高校教室照明節(jié)能自動控制系統(tǒng)設(shè)計

鄒恩

摘 要：針對目前高校教室照明系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的人工管理方式效率低下、人走燈亮的長明燈情況普遍、用電浪費(fèi)明顯的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種照明節(jié)能自動控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC為中央控制器，控制現(xiàn)場底層設(shè)備的工作。使用C#語言開發(fā)的PC端上位機(jī)軟件，與PLC以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，作為照明控制和監(jiān)測平臺。設(shè)置了休息日、節(jié)假日、寒暑假等符合高校工作時間的工作模式，實現(xiàn)教室照明的自動控制，避免了不必要的照明用電，起到節(jié)能降耗的效果。同時，在上位機(jī)軟件上還能夠直接控制教室現(xiàn)場燈具，監(jiān)測燈具使用情況，包括開關(guān)狀態(tài)、今日使用時間、累計工作時間等，方便工作人員管理。

關(guān)鍵詞：教室照明 節(jié)能 PLC C#

中國分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0002-03

據(jù)教育部公布，截止2013年6月，全國共有2621所高校（包括全國普通高校共1909所、民辦普通高校共295所、成人高校共415所、民辦成人高校共計2所），且每個高校不止一幢教學(xué)樓。近幾年來，隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生數(shù)量大幅增長，大學(xué)教學(xué)樓的數(shù)量也增加很多。由于大學(xué)開放型的管理模式，以及學(xué)生們節(jié)能意識的淡薄，教室里在白天室內(nèi)照度充足的情況下，仍普遍存在開燈學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，即使教室內(nèi)無人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開啟室內(nèi)照明燈。在許多教室里，長明燈和人走不熄燈的現(xiàn)象普遍存在[1-2]。據(jù)測算，照明耗電占學(xué)校建筑耗電的40%左右。

該文設(shè)計一種照明節(jié)能自動控制系統(tǒng)，利用PLC為中央控制器，控制現(xiàn)場底層設(shè)備的工作。使用C#語言開發(fā)的PC端上位機(jī)軟件，與PLC以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，作為照明控制和監(jiān)測平臺。設(shè)置了休息日、節(jié)假日、寒暑假等符合高校工作時間的工作模式，實現(xiàn)教室照明的自動控制，實現(xiàn)智能管理而且節(jié)約能源。

1 建筑照明能耗標(biāo)準(zhǔn)

1.1 建筑照明節(jié)能評價方法

目前對建筑照明能耗進(jìn)行計算的計算模型并未統(tǒng)一[3]，目前國際上常用的照明能耗計算方法有比利時計算法、歐洲EN15193標(biāo)準(zhǔn)法等。在我國，根據(jù)GB50034-2004《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，建筑電氣設(shè)計上普遍采用LPD（lighting power density，照明功率密度）來評估照明設(shè)計是否節(jié)能[4-6]，其定義為：

其中，為室內(nèi)裝設(shè)光源（包括鎮(zhèn)流器）的功率之和，單位為W；S為房間面積，單位為m2，即單位面積上的照明安裝功率（包括光源、鎮(zhèn)流器或變壓器），單位為。

根據(jù)GB50034-2004《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[7-8]，學(xué)校建筑的LPD值不應(yīng)超過表1的規(guī)定數(shù)值，否則即為不夠節(jié)能的照明設(shè)計。

1.2 節(jié)能潛力分析

假設(shè)教室的照明設(shè)計符合國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以教室的照明功率密度為10W/m2計算，一個標(biāo)準(zhǔn)教室的面積為96m2，假設(shè)每天正常用電時間為15h，每個教學(xué)年度按270日計，一個學(xué)校教室數(shù)量為200間，節(jié)電率以平均30%計算，則一年可節(jié)電2.33*105kWh，節(jié)約電費(fèi)12～20萬元。（以上估算還未包括線損和燈具長時間開啟而損壞的部分）。因此，研究大學(xué)教室的節(jié)能照明自動控制系統(tǒng)，在滿足學(xué)校照明需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大學(xué)教室照明的節(jié)能自動控制，不僅能滿足室內(nèi)人員對照明的要求，又節(jié)能降耗，延長燈具壽命，降低運(yùn)行費(fèi)用，簡化節(jié)省配電控制設(shè)備和管線工作量，課件照明節(jié)能潛力巨大，以成為建筑節(jié)能不可或缺的一部分。

2 控制系統(tǒng)整體方案

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

照明節(jié)能自動控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)—PLC—現(xiàn)場節(jié)點”的結(jié)構(gòu)，以“集中管理，分布執(zhí)行”的方式控制系統(tǒng)中的各個設(shè)備，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中，采用西門子S7-200（XP224）型PLC作為下位機(jī)，PC作為上位機(jī)。在上位機(jī)軟件中，工作人員登錄系統(tǒng)后，可以在軟件里設(shè)定特定教室一周的課表，課表數(shù)據(jù)將發(fā)送到PLC保存，同時保存在上位機(jī)內(nèi)。PLC接收到課表數(shù)據(jù)后，將會按照課表上安排的上課時間段控制教室的照明燈具的開關(guān)，以達(dá)到照明的自動控制，避免不必要的照明造成浪費(fèi)，節(jié)省電能。工作人員可以在上位機(jī)軟件隨時修改特定教室的課表，更改課程時間，也可以直接遠(yuǎn)程控制教室燈具的開關(guān)，使控制更為靈活。在上位機(jī)軟件可以監(jiān)控特定教室的燈具的使用情況，包括實時開關(guān)狀態(tài)、燈具使用時間等，數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)上保存，使工作人員能夠方便地管理教室照明設(shè)備，統(tǒng)計分析照明數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括自動控制和人工手動控制兩種控制模式，除了根據(jù)課表自動控制教室，在教室現(xiàn)場可以人工開燈和關(guān)燈。

