基于PLC的圖書館智能照明監(jiān)控系統(tǒng)

陳思敏 劉凱 徐月華

摘要：針對高校圖書館照明能耗高的問題，提出了一種基于PLC的綠色智能化照明系統(tǒng)。其主要思想為：最大可能利用自然采光前提下，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制、采用光電傳感器等技術(shù)，融合時(shí)鐘設(shè)置自動化控制，實(shí)現(xiàn)基于人流量的自動控制閱覽室照明，從而達(dá)到降低圖書館能耗的目的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)能作用達(dá)43%，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

Abstract： In view of the problem of high lighting energy consumption in university libraries， a green intelligent lighting system based on PLC is proposed. The main idea is： under the premise of the maximum possible use of natural lighting， the remote monitoring computer control and photoelectric sensors and other technologies are used and the clock set automatic control is integrated to achieve automatic control of reading room lighting based on the flow of people， so as to reduce library energy consumption. The results of the experimental system show that the energy-saving effect of the system is 43%， which verifies the effectiveness of the system design.

關(guān)鍵詞：PLC；智能照明；圖書館

Key words： PLC；intelligent lighting；library

中圖分類號：TU113.6+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0113-03

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國工商業(yè)、居民[2]等用電需求量越來越高，如何在保障我國居民對電力資源的基本需求前提下，對電力資源進(jìn)行精細(xì)化控制，提高電力資源的利用效率，成為各大行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[3]。而圖書館閱覽室，是搜集、整理、收藏圖書資料供人閱覽、參考的機(jī)構(gòu)，也是大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要場所。高校圖書館既是人口的高密度區(qū)，同時(shí)更是重要的能源消耗大戶。而目前，閱覽室“長明燈”、“長流水”現(xiàn)象嚴(yán)重。這些都導(dǎo)致了能源在使用過程中的大量浪費(fèi)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國高校每年都有近3億kWh的電能被浪費(fèi)。桂要生等人[5]提出利用單片機(jī)和紅外技術(shù)設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)注重對照明設(shè)備的控制，無界面監(jiān)控。

本文提出的“綠色”照明，其主要思想為：最大可能利用自然采光前提下，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制[6，7]、照度感應(yīng)和紅外傳感器[9]等技術(shù)，融合時(shí)鐘設(shè)置自動化控制，實(shí)現(xiàn)基于人流量的自動控制閱覽室照明，同時(shí)利用組態(tài)界面對PLC控制的照明設(shè)備電能實(shí)施電能監(jiān)測，從而達(dá)到建筑節(jié)能效果。

1 高校閱覽室照明能耗現(xiàn)狀

高校閱覽室是師生閱讀圖書和自修的場所。以圖書館閱覽室為例，目前閱覽室在白天幾乎關(guān)閉所有照明，而晚上則開啟所照明燈具。而實(shí)際上，閱覽室存在不同時(shí)段上人員密集度方面的較大變動的情況，相應(yīng)的照明需求也存在較大的變動。例如，學(xué)期前中段，學(xué)生自修人數(shù)相比于學(xué)期末段人數(shù)較少；上課時(shí)段人數(shù)相對于晚自修時(shí)段人數(shù)較少。另外一方面，藏書區(qū)為師生取書區(qū)域，師生在該區(qū)域逗留時(shí)段較較短；而閱讀區(qū)是師生閱覽室閱讀書籍和自修的區(qū)域，活動時(shí)間相對較長，必須保證該區(qū)域的照度。綜上所述，當(dāng)前閱覽室照明主要存在以下問題：

①閱讀區(qū)域和藏書區(qū)域功能不同，照明卻全開，造成資源配置不合理；

②閱覽室在開館期間，人員稀少時(shí)，照明依然全開；

③人工開關(guān)燈盤，當(dāng)管理者的節(jié)能意識沒提高的情況下，造成開館期間所有照明完全開啟。

為解決上述問題，本文提出一種綠色照明監(jiān)控系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于圖書館閱覽室里，提高自動化控制程度和管理的便捷性，同時(shí)節(jié)約電量，節(jié)省開支，而且還可延長照明燈具使用壽命。

該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

①閱覽室照明根據(jù)閉館時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉照明。圖書館有固定的開館時(shí)間，22：00，系統(tǒng)會自動關(guān)閉閱覽室所有照明設(shè)備，閱覽室關(guān)閉。

②白天時(shí)間段（8：00-18：00），由于光照度足夠，位于建筑平面四周的閱讀區(qū)域，書桌利用自然光滿足師生閱讀照度，因此閱讀區(qū)域可關(guān)閉照明設(shè)備，以節(jié)約用電。而位于建筑中間位置的藏書區(qū)，由于書架的高度和寬度間隔，增加了自然采光的難度，因此，藏書區(qū)每個(gè)燈盤可開一個(gè)燈管，既滿足師生到書架查找書籍的照度，又能節(jié)省部分照明用電。

③傍晚和晚上（18：00-22：00），此時(shí)光照度較低，閱覽室自修的人數(shù)會相對增多，而閱覽室的人流量也是不穩(wěn)定的。比如說：平常時(shí)段，學(xué)生自修相對于學(xué)期末人數(shù)較少；上課時(shí)段相對于晚自修時(shí)段人數(shù)較少。因此該系統(tǒng)根據(jù)閱覽室室內(nèi)人數(shù)來控制閱讀區(qū)開燈的區(qū)域以及藏書區(qū)每個(gè)燈盤開燈的數(shù)量，并且引導(dǎo)學(xué)生到開燈區(qū)域就座，以提高每個(gè)閱讀區(qū)域的照明利用率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

