Phoenix Contact zet slimme gateway en digital twin in bij verlichting in verkeerstunnels

Verlichting in een tunnel is een belangrijke parameter voor de verkeersveiligheid. De hoeveelheid verlichting bij de ingang – de ingangsverlichting – hangt sterk af van de condities buiten de tunnel. Is het buiten donker, mag de automobilist niet verblind raken de ingangsverlichting. Maar schijnt buiten de zon, dient de ingangsverlichting – en uitgangsverlichting – sterker te zijn om de overgang te versoepelen. Buiten de tunnel staat een L20 meter opgesteld die de hoeveelheid daglicht meet. Het besturingssysteem zorgt er vervolgens voor dat ingangs- en uitgangsverlichting worden aangepast.

Eenmaal in de tunnel wordt de lichtsituatie niet alleen bepaald door de verlichting zelf. De mate waarin licht wordt gereflecteerd door de tunnelwanden, het plafond en de weg, bepaalt hoe het licht er uit komt te zien. Deze reflectiewaardes worden ook meegenomen in de verlichtingsberekening en vervolgens in de software van Phoenix Contact.

Rijkswaterstaat wil dertig procent energie besparen in tunnels. Klassieke tunnelverlichting bestaat uit energieslurpende natrium hogedruklampen en door de installatie van LED-licht kan veel energie bespaard worden. Dankzij een slimme gateway en het Open Source PLCnext besturingsplatform van Phoenix Contact kan data uit de armaturen worden gebruikt om onder andere de levensduur van de LED-armaturen te verlengen en predictive maintenance uit te voeren. Bovendien zorgt een recent ontwikkelde digital twin tool ervoor dat de doorlooptijden van LED-conversies tijdens de ontwerpfase aanzienlijk kunnen worden verkort.

Rondom tunnelverlichting is op dit moment aardig wat te doen in de sector. De verlichting is namelijk een van de grootste energieverbruikers in de tunnel. Heel vreemd is dat niet: er hangt doorgaans behoorlijk wat licht in een tunnel en de verlichting brandt dag en nacht. Veel tunnels zijn nog altijd voorzien van de bekende gele natrium hogedruklampen en die verbruiken een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit.

Van natrium naar LED

Mischa Braam, Industrie Manager Infra bij Phoenix Contact vertelt: “Rijkswaterstaat wil graag dat hogedruklampen worden vervangen door LED-lampen, die, zoals bekend, veel minder energie verbruiken. Concreet heeft Rijkswaterstaat de installateurs, die zich inschreven op een onderhoudscontract voor een aantal tunnels, uitgedaagd om dertig procent energie te besparen. Een groot aantal tunnels wordt in de nabije toekomst dus van LED-verlichting voorzien. Maar Rijkswaterstaat wil ook dat de tunnels worden uitgerust met een innovatief besturingssysteem. En wij hebben zo’n systeem. Met ons systeem kan je niet alleen de verlichtingsinstallatie regelen, maar krijg je ook inzicht in het verlichtingssysteem. Zo kunnen we de veroudering van lampen monitoren, maar ook de levensduur van de lampen verlengen door slim gebruik te maken van bijvoorbeeld dimscenario’s. Je bespaart daarmee onderaan de streep energie en geld.”

Minstens zo belangrijk is dat verlichting in tunnels een cruciale rol vervult: als de verlichting uit zou vallen, moet de tunnel worden gesloten. “En dat is iets wat je echt wilt vermijden”, verduidelijkt Braam. “Er zijn dan ook diverse fail-safe voorzieningen aangebracht om de kans op het uitvallen van de verlichting te minimaliseren.” Phoenix Contact levert niet de LED-armaturen zelf. “Dat doet onze verlichtingspartner Schréder, waar we zeer prettig mee samenwerken. Wij leveren het besturings-systeem en de software.”

Tunnelverlichting kan feitelijk niet functioneren zonder besturingssysteem. Iedere LED-lamp wordt aangestuurd door een driver. Die driver zorgt ervoor dat de lamp aan gaat, uitgaat, of gedimd wordt. In tunnels worden die drivers in zogenaamde driverboxen gemonteerd, waarbij er per driverbox meerdere drivers passen die een aantal lampen aansturen. Bij het verlichtingssysteem van Phoenix Contact zijn de drivers vervolgens gekoppeld aan de zogenaamde ‘gateway’. Braam: “Met die gateway, die tussen de drivers en ons PLCnext besturingssysteem in zit, kunnen we de verlichting intelligent maken. Dankzij die gateway kunnen we data uit de LED-drivers verzamelen middels een eigen protocol. Zo kunnen we de branduren per lamp inzien, maar kunnen we ook kijken of de spanningen per lamp binnen de bandbreedte vallen en kunnen we de inschakelpiek van de armaturen verkleinen. Als we zien dat een specifieke lamp spanningspieken laat zien, zou dat kunnen betekenen dat er iets met die lampaan de hand is.”

