工廠照明系統(tǒng)的設計

1、摘要照明控制系統(tǒng)傳統(tǒng)是以照明配電箱通過手動開關(guān)來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實現(xiàn)遠距離控制。而今出現(xiàn)的建筑物自控(ba)系統(tǒng)，是以電氣觸點來實現(xiàn)區(qū)域控制、定時通斷、中央監(jiān)控等功能。由于照明控制系統(tǒng)在ba系統(tǒng)中并非獨立，同時控制功能簡單，因此使用上有一定的局限性。故當ba系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，照明系統(tǒng)亦受到影響。隨著微電子技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的獨立系統(tǒng)，從而能節(jié)約能源、延長燈具壽命、提高照明質(zhì)量。根據(jù)使用單位的經(jīng)驗，不僅在照明管理與設備維修的簡單及降低費用外，還對環(huán)境改善、提高工作效率都有著顯著的效果。系統(tǒng)設置抑制電網(wǎng)沖擊電壓和浪涌電壓裝置，并人

2、為地限制電壓以提高燈具壽命。采取軟啟動和軟關(guān)斷技術(shù)，避免燈具燈絲的熱沖擊，以進一步使燈具壽命延長。 “智能建筑”的出現(xiàn)， 對照明部分提出新的要求， “智能照明”技術(shù)相應出現(xiàn)。其良好的使用效果與社會、經(jīng)濟的效應，推動了智能照明的技術(shù)迅速向前發(fā)展，并形成照明發(fā)展的一個重要趨勢。智能照明由電子計算機進行控制與管理，因而開發(fā)照明方面的計算機硬件和軟件工作是今后照明設計中的一項重要任務。關(guān)鍵詞： 工廠照明系統(tǒng)； led技術(shù)；節(jié)能減排照明系統(tǒng)- 2 - 目錄摘要 1 目錄 3 第一章 緒論 4 1.1 論文背景說明 4 1.2 工廠照明系統(tǒng)的類型、 特點 4 1.2.1 植物光照技術(shù)簡述 4 1.2.2

3、led照明系統(tǒng)的構(gòu)成 4 1.2.3 大功率白光 led與陣列 5 1.2.4 pwm 可控 led恒流驅(qū)動 7 1.2.5 led燈板控制單元 9第二章 工廠天然照明系統(tǒng)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)照明設計 11 21 工廠內(nèi)外部設計決定照明系統(tǒng)分配 11 2.2 工業(yè)廠房的特點及其分類 12 2.3 工廠照明設計的一般要求和質(zhì)量 13第三章 工廠照明系統(tǒng)的未來方向 14 3.1 led照明技術(shù)的選擇和推廣 14 3.2 太陽能儲電照明系統(tǒng) 15 結(jié)束語 16 參考文獻 17 - 3 - 第一章緒論1.1 論文背景概述工廠是大型的技術(shù)生產(chǎn)空間和基地，隨著大小型工業(yè)的興起， 工廠的生產(chǎn)能力不可估量，而支撐其大

4、力開展生產(chǎn)的強勁后盾電力系統(tǒng)中的照明技術(shù)非常講究，要做到節(jié)能、 環(huán)保、強勁、穩(wěn)定、安全等指標，工廠照明系統(tǒng)的設計為重中之重，起種類普遍為以下幾大類技術(shù)：植物光照 ; led 陣列; 照度 led驅(qū)動; can 總線，在此展開探討。1.2 工廠照明系統(tǒng)的類型、結(jié)構(gòu)與特點1.2.1 植物光照技術(shù)簡述植物工廠是國際上公認的設施農(nóng)業(yè)高級發(fā)展階段, 作為自然界象征的植物和人類工業(yè)文明的標志 1 。植物工廠給植物提供合適生長環(huán)境的系統(tǒng)設備。是一種多學科結(jié)合、高技術(shù)應用 , 幾乎不受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。工廠通過人工自然條件提供溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度等生長環(huán)境的同時對工廠內(nèi)環(huán)境要素進行自

5、動實時監(jiān)控,高精度調(diào)整控制。工廠為植物提供光照的光源 2 主要有高壓鈉燈、日光燈。近來隨著大功率白光 led的技術(shù)突破以及在很多高照度場合的成功應用, 以 led為主光源成為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)照明的新趨勢。植物工廠的每個栽培架上 , 都裝有一塊或幾塊燈板。 燈板的光源可以由led陣列組成 , 其中以高亮度大功率白光led為主, 燈板上按一定距離插入紅光、 藍光和紫外光 led, 并且以不同比例均勻分布。 由于太陽光對于植物光照而言是全波段的, 紅光、藍光、紫外線、紅外線等都包括 , 因此, 燈板的光譜也應接近自然光。設計一種以白光led 為主光源輔以其它光色led 組成的可控光源并按照植物的

