基于PLC控制的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王翠榮

（江蘇省宿城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宿城，223800 ）

0 引言

現(xiàn)代建筑照明系統(tǒng)能夠保證人們的日常生活和工作，消耗量繼空調(diào)系統(tǒng)成為第二大能耗，面對(duì)社會(huì)資源損耗的增加以及綠色環(huán)保理念的提出，以智能化的照明系統(tǒng)的成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。高校教學(xué)樓是學(xué)生頻繁上課且用電比較重要的場(chǎng)所，能源消耗巨大。本文最大限度利用現(xiàn)有的資源，借助于PLC控制技術(shù)，和多種傳感器系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件完成教室的智能照明的控制，結(jié)合教室的實(shí)際情況完成對(duì)于照明的控制，達(dá)到綠色節(jié)能的理念。

1 控制方案以及要求

教室作為校園教學(xué)和學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所，保證照明可靠運(yùn)行，能夠?yàn)榻逃虒W(xué)活動(dòng)保駕護(hù)航，借助于智能傳感器系統(tǒng)，可以判定教室環(huán)境的光照強(qiáng)度和人員的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園教室照明的智能控制，將開關(guān)信號(hào)設(shè)定為兩種，即手動(dòng)和自動(dòng)模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時(shí)則為傳統(tǒng)的手動(dòng)照明模式。在手動(dòng)模式情況下，可以手動(dòng)操作完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明的斷開和閉合，是傳統(tǒng)照明運(yùn)用；在自動(dòng)控制模式下，根據(jù)教室內(nèi)人員、光照強(qiáng)度以及系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)定，完成對(duì)教室的智能控制，主要是多種傳感器的配合使用，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)具體光照強(qiáng)度的控制主要是對(duì)室內(nèi)照明燈點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，在自動(dòng)控制模式下，在光照強(qiáng)度達(dá)到室內(nèi)設(shè)定的閾值前提下，將此時(shí)的信號(hào)上傳至上位機(jī)，控制照明燈自動(dòng)關(guān)閉，但是，在陰天時(shí)候，在光照強(qiáng)度低于室內(nèi)設(shè)定的閾值前提下，將此時(shí)的信號(hào)上傳至上位機(jī)，控制教室照明燈自動(dòng)開啟，但是，如果監(jiān)測(cè)此時(shí)教室無人上課或者上自習(xí)時(shí)，紅外傳感器聯(lián)動(dòng)，阻止上位機(jī)發(fā)出指令照明。同時(shí)，在晚上時(shí)，學(xué)生已經(jīng)不來上課，此時(shí)，教學(xué)樓有人上自習(xí)，利用光照傳感器和人體紅外傳感器，感知學(xué)生進(jìn)入教室，教室照明自動(dòng)打開，如果無人前來，則自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)，也可設(shè)定此時(shí)利用手動(dòng)模式情況下來控制照明。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可以借助于手動(dòng)操作，完成教室的照明，能夠確保教學(xué)活動(dòng)的正常運(yùn)行，也能盡可能避免照明浪費(fèi)情況。

2 智能照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該功能模塊主要含有三個(gè)部分上位機(jī)、下位機(jī)和通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)首選該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，利用GH-3002-GZ 型號(hào)的光照度傳感器完成對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度的采集，利用人體紅外感應(yīng)模塊對(duì)教室人員的檢測(cè)，在教室內(nèi)設(shè)定光照傳感器和人員紅外感應(yīng)模塊，完成對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的總控制，基于此，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1，保證系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，該系統(tǒng)使用的是以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的下載，設(shè)備電源為DC24V，設(shè)計(jì)電路連線圖見圖2。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2中主要有兩種傳感器：光電傳感器和人體溫度傳感器，前者主要用于對(duì)光照信號(hào)的采集，后者主要是對(duì)檢測(cè)區(qū)域測(cè)定人員的數(shù)量和位置，將采集的光照信號(hào)和人員數(shù)量等信號(hào)采集到上位機(jī)PLC中。PLC作為系統(tǒng)的核心器件，利用采集的光照信號(hào)和人員數(shù)量等信號(hào)向開關(guān)量模塊發(fā)出指令。開關(guān)信號(hào)有手動(dòng)和自動(dòng)模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時(shí)則為傳統(tǒng)的手動(dòng)照明模式。

圖2 連線示意圖

■2.1 PLC控制器

該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，使用的是以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的下載，設(shè)備電源為DC24V。該控制器具有20個(gè)端口，18個(gè)輸入和12個(gè)輸出，為有效節(jié)約現(xiàn)有的成本資源，設(shè)定一個(gè)總的控制開關(guān)、燈控和人體感應(yīng)開關(guān)（分別為四個(gè)）、以及光照度檢測(cè)傳感器（四個(gè)）。照明位置分別為講臺(tái)照明，以及學(xué)生座位上方照明。為保證教室照明的強(qiáng)度，學(xué)生位置照明達(dá)到300 lx強(qiáng)度，講臺(tái)照明強(qiáng)度達(dá)到500lx強(qiáng)度，符合國(guó)家設(shè)定的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。同時(shí)，根據(jù)教室的具體情況，將室內(nèi)光感在教室正上方，人感傳感器在門口位置和教室門口位置。

