宋秦中

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

隨著科技的發(fā)展，LED燈具同樣的功率下要比傳統(tǒng)的燈具光通量高，兼具環(huán)保和長壽命等顯著優(yōu)勢，在國家政策的支持和引導(dǎo)下，正逐步替換傳統(tǒng)的照明燈具，在空間照明領(lǐng)域中已得到較廣泛的應(yīng)用。然而，由于LED燈具具有發(fā)光效率高，僅僅是在原來的位置將傳統(tǒng)的燈具替換為LED燈具是不科學(xué)的，不僅浪費(fèi)電能，而且過高的亮度還會(huì)對工作人員的眼睛帶來傷害。因此在改造、替換過程中，除了要考慮燈具的實(shí)際發(fā)光屬性外，更重要的是需要考慮燈具的合理布置[1-3]。另外，LED照明光源還具有反應(yīng)快、易調(diào)光的優(yōu)良特性，適合結(jié)合照明控制系統(tǒng)進(jìn)行能源管理，重新規(guī)劃燈具的排布，合理地利用資源[4-5]?；谏鲜龇治?，本設(shè)計(jì)從基于DIALux軟件平臺實(shí)現(xiàn)照明規(guī)劃方案設(shè)計(jì)和基于LabVIEW虛擬儀器平臺搭建照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，在節(jié)能控制方面，可以充分利用燈具的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光面積，有效合理地布置燈具；從集中管理的角度來看，可以合理地控制當(dāng)前工作面的亮度，很好地減少對人眼的刺激，為照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行提供可靠的解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用從模擬到實(shí)物控制的設(shè)計(jì)思路，利用DIALux進(jìn)行光學(xué)燈具布置模擬，充分展示DIALux照明方案模擬方面的強(qiáng)大功能，論證實(shí)現(xiàn)了前期模擬的必要性，替用戶找到經(jīng)濟(jì)、合理的燈具排布解決方案。后期采用虛擬儀器的測量控制手段，對燈具進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率上的微調(diào)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證照明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和可靠運(yùn)行。設(shè)計(jì)以電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間為例，其包含的元素有：天花板、墻面、地板工作臺、桌子、椅子、窗戶、門和必要的承重柱等，根據(jù)這些元素搭建一個(gè)模擬的電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間，空間大小確定為：48 m×20 m×2.4 m(長×寬×高)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①計(jì)算模擬空間環(huán)境的工作面照度，給出經(jīng)濟(jì)、合理的數(shù)據(jù)參考；②模擬燈具布置后的3D效果圖和渲染圖，給出直觀的設(shè)計(jì)方案；③照度采集。系統(tǒng)通過光照度傳感器將照度轉(zhuǎn)換為可被采集的模擬電壓值，再通過系列的換算得到當(dāng)前采集照度。④顯示。通過LabVIEW內(nèi)置的VI調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能，包括當(dāng)前的照度值、近期的照度曲線趨勢以及系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)等信息，同時(shí)還可以通過改變其屬性達(dá)到個(gè)性化的定制界面。⑤實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。通過調(diào)節(jié)前面板的輸出控制旋鈕可以調(diào)節(jié)燈具的發(fā)光強(qiáng)度。因此，該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，它主要由四部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 燈具安裝方案設(shè)計(jì)

由于電子產(chǎn)品生產(chǎn)車間需要生產(chǎn)一些比較精細(xì)的零件，所以設(shè)計(jì)工作面的照度不低于500 lx。燈具選用620的平板燈，發(fā)光面積為600 mm×600 mm，燈具的總光通量為3 576.9 lm。根據(jù)工作面的平均照度計(jì)算公式E=uKnΦ/A計(jì)算出所需要的燈具的數(shù)量，式中：u為利用系數(shù)；K為減光系數(shù)，也稱維護(hù)系數(shù)；n為燈具的數(shù)量；Φ為每盞燈的光通量；A為受照區(qū)域面積。顯然，這種方法僅考慮利用系數(shù)、維護(hù)系數(shù)、燈具數(shù)量、燈具光通量以及作用面積等5個(gè)因素，而對燈具分布、建筑表面反射系數(shù)、燈具安裝高度等關(guān)鍵因素均視為忽略不計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)往往不能滿足照明設(shè)計(jì)精確計(jì)算的要求[6-10]，所以引入DIALux光學(xué)模擬軟件來輔助計(jì)算燈具的數(shù)量以及排列，根據(jù)反復(fù)的計(jì)算以及調(diào)整，最終決定使用陣列排布，每橫排燈具數(shù)量18個(gè)，每豎排燈具數(shù)量12個(gè)，排列位置3D效果如圖2所示。觀察圖3所示的排布后配光曲線分布，配光曲線無交叉，在達(dá)到照度要求的情況下，燈具發(fā)出的光可以被充分利用。

