宋祥吉 焦 松 孙慧利 蔡黄河 余珍胜

青岛海西重机有限责任公司 青岛 266530

0 引言

随着高新技术的迅猛发展，物联网、大数据、 智能装备等信息的愈发成熟，为我国各大港口向智能化方向转型提供了重要的技术支撑。智慧港口的建设是增强港口综合竞争力的重要手段，智慧港口已成为我国未来智慧交通枢纽的主要发展方向。中国港口在世界港口中已经占据了重要地位，集装箱吞吐量已连续多年位居世界前列，成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量大、增长速度快的国家。随着经济的持续增长，节能减排、提升效率成为中国乃至全球的迫切要求。

与城市智慧照明不同，港口智慧照明系统是与港口安全、高效的作业息息相关的重要基础设施，随着港口自动化进程的加快，港口照明设施的需求量日益增大。目前，码头港口的照明控制范围广，照明设施数量大，分布点多，在对每个时间控制器或强电开关进行调整时，由路程远、调整时间长等因素而造成效率低，人工和车辆需求大。进而，依靠人力巡视检查照明设备的使用状态，受环境因素及观察角度的限制，漏检率和误判率高，不能保证照明设备处于最佳使用及维护状态。

现场的大功率灯具工作电压高，长时间开启会缩短灯具的寿命，造成能源浪费，而频繁地更换昂贵的灯具会增加照明系统的运维费用。由于作业环境复杂，若要实现现场照明的多点控制，布线距离长且难度很大。在能源日益短缺，温室效应越来越严重，国家和地方政府大力号召节能减排、绿色照明的情况下，能有效地控制能源消耗，提高灯具寿命，降低维护和管理成本，是现代效能型社会建设的目标，也是港口码头智慧化建设的必然趋势。当前，我国许多港口纷纷开始建设智慧港口，通过信息通信技术和智慧港口的建设提高作业效率，提升作业安全，提高企业效益，使港口变得更加智能。作为智能型基础设施，智慧照明[2]是智慧港口建设中重要的组成部分。

1 智慧照明系统相关技术

1.1 基于蜂窝的窄带物联网技术

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet Of Things，NB-IOT）是IOT 领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，亦称为低功耗广域网（LPWAN）。NB-IOT 技术的发展历程如图1 所示，目前的NB-IOT 技术已具备待机时间长、网络高效连接等性能；NB-IOT 设备电池寿命可提高至10 a 以上，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

图1 NB-IOT 发展历程示意图

1.2 NB-IOT 产品特点

NB-IOT 是万物互联网络的一个重要分支，其构建于蜂窝网络，只消耗大约180 KHz 的带宽，可直接部署于GS 米网络、 U 米TS 网络或LTE 网络，以便降低部署成本，实现平滑升级。NB-IOT 聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IOT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，全球主要频段为900 m，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，NB-IOT 技术特点对比分析如图2 所示。

图2 NB-IOT 技术特点对比分析

1.3 智能调光技术

智慧照明需要对光线进行自动检测，在检测光线不足时补充电能光，光线充足时关闭电能光，以此实现对能源节约。为了能够实现智能控制，需根据照明系统的实际工况与功能，采用PLC 控制系统，实现对照明系统的智能调光控制。

2 智慧照明系统构成

智慧照明系统主要针对智慧港口码头自动化岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机进行设计，系统网络拓扑如图3 所示。智慧照明系统主要由远程测控终端、 无线通信终端、监控中心、监控管理软件等构成，其网络拓扑结构设计可以实现照明系统的监控、控制和管理，还可方便与其他系统互联，便于扩展，比如手机APP 等。

2.1 远程控制终端

远程控制终端设计及选型除了满足智慧照明监控的需要外，还必须能适用于户外环境或室内长期运行。终端具备有线和无线通信接口，可与无线数据管理终端通信，主要完成数据的采集和处理、控制输出和进行数据通信、经纬度控制、主动报警、接收远程命令、开关灯指令等功能。

