基于DALI-BUS技術(shù)的起重機照明節(jié)能設(shè)計

劉 彬 曹逸榮 顧佳晨

1上海振華重工集團有限公司 上海 200125 2上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200314

0 引言

進入21世紀以來，在節(jié)能減排政策性導(dǎo)向指引下，越來越多的節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用于港口行業(yè)，諸如船舶岸電技術(shù)、氫能源技術(shù)、供電系統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)。其中，港區(qū)照明能耗控制的技術(shù)可行性更強，故可引入相關(guān)科學(xué)技術(shù)手段、合理控制照明能耗。

現(xiàn)階段港區(qū)照明的使用場景主要有：場地照明、作業(yè)區(qū)照明、設(shè)備行走照明，其中作業(yè)區(qū)照明燈具數(shù)量遠大于其他2類場景。作業(yè)區(qū)照明燈具又以投光燈為主要耗能單位，故有效降低港機設(shè)備上投光燈能耗即可實現(xiàn)港區(qū)照明能耗的下降。

目前較為普遍的降低投光燈能耗的技術(shù)手段是將傳統(tǒng)的鈉燈、金鹵燈變更為LED投光燈。雖然LED投光燈的初始成本通常高于傳統(tǒng)照明燈具，但節(jié)能和減少維護方面具有優(yōu)勢。實際港區(qū)相關(guān)案例表明，LED投光燈節(jié)能可達55%～60%，而維護成本最多可下降90%左右，這也使得許多港口工程技術(shù)人員偏愛LED燈具。此外，與高壓氣體放電燈不同的是，LED照明技術(shù)往往一打開就處于全光照狀態(tài)。傳統(tǒng)的照明燈具則可能需要幾分鐘才能實現(xiàn)最大照度，此工況被動地讓操作員養(yǎng)成了不愛關(guān)燈的習(xí)慣，造成能源的浪費。然而，簡單地將高壓氣體放電燈變更為LED燈，仍舊無法完全滿足港區(qū)設(shè)備作業(yè)工況的復(fù)雜多樣性，存在一定能耗浪費的情況。因此，可利用DALI技術(shù)實現(xiàn)基于LED燈具的智能控制，進而實現(xiàn)能耗的進一步降低。

1 DALI數(shù)字協(xié)議概述

數(shù)字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）是一種數(shù)字照明控制的專用協(xié)議，該通訊協(xié)議遵循IEC 62386標準，允許設(shè)備之間進行雙向通信，因此，設(shè)備可報告故障、反饋設(shè)備狀態(tài)和其他信息的查詢。利用數(shù)字量信號實現(xiàn)對燈具電流的控制，從而實現(xiàn)燈具照度的控制。由于DALI數(shù)字通訊協(xié)議采用的數(shù)字量信號對燈具予以控制，故避免了主回路中動力線對信號控制線的干擾問題。從DALI基本特征上看，DALI數(shù)字接口還可下掛64盞燈具，并可實現(xiàn)每盞燈具的地址分配、參數(shù)設(shè)置。該特征有利于上位機對燈具的群控，照明區(qū)域的智能化、節(jié)能化調(diào)節(jié)。

圖1是DALI的系統(tǒng)框圖，清晰地展現(xiàn)了DALI系統(tǒng)采用了主從式的結(jié)構(gòu)。DALI總線作為控制總線與燈具、傳感器、DALI網(wǎng)關(guān)相連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上的傳輸。總線上的所有燈具及傳感器都預(yù)設(shè)了地址，并且該地址是獨立唯一的。當(dāng)系統(tǒng)運行時，PLC可通過DALI總線訪問各個燈具及傳感器的地址，實現(xiàn)對各個燈具及傳感器地址內(nèi)參數(shù)的讀寫。目前DALI數(shù)字協(xié)議技術(shù)已在歐洲的燈具設(shè)計中廣泛使用。

圖1 DALI系統(tǒng)框圖

2 實例應(yīng)用

以德國某港口的DALI系統(tǒng)硬件架構(gòu)作為實例，描述其技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上闡述基于DALI技術(shù)方案的投光燈節(jié)能工況。

2.1 DALI在起重機上的硬件架構(gòu)設(shè)計

DALI系統(tǒng)主要的硬件架構(gòu)有4部分組成，分別是DALI網(wǎng)關(guān)、主PLC、具有DALI數(shù)字接口的投光燈、布線及電纜。

DALI網(wǎng)關(guān)選用IntesisBox的DALI to Modbus TCP & RTU網(wǎng)關(guān)模塊，該模塊供電電壓為24 VDC，其中Port A中的A3、A4與DALI總線相連。Port B中的EIA232通訊協(xié)議與EIA485（B1/B2/B3）作為DALI通訊協(xié)議備用接口留存。Ethernet Modbus Port接口用于與主PLC相連。

