基于矩阵磁保持继电器的智能照明控制电路模块设计

段晓威，李 健，邱建树，张世福

(山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，山东 济南 250014)

引言

照明系统一般由光源和控制系统[1]组成，常见的光源有白炽灯光源、气体放电光源、发光二极管光源。由于发光二极管光源[2]能效高、寿命长，被广泛使用。发光二极管的工作方式与气体放电光源的电离放电工作方式不同，只需配合恒流驱动板[3]即可使用，而不需要镇流器等部件。驱动板内无高压部件，控制更灵活，不仅可由外部控制器集中控制，也可将控制器集成在驱动板上，易于实现小粒度精细控制、调光控制[4]。由于这种特性，产生了很多优秀的基于发光二极管光源的智能照明控制系统，在室外景观、体育场馆、工厂车间、办公建筑等场合取得了很好应用效果[5-7]。但发光二极管光源的智能照明控制系统也有一定局限性：一是成本较高，主要是优质发光二极管成本较高，如果预算有限不适合采用；二是稳定性不确定，由于产品较新，其稳定性有待市场验证，特别是近年来市场竞争激烈，部分产品压低价格质量缩水，稳定性有待考证；三是既有建筑照明改造难度大，对于一些既有建筑，改造其原有照明系统难度较大，成本较高，改造后提升不明显，投入产出比不理想。

目前有大量的既有建筑正面临智能照明改造这一难题，特别是工厂车间、办公建筑等，对稳定性、预算成本、改造周期都有严格要求[8]。面对这一问题，需要一套成本低、可靠性高、改造难度小的智能照明系统，用于既有照明系统改造。目的是以最低的成本带来最大节能收益，并满足智能按需灵活控制的需求。

因此，结合工厂车间和办公建筑实际需求，本文设计了一套智能照明控制电路模块，适合已经安装荧光灯、无极灯等气体放电光源的改造场景[9]。它以小型PLC为外部控制器，稳定性高，且成本低；主体控制电路模块创新性的将输出矩阵技术和磁保持继电器技术[10]结合，具有四个优点：一是极大节约了IO点数，因而可采用体积更小、成本更低的外部控制器；二是失效安全(fail-safe)级别的高可靠性，控制电路模块全部为无源器件，借助磁保持继电器技术，即便控制系统失效，仍可维持照明系统正常运行；三是安装简易，经过特殊设计，每个控制柜改造只需要增加4条IO线缆、1条网络通讯线缆，现场安装极为简便；四是开放性好，由于采用了PLC外部控制器和内部通用电气元件，系统开放性高，易于维护和二次改造。

2 系统设计

智能照明控制电路模块由三部分组成，分别为输出矩阵板卡、RJ45 10P[11]电缆、继电器板卡。输出矩阵板卡的作用是连接PLC的输出点，通过矩阵方式，将16个PLC输出转为8×8矩阵，通过4个RJ14 10P母座连接器输出4个8×2矩阵。四个继电器板卡通过RJ45 10P电缆连接到输出矩阵板卡的RJ45母座，每个继电器板卡内含8个磁保持继电器，并具备手动操作开关。RJ45 10P电缆使用10芯双绞线，用RJ45 10P水晶头一次压接成型，使用简易，布线简洁。系统架构设计见图1，逻辑功能见图2。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture

图2 逻辑功能图Fig.2 Control system flowchart

3 输出矩阵板卡设计实现

输出矩阵板卡需要接入外部的IO信号实现控制，以常用的PLC控制器为例，PLC的IO点数量与价格有直接关系，IO数量越多，价格也越贵，且PLC体积大，安装难度大。按照单个照明配电柜32路空开的容量，使用双线圈磁保持继电器，需要64个IO口。64个IO口对于简易的控制器来说数量较多，价格较高，扩展IO会增加系统的不稳定性，且每个IO都占用一定空间，电柜较小的情况下，难以安装。

