高校教室照明節能自動控制系統設計

鄒恩

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

關鍵詞：教室照明 節能 PLC C#

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

據教育部公布，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樓。近幾年來，隨著高校的擴招，學生數量大幅增長，大學教學樓的數量也增加很多。由于大學開放型的管理模式，以及學生們節能意識的淡薄，教室里在白天室內照度充足的情況下，仍普遍存在開燈學習的現象，即使教室內無人或人數很少的情況下，也是全部開啟室內照明燈。在許多教室里，長明燈和人走不熄燈的現象普遍存在[1-2]。據測算，照明耗電占學校建筑耗電的40%左右。

該文設計一種照明節能自動控制系統，利用PLC為中央控制器，控制現場底層設備的工作。使用C#語言開發的PC端上位機軟件，與PLC以Modbus協議進行通訊，作為照明控制和監測平臺。設置了休息日、節假日、寒暑假等符合高校工作時間的工作模式，實現教室照明的自動控制，實現智能管理而且節約能源。

1 建筑照明能耗標準

1.1 建筑照明節能評價方法

目前對建筑照明能耗進行計算的計算模型并未統一[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標準法等。在我國，根據GB50034-2004《建筑照明設計標準》，建筑電氣設計上普遍采用LPD（lighting power density，照明功率密度）來評估照明設計是否節能[4-6]，其定義為：

其中，為室內裝設光源（包括鎮流器）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、鎮流器或變壓器），單位為。

根據GB50034-2004《建筑照明設計標準》規定[7-8]，學校建筑的LPD值不應超過表1的規定數值，否則即為不夠節能的照明設計。

1.2 節能潛力分析

假設教室的照明設計符合國家節能標準，以教室的照明功率密度為10W/m2計算，一個標準教室的面積為96m2，假設每天正常用電時間為15h，每個教學年度按270日計，一個學校教室數量為200間，節電率以平均30%計算，則一年可節電2.33*105kWh，節約電費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，研究大學教室的節能照明自動控制系統，在滿足學校照明需求的基礎上，實現大學教室照明的節能自動控制，不僅能滿足室內人員對照明的要求，又節能降耗，延長燈具壽命，降低運行費用，簡化節省配電控制設備和管線工作量，課件照明節能潛力巨大，以成為建筑節能不可或缺的一部分。

2 控制系統整體方案

2.1 控制系統結構

照明節能自動控制系統采用“上位機—PLC—現場節點”的結構，以“集中管理，分布執行”的方式控制系統中的各個設備，控制系統結構如圖1所示。

系統中，采用西門子S7-200（XP224）型PLC作為下位機，PC作為上位機。在上位機軟件中，工作人員登錄系統后，可以在軟件里設定特定教室一周的課表，課表數據將發送到PLC保存，同時保存在上位機內。PLC接收到課表數據后，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，以達到照明的自動控制，避免不必要的照明造成浪費，節省電能。工作人員可以在上位機軟件隨時修改特定教室的課表，更改課程時間，也可以直接遠程控制教室燈具的開關，使控制更為靈活。在上位機軟件可以監控特定教室的燈具的使用情況，包括實時開關狀態、燈具使用時間等，數據可以在上位機上保存，使工作人員能夠方便地管理教室照明設備，統計分析照明數據。系統包括自動控制和人工手動控制兩種控制模式，除了根據課表自動控制教室，在教室現場可以人工開燈和關燈。

2.2 控制系統的控制策略

該控制系統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行調整，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，系統根據教室的課表時間控制燈具開關。根據高校課程的時間安排特點，將上午第一、二節課設定為8點至9點35分，第三、四節課設定為10點05分至11點40分；下午第五、六節課設定為14點30分至16點05分，第七、八節設定為16點35分至18點；晚課時間設定為19點30分至22點。有課的教室將在對應時間段開燈，課間時間段不關燈，在上、下午及晚課的最后一節課下課后自動關燈。

（2）休息日時間。

在休息日時間，控制系統白天不開燈，由教室根據現場需要人工開燈。下午18點之后，只開啟三分之一的燈具，在22點之后，控制系統將檢查并關閉所有燈具。

（3）寒暑假時間。

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

3 控制系統硬件設計

根據對廣東某高校教學樓的實地考察，其教室內的燈具采用統一布局。燈具類型使用36W日光燈，中等規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，教室里的開關總是一次性控制一排三個燈具開關。因此，該系統沿用這種控制特點，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 控制系統上位機軟件設計

上位機軟件運行于該控制系統的最上層，是控制系統的控制核心，也是整個系統的監控平臺，實現控制PLC、直接控制現場燈具、監控燈具運行狀況、統計燈具運行時間等功能。該控制系統上位機軟件使用C#語言編寫，利用.Net技術提供的豐富資源，能夠方便地實現上位機的各項功能。

該控制系統的控制策略主要是以時間為依據的，同時，針對高校教室使用時間的特殊性，該設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，根據該教室的課表時間數據，當系統判斷當前教室處于上課時間時，將控制燈具工作，處于下課時間時，在一定的預留時間之后，便自動關閉燈具。

上位機軟件的基本工作流程如圖3所示。

4.1 人機交互界面設計

上位機交互界面如圖4所示。在該界面上，用戶可以方便直觀地輸入課表數據，也可以直接對現場的燈具進行開關控制。

4.2 現場照明燈具監控

上位機作為控制系統的監控平臺，能夠監測現場燈具的使用狀態，使工作人員能夠在平臺上直觀地了解現場各燈具的開關狀態及工作時間，當燈具工作時間超過其壽命時，系統將提出警報，提示工作人員進行更換。監控功能的工作流程如圖5所示。

要實現監控燈具狀態的功能，需要上位機軟件不斷地查詢PLC線圈的開關狀態。可以使用Modbus協議的第1號功能，該功能能夠讀取PLC的數字量輸出口的開關狀態，發送欲讀取的輸出線圈地址及線圈數量，PLC成功接收數據后便能返回對應的線圈的狀態。上位機監控界面如圖6所示。

5 結語

該設計在廣州某高校教學樓一50人中小型教室進行了一個月的測試，測試結果顯示，在未使用該系統之前，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，按當地非高峰期用電電費0.61元/千瓦時計算，每個教室每月節省電費約為10元。當高校教室較多，系統長期投入工作的情況下，節能量較為可觀。因此，該系統起到了節能降耗，減少工作人員工作量的作用，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 薛蓮同.大型建筑智能化照明遠程控制系統設計[J].電氣應用，2014（24）：119-123.

[2] 胡春玉.樓宇綠色智能照明系統的研究[J].電氣應用，2014，33（22）：119-123.

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[4] 王飛翔.我國辦公建筑的照明節能評價方法的探索[J].照明工程學報，2014，25（3）：50-57.

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