工厂企业LED照明系统改造研究*

孙晓娟

(宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721006)



工厂企业LED照明系统改造研究*

孙晓娟

(宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721006)

针对目前很多大型企业使用的传统灯具存在耗能大、寿命短和频闪严重等问题，研究采用LED灯对企业照明系统进行改造，通过智能控制系统进行LED照明系统控制。对实际案例进行改造后表明，降低了能耗，改善了车间照明环境。该方案也可进行扩展应用到其他建筑室内室外照明改造，可提高社会效益和经济效益。

LED照明；照明控制；能耗

随着LED照明技术的不断发展，LED灯作为一种全新环保能源，凭借其高发光效率和低能耗等优势，将更大范围地走进生产和生活中。在工业生产中，照明设计应考虑不同性质和场所(如食品照明要显色性高，工厂仓库照明要安全性能高，车间流水线照明灯具要无频闪，显色性高)，不同地方的照明应根据情况科学地选择和合理地布置灯具。应杜绝因为灯具引起短路而发生火灾，造成不必要的损失。在国家节能减排政策的推动下，新建的大型车间大都采用LED照明系统，而现有的很多大型企业车间仍然采用传统照明系统，因此进行车间LED照明系统改造势在必行。

1　传统日光灯在大型生产车间应用中的缺陷

传统日光灯的发光原理为当灯丝有电流通过时，灯管内灯丝发射电子，管内温度升高，水银蒸发，这时，若在灯管两端加上足够的电压，就会使管内氩气电离，灯管由氩气放电过渡到水银蒸气放电。传统日光灯的发光原理决定了发光效率低、能耗高。

国际照明委员会(CIE)提出的9条照明节能原则中的第4条是采用不产生眩光的高效率灯具[1]。传统日光灯使用的是交流电，所以会产生100～120次/s的频闪，工人在长时间的工作中会感觉到不适。

2　LED照明系统的特点

2.1LED车间照明节能

照明节能的基本原则是在保证不降低生产作业视觉要求和不降低照明质量的条件下，力求减少照明系统中光能的损失，有效地使用照明用电[2]。传统灯具会产生大量的热能，而LED灯具则是把电能全部转换为光能，不会造成能源的浪费。以36W/T8荧光灯为例，额定输出功率为36 W，由于接入了电感镇流器，实测输入功率为42.4 W，即铁心电感损耗6.4 W ，效率降低85%，大多数国产的铁心电感功耗>10 W，功率因数<0.512。LED灯的电源效率高达90%。1个18 W的LED日光灯管就可取代1个36 W的荧光灯。1个LED日光灯管寿命可达5万h，而1个荧光灯的寿命通常只有5 000 h，二者相差将近10倍。

2.2LED车间照明品质

因为LED灯为纯直流供电，无频闪，基本无红外线或紫外线的干扰，不易使眼睛产生疲劳感，亦不会对工作区域的其他设备产生谐波干扰[3]。

LED日光灯中不含任何有毒物质，是一种完全绿色环保无污染光源。

LED日光灯可以提供任意色温，而且还可提供红、绿、蓝以至任何一种颜色的灯光，因此LED日光灯能根据生产工位对色温的不同要求，采用指定的色温。LED灯的显色指数>80，完全满足车间生产的使用要求。

LED灯不会产生噪声，使得车间环境清静舒适(特别是精密电子仪器生产车间)，没有噪声污染。

3　LED照明改造方案

3.1选择高效节能型灯具

在车间照明改造中，选择高效节能的LED灯具是非常关键的。LED灯参数选择决定了照明效果的好坏和发光效率的高低。根据车间照明要求，主要考虑如下几方面的参数选择。

1)使用寿命。一个高品质的LED灯，使用时间为5～8万h。

2)发光效率。发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。LED灯的发光效率>100 lm/W。

3)色温范围。 LED色温是以绝对温度K来表示。将标准黑体加热，温度升高到一定程度时，颜色开始由低色温至高色温变化，即由红→橙红→黄→黄白→白→蓝白逐渐改变，当某光源与黑体的颜色相同时，黑体当时的绝对温度即光源的色温。LED灯能根据生产工位对色温的不同要求，采用指定的色温范围。

4)显色指数。LED的显色指数即为LED灯对色彩的还原能力的参数，主要用于定义不同LED光源显色性的差别。显色指数越低，肉眼看来的颜色越失真。高品质的LED灯，显色指数都能达95以上。

3.2高效的LED照明控制系统

3.2.1智能LED光照度调控系统结构原理

照明控制系统是照明设计基础理论的一部分，是照明节能实施中不可缺少的。通过采用合理的照明控制方式可实现舒适照明，同时也可实现节能。在灰尘和器械移动等很多影响照度的生产车间，应对现场的光照度进行实时检测和控制。

