照明可實(shí)現(xiàn)每盞燈具的調(diào)光，同時可以實(shí)現(xiàn)任意組合區(qū)域的燈具控制，后期可以自由組合回路，不需要更改現(xiàn)場硬件。向上可通過OPC、BACnet/IP、LON-IP852等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議直接接入上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)或者第三方平臺實(shí)現(xiàn)整合。采用這種方式可使得照明控制架構(gòu)更為簡潔，且數(shù)字信號不易受干擾，DALI信號不分極性，可以與強(qiáng)電共管，施工布線更加方便。
4 控制策略設(shè)計(jì)
詳見表1。
表1 控制策略
區(qū)域
控制策略
大空間車間（主要為前處理、灌裝間、包裝間、庫房等）
工作車間全部燈具按照照度控制，可以根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)燈具照度
（1）無自然采光潔凈車間，完全根據(jù)室內(nèi)燈具來獲得光源，調(diào)試完成后，根據(jù)實(shí)測照度進(jìn)行燈具調(diào)節(jié)，燈具根據(jù)設(shè)備實(shí)際排布分組，根據(jù)產(chǎn)線設(shè)置燈具工作模式選項(xiàng)菜單；
（2）有自然采光車間，根據(jù)室外照度結(jié)合室內(nèi)照度值來調(diào)節(jié)燈具，室內(nèi)根據(jù)采光窗/井排布位置，梯度安裝照度傳感器，通過實(shí)時的照度梯度值，調(diào)節(jié)對應(yīng)區(qū)域燈具；
（3) 無設(shè)備區(qū)域、橋架及管廊頂部，按照工作模式設(shè)置選項(xiàng)卡，正常生產(chǎn)時關(guān)閉燈具。
功能間
根據(jù)人員存在+照度+模式調(diào)節(jié)燈具
辦公室
根據(jù)人員存在+照度調(diào)節(jié)燈具
會議室
根據(jù)人員存在+模式調(diào)節(jié)燈具及對應(yīng)的會議模式調(diào)節(jié)燈具
男女衛(wèi)生間
根據(jù)人員存在+延時+照度調(diào)節(jié)燈具
男女更衣室
根據(jù)人員存在+延時+照度調(diào)節(jié)燈具
走道等
根據(jù)人員存在+延時+照度調(diào)節(jié)燈具
5 實(shí)際應(yīng)用效果
通過引入臺達(dá)LOYTEC的DALI數(shù)字可調(diào)光智能照明技術(shù)，工廠的照明管理更加便捷，通過上位機(jī)照明控制系統(tǒng)軟件平臺，可以實(shí)現(xiàn)定時控制、場景控制和自動感應(yīng)控制。為了便于控制，本地各個區(qū)域的入口處均安裝了多功能控制面板，大空間的車間或者辦公空間則安裝嵌入式觸控屏。結(jié)合現(xiàn)場使用需求，對現(xiàn)場觸控屏和本地面板進(jìn)行設(shè)置，通過設(shè)定后可在多功能面板上實(shí)現(xiàn)對照明燈具的開光、調(diào)光以及場景的切換控制。而在本地觸控屏幕上，除了開光、調(diào)光和場景切換外，還能具備排程設(shè)定、密碼保護(hù)等高階功能。
對于更衣室、走廊、樓梯間、男女廁等區(qū)域，為了滿足日常使用，且提高節(jié)能率，則采用人體感應(yīng)和照度結(jié)合的方式進(jìn)行控制。
圖3 請加圖注
6 節(jié)能計(jì)算
經(jīng)過計(jì)算，現(xiàn)場能耗使用大大降低，以一個車間為例，現(xiàn)場使用的燈具參數(shù)如表2所示。
表2 燈具參數(shù)表
Lumen （ lm ）
W
lumen/W
14300
118
121.2
10000
80
125
15600
120
130
單位面積光照度計(jì)算如表3所示。
表3 單位面積光照度
70W LED 燈
100W LED 燈
120W LED 燈
光效（lm/w）
125
120
130
光通量（lm）
8750
12000
15600
光照度（lux）
312.5
428.6
557.2