2.2 控制系統(tǒng)的控制策略

該控制系統(tǒng)主要采用的是基于時間控制的控制策略，并針對高校教室工作時間進(jìn)行調(diào)整，具體控制策略如下。

（1）正常工作日時間。

在周一至周五的工作日里，系統(tǒng)根據(jù)教室的課表時間控制燈具開關(guān)。根據(jù)高校課程的時間安排特點，將上午第一、二節(jié)課設(shè)定為8點至9點35分，第三、四節(jié)課設(shè)定為10點05分至11點40分；下午第五、六節(jié)課設(shè)定為14點30分至16點05分，第七、八節(jié)設(shè)定為16點35分至18點；晚課時間設(shè)定為19點30分至22點。有課的教室將在對應(yīng)時間段開燈，課間時間段不關(guān)燈，在上、下午及晚課的最后一節(jié)課下課后自動關(guān)燈。

（2）休息日時間。

在休息日時間，控制系統(tǒng)白天不開燈，由教室根據(jù)現(xiàn)場需要人工開燈。下午18點之后，只開啟三分之一的燈具，在22點之后，控制系統(tǒng)將檢查并關(guān)閉所有燈具。

（3）寒暑假時間。

在寒暑假時間，控制系統(tǒng)將不開啟所有燈具，并在每天的中午12點及晚上22點檢查并關(guān)閉所有燈具。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)對廣東某高校教學(xué)樓的實地考察，其教室內(nèi)的燈具采用統(tǒng)一布局。燈具類型使用36W日光燈，中等規(guī)模的教室一般安裝有9根日光燈，其分布如圖2所示。

高校教室一般將每一排的三個燈具作為一組，共前中后三排，教室里的開關(guān)總是一次性控制一排三個燈具開關(guān)。因此，該系統(tǒng)沿用這種控制特點，將教室的9個燈具分布分為三部分，按照前中后的位置劃分為一號、二號、三號燈具。

4 控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件運(yùn)行于該控制系統(tǒng)的最上層，是控制系統(tǒng)的控制核心，也是整個系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，實現(xiàn)控制PLC、直接控制現(xiàn)場燈具、監(jiān)控?zé)艟哌\(yùn)行狀況、統(tǒng)計燈具運(yùn)行時間等功能。該控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件使用C#語言編寫，利用.Net技術(shù)提供的豐富資源，能夠方便地實現(xiàn)上位機(jī)的各項功能。

該控制系統(tǒng)的控制策略主要是以時間為依據(jù)的，同時，針對高校教室使用時間的特殊性，該設(shè)計提出了基于課表時間來控制各個教室燈具工作的方法。其基本思想為，根據(jù)該教室的課表時間數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)判斷當(dāng)前教室處于上課時間時，將控制燈具工作，處于下課時間時，在一定的預(yù)留時間之后，便自動關(guān)閉燈具。

上位機(jī)軟件的基本工作流程如圖3所示。

4.1 人機(jī)交互界面設(shè)計

上位機(jī)交互界面如圖4所示。在該界面上，用戶可以方便直觀地輸入課表數(shù)據(jù)，也可以直接對現(xiàn)場的燈具進(jìn)行開關(guān)控制。

4.2 現(xiàn)場照明燈具監(jiān)控

上位機(jī)作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，能夠監(jiān)測現(xiàn)場燈具的使用狀態(tài)，使工作人員能夠在平臺上直觀地了解現(xiàn)場各燈具的開關(guān)狀態(tài)及工作時間，當(dāng)燈具工作時間超過其壽命時，系統(tǒng)將提出警報，提示工作人員進(jìn)行更換。監(jiān)控功能的工作流程如圖5所示。

要實現(xiàn)監(jiān)控?zé)艟郀顟B(tài)的功能，需要上位機(jī)軟件不斷地查詢PLC線圈的開關(guān)狀態(tài)。可以使用Modbus協(xié)議的第1號功能，該功能能夠讀取PLC的數(shù)字量輸出口的開關(guān)狀態(tài)，發(fā)送欲讀取的輸出線圈地址及線圈數(shù)量，PLC成功接收數(shù)據(jù)后便能返回對應(yīng)的線圈的狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示。

5 結(jié)語

該設(shè)計在廣州某高校教學(xué)樓一50人中小型教室進(jìn)行了一個月的測試，測試結(jié)果顯示，在未使用該系統(tǒng)之前，該教室燈具的平均每日使用時間為10.3小時，使用該系統(tǒng)之后，燈具的平均每日使用時間為8.6小時，有效降低了燈具的不必要工作時間。教室使用燈具為36W日光燈，按當(dāng)?shù)胤歉叻迤谟秒婋娰M(fèi)0.61元/千瓦時計算，每個教室每月節(jié)省電費(fèi)約為10元。當(dāng)高校教室較多，系統(tǒng)長期投入工作的情況下，節(jié)能量較為可觀。因此，該系統(tǒng)起到了節(jié)能降耗，減少工作人員工作量的作用，具有良好的應(yīng)用前景。

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