油田路燈遠程節(jié)能控制系統(tǒng)的研制

趙瓏瑩（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

油田路燈遠程節(jié)能控制系統(tǒng)的研制

趙瓏瑩（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

由于東北地區(qū)一年四季日照時間隨季節(jié)變化較為明顯，為了節(jié)能降耗，同時準確按照日出日落時間進行調(diào)節(jié)路燈亮滅時間，需要定期到控制開關(guān)箱內(nèi)調(diào)節(jié)控制器啟停時間，以達到節(jié)能降耗的效果。針對油田特定的功能，研制了路燈節(jié)能控制器，作為遠端設(shè)備放置于開關(guān)箱內(nèi)部，用于啟動控制路燈的交流接觸器，從而通過交流接觸器，啟動路燈。

路燈遠程控制器；電流數(shù)據(jù)采集；光強采集

目前市場上也有許多路燈控制產(chǎn)品，多數(shù)只能完成時鐘控制單一的功能，還需要人工調(diào)節(jié)。有些也配備了無線控制，但是控制距離較近，無法完成油田場區(qū)控制的需要。沒有一種集光照采集、溫度采集、電流采集、時鐘控制、遠程操控、遠程數(shù)據(jù)回傳的一個性能完備的設(shè)備。通過對路燈控制器各種功能進行研究，同時進行集中整合，研制出1臺針對油田的路燈控制節(jié)能設(shè)備。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體系統(tǒng)由后臺組態(tài)設(shè)備及路燈開關(guān)箱遠程控制裝置組成。后臺組態(tài)設(shè)備將MODBUS-ASCII通信協(xié)議指令，通過大功率無線收發(fā)模塊進行發(fā)送。遠端控制設(shè)備采用單片機，按照組態(tài)通信協(xié)議規(guī)則，編寫Modbus協(xié)議程序，完成與組態(tài)設(shè)備進行通訊。遠端設(shè)備負責(zé)采樣電流、光照強度、溫度數(shù)據(jù)，并且讀取時鐘芯片時鐘數(shù)據(jù)，并且驅(qū)動繼電器控制路燈交流接觸器啟動。

2　遠端控制設(shè)備的設(shè)計

遠端控制器主要實現(xiàn)時鐘控制、光強度檢測、電流數(shù)據(jù)采集、無線通訊等主要功能。遠端控制器放置于路燈控制開關(guān)箱內(nèi)，實現(xiàn)對路燈的時鐘控制、遠程無線控制以及各種參數(shù)的數(shù)據(jù)回傳功能。通過這些遠傳參數(shù)的實時分析，可合理遠程設(shè)定路燈啟停控制時間，達到節(jié)能效果。

2.1遠端控制設(shè)備電源系統(tǒng)電路

遠端設(shè)備芯片、液晶、無線模塊、時鐘芯片都為5 V直流電壓供電。若采用5 V電源適配器，遠端設(shè)備受到電網(wǎng)電壓波動時，直接輸出的5 V直流電壓會受到干擾，因此采用12 V電源適配器，經(jīng)電源電路轉(zhuǎn)換，得到5 V直流電壓［1］。

電源采用而開關(guān)型降壓芯片發(fā)熱小，電源效率高的LM2596s-5.0開關(guān)電源芯片，其設(shè)計電路見圖1。

圖1　LM2596S-5.0芯片電路

2.2RTC實時時鐘電路

RTC時鐘電路采用DS1302時鐘芯片。DS1302功耗低、性能穩(wěn)定，可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時。電路設(shè)計見圖2。

圖2　DS1302時鐘電路

2.3光強檢測電路設(shè)計

光強檢測采用光敏電阻作為光強度傳感器進行采集光強度信號。其設(shè)計電路見圖3。然后將經(jīng)光強檢測輸出的電壓值送入單片機進行AD轉(zhuǎn)換。

圖3　光強檢測電路

2.4繼電器驅(qū)動電路

選用電磁式繼電器作為設(shè)備最終控制器件。通過繼電器的導(dǎo)通，啟動開關(guān)箱內(nèi)的大功率交流接觸器，從而控制點亮與熄滅路燈。繼電器驅(qū)動電路見圖4。

圖4　繼電器驅(qū)動電路

對于繼電器的驅(qū)動，采用光電耦合器件PC814。Q1為P型三極管，此處采用9012三極管，最大集電極電流為500 mA，放大倍數(shù)為135倍，由單片機IO口控制開通。R3電阻為了保證在控制器上電瞬間，單片機IO電平不穩(wěn)定時，防止后級繼電器誤導(dǎo)通，故在此加上拉電阻。由于PC814初級為1個發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的正常電流范圍在5～10 mA，Q1的飽和壓降為0.3 V，二極管正向壓降為0.7 V，故由公式：