需注意網(wǎng)關(guān)模塊屬于IEC 62386-102中的控制裝置，要根據(jù)具體的適用場景來選配合適的網(wǎng)關(guān)（本文中的網(wǎng)關(guān)僅適用于DT0，DT1，DT6，如表1所示）。

表1 網(wǎng)關(guān)配置表

在投光燈的選用方面，需考慮的因素較多。為匹配DALI控制總線，使得投光燈套件必須配置DALI數(shù)字通訊接口。與此同時，為節(jié)約能源損耗仍舊選用LED燈。為節(jié)約電纜用量，投光燈套件選用單相230 VAC的供電電源。為方便維修更換，把驅(qū)動板以及供電設(shè)備配置獨立驅(qū)動接線盒。另外，依據(jù)標書要求色溫為4 000 K，配置10 kV浪涌保護。基于上述要求，最終選用Philips BVP515 LED1200/740 T25投光燈。此處需要特別注明，投光燈套件內(nèi)的DALI數(shù)字接口、浪涌保護等器件全部放置于驅(qū)動接線盒內(nèi)。驅(qū)動接線盒內(nèi)具體的電纜接頭配置如圖2所示。圖中Mains為外部電源進線電纜，接至左側(cè)橙色端子。DALI為外部DALI控制總線，接至右側(cè)藍色端子。另有Connection Box為外部投光燈接線盒電纜，接至驅(qū)動接線盒右側(cè)NTC-1/-2/-3端子。NTC為熱敏電阻，當(dāng)投光燈的工作溫度超出設(shè)定值時，通過DALI數(shù)字接口協(xié)議，將報警信號反饋至PLC。-1/-2/-3則是投光燈的燈模組的供電電源。

圖2 投光燈接線盒接線圖

電纜的配置應(yīng)基于投光燈、DALI網(wǎng)關(guān)的技術(shù)參數(shù)進行選型。針對DALI網(wǎng)關(guān)需要配置24 VDC電源。DALI網(wǎng)關(guān)上的DALI控制總線應(yīng)由控制電纜與各投光燈相連接，由于DALI總線傳輸數(shù)據(jù)包由19位組成，通訊速率1 200 bps；邏輯電平‘0’的電壓范圍為-6.6～6.5V、邏輯‘1’的電壓范圍為9.5～22.5V，這種寬電壓應(yīng)用范圍使得DALI對線材的要求不高，因此，DALI線不要求使用雙絞線或?qū)Ｓ秒娎|等專用的配線，但需確?？偩€上的最大電壓降不能超過2 V，最長的距離不超過300 m。DALI網(wǎng)關(guān)與PLC之間的通訊應(yīng)為Ethernet網(wǎng)線連接，實現(xiàn)與主PLC之間的數(shù)據(jù)交互。針對投光燈則需要額外配置230 VAC電源。電纜的選用方面必須考慮項目所在地標準規(guī)范及準入機制。由于該項目地處德國，故所有選用的電纜必須擁有德國電氣工程師協(xié)會認證（DIN VDE）認證。

2.2 DALI協(xié)議的節(jié)能工況設(shè)計

DALI協(xié)議為每一盞投光燈配置了對應(yīng)地址，因此DALI總線可實現(xiàn)對照明系統(tǒng)內(nèi)任意一盞投光燈的控制，這也使得各個碼頭可根據(jù)自身的工況需求對投光燈進行動態(tài)設(shè)計。經(jīng)多方討論，針對德國項目設(shè)置了單機下的投光燈節(jié)能控制、多機下的投光燈節(jié)能控制2種工況。

2.2.1 單機下的投光燈節(jié)能控制工況

當(dāng)岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）在夜間作業(yè)時，傳統(tǒng)碼頭通常將所有的大梁投光燈打開，實現(xiàn)工作區(qū)域的照明。然而，當(dāng)小車機構(gòu)在海陸側(cè)來回移動的過程中，會遮擋大梁上的部分投光燈，必定出現(xiàn)無效照明。此外，當(dāng)小車運行至裝卸集裝箱位置時，除了大梁投光燈提供工作區(qū)域照明之外，小車架投光燈一并提供工作區(qū)域照明，進而使得工作區(qū)域的照度急劇提升。然而工作區(qū)域的照度并非越高越好，尤其對于現(xiàn)場司機而言，不同年齡段、不同體質(zhì)對光的適應(yīng)性是不同的。年輕司機可能需要較強照度；年長司機可能更需要較弱照度，以減緩司機的眼部疲勞，提高工作效率?；谏鲜鰩c問題，單機下的投光燈節(jié)能控制采用了以下方案：