智能LED光照度调控系统以微处理器为分布式终端主控器件，根据终端内部预制的LED开启时间段和预期光照度参数，基于光照度反馈的LED亮度进行PWM闭环调控，并通过无线通信的方式，实现上位机对分布式多点LED调光控制终端的开关控制、参数调整和状态监测，使用户能方便地调节光照度。智能调光控制系统结构框图如图1所示。通过PWM调光控制模块，根据光照度反馈信号与预期值的比较来判断是否需要增减LED光源，通过控制占空比以使环境光照度保持在预期光照度状态下。若光照度过强，则占空比递减；否则，占空比递增；若光照度等于预期值，则占空比不变[4]。

图1　智能调光控制系统结构框图

3.2.2智能LED调光算法原理

在LED调光控制算法中，经典的PID恒照度算法能自适应外界因素的影响而及时准确地将照度调节到指定值，其他各项功能也均稳定可靠。数字PID控制部分负责将输入值与预设定的照度标准值进行计算，执行模块负责执行计算出来的结果，具体表现为对PWM信号的控制[5]。

随着智能控制算法的发展和应用，神经网络控制也在各领域取得了突飞猛进的发展。BP神经网络算法通常采用“输入层-隐含层-输出层”模型，其中隐含层可以基于实际需求，采用不同数量的阈值单元，通常情况下，如果输入层与输出层的对应复杂度较低，可以采用数量为5～10的隐含层阈值单元；对于复杂度较高的应用，需要采用15个以上的隐含层阈值单元[6]。输入层数据使用光照采集模块的输出值，输出层数据提供给LED控制系统作为控制值。为了提高系统的调节准确程度，首先通过模拟计算输入层到隐含层的权值、隐含层到输出层的权值以及节点阈值，从而得到合理的区间值，然后基于实际环境进行调整。

3.3LED车间照明案例分析

针对某钢铁公司车间照明改造情况来分析，在改造前，车间照明用100、1 000和3 000 W大灯，办公记录区域用100 W灯，累计数量在1万颗，年用电量大，不符合国家节能减排标准；因此，采用LED灯具进行改造。改造前、后灯珠功率的对比如图2所示。从图2中可以看出，在相同照度下，LED灯的节能效果明显更佳。

图2　传统灯具与LED灯对比图

从企业的经济效益来看(见表1)，1个100 W的钨丝灯和1个11 W的LED灯对比，使用LED灯每年节约费用262元。LED灯的改造给企业带来了很可观的经济效益。

表1　LED灯与传统灯具经济比较　(元/a)

4　结语

LED照明改造的成功案例将会更加推进LED灯的全面应用，LED灯是第3代绿色照明在车间作业内的一个应用典范。随着LED经验不断成熟，技术不断发展，LED光源将逐步代替传统光源，从而大幅度降低能源损耗，保护环境，获得丰厚的社会和经济效益。从LED灯在车间的成功应用上可以看出，除了低碳节能，其均匀光照强度、高显像指数、防止视觉疲劳和冷光源设置等多方面优点，不仅体现了新一代光源设备先进功效的优势，更能很好地代表这类新兴光源的进一步发展方向。工厂车间LED节能改造的案例，同样适用于商场、办公楼、学校和大型停车场等。

[1] 那红宇.浅谈实现建筑电气节能的多种措施[J].低压电器，2008(22)：51-54.

[2] 周向阳.建筑电气节能设计[J].科学时代，2012(2)：54-55.

[3] 陈洪，陈清蓉，鲁广洲.浅析LED工矿灯应用于烟厂卷包车间的优势[J].通讯世界, 2014(1):111-112.

[4] 顾梁，茅靖峰，程莹，等.分布式无线智能LED光照度调控系统[J].计算机测量与控制，2015,23(1):115-117.

[5] 蔡显锋，吴青， 刘建坤，等.港口LED照明智能控制系统的恒照度控制研究[J].交通信息与安全，2013(6)：100-103.

[6] 沈花玉，王兆霞，高成耀．BP神经网络隐含层单元数的确定[J].天津理工大学学报，2008(5)：13-15.

*宝鸡文理学院院级重点科研项目(ZK11171)

责任编辑马彤

Research on the Transformation of LED Lighting System in the Factory

SUN Xiaojuan

(Deptment of Electronics & Electrical Engneering, Baoji University of Arts & Science, Baoji 721006, China)

Due to the problems existing in conventional lighting units at large business, for example, high energy consumption, short service life, and stroboscopic serious. Use LED lamp for enterprise lighting system, and using intelligent control system is essential. Experience has proved that this is a proper method for large business workshop. This can be make workshop Low energy and good environment. This method can also be used in other places, such as indoor and outdoor lighting system.

LED lighting system, lighting control system, energy

TM 923

B

孙晓娟(1979-)，女，讲师，主要从事电气工程及其自动化等方面的研究。

2015-12-25