根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，每平方的光照度達(dá)到200Lux即可完成滿足生產(chǎn)作業(yè)需要。因此，原設(shè)計(jì)中的燈具完成滿足規(guī)范要求，且部分區(qū)域遠(yuǎn)超過規(guī)范要求，屬于可優(yōu)化能耗部分。表4所示為實(shí)際使用場景分析。
表4 實(shí)際使用場景分析
時段
每天小時數(shù)
燈具平均照度
備注
08:00-18:00
10
40%
白天只有在陰天照度不足時啟動，貨架區(qū)域提供部分補(bǔ)光
18:00-08:00
14
70%
夜間燈具全開時可完全滿足200Lux需求，實(shí)際不需要全部打開，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)對應(yīng)功能區(qū)域的燈具。
未采用智能照明方案的工廠能耗統(tǒng)計(jì)如表5所示。
表5 未采用智能照明方案的工廠能耗統(tǒng)計(jì)表
時段
每天小時數(shù)
燈具平均照度
備注
08:00-18:00
10
40%
白天只有在陰天照度不足時啟動，貨架區(qū)域提供部分補(bǔ)光
18:00-08:00
14
70%
夜間燈具全開時可完全滿足200Lux需求，實(shí)際不需要全部打開，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)對應(yīng)功能區(qū)域的燈具。
采用智能照明方案的工廠能耗統(tǒng)計(jì)如表6所示。
表6 采用智能照明方案的工廠能耗統(tǒng)計(jì)表
區(qū)域
燈具名稱
實(shí)際功率（ KW ）
數(shù)量 ( 套 )
總功率（ KW ）
白天電耗（ 10h ）
夜間電耗（ 14h ）
年用電（度）
聯(lián)合車間
70W LED燈
0.07
389
27.23
108.92
266.854
137,158
100W LED燈
0.1
34
3.4
13.6
33.32
17,126
120W LED燈
0.12
1588
190.56
762.24
1867.488
959,851
合計(jì)年用電量（度）
1,114,134
合計(jì)電費(fèi)（ 0.85 元 / 度）
947,014
根據(jù)對比數(shù)據(jù)可以看到，未采用使用智能照明時合計(jì)使用的年用電量為1,937,624度電（kW·h），合計(jì)電費(fèi)1,646,981元；而在使用DALI智能照明系統(tǒng)后合計(jì)使用的年用電量為1,114,134度電（kW·h），合計(jì)電費(fèi)947,014元。通過對比可得，每年節(jié)約用電826,490度（kW·h）,節(jié)省電費(fèi)699,967元，節(jié)能率達(dá)40%，節(jié)能效果顯著。
除顯著的節(jié)能效果外，我們還可通過系統(tǒng)平臺軟件的記錄、分析、報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)燈具運(yùn)行時間記錄、燈具理論功耗計(jì)算、燈具預(yù)防性維護(hù)、故障報(bào)警等功能，為管理提供了極大的便利性。因采用單燈調(diào)光的模式，實(shí)測燈具并不需要運(yùn)行在100%照度，間接地提高了燈具的壽命，延長了燈具的更換周期，為工廠節(jié)約一定的維修費(fèi)用。未來，隨著產(chǎn)線的調(diào)整，我們可以通過軟件分組的形式很快完成燈具的部署。
7 結(jié)論
將DALI數(shù)字可調(diào)光技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)廠房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了照明控制自動化、智能化運(yùn)行。通過定制化的時間表控制、模式控制、人體感應(yīng)控制、光照度控制等節(jié)能優(yōu)化控制措施，取得了良好的節(jié)能效益，對于其他廠房智能照明設(shè)計(jì)與實(shí)施具有較高的推廣價(jià)值。