2.2 无线数据通信

无线数据通信主要负责监控中心与无线数据管理终端设备之间的数据传输，通讯方式可采用以太网、或GPRS 与无线数据管理终端连接，通信传输更可靠。

2.3 监控中心

监控中心是根据智慧照明的控制功能要求监视、控制和记录所有现场设备信息的操作平台。监控中心主要由监控主机、人机接口、相关外设及与无线数据通信网接口等设备构成。管理人员对整个照明回路系统进行管理和控制，能够显示回路的开关状态信息，可实现修改时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。同时，可在线通过可视化操作软件对集中管理器进行多路或单个回路的控制，也可采集每个回路的三相电压、电流、有功和无功功率；也可接入智能电表将每个回路的耗电情况远程采集到软件平台，方便用户对节能情况进行实时监控。

另外，监控中心可对各远端监控点采用轮询或并行访问，并行访问可在同一时刻收发不同的数据，完成监测、控制、采集等多重任务；还可实现终端自动回报、分组控制等高效率的功能。

2.4 监控管理软件

照明管理平台软件主要依托数据库服务器、运算服务器等设备，监测灯具设备运行、远程控制灯具的亮度、灯具故障推送、故障及功耗统计，协调智能灯具控制器的运行与管理；其主要功能包括灯具控制、地图监控、策略管理、分组管理、报表管理、能耗分析、故障告警等。

1）灯具控制 实时查看现场所有设备的运行情况，并准确调取所有设备的实时数据；

2）地图监控 在地图上准确显示每一个现场设备的运行情况；

3）策略管理 制定各种自动控制方式，订制控制策略，实现无人化运行；

4）分组管理 可单灯，自由分组和批量等方式灵活控制设备；

5）计划管理 可手动，自动和定时下发调光和开关任务；

6）报表管理 准确查询现场设备的历史记录，实现数据可追溯；

7）能耗分析 接入国网规约电表后设置各种能耗阈值，可以准确显示耗能情况并进行对比；

8）故障告警 监控现场设备运行情况，发现异常情况实时报警并分析，支持平台自动报警，还可通过短信息或邮件的形式发送给指定的人。

3 实施方案及选型配置

每台岸桥和轨道桥设备上安装1 套智能灯具控制器，每个智能灯具均需匹配1 个单灯控制器。单灯控制器与LED 设备灯一体，实现灯具的无级调光；单灯控制器由LED 灯具电源供电，不需要额外供电，LED 设备灯配置特定对接端口。智能灯具控制器为220 VAC 供电，与港口设备的PLC 系统连接，可实现单灯控制器的集中控制；与单灯控制器为无线NB-IOT 通讯，智能灯具控制器将与轨道式集装箱门式起重机PLC 系统相连接，岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机的操作指令可实时传至智能灯具控制器，智能灯具控制器依据PLC 上传的信息判断岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机的工作状态，根据实际工作状态需求，通过开关灯或调节亮度指令的方式来控制智能LED 灯具，从而通过控制逻辑实现智能调光功能，达到节能目的。具体控制方案主要有以下3 种：

1）当岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机夜间自动作业时，智能灯具控制器通过PLC 获取作业信息，自动将工作面照明灯具开启至100%亮度，进入智能控制模式。

2）当岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机无作业任务且超过10 min 时，智能灯具控制器通过PLC 获取作业信息，进行分区域控制，控制工作面照明灯具调光亮度至30%点；灯具降低功率等待时间及亮度也可根据用户需求进行远程设置。

3）照明灯具的自动开启关闭控制，系统可通过当地时间或通过光敏开关进行自动开启及关闭；且具备与设备的PLC 或当地时间网络时钟同步的功能。

3.1 JR-ILC-S200 型智能灯具控制器

JR-ILC-S200 型智能灯具控制器是根据港口控制需求进行开发的一款高度集成的主控设备。智能灯具控制器与岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机的PLC 相连获取操控信息，通过解析将控制信息下发各智能LED 灯具，智能LED 灯具的实时状态、功率、故障等信息也将上传至智能灯具控制器。同时，该智能灯具控制器自带人机界面控制系统，人机界面上显示智能灯具控制器和LED 照明灯具的状态信息，用户亦可通过该界面对LED 照明灯具进行控制。如图4 所示。

