为工业环境指定 LED 照明解决方案

当为各种作业（包括物流、机器操作、控制柜、工作站和生产线）设计安全、高效且具成本效益的工业环境时，照明是一个关键要素。在越来越多的情况下，LED 都能提供卓越的照明解决方案。相比传统荧光灯、金属卤化物、高压钠和其他照明技术，LED 灯具更加节能，降低了运营成本，而且使用寿命更长，减少了维护成本。工业灯具通常用于具有挑战性的环境中，除了支持职业安全和卫生之外，还可能需要具备侵入防护能力并达到指定的电能质量水平。若要平衡这些不同的要求，则会使灯具选择过程变得复杂。

本文将回顾相关的性能指标，包括亮度（流明）、功率（瓦特）、光效、照度（勒克斯）、区域流明分布、相关色温、显色指数、额定使用寿命以及工业灯具相关成本，并重点介绍 LED 的这些指标。接着，本文会详细介绍环境考虑因素，包括侵入防护要求、总谐波失真和电能质量需求，以及危险环境的照明。最后，本文将介绍 Banner Engineering 提供的具体解决方案；这些方案可用于电子标签拣货系统、叉车引导，以及工作站、机器照明和控制柜的一般照明（图 1）。

图 1：LED 灯具形式多样，并能针对广泛的应用进行优化。（图片来源：Banner Engineering）

性能指标

指定照明度是为特定应用选择最佳灯具的基础。其中有许多指标需要考虑，从灯具的工作效率到其模仿标准白光的程度。首先是单支蜡烛或烛光 (Cd)。Cd 是一个基本 SI 单位，用来衡量特定光源（标准蜡烛）在特定方向上发出的可见光的发光强度。根据 Cd 的概念，在比较灯具时要考虑的重要指标包括：

• 流明 (lm) – 光通量，等于 1 Cd 的均匀点光源在单位实体角内发出的光，考虑所有方向的光输出。
• 瓦特 (W) – 电力消耗：对于直流电路，W = V_DC x 安培数；对于交流电路，W = V_RMS x 安培数。
• 光效 (lm/W) – 光源产生可见光的效率水平。
• 照度 (lm/m²) – 照射到表面的人眼感知光线强度。
• 区域流明分布 – 灯具在离散垂直平面的区域内发出的流明分布。用于确定灯具的间距要求。
• 相关色温 (CCT) – 黑体辐射源的温度，单位为开氏度 (K)，其色度与光源相等。白光的 CCT 范围为 2700 K 至 6500 K。
• 显色指数 (CRI) – 在参照理想光源或自然光源的情况下，光源忠实再现各种物体颜色的能力。CRI 范围为 0 至 100。白炽灯泡的 CRI 为 100，LED 的 CRI 从 80 至 90 以上。

随着照明技术的发展，指定最佳解决方案的过程也变得更加复杂。例如，LED 的光效大大高于荧光灯和高强度放电 (HID) 灯的光效。荧光灯和 HID 在各个方向发光，而 LED 有方向性。关键在于，这些指标对于 LED 之间、荧光灯之间及其他同类光源之间的比较最为有用。为了比较不同的照明技术，用户往往需要对样品进行并排评估，以确定哪种最好。

除了产生的光线质量外，用户还需要注意为灯具供电的镇流器或驱动器的总谐波失真 (THD) 和功率因数 (PF)。THD 可用于衡量电流进入电子功率转换器的失真程度。THD 越低，意味着建筑内配电网络的峰值电流越小，效率越高，并且对当地电力公司的需求减少。IEEE 519-2014 是理解谐波以及在电力系统中应用谐波限制的有益参考。通常要求 THD 为 20% 或更低。PF 是一个同样重要的指标。在同等输出功率下，低 PF 值的负载（镇流器或驱动器）比高 PF 值的负载消耗更多电流。PF 是一个介于 0 和 1 之间的无量纲数。镇流器和驱动器的 PF 值应至少为 0.9。

使用寿命和成本考虑

LED 的使用寿命通常大于 25,000 小时，但其光效和亮度会随着其老化而下降。LED 灯具的使用寿命是基于其下降到初始光输出的 70% 所需的小时数，称为 L70 参数。非 LED 照明技术在某个时间点会出现灾难性故障；其使用寿命定义为 50% 的设备预计会失效的工作小时数。非 LED 技术也会发生流明值随着老化而下降的现象。这种效应称为灯管流明降落 (LLD)；对于不同的照明技术，此效应也有所不同（表 1）。

表 1：灯管流明降落和额定使用寿命的比较。（表格来源：Banner Engineering）

要比较照明技术的成本，用户需要考虑初始人工和设备成本，再加上灯具使用期内的能源、维护人工和设备成本（图 2）。初始人工和设备成本可以通过提高能效和降低维护需求来克服，更持久和更高效的 LED 可以显著节省使用寿命期间的成本。

图 2：基于 15 年使用寿命周期的照明成本比较。（图片来源：Banner Engineering）

环境要求

工业设施中使用的灯具需要能够承受危险条件。《美国国家电气规范》定义了三种类型的危险场所：

• I 类 – 易燃气体或蒸气
• II 类 – 可燃性粉尘
• III 类 – 容易点燃的纤维或飞散物

美国联邦法规要求：“设备应以所批准的 40°C 工作环境温度为基础，标明类别、组别和工作温度或温度范围。”