1）降低整體投光燈的照度 當(dāng)岸橋控制未合時，利用DALI總線控制大梁上的投光燈，使之前大梁照度降低至正常照度的80%。小車架照度為正常照度的80%。

2）在PLC程序方面，利用小車絕對值編碼器的位置反饋，實現(xiàn)對大梁投光燈的照度控制。即當(dāng)小車機構(gòu)行駛至前大梁時，前大梁的投光燈照度整體下降至70%，小車架照度提升至90%，確保整體照度符合作業(yè)要求及技術(shù)規(guī)格書。另外，當(dāng)小車機構(gòu)行駛至后大梁時，前大梁投光燈照度恢復(fù)至正常照度的80%，而中后大梁的投光燈則降低至正常照度的70%，小車照度提升至90%，確保整體照度符合作業(yè)要求及技術(shù)規(guī)格書。以上工況的選擇，一方面可以避免當(dāng)小車機構(gòu)運行至岸橋海側(cè)面進行集裝箱的裝卸時，由于小車機構(gòu)遮擋了大梁上的投光燈，導(dǎo)致小車機構(gòu)下方照度降低的問題。另一方面也降低了由于小車機構(gòu)前后運動導(dǎo)致的大梁上投光燈無效照明產(chǎn)生的能耗浪費。另外還提供了更清晰的作業(yè)環(huán)境。

3）為了設(shè)計更人性化的燈光控制系統(tǒng)，該項目在司機室內(nèi)配置調(diào)光旋鈕及區(qū)域選擇開關(guān)。該旋鈕及選擇開關(guān)信號反饋至PLC。每位駕駛員可依據(jù)自身的身體條件選擇適應(yīng)自身的照度。另外，德國是一個多雨雪的國家，常出現(xiàn)雨水或積雪覆蓋集裝箱上，導(dǎo)致雨雪在強光照射下產(chǎn)生反射眩光，使作業(yè)期間的操作員產(chǎn)生眼部不適。那么，可通過調(diào)光旋鈕的控制降低投光燈照度改善照明環(huán)境，以提高作業(yè)安全性、減少操作員的疲勞。

2.2.2 多機下的投光燈節(jié)能控制工況

當(dāng)多臺岸橋同時在一個泊位對同一船舶進行集裝箱裝卸時，投光燈的照度必定產(chǎn)生疊加從而產(chǎn)生照度過高的情況。針對上述情況，可結(jié)合DALI總線技術(shù)予以解決。DALI總線收集每臺設(shè)備上的投光燈數(shù)據(jù)，并反饋至PLC，PLC將接收到數(shù)據(jù)反饋至碼頭終端控制平臺。與此同時，碼頭終端控制平臺持續(xù)接收各臺設(shè)備的大車位置信息。當(dāng)終端控制平臺接收到多臺岸橋同時于同一泊位進行集裝箱裝卸時，根據(jù)前期照度計算模型發(fā)出相對應(yīng)的指令至每臺岸橋，使每臺岸橋的大梁投光燈照度降低。該技術(shù)方案在降低能耗的同時，還可確保整體的作業(yè)區(qū)域照度滿足基本的標準閾值。當(dāng)然要實現(xiàn)以上功能則需要碼頭搭建一個數(shù)據(jù)交互平臺，才能確保單臺設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)可以上傳至數(shù)據(jù)中心，并由終控基于數(shù)據(jù)對各設(shè)備發(fā)出指令進行控制。

2.3 單機下的投光燈節(jié)能能耗計算

以德國項目為例，其岸橋相關(guān)參數(shù)為：起重機軌距35 m，軌上起升高度49.5 m，前伸距71.6 m，后伸距33 m，滿載起升速度v滿載=80 m/min=1.33 m/s，滿載起升加/減速度a滿起=2 m/s2，起升空載速度v空載=180 m/min=3 m/s，空載起升加/減速度a空起=4 m/s2，小車運行速度v小車=240 m/min=4 m/s，小車運行加/減速度a小車=6 m/s2。

為準確估算投光燈節(jié)能能耗計算，需結(jié)合岸邊集裝箱起重機典型循環(huán)路線圖及速度與時間波形圖進行分析。以裝船作業(yè)模式為例，假設(shè)小車與起升機構(gòu)非聯(lián)合操作，則在單程操作模式下，其循環(huán)路線圖如圖3所示；其起升/小車速度與時間波形圖如圖4所示。由圖3、圖4可知，在岸橋裝船過程中，涉及的工作循環(huán)如表2所示。

