基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)設計

程 冬

（上海羅曼照明科技股份有限公司，上海 200090）

0 引 言

景觀燈光作為城市中的風景建設內(nèi)容，能夠為人們的夜間生活提供便利，是城市風景建設中的重要組成部分。由于景觀燈光建設規(guī)模的不斷擴大，如何在保證景觀燈光美觀性的同時，降低景觀燈光能耗，成為景觀燈光行業(yè)的主流研究方向[1]。基于此，景觀燈光控制系統(tǒng)應勢而生。景觀燈光控制系統(tǒng)能夠通過設置科學的控制策略，減少景觀燈光照明時不必要的能耗，進而起到景觀燈光控制降耗的作用，具有現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)景觀燈光控制系統(tǒng)主要是通過驅(qū)動板的作用控制景觀燈光。景觀燈光通常工作在露天的環(huán)境中，實際傳輸景觀燈光控制信號過程中很容易受到外界因素的干擾，導致控制失效的情況發(fā)生，致使景觀燈光控制信號的傳輸需要很高時延，更無法降低景觀燈光控制能耗[2]。而PLC作為一種通信技術，能夠有效隔離外界因素對傳輸信號的干擾，避免其對傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響，為此可以將PLC應用在景觀燈光控制系統(tǒng)設計中。本文從硬件和軟件兩方面出發(fā)，設計基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)。

1 PLC概述

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）多用于工業(yè)機械控制中，也適用于數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。從PLC的傳統(tǒng)意義層面上分析，所有可執(zhí)行功能通常是使用電氣與計算機輔助實現(xiàn)的，但隨著高新技術的不斷引進，由美國研究團隊對GM技術提出的電氣控制技術進行了改進，在此研究項目提出的一年后，設計行為控制器，用于控制集成電路與電子電路，由此首次提出了可編程邏輯控制器原理，這就是第一代PLC技術的提出。隨著市場對PLC技術研究的深入，PLC被不斷賦予了數(shù)字統(tǒng)計、行為處理以及人機交互等能力。目前，PLC技術在多個產(chǎn)業(yè)內(nèi)均得到了廣泛的應用，是一種較為成熟的控制技術，其憑借優(yōu)異的傳輸性能和可編程性能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)功能，進而提高系統(tǒng)的工作效率[3]。為此，將PLC應用在景觀燈光控制中，設計一種新型基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)，具體內(nèi)容如下。

2 基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集板卡

系統(tǒng)硬件部分需要利用數(shù)據(jù)采集板卡來采集系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)為模擬量數(shù)據(jù)，以此作為燈光控制的基礎數(shù)據(jù)。選用如圖1所示型號為HYVJ-KIB15690的數(shù)據(jù)采集板卡。該采集板卡包含兩路六位模擬量輸入模塊，具有采集速度快和性價比高的優(yōu)勢，適合本系統(tǒng)使用[4]。通過ISA總線使服務器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運行。

圖1 數(shù)據(jù)采集板卡

2.2 模擬數(shù)字轉換器

上述采集到的模擬數(shù)據(jù)無法直接應用于系統(tǒng)中，需要采用模擬數(shù)據(jù)轉換器進行數(shù)據(jù)轉換。轉換器對數(shù)據(jù)轉換的精準程度對系統(tǒng)燈光控制的精準度有重要影響，因此對于數(shù)字轉換器的選型應慎重。此次選用AGVD-SDNV1400型號的模擬數(shù)字轉換器，該轉換器具有32位半閃速結構，數(shù)據(jù)轉換速度快且精準度高[5]。AGVD-SDNV1400模擬數(shù)字轉換器各個引腳功能如表1所示。

表1 模擬數(shù)字轉換器引腳功能

充分運用轉換器引腳功能，通過模擬數(shù)字轉換器能夠?qū)崿F(xiàn)對景觀燈光控制數(shù)據(jù)的高效轉換，得到系統(tǒng)能夠識別的景觀燈光控制數(shù)據(jù)類型。

2.3 設計PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器

為實現(xiàn)景觀燈光控制系統(tǒng)的節(jié)能功能，設計PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器[5]。循環(huán)控制器的整體可分為固定結構與組合結構兩種，包括數(shù)字信號/模擬信號轉換器、電池主板、電子顯示屏幕、內(nèi)存條、電源、接口以及通信電路等。PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器結構如圖2所示。