■2.2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要是采用與PLC-200匹配使用的GH-3002-GZ傳感器模塊，完成對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度的檢測(cè)。主要采用0～6×10和0～20×10精度的光照度傳感器，主要有電流和電壓模式的模擬量輸出光照傳感器。GH-3002-GZ傳感器具有較高的防護(hù)性能，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)微弱熱光源和冷光源，傳輸精度高，傳輸距離長(zhǎng)，同時(shí)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以在比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)用，由于此具有壁掛防水功能，可以在校園內(nèi)廣泛使用。該傳感器工作電壓是10～30V，有四根引線，分別為正負(fù)極和兩個(gè)信號(hào)段，用來接入PLC控制器的模擬量。該傳感器模塊主要采用智能的可調(diào)節(jié)的電壓信號(hào)，可以被廣泛運(yùn)用。

■2.3 組態(tài)模塊

上位機(jī)組態(tài)監(jiān)視模塊主要是借助于組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)校園教室照明情況的及時(shí)反饋，能夠直觀的看清現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。利用該設(shè)計(jì)模塊，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明的控制，以及教室照明亮度的調(diào)節(jié)和控制，利用通信系統(tǒng)，完成人機(jī)交互。對(duì)于系統(tǒng)的照明控制，主要是完成對(duì)學(xué)校教室內(nèi)照明的統(tǒng)一啟停的控制，以及單個(gè)教室內(nèi)部照明的控制，確保在緊急環(huán)境下，能夠緊急制動(dòng)。借助于通信系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示，利用組態(tài)軟件，完成信息的預(yù)報(bào)和警示，于此做出對(duì)應(yīng)的信息報(bào)表，利用數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)信息的存儲(chǔ)備份，以便后期能夠?qū)π畔⒌恼{(diào)用。

3 控制程序設(shè)計(jì)

■3.1 程序設(shè)定思想

該程序主要考慮兩種控制模式。開關(guān)信號(hào)有手動(dòng)和自動(dòng)模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時(shí)則為傳統(tǒng)的手動(dòng)照明模式。自動(dòng)模式下主要是完成對(duì)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，以及照明時(shí)間的設(shè)定。在打開自動(dòng)模式下時(shí)，對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，利用現(xiàn)階段學(xué)生上課和自習(xí)的時(shí)間，判定教室照明時(shí)間的長(zhǎng)短。

一般來說，根據(jù)學(xué)校學(xué)生上課時(shí)間的統(tǒng)一性，在學(xué)生上課之前開啟照明裝置，在上午六點(diǎn)和晚上十二點(diǎn)開啟裝置，在上課之前采用的是智能人體溫度傳感器信息的采集，一旦有學(xué)生提前進(jìn)入教室，可以自動(dòng)開啟。同時(shí)和教室內(nèi)光照傳感器形成聯(lián)動(dòng)開關(guān)，當(dāng)教室內(nèi)光纖充足時(shí)，即使有人也不必要打開照明模式，若是教室內(nèi)光照強(qiáng)度不夠時(shí)，開啟照明模式。利用不同的照明模式，開啟智能照明模式。換言之，當(dāng)室內(nèi)的光線強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的閾值，應(yīng)該關(guān)閉該系統(tǒng)的照明模式。也就是說，根據(jù)教室內(nèi)學(xué)生上上課與不上課的時(shí)段，對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)該系統(tǒng)采用手動(dòng)照明模式時(shí)，可以借助于教室內(nèi)開關(guān)或者上位機(jī)手動(dòng)模式的點(diǎn)擊，對(duì)控制區(qū)域燈具進(jìn)行控制，其中控制流程圖詳見圖3所示。

圖3 照明系統(tǒng)程序控制流程

■3.2 部分梯形圖設(shè)計(jì)

（1）接通線圈，程序圖如圖4所示。

圖4

（2）設(shè)定定時(shí)器，T=300s，程序圖如圖5所示。

圖5

（3）定時(shí)器每次完成一次定時(shí)，計(jì)時(shí)器則完成一次計(jì)數(shù)，程序圖如圖6所示。

圖6

（4）為保證該照明系統(tǒng)能夠在早上六點(diǎn)到晚上十一點(diǎn)開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.1動(dòng)作，程序圖如圖7所示。

圖7

（5）為保證該照明系統(tǒng)能夠在晚上十一點(diǎn)到十二點(diǎn)開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.2動(dòng)作，程序圖如圖8所示。

圖8

（6）為保證該照明系統(tǒng)正常運(yùn)行，在晚上十二點(diǎn)至早上六點(diǎn)之間開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.3動(dòng)作，程序圖如圖9所示。

圖9

（7）根據(jù)在不同的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)不同的光照強(qiáng)度以及聲音（判定教室內(nèi)是否有人），判定此時(shí)教室是否需要開燈，程序圖如圖10所示。

圖10

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，隨機(jī)抽取兩個(gè)教室實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的用電控制，采用對(duì)比數(shù)據(jù)方式驗(yàn)證。第一個(gè)教室（201）利用傳統(tǒng)的照明方式，第二個(gè)教室（301）利用智能的照明方式，監(jiān)控一個(gè)學(xué)期。201教室用電量為256.4kW·h，301教室用電量為171.4kW·h，除卻由于天氣和人為因素的影響，得出能夠節(jié)省33.15%，滿足事先設(shè)定的預(yù)算數(shù)值，試驗(yàn)結(jié)果保證了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，借助于PLC控制裝置以及傳感器系統(tǒng)（光照傳感器和人體紅外傳感器等）的配合使用，通過組態(tài)軟件完成教室的智能照明的控制，結(jié)合教室的實(shí)際情況（教室光照強(qiáng)度、人員數(shù)量以及時(shí)間等因素）完成對(duì)于照明的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)教室照明自動(dòng)化控制，有效節(jié)約電能資源，提高燈具照明的壽命，達(dá)到綠色節(jié)能的理念。