2 綠色照明監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 綠色照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1，它利用PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能，把PLC分布到照明監(jiān)控現(xiàn)場，采用Modbus與Dalif協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理的目的。

2.2 綠色照明監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由光電傳感器模塊、PLC控制模塊、燈控模塊以及人機(jī)界面組成。通過門前、門后兩個(gè)雙并列的光電傳感器探測人員出入狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并控制照明設(shè)備開啟多少個(gè)區(qū)域的照明，并把各個(gè)區(qū)域的照明開啟情況反饋到人機(jī)界面中。系統(tǒng)硬件模塊如圖2。

由圖2可知，該系統(tǒng)分為以下幾部分：

2.2.1 光電傳感器模塊

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。系統(tǒng)將光電傳感器的發(fā)送器和接收器分別裝在出入口每個(gè)通道的兩側(cè)，檢測物通過時(shí)，阻擋光路接收器就動作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號至PLC。

單個(gè)光電傳感器只能檢測遮擋信號，檢測有無人通過該通道，而不能直接檢測室內(nèi)人數(shù)。為解決室內(nèi)人數(shù)問題，在每個(gè)通道分別安裝兩對光電傳感器，利用兩對光電傳感器來判定人員是進(jìn)入閱覽室還是離開閱覽室：例如A區(qū)第一通道靠近門口處安裝紅外對射1，在靠近室內(nèi)處安裝紅外對射2兩個(gè)光電傳感器，若先通過傳感器1再通過傳感器2就判定為進(jìn)入閱覽室，相反則判定為離開閱覽室。

2.2.2 PLC控制模塊

該模塊為系統(tǒng)的核心部分，主要功能為接收上位機(jī)指令，利用光電傳感器檢測和統(tǒng)計(jì)閱覽室的人數(shù)，從而控制區(qū)域照明設(shè)備。

2.2.3 燈控模塊

燈控模塊為DALI系統(tǒng)，DALI系統(tǒng)分為四個(gè)子網(wǎng)，該系統(tǒng)包括網(wǎng)關(guān)模塊、電源模塊、DALI面板、DALI繼電器及燈管。子網(wǎng)通過PLC通信端口傳來的485總線信號，轉(zhuǎn)換為DALI總線信號，從而控制燈具的開關(guān)。

2.2.4 人機(jī)監(jiān)控界面

PLC的聯(lián)網(wǎng)、通信能力很強(qiáng)，上位機(jī)通過組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)與PLC進(jìn)行通信，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對PLC的管理，其中界面中包括兩種燈控模式：第一種為自動控制模式，在該模式下，藏書區(qū)和閱讀區(qū)的開關(guān)燈時(shí)間按照設(shè)定的時(shí)間表進(jìn)行；第二種為手動控制模式，在該模式下，藏書區(qū)通過0-3個(gè)燈管開燈數(shù)量進(jìn)行開關(guān)燈，而閱讀區(qū)可通過界面點(diǎn)擊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制各個(gè)區(qū)域的開關(guān)燈。具體界面如圖3。

2.3 綠色照明監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)流程分為手動控制模式和自動控制模式。其中手動控制模式，可以通過人機(jī)界面點(diǎn)擊對應(yīng)的區(qū)域，向PLC發(fā)出指令，控制對應(yīng)區(qū)域的燈具開關(guān)，并把燈具開關(guān)狀態(tài)反饋到界面中。自動控制模式主要按時(shí)間表和傳感器采集信號來自動控制區(qū)域燈具。界面中可設(shè)定光線充足開館時(shí)間段（8：00-18：00）和光線不充足時(shí)間段（18：00-22：00），流程圖如圖4。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)照明開關(guān)模式與綠色照明開關(guān)模式如表1。

隨機(jī)抽取一個(gè)月現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中閱讀區(qū)，室內(nèi)人數(shù)峰值出現(xiàn)在晚上20：00-21：00，達(dá)6138人。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該月閱覽室人數(shù)峰值為6138人，入座率達(dá)88.4%。傳統(tǒng)照明的月累計(jì)用電量為2028.25千瓦時(shí)，綠色照明的累計(jì)用電量為1080.18千瓦時(shí)，總節(jié)能比例如下：

4 結(jié)論

高校圖書館閱覽室長期服務(wù)于廣大的學(xué)生讀者，他們的學(xué)習(xí)與圖書館密不可分，該系統(tǒng)按照中國圖書館管理的目標(biāo)模式，結(jié)合國際先進(jìn)的管理思想，總結(jié)用戶需求，應(yīng)用現(xiàn)代最新信息技術(shù)，面向大型/高級建筑而設(shè)計(jì)的，協(xié)助管理者在保證服務(wù)質(zhì)量同時(shí)，最大限度地降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能/智能控制，提高服務(wù)質(zhì)量及高工作效率，降低運(yùn)營費(fèi)用。下一步，可以研究閱覽室另外一個(gè)能耗大的設(shè)備：空調(diào)，該系統(tǒng)還能與空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)樓宇控制平臺，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)納入到監(jiān)控管理研發(fā)平臺上，在平臺上進(jìn)行統(tǒng)一的管理和監(jiān)控。

注：實(shí)用新型專利：一種圖書館照明節(jié)能控制系統(tǒng) ZL 2015 2 0954524。

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