为节约IO口，采用矩阵驱动的原理进行IO复用。其原理是：输出矩阵板卡将信号以源型输出和漏型输出的方式，区分为阵列驱动的行列两组，矩阵的每个行列交叉点形成矩阵驱动信号，可将少量输出信号转为大量矩阵信号，将16个输出信号转为8×8矩阵，可满足64个信号数量需求。为方便接线和安装，将8×8矩阵分为4组，每组为8×2矩阵，其中前8个信号为公共8路行选信号；后2个信号为列选信号，这10个信号供继电器板卡使用。原理图见图3。

通过以上设计，输出矩阵板卡的一端接入外部控制信号，另一端连接到继电器板卡。为给安装维护提供便利，避免复杂的接线，在测绘控制器件(即PLC)的接线端子后，定制了PCB梳齿状插入式连接器，见图4，安装维护仅需插入后拧紧接线端子螺丝即可，不需要任何接线。输出矩阵板卡与每个继电器板卡通过RJ45 10P电缆的相连，只需插入RJ45水晶头就可完成接线，方便64个继电器线圈只需要16个IO口即可完全控制，实物见图5。

图3 输出矩阵板卡原理图Fig.3 Output matrix board schematic diagram

图4 输出矩阵板卡PCB图Fig.4 Output matrix board PCB draft

图5 输出矩阵板卡实物图Fig.5 Output matrix board product image

4 继电器板卡设计实现

电力继电器板卡是系统的最下层，通过接通、断开主回路(照明光源的火线)，来达到控制照明设备的目的。继电器板卡由磁保持电力继电器、防电流倒灌电路、外壳等组成。

目前在电力行业使用的继电器主要是磁保持继电器[12]，其切换电流大，通常在30～200A之间，且具备断电保持功能，即使继电器驱动电路发生故障，继电器不因失电而影响工作状态，仍然可以保持最后一个正常工作时刻的状态。宏发HFE10电力磁保持继电器，最大切换电流50A，触点寿命10万次，具备手动操作开关，可满足大功率照明场合使用。

继电器板卡的其他部件主要有防电流倒灌二极管、续流二极管、LED指示灯、限流电阻、分压电阻、主回路端压敏电阻、RJ45 10P连接器等组成。照明光源的驱动电路大多不是阻性负载，在断开回路时会出现浪涌电压，其中压敏电阻具有吸收照明回路浪涌电压的作用，可以在一定程度上消除电弧对触底的损耗，提高继电器触点使用寿命。

PCB设计上遵循小型化原则，可节约电柜安装空间，原理图见图6，PCB见图7，实物见图8。

为方便电气安装，板卡使用72 mm标准PCB模块安装支架，为阻燃材料配备不同的底座可分别用于35 mm标准导轨安装或螺丝定位安装。

图6 继电器板原理图Fig.6 Relay board schematic diagram

图7 继电器板卡PCB图Fig.7 Relay board PCB draft

图8 继电器板卡实物图Fig.8 Relay board product image

5 应用效果

为了保证电路模块运行的稳定性和可靠性，安装一台适应平台用于测试照明回路的动作结果。实验采用S7200-SMART SR40作为外部控制器，其输出端子接到输出矩阵板卡，然后接4个继电器板卡。负载为1 kW假负载，验证测试负载状态，测试流程见图9。

图9 测试流程图Fig.9 Test flow chart

实验过程为PLC程序控制所有继电器循环接通关闭，测试2 h，总共通断7 680次，记录有效次数，重复执行20次测量结果如表1所示。

表1 试验测量结果Table 1 Result of test measurement

经过统计，在大量样本测试下，系统的有效动作成功率为100%，完全可满足高可靠性、稳定性照明使用需求。

6 总结

在节能降耗和智能控制的需求下，本文设计的用于智能照明控制的矩阵电路驱动磁保持继电器的电路模块，能以极高的稳定性和可靠性完成照明电路控制。该模块设计制作简单，可小批量使用，也能量产大规模使用，可满足32路容量照明电柜使用需求，配合外部控制系统即可实现集中智能控制，是综合稳定性、可靠性、成本的最优设计，具有较高的应用价值。