圖2 3D效果圖

圖3 燈具配光曲線3D圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光照采集采用模擬電壓輸出型可見光光照度傳感器模塊Po188-c，用NI的數(shù)據(jù)采集卡采集光照度傳感器模塊輸出的電壓，并進(jìn)行量化，數(shù)字處理后通過計(jì)算機(jī)串口輸入，被LabVIEW軟件程序調(diào)用，進(jìn)行顯示、存儲和控制[6-10]，數(shù)據(jù)處理和顯示完全由PC端的LabVIEW軟件平臺完成，因?yàn)椴杉瘉淼臄?shù)據(jù)只是電壓值，要通過程序的換算得到相應(yīng)的照度。查看可見光光照度傳感器模塊的用戶手冊可知，電流-照度近似為y=axb+c的冪函數(shù)形式，在LabVIEW通過設(shè)計(jì)擬合VI(LabVIEW程序)可以很方便地得出電流-照度的換算公式為y=269.447x1.56622。為了方便以后的數(shù)據(jù)調(diào)用和分析，程序中還對實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，數(shù)據(jù)采集卡AO端口同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)的輸出，可以直接控制LED燈具的亮度。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

系統(tǒng)基于LabVIEW的開發(fā)平臺，利用DIALux進(jìn)行初步的光學(xué)仿真后確定燈具排布，通過采集工作面的光照強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前環(huán)境的照度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并控制當(dāng)前的環(huán)境照度。

3.1 光學(xué)模擬

光學(xué)模擬的目的在于當(dāng)所有的燈具都滿功率的運(yùn)轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否可以滿足工作面的照度要求，如圖4所示，可以看出工作面的照度在560 lx時(shí)符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)還可以利用DIALux自身所帶的使用光線跟蹤繪制三維圖像的開放源代碼免費(fèi)軟件POV-Ray進(jìn)行效果圖渲染，如圖4所示。

圖4 工作面的等照度圖

3.2 控制程序運(yùn)行

照明控制系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖5所示，運(yùn)行系統(tǒng)前要配置數(shù)據(jù)的采集通道、控制電流輸出通道以及設(shè)定照度的上、下限值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可以完成工作面光照數(shù)據(jù)的采集、顯示和控制功能；當(dāng)照度不足時(shí)可以順時(shí)針調(diào)節(jié)“亮度檔調(diào)節(jié)”旋鈕，增加系統(tǒng)輸出電流，燈具就會(huì)輸出更高的亮度；同樣當(dāng)照度過高時(shí)可以逆時(shí)針調(diào)節(jié)“亮度檔調(diào)節(jié)”旋鈕，降低系統(tǒng)輸出電流，燈具會(huì)降低輸出亮度。另外，考慮到照度在設(shè)定值左右晃動(dòng)的影響，“照度提示靈敏度”旋鈕可以設(shè)置緩沖數(shù)據(jù)數(shù)量，等待同一個(gè)狀態(tài)連續(xù)出現(xiàn)設(shè)定次數(shù)后才會(huì)從現(xiàn)在的狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)。

圖5 照明控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于DIALux軟件平臺實(shí)現(xiàn)照明規(guī)劃方案設(shè)計(jì)和基于LabVIEW虛擬儀器平臺搭建照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了空間照明管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以一個(gè)電子產(chǎn)品車間為例，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)經(jīng)測試運(yùn)行，結(jié)果表明：系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，可以充分利用燈具的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光面積，有效合理地布置燈具；可以合理地控制當(dāng)前工作面的亮度，很好地減少對人眼的刺激，能夠?yàn)檎彰飨到y(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行提供可靠的解決方案。