圖3 岸橋工作循環(huán)圖

圖4 速度時間波形圖

表2 作業(yè)過程表

為簡化計算，假設(shè)小車的平均運行距離L=60 m(即從中梁中點至前大梁中點之間的距離)，中梁中心點至絞點為15 m，前大梁中點至絞點為45 m，裝箱起升高度H=32 m，船上集裝箱放置位置為軌道面。

根據(jù)單機下的投光燈節(jié)能工況，投光燈能耗的節(jié)約主要由于小車海陸側(cè)位置的變化而產(chǎn)生的，因此需要計算在單個工作循環(huán)中，小車位置處于海側(cè)及陸側(cè)時間。依據(jù)岸橋裝船過程中的作業(yè)過程表（見表2），各時間段計算數(shù)據(jù)為

式中：tAB為起升滿載的情況下從A點起升至32 m處的B點所需時間。

式中：tBC陸側(cè)為小車機構(gòu)從中梁中點移動至大梁絞點處所需的時間。

小車在海側(cè)的總時間為

小車在陸側(cè)的總時間為

式中：tCB陸側(cè)為小車機構(gòu)從大梁絞點處向中梁中點移動至所需的時間，計算方法同tBC陸側(cè)，tCB陸側(cè)=3.367 s；tBA為空載情況下，從高度32 m處下降至抓箱位置，計算過程同tAB，tBA=11.41 s；tAA為對位鎖銷環(huán)節(jié)的時間，按經(jīng)驗值tAA=15 s；tBC海側(cè)段為小車機構(gòu)由絞點向海側(cè)中心點位置，計算過程同 tBC陸側(cè)，tBC海側(cè)段=11.582 s；tCD為滿載情況下，起升從H高度的C點下降至D點，計算過程同tAB，tCD=25.05 s；tDD為松開旋鎖的時間，按經(jīng)驗值tDD=10；tDC為起升機構(gòu)空載情況下，從D點上升至高度H的C點所需時間，計算過程同tAB，tDC=11.41 s；tCB海側(cè)為小車機構(gòu)從大梁中心點位置至絞點所需時間，計算過程同 tBC海側(cè)，tCB海側(cè)=11.582 s。

基于標書要求，為達到對應(yīng)照度要求，其投光燈配置位置、數(shù)量、功率如表3所示。

表3 投光燈配置表

在單個循環(huán)周期下，如果未使用DALI控制，那么單機投光燈總電功為

W1=∑PT=0.68

式中：ΣP為總功率，T為總時間。

如采用DALI控制，以大梁絞點作為分界點區(qū)分海陸側(cè)不同工況下的投光燈總電功為

式中：P海側(cè)狀態(tài)為海側(cè)處的投光燈總功率，t海側(cè)為小車在海側(cè)的總時間，P陸側(cè)狀態(tài)為陸側(cè)處的投光燈總功率，t陸側(cè)為小車在陸側(cè)的總時間。

上述計算清晰可見，在使用DALI控制的工況下，總電功節(jié)省約21%。

單機岸橋投光燈的開啟時間按照每天17:00～7:00計算，費用按1.025元/kW·h計算。1 a預(yù)計節(jié)約用電費用為22 257.7元。因此，從實際的計算結(jié)果上看，采用DALI控制方案，能耗與運營成本上降低明顯。

3 DALI協(xié)議的維護設(shè)計

從DALI總線的特性可知，當(dāng)DALI總線上各設(shè)備正常運行時，其設(shè)備數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)進行實時交互。

為了便于維修人員對投光燈等照明系統(tǒng)的維護及檢修，德國項目要求投光燈的照度數(shù)據(jù)、燈具編號數(shù)據(jù)、驅(qū)動單元故障信號加入至CMS，碼頭維修人員可通過CMS清晰地了解到整個照明系統(tǒng)的工作情況，而當(dāng)某個燈或驅(qū)動單元出現(xiàn)故障時，也可以及時顯示故障，無需再花費大量時間排查具體的故障原因，節(jié)約了大量檢修時間。DALI系統(tǒng)是一個開放的控制系統(tǒng)，不同的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的鎮(zhèn)流器只需要滿足DALI協(xié)議即可互換使用，從而使購買備件更加靈活和高效，為維護保養(yǎng)提供便利。

4 總結(jié)

DALI系統(tǒng)通過兩線雙向串行數(shù)字通信協(xié)議最終將投光燈與主PLC連接起來，使岸橋照明系統(tǒng)不僅僅只有打開和關(guān)閉狀態(tài)，更可以滿足不同需求下的照明要求。從實際節(jié)能計算結(jié)果上分析，采用DALI技術(shù)在節(jié)能減排的效果上明顯，在岸橋的燈具改造上有著巨大市場潛力。