6、生長特征合成光譜, 這種光譜綜合特性更有利于植物的生長需求。1.2.2 led 照明系統(tǒng)的構(gòu)成led照明系統(tǒng)是由 led 陣列組成的光源、 led驅(qū)動電路、光板管理電控單元 3 ecu 、溫度傳感器、亮度和光色傳感器以及通信接口構(gòu)成, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。多種顏色的led 按照一定的間隔陣列在燈板上, 不同顏色的 led 配以相應的驅(qū)動電路 ,led 驅(qū)動電路- 4 - 受光板電控單元ecu 管理。燈板背面的ecu 根據(jù)光色傳感器和亮度傳感器采集的led燈板發(fā)光特征 , 控制不同光色led 的發(fā)光強度 , 以獲得近似太陽光的綜合光譜。電控單元ecu 對燈板 led陣列獨立點亮管理的同時還可以

7、在燈板與燈板之間、燈板與植物工廠的中央總控系統(tǒng)之間通過局域網(wǎng)交換數(shù)據(jù), 接受中央總控系統(tǒng)對不同植物在不同生長期對光譜合成的控制指令。1.2.3 大功率白光 led與陣列l(wèi)ed燈板是植物工廠的關(guān)鍵設備, 燈板上的主光源使用ph ilips 公司生產(chǎn)的 luxeon lafl c4s大功率白色 led(如圖 3 所示) , 其主要技術(shù)參數(shù)如下 : 工作電壓 : 12 16v; 工作電流 : 1.0 1.2 a; 色溫 cct: 5 200 6 000 k; 顯色性 cr i: 70; 光通量 :1 000 1 200流明; 發(fā)光角度 : 60! 。光譜特征見圖 2 所示。- 5 - 大功率白色 l

8、ed的電流、電壓參數(shù)具有典型的pn 結(jié)伏安特性 , 正向壓降 (v )和正向電流的 ( i)以及它們與芯片底座溫度的關(guān)系曲線如圖3 所示。從圖 3 中的 v-i 曲線可知 , 正向壓降 ( v )隨 pn結(jié)的溫度升高而降低 , 同時又隨著結(jié)溫度升高正向電流的 ( i) 變大。v 的微小變化會引起較大的i 變化。由于大功率led的散熱是應用技術(shù)的關(guān)鍵 , 當電流受到控制時 , 正向壓降 ( v )的變化不再影響電流變化而導致溫度的惡性循環(huán)。因此, 大功率 led必須采用恒流源驅(qū)動。控制led 驅(qū)動電流可以避免溫升 4 對正向壓降 ( v ) 的影響。由luxeon 規(guī)格書可見 , 當 laflc

9、4s- 6 - 的恒流驅(qū)動至 1000ma 時, 光通量可達 1200 流明。 led陣列的排列方式根據(jù)照射場合的不同可以是條形或圓形。陣列上白光led 的數(shù)量可以按照實際所需的總光通量和單個led的光通量之比 , 依照以下公式求出 : 式中: nled 為 led 數(shù)量; 為目標光通量 ; 為光學效率 ,90%; 為熱學效率 , 85% ; 為 led 最小光通量 ( lm) 。電路板上分布的大功率白光和其它顏色的led 與燈殼之間保持良好的散熱, 燈殼通常采用散熱性能較好的鋁材制作, 燈殼內(nèi)安裝了輔以通風的散熱風扇。燈板上安裝了溫度傳感器、光照傳感器,分別監(jiān)測 led 的工作溫度和光照參數(shù)

10、。1.2.4 pwm 可控 led恒流驅(qū)動凌特( l inear)公司的 lt3755系列 ic 專為驅(qū)動大功率高電流led 的恒定電流驅(qū)動而設計。它們從ic 內(nèi)部的一個7. v 電源來驅(qū)動外部n 溝道功率 mosfet, 可以獲得 1 500ma大電流驅(qū)動 laflc4s大功率白色 led 。lt3755 電流控制模式可以在45 40 v的寬輸入電壓和輸出電壓在29 70 v 范圍內(nèi)實現(xiàn)了恒定電流的穩(wěn)定工作。fb 引腳用作 led電流檢測和保護功能的輸入, 而且還使得轉(zhuǎn)換器能夠起一個恒定電壓源的作用。調(diào)節(jié) rt 引腳的電阻值可以得到100 kh z 至 1 mh z 的頻率變化范圍 , 改變