Dankzij het besturingssysteem van Phoenix Contact wordt niet alleen de CLO-curve (continuous light ouput) geregeld, maar kan er ook predictive maintenance plaatsvinden. Geen onnodig onderhoud dus, maar ook geen correctief onderhoud – dat eigenlijk per definitie te laat is -. Concreet betekent dat in de praktijk het volgende: “Stel dat je de LED-lampen op hun maximale vermogen gebruikt”, begint Braam. “Dat is wellicht wat te veel voor de hoeveelheid licht die je nodig hebt, dus laat je de armaturen bijvoorbeeld op tachtig procent draaien. Naarmate het verouderingsproces vordert, en dat kunnen wij dankzij onze slimme gateway dus ook echt zien, laat je ze verder richting hun maximale vermogen branden. Of als er een lamp defect raakt, gebruik je de omringende lampen tijdelijk op hun maximale vermogen om de totale hoeveelheid licht op het juiste peil te houden. Ook in zo’n situatie biedt ons besturingssysteem dus uitkomst. Je verlengt de levensduur, je kan snel inspringen op lampen die een verminderde lichtopbrengst hebben en je bespaart energie.”

Rijkswaterstaat wil niet alleen dat er energie wordt bespaard in de tunnels, maar wil ook dat de doorlooptijden van (renovatie)projecten korter worden. Tunnels vormen nu eenmaal cruciale knooppunten in het Nederlandse wegennet en sluiting van tunnels is dus ongewenst. Een nieuwe ontwikkeling van Phoenix Contact verkort de doorlooptijd bij een verlichtingsproject aanzienlijk. Braam: “Wij hebben een simulatie-tool ontwikkeld waarmee op voorhand het complete verlichtingsontwerp gevisualiseerd kan worden en waarmee er met diverse parameters kan worden geschoven. Je ziet dus in het model direct terug wat er gebeurt als je dimprofielen aanpast, de reflectiewaardes verandert, enzovoort.” De simulatie wordt gebaseerd op het door Schréder gemaakte lichtontwerp, de L20 meter en gegevens, zoals dimprofielen, positie en vermogens van de toe te passen armaturen (zie kader ‘het licht in de tunnel’). “In die informatie, die in een file wordt verwerkt, zit feitelijk alle informatie over de ingangsbesturing, de basisverlichting en de uitgangsbesturing”, weet Braam. “Met die informatie krijg je een goede verlichtingscurve voor de hele verlichting in de tunnel. Dat houdt in dat als je met je auto de tunnel inrijdt, doorrijdt en uitrijdt, je precies de juiste hoeveelheidverlichting krijgt. Die file lezen wij vervolgens in onze PLC in en daarmee kunnen wij, zonder dat die verlichting dus fysiek in een tunnel hangt, die curve in ons model simuleren.” De tool van Phoenix Contact is in feite een digital twin van de fysieke tunnel. Vrij uniek is dat de visualisatie tot stand komt met precies dezelfde hardware, namelijk de PLC, die ook in de fysieke tunnel gebruikt wordt.

Het model verkort de doorlooptijd aanzienlijk. De opdrachtgever kan namelijk in het ontwerpstadium al bekijken hoe de verlichting er straks in werkelijkheid uit komt te zien. Braam: “Dat betekent dat er sneller goedkeuring op het ontwerp kan komen. Zonder dat model heb je een enorme hoeveelheid documenten nodig om aan te tonen dat je ontwerp aan de ontwerpeisen voldoet. Die documenten zijn er uiteraard nog steeds, maar de opdrachtgever kan veel sneller vaststellen of we aan de ontwerpeisen voldoen. Nu wordt ervoor de ingebruikname van tunnels nog een garantiemeting uitgevoerd, waarbij er fysiek wordt gemeten of de tunnel qua verlichting aan de eisen voldoet. Met onze tool zou je ook die stap in theorie kunnen overslaan.” Een snellere goedkeuring zorgt ervoor dat de installateur al in een vroeger stadium het project kan voorbereiden. Onderdelen kunnen eerder besteld worden, werknemers kunnen eerder ingepland worden en de opdrachtgever heeft meer tijd om het project verkeerstechnisch voor te bereiden. “En dat scheelt dus echt tijd”, weet Braam. “Een installateur is er ook bij gebaat dat hij op voorhand al niet alleen weet hoeveel armaturen er tegen het plafond worden geschroefd, maar ook waar er een doorvoerkabel moet komen. Ons model versoepelt dus ook de daadwerkelijke installatie.”