侵入防护 (IP) 等级很重要，用两个数字表示。第一个数字指设备对固体异物（如灰尘）的耐受力，第二个数字指防水性。IP67 灯具具有防尘和防水功能，适用于诸多工业环境，并且可以承受短期浸水。IP68g 灯具提供额外的防护，防油水渗透的能力更强。

工业环境中经常出现振动和极端温度。一些照明技术所使用的细长灯丝、易碎元件和玻璃外壳可能特别容易受到振动的损害。LED 没有易碎元件，对振动和冲击的耐受能力要强得多。虽然 LED 在机械方面很坚固，但高环境温度往往会降低其光效和使用寿命。另一方面，与其他照明技术相比，LED 更适合冷藏仓库和其他温度低至 -40°C 的设施。

适用于电子标签拣货的灯具

电子标签拣货系统提供更高的效率、生产力和精度，可降低仓库拣选作业的成本。对于电子标签拣货设施，Banner 提供 EZ-LIGHT® K50L 系列，包括 K50LGRASXPQ（图 3）。根据具体型号，K50L 灯具提供一个 LED（绿光）、两个 LED（绿光和红光）或三个 LED（绿光、红光和黄光），并且都有抗振性。K50LGRASXPQ 提供绿光和红光 LED 照明，以及多种音调的声音警报。K50L 系列的特性包括：

• 易于安装，带有明亮的 LED 指示灯和声音警报
• 坚固耐用，完全密封。符合 DIN 40050-9 标准，达到 IP67 或 IP69K，具体等级取决于型号
• 这些自足式灯具不需要外部控制器
• 抗射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI)
• IP67 型号的声音警报强度可调节，可以是连续或间断的
• 安装灵活，输入从 12 V_DC 至 30 V_DC，具有反极性保护

图 3：Banner Engineering 的 K50 系列电子标签拣货灯具采用直流供电，有稳定或间断的声音指示，并有 1、2 或 3 个彩色 LED 指示灯可供选择，具体取决于型号。（图片来源：Banner Engineering）

叉车引导灯具和传感器

叉车司机的视线可能会受到阻碍，在放置难以摆放的货物时需要多次下车。通过使用叉车引导灯具和传感器，可以提高物料搬运操作的效率。例如，Banner 的 WLS27PXRGBW285DSQ 灯具属于 WLS27 Pro 系列，长 285 mm，提供 IP66、IP67 和 IP69K 环境等级，包含红光、绿光、蓝光和白光 LED（图 4）。

图 4：这款灯具长 285 mm，包含红光、绿光、蓝光和白光 LED，可用于叉车引导。它具有 IP66、IP67 和 IP69K 环境等级。（图片来源：Banner Engineering）

WLS27 Pro 系列的所有灯具都能以不同的速度和模式显示多色动画，并能进行分段，因此非常适合叉车引导系统。WLS27 Pro 灯具在铝制框架中采用防碎的共聚物外壳，能够抗破损和抗冲击。IP69K 等级使其能在恶劣的冲洗和户外环境中正常工作。该系列集成了定时器和计数器功能，能利用脉冲信号显示时间或数量信息，包括距离和位置。

WLS27 Pro 灯具可与 Q5X 多功能激光传感器相结合，实现叉车引导系统（图 5）。Q5X 的检测范围为 50 mm 至 5 m。其他特性包括：

• 能可靠检测透明和反光物体、多色目标、金属光泽背景中的黑色目标、黑色背景中的黑色目标以及深色物体（<0.1% 反光的黑色目标）
• 双重示教模式同时测量光强度和距离
• 可 270 度旋转，以适应各种安装限制
• 可通过 IO-link、远程示教、板载用户界面或可选的远程传感器显示屏进行编程

图 5：诸如 Banner Engineering 的 Q5X 等多功能激光传感器可以用来实现叉车导向系统。（图片：Banner Engineering）

通用照明选择

Banner 的 WLB32ZC285PBQMB 是 285 mm 长的超亮 LED 灯具，具有 750 lm 的均匀光输出和无眩光“光辉”（图 6）。它来自 WLB32 系列，该系列包括长度为 285 至 1130 mm 的灯具，照明等级为 750 至 3000 lm。这些灯具设计用于工作站、机器照明、控制柜和生产线中。

图 6：Banner 的 WLB32ZC285PBQMB 型产品是 285 mm 长超亮 LED 条形灯，可满足一般照明需求。（图片：Banner Engineering）

WLB32 灯条可以通过“菊花链”形成连续长度的照明，只需最少的接线，同时每个灯条保持独立工作。其他特性包括：

• 高/低/关 (High/Low/Off) 开关
• 防碎窗和金属外壳
• 使用磁性或角形支架或卡扣进行灵活安装
• 某些型号有护眼功能，可阻挡侧面眩光
• 某些型号带运动检测功能

结语

在确定工业照明解决方案时，需要考虑到各种性能、成本和环境因素。在越来越多的场景中，LED 灯是极具吸引力的选择。与传统照明技术相比，LED 灯具的照明灵活性和可靠性更好，能效更高，使用寿命更长，维护需求更少。因此，虽然 LED 的初始安装成本可能高于其他照明技术，但 LED 除了提供卓越的照明解决方案外，还能降低使用寿命成本。