图4 智能灯具控制器

3.2 JR-SLC-D 系列单灯控制器

单灯控制器主要安装于LED 设备灯，用于接收智能灯具控制器发来的控制指令，同时自带故障检测模块，可实时监测灯具工作状态。为了保证单灯控制器的散热效果，整个壳体采用铝合金一体拉伸成形，可充分保证内部电路元器件的散热。同时，为了拆卸方便，单灯控制器壳分为控制器盒、前面板、后面板、上盖板以及控制板等部分，各部分通过螺丝安装固定，控制板放置于壳体内，采用导热硅胶灌封工艺。在单灯控制器两侧分别留有程序烧写专用接口以及LED 灯具对接端子，如图5 所示。

图5 单灯控制器

4 智慧照明系统功能特点

4.1 系统组网控制功能

设备上的每一台灯具都装有单灯控制器，采用无线/有线通讯方式互联，并在每台设备上安装1 台集中控制器，每台集中控制器可通过网线接口转换为特定网络信号实现跨区域的远程控制，也可通过码头中控室PC机接入网络，由中控室的智慧照明管理软件系统直接控制每一个灯具。

4.2 灯具分组功能

中控室的智慧照明管理软件系统可对联网的每台灯具按区域功能进行分组，分组后可对该分组下的所有灯具进行同时的开关灯或者调光操作。

4.3 开关灯功能

1）独立开关灯功能 系统内每一台灯具都有独立的ID 地址，系统可以对设备的每一台联网灯具进行独立开关灯操作。

2）整体设备开关灯 单台设备为独立控制单元，系统可对每台设备的所有联网灯具进行同时开关灯操作。

3）区域分组开关灯 以区域功能作为控制范围，对区域内的每一组联网灯具按功能进行分组，并对区域内的相同功能的部分灯具进行同时开关灯操作。

4）红外感应控制 系统可根据红外探头探测人体所发出红外线，控制线路的通断，实现照明灯具的自动感应控制。

4.4 调光功能

1）独立调光功能 系统内每一套灯具都有独立的ID 地址，系统可对设备的每一台联网灯具进行独立调光操作。

2）整体设备调光 单台设备为独立控制单元，系统可对每台设备的所有联网灯具进行同时调光操作。

3）区域分组调光 以区域功能作为控制范围，对区域内的每一个联网灯具按功能进行分组，并对区域内的相同功能的部分灯具进行同时调光操作。

4.5 电气参数监测功能

终端控制器内置了电能检测模块，能对每台灯具进行功率、电流、电压、功率因数、电能等电气参数检测，并可将检测数据存储和上传到智慧照明系统。

4.6 故障检测并主动上报功能

终端控制器内置电能检测模块，可将灯具电流、电压和能耗状况与常规状态下的基本数据做分析判断，然后再判断灯具是否故障和故障类型，并主动上传到智慧照明管理软件操作界面中报警显示。

4.7 故障、电能、操作日志历史查询和报表功能

系统配置独立的数据库，可对每一个联网灯具的能耗状况、开关和故障状态、操作记录进行分类统计存储，并输出打印报表；亦可对分组灯具进行电量统计，并在管理平台进行节能分析、显示及存储。

5 实施效果

该智慧照明系统已成功部署于国内某港自动化码头的自动化岸边集装箱起重机和轨道式集装箱门式起重机上，实现了灯具远程进行开关智能控制、亮度自动调节、分组运行、区域调光、故障预警、数据分析等智能化操作与管理。另外，与传统控制方式相比较，该智慧照明系统的成功应用，在节能减排、节省管理人员成本、延长灯具使用寿命等方面具有较大优势，符合现代港口绿色、节能的发展方向。