11、頻率設置可以優(yōu)化效率、進一步提高性能。串接在led 上端的電流檢測電路是適用于驅(qū)動led 的最靈活方案, 適合于升壓、降壓模式或降壓- 升壓模式配置。 pwm 輸入端口提供了高達3000? 1的 led 調(diào)光比。圖 4 所示白光 led lafl c4s的驅(qū)動電路。- 7 - 相比 luxeon laflc4s 白光 led 大電流而言 , 燈板上其它波長的led 驅(qū)動電流大約只有 100 300 ma 之間, 采用了 am is 公司汽車級的led驅(qū)動系列產(chǎn)品 , am is 39100 集成電路具有很高的抗高溫和高可靠性, 可以分別提供 8 路 led 輸出驅(qū)動。驅(qū)動器的每個輸出能夠達35

12、0ma 電流 , 如果端口外接mosfet 可獲得更高的驅(qū)動電流。am is39100 外部電路簡單到只需一只外接電容器。芯片具有過熱保護、 過流保護、 短路保護和低電壓保護功能。 當芯片內(nèi)部電路檢測到潛在危險存在的情況下自動關(guān)閉驅(qū)動程序并將故障的診斷狀態(tài)通過串口讀取。- 8 - am is 39100 可以同時驅(qū)動 8 個 led ( 如圖 5 所示) 。每條支路的驅(qū)動電流由燈板控制單元 ecu 編程控制 , 這只 ic 所具備的保護功能、 分控特點、 很適合燈板上其它波長led 的分別受控點亮。am is39100 同時控制 8個不同波長 led與 lt3755大功率白光 led 的聯(lián)合驅(qū)

13、動 , 可以在燈板上獲得近似太陽光的綜合光譜, 滿足植物生長的光色特性。1.2.5 led 燈板控制單元燈板控制單元擔負著對不同波長led 獨立點亮、光通量和光譜色質(zhì)可調(diào)控制以及溫度檢測、 系統(tǒng)保護等功能。 還可根據(jù)工廠中央管理系統(tǒng)的調(diào)光指令, 管理燈板隨指令產(chǎn)生不同特征的綜合光譜, 植物工廠應用可控的led 光源不僅提供植物所需的光照而且利用特定波長的led 單色光對特定的害蟲的吸引力, 達到有針對性地進行誘蟲、滅蟲作用。led燈板控制單元電路圖如圖6 所示。由于燈板上密集了各種波長的led 、測光傳感器及其各路led的驅(qū)動芯片 , 每個- 9 - 芯片分別輸入不同的pwm 信號及亮度、溫度

14、管理, 因此需要一個性能較高的多端口ecu 控制芯片。ecu 控制單元不僅管理燈板各種波長led的亮度控制和光色合成 , 還要根據(jù) led驅(qū)動電路的工作特性, 對燈板的工作狀態(tài)和外部干擾實施保護, 同時還對光板的合成光譜、亮度、溫度進行檢測。因此, 芯片的處理能力、可靠性和穩(wěn)定性非常重要。系統(tǒng)ecu 控制單元設計選用了英飛凌公司的xc164 cs 系列 16 位單片微處理器。這款芯片不僅有很好的耐高溫特性和穩(wěn)定性, 還內(nèi)置現(xiàn)場控制通信的can 總線端口。xc164的輸入端口監(jiān)控大功率led 底座基板的溫度 , 這個觀察點接近led 的結(jié)溫, 是保護 led不至于熱損壞的關(guān)鍵 , 同時對各 le

15、d 散熱器多點的溫度循環(huán)檢測, 管理燈板的熱平衡保護控制。 xc164的輸入口還將照度傳感器和光譜傳感器探頭的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理 , 計算出光色合成效果并與工廠的中央控制器配光指令進行比對、實時調(diào)控。xc164的輸出端口分別輸出不同的pwm 信號控制 am is 39100 的驅(qū)動電流 , 以實現(xiàn)對各路不同波長 led 的亮度控制以及對lt3755 白光大功率 luxeon lafl c4s的驅(qū)動。燈板控制單元在控制光源亮度的同時還實施對燈板過壓保護, 過流保護、 反向保護、短路保護、 浪涌保護、系統(tǒng)診斷等。燈板安全和可靠工作的關(guān)鍵是led的散熱 , 它關(guān)系到 led 的壽命、光衰、色偏移等重要