式中：Vcc——電源電壓，V；

Vceo——三極管集-射極壓降，V；

Vd——光耦二極管壓降，V；

R4——限流電阻，Ω。

可以計算出，R4為470 Ω。繼電器RL1控制端為一電感線圈，在線圈通電后，產(chǎn)生磁通勢，將觸電吸合，進行后級控制。

2.5液晶驅(qū)動電路設(shè)計

這中采用LCD1602液晶屏作為遠端控制裝置人機交互界面的顯示器。LCD1602為工業(yè)字符型液晶，每行可以顯示16個字符，可以同時顯示2行。它可以專門用來顯示數(shù)字、字母、符號。其工作電壓為5 V，內(nèi)置192種字符，LCD1602液晶驅(qū)動電路見圖5。

圖5　LCD1602液晶驅(qū)動電路

2.6電流檢測電路的設(shè)計

遠端控制裝置安裝與路燈控制開關(guān)箱內(nèi)，而路燈開關(guān)箱電纜電流值在正常運行下約為20 A，電流值比較大，不能進行直接測量，而采用加裝電流互感器方式進行隔離測量。這里采用100/5電流互感器，將0～100 A交流電流信號轉(zhuǎn)化為0～5 A交流電流［2］。

電路板上采用穿芯式電路板電流傳感器，如圖6所示。將0～5 A交流電流信號轉(zhuǎn)化為0～2.5 mA交流電流信號。并且連接上一個20 Ω的電阻，將0～2.5 mA電流信號轉(zhuǎn)化為0～50 mV交流電壓信號。

圖6　穿芯式電路板電流傳感器

將該信號做進一步放大處理，送單片機進行AD轉(zhuǎn)換并完成電流值的計算。

3　后臺組態(tài)設(shè)備的設(shè)計

組態(tài)設(shè)備的電路包括液晶屏驅(qū)動電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路完成各部分功能的實現(xiàn)。

3.1液晶屏界面設(shè)計

液晶界面主要包括啟?？刂啤⑦\行電壓電流監(jiān)控、啟停時間設(shè)定與光強監(jiān)測界面。其界面見圖7。廠廠區(qū)路燈電纜長度約10 km，造價上百萬元。若出現(xiàn)接地帶病運行的狀況，電纜會過熱、絕緣強度降低，加速老化，最終導(dǎo)致整條電纜報廢。隨時監(jiān)控運行電流，可及時發(fā)現(xiàn)電纜故障相序，及時處理維修，可延長電纜使用壽命5年。一般電纜使用壽命為15年，年折舊金額為6.66萬元。則年節(jié)約費用1.66萬元。

圖7　路燈運行監(jiān)控界面

3.2無線通訊電路設(shè)計

無線通訊引腳為RS232串行接口，因此需要與單片機TTL串口完成電平轉(zhuǎn)換［3］，所以采用MAX232芯片。其電路原理圖見圖8。

圖8　無線通訊電路設(shè)計

4　現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

將路燈遠端監(jiān)控裝置安裝于開關(guān)箱內(nèi)，通過后臺設(shè)備可在5 km范圍內(nèi)進行遙控操作，帶來的經(jīng)濟效益如下：

1）監(jiān)控運行電流，延長電纜壽命。每個采油

2）節(jié)省監(jiān)測人工、車輛臺班費用。每月約節(jié)省3人、2工時，車輛2臺班，約560元。全年節(jié)約費用6720元。

5　結(jié)論

遠端控制器主要實現(xiàn)時鐘控制、光強度檢測、電流數(shù)據(jù)采集、無線通訊等主要功能。遠端控制器放置于路燈控制開關(guān)箱內(nèi)，實現(xiàn)對路燈的時鐘控制、遠程無線控制以及各種參數(shù)的數(shù)據(jù)回傳功能。通過這些遠傳參數(shù)的實時分析，可合理遠程設(shè)定路燈啟?？刂茣r間，達到節(jié)能效果。

［1］尉廣軍，朱宇虹.幾種恒流源電路的設(shè)計［J］.電子與自動化，2010（1）:45-46.

［2］羅晴蘭.RS-485總線通信技術(shù)在紅外線報警系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電工電氣，2010，（5）:27-30.

［3］楊曉光，寇臣銳，汪友華.太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電氣應(yīng)用，2009，（3）:28-31.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.07.002

2015-12-16

（編輯沙力妮）

趙瓏瑩，2010年畢業(yè)于山東工商學(xué)院（電氣工程及其自動化專業(yè)），從事變電所高壓試驗、繼電保護檢修工作，E-mail：490465384@qq.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠電力維修大隊，163000。