16、指標。 監(jiān)測溫度的傳感器分別監(jiān)控大功率led 底座基板和散熱片上的多點溫度, 當?shù)鬃鍦囟壬哌_到了xc164預設警戒值時 , 系統(tǒng)調(diào)節(jié) led 驅(qū)動的 pwm 信號時降低驅(qū)動電流 , 使大功率 led降低功耗達到降溫效果。 當對 led燈板進行熱管理時 , 散熱器溫度到達臨界溫度時 , 系統(tǒng)啟動散熱風扇對燈板熱源強制對流, ecu 可以根據(jù)檢測點的部位和溫度值 , 確定強制風冷區(qū)域的風扇位置和風速, 必要時調(diào)整 pwm 驅(qū)動控制信號以減小led 功耗。當溫度過高、監(jiān)測點異?；騦ed 燈板故障時 , 燈板控制單元通過現(xiàn)場局域網(wǎng)向周圍燈板發(fā)布故障信息同時向工廠中央控制系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)并發(fā)出告警

17、信號。- 10 - 圖 6 燈板控制單元電路圖第二章工廠天然照明系統(tǒng)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)照明設計2.1 工廠內(nèi)外部設計決定照明系統(tǒng)分配工廠是生產(chǎn)既定產(chǎn)品的場所， 一般由廠房，辦公及其他附屬用房， 各類戶外裝置， 站、場、道路等組成。工廠照明設計范圍包括室內(nèi)照明，戶外裝置照明，站、場照明，地下照明，道路照明，警衛(wèi)照明，障礙照明等。(1) 室內(nèi)照明：廠房內(nèi)部照明及辦公等附屬用房內(nèi)部照明。(2) 戶外裝置照明：為戶外各種裝置而設置的照明。例如造船工業(yè)的露天作業(yè)場，石油化工企業(yè)的釜、罐、反應塔，建材企業(yè)的回轉(zhuǎn)窯、皮帶- 11 - 通廊，冶金企業(yè)的高爐爐體、走梯、平臺，動力站的煤氣柜，總降壓變電站的戶外變、配電

18、裝置，戶外式水泵站冷卻架( 塔) 和戶外式通風除塵設備等的照明。(3) 站場照明：車站、鐵道編組站、停車場、露天堆場等設置的照明。(4) 地下照明：地下室、電纜隧道、綜合管廊及坑道內(nèi)的照明。(5) 道路照明：工廠廠區(qū)公路及其他道路的照明。(6) 警衛(wèi)照明：沿廠區(qū)周邊及重點場所周邊警衛(wèi)區(qū)設置的照明。(7) 障礙照明：廠區(qū)內(nèi)設有特高的建、構(gòu)筑物，如煙囪等，根據(jù)地區(qū)航空條件，按有關(guān)規(guī)定需要裝設的標志照明。 本章重點在廠房內(nèi)部照明， 其他照明參見照明設計手冊相關(guān)章節(jié)。2.2 工業(yè)廠房的特點及其分類工業(yè)廠房按其建筑結(jié)構(gòu)型式可分為單層工業(yè)建筑和多層工業(yè)建筑。多層工業(yè)建筑的廠房絕大多數(shù)見于輕工、電子、儀表、

19、通信、醫(yī)藥等行業(yè)，此類廠房樓層一般不是很高，其照明設計與常見的科研實驗樓等相似，多采用三基色稀土熒光燈照明方案。機械加工、冶金、紡織等行業(yè)的生產(chǎn)廠房一般為單層工業(yè)建筑，并且根據(jù)生產(chǎn)的需要， 更多的是多跨度單層工業(yè)廠房，即緊挨著平行布置的多跨度廠房，各跨跨度視需要可相同或不同。單層廠房在滿足一定建筑模數(shù)要求的基礎上視工藝需要確定其建筑寬度( 跨度) 、 長度和高度。廠房的跨度 b：一般為 6、9、12、15、18、21、24、27、30、36m 。廠房的長度l：少則幾十米，多則數(shù)百米。廠房的高度 h：低的一般 56m ，高的可達 3040m ，甚至更高。廠房的跨度和高度是廠房照明設計中考慮的主要

20、因素。另外，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)性及工段間產(chǎn)品運輸?shù)男枰?，多?shù)工業(yè)廠房內(nèi)設有吊車行車，其起重量輕的可為35t ，大的可達數(shù)百噸( 目前機械行業(yè)單臺吊車起重量最大可達800t) 。因此，工廠照明通常采用裝在屋架上的燈具來實現(xiàn)。- 12 - 2.3 工廠照明設計的一般要求和質(zhì)量工廠照明應遵循下列一般原則進行設計。1. 照明方式的選擇(1) 對于照度要求較高，工作位置密度不大，單獨采用一般照明不合理的場所宜采用混合照明。(2) 對作業(yè)的照度要求不高，或當受生產(chǎn)技術(shù)條件限制，不適合裝設局部照明，或采用混合照明不合理時，宜單獨采用一般照明。(3) 當某一工作區(qū)需要高于一般照明照度時可采用分區(qū)一般照明。(4)

21、 當分區(qū)一般照明不能滿足照度要求時應增設局部照明。(5) 在工作區(qū)內(nèi)不應只裝設局部照明。2. 照度標準工廠照明設計的照度值應根據(jù)國家標準gb50034-2004 建筑照明設計標準的規(guī)定選取。 該標準規(guī)定了十六大類工業(yè)建筑的一般照明的照度值。各類工廠更為具體的工作場所的照度標準還應按相關(guān)行業(yè)的規(guī)定。照明質(zhì)量是衡量工廠照明設計優(yōu)劣的標志，它主要包括以下內(nèi)容：(1) 選用效率高和配光曲線合適的燈具。根據(jù)燈具在廠房房架上懸掛高度按室形指數(shù)尺，值選取不同配光的燈具。當 ri=0.5 0.8 時，宜選用窄配光燈具；當 ri=0.8 1.65 時，宜選用中配光燈具；當 ri=1.655 時，宜選用寬配光燈具

22、。(2) 選用色溫適當和顯色指數(shù)符合生產(chǎn)要求的照明光源。(3) 達到規(guī)定的照度均勻度：作業(yè)區(qū)域內(nèi)一般照明照度均勻度不應小于0.7 ，作業(yè)區(qū)鄰近周圍的照度均勻度不應小于0.5 。(4) 滿足照明直接眩光限制的質(zhì)量要求：統(tǒng)一眩光值(ugr) 按 gb50034-2004之規(guī)定。即一般允許值為 22，精細加工值為19。(5) 采取措施減小電壓波動、電壓閃變對照明的影響和防止頻閃效應。(6) 照明裝置應在允許的工作電壓下工作，在采用金屬鹵化物燈和高壓鈉燈的場所應采用補償電容器，以提高其功率因數(shù)。- 13 - 第三章 工廠照明系統(tǒng)的未來方向3.1 led 照明技術(shù)的選擇和推廣采用 led 智能照明控制系

23、統(tǒng)進行集中監(jiān)控及控制。根據(jù)使用需求，分時對led 路燈、庭院燈進行調(diào)光，可節(jié)電20%30%，并延長燈具壽命。其優(yōu)點是對每相的控制采用預置信息獨立存儲， 當系統(tǒng)中某一線路出現(xiàn)故障時，可馬上檢測出故障點及故障牲質(zhì)并進行保存，有利于故障排除，節(jié)省人力物力及時間。為使橋梁在江河上， 具備更加令人震撼的光影演出和地標性效果，為橋梁設計一套完整的高科技智能控制系統(tǒng)和光影變化方案，橋梁可產(chǎn)生或歡快或輝煌或振奮或恬靜的豐富的場景變化效果使橋梁與天地水景人產(chǎn)生更好地互動與交融，從而譜寫出絢麗多姿的華彩樂章。橋梁 led 照明控制系統(tǒng)應采用tcp/ip 協(xié)議，并經(jīng)過信號傳輸優(yōu)化處理， 使構(gòu)成的led 照明系統(tǒng)里連

24、接的設備更多且連接的距離更長，傳輸控制協(xié)議使led 照明系統(tǒng)的控制質(zhì)量和可靠性更高，雙向通信使設備的遠程監(jiān)測和控制更有效，使led 景觀照明控制系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。 led 照明系統(tǒng)可實現(xiàn)的主要功能有：1)100 級亮度調(diào)整， 16 級無灰度損失的亮度調(diào)整功能; 2)顯示頻率可達 85hz; 3)色彩調(diào)整能力 r.g.b 各 256 級獨立調(diào)整 ; 4)亮度深度可以達到1024級; 5)白檢測功能在系統(tǒng)中的各控制器都可對輸入接口信號的檢測(指示燈報告 ); 6)支持用戶自行配置屏體信息; - 14 - 7)供電方式 dc24vac110220v;8)支持遠程控制，串口通信。led 照明智能控制系統(tǒng)可完成時間控制的一致性，消除了供電系統(tǒng)的時間誤差，保證了led 各種動畫場錄的變換質(zhì)量。智能控制系統(tǒng)的應用，可靠地控制了不同場景l(fā)ed 路燈、庭院燈的停啟。3.2 太陽能儲電