圖2 PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器結構框圖

如圖2所示，通過傳輸線纜連接CPU與景觀燈，基于脈沖控制的方式，將景觀燈光控制數(shù)據(jù)以RE的格式輸入SVDE緩沖區(qū)，作為景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制指令[6]。利用本文設計的PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器判定景觀燈光狀態(tài)，通過存儲模塊接口與編程器相連，起到景觀燈光控制的作用。

利用PLC技術最大集成度的框架結構優(yōu)勢，可以使景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器更適應惡劣的外界環(huán)境，為實現(xiàn)控制器節(jié)能功能，引入神經(jīng)元芯片。利用更高性能的接口技術，可以快速轉換和傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)，降低連接系統(tǒng)的功耗，支持功能更加強大的處理器連接。神經(jīng)元芯片能夠在保證最小硬件的前提下滿足其功能需求，可以有效提高系統(tǒng)功能，使PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的各項性能達到最佳，并在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)硬件運行時間，提高系統(tǒng)運行效率。神經(jīng)元芯片主要控制景觀燈中多個電路的通斷，將神經(jīng)元芯片中發(fā)出的控制信號與電路相連，將景觀燈光控制信號轉換為控制當量，實現(xiàn)景觀燈光的智能控制。通過PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器中的ZW245V25-27主控制芯片可以調(diào)節(jié)景觀燈光控制速率，以提高PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的控制能力。ZW245V25-27主控制芯片主要用于PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的驅(qū)動，驅(qū)動形式為脈沖寬度調(diào)制，可使循環(huán)控制器實現(xiàn)智能調(diào)速[7]。在布設電源時應將外部其他控制部件的電源與PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的供電電源隔離，確保PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器支持突發(fā)傳送方式的同步操作及自動配置。

3 基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 基于PLC采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)

在系統(tǒng)軟件設計中，預先基于PLC采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)，設置3個端口分別表示為PLC（1.0/2.0/3.0），獲取景觀燈光控制工作的實時終端數(shù)據(jù)[8]。利用上述設計的端口，將PLC（1.0）的通信地址定義為“001”，其他兩個端口的通信地址分別表示為“0101”與“10100”，完成終端數(shù)據(jù)的定位后，輸入通信指令，使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)并行排列方式，輸出端口數(shù)據(jù)。通過采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)，以此作為景觀燈光控制的基礎數(shù)據(jù)，展開下文研究。

3.2 建立PPI景觀燈光控制協(xié)議

在完成景觀燈光控制數(shù)據(jù)采集工作的基礎上，本文將應用PLC通信網(wǎng)絡，遵循高級協(xié)議內(nèi)容，在支持多路同步自動化控制的行為上具體限制循環(huán)次數(shù)[9]。建立的PPI景觀燈光控制協(xié)議具體信息如表2所示。

表2 PPI景觀燈光控制協(xié)議具體信息

結合表2所示，在實際景觀燈光控制過程中由于信息量不大，因此PPI高級控制協(xié)議即可滿足景觀燈光控制需求。

3.3 實現(xiàn)景觀燈光控制

基于PLC的景觀燈光控制過程中，應按照信號濾波的表述方式，將平流電轉變?yōu)榻涣麟姡⒂涗浢看螖?shù)據(jù)變化情況。通過控制信號電壓值，實現(xiàn)終端電壓數(shù)據(jù)與信號的有效控制，并以獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行景觀燈光控制在不同運行狀態(tài)下的耗能分析。假定輸出的數(shù)據(jù)值較之前低，則可保留數(shù)據(jù)，倘若輸出的數(shù)據(jù)值較之前高，則保留兩組數(shù)據(jù)中數(shù)值較低的一組。綜上所述，通過調(diào)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在不同滿載狀態(tài)下，終端對信息頻率的有效控制[10]。利用PLC可對該景觀燈光控制狀態(tài)進行判定，進而對景觀燈光照明全過程進行節(jié)能循環(huán)控制，為日后的景觀燈光控制提供強有力的支持。以此，完成基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)設計。

4 實例分析

4.1 實驗準備

設計實例分析，實驗對象選取某城區(qū)，針對該城區(qū)的景觀燈光加以控制。本次實驗設定景觀燈光照明時間共為8 h，從19:00-3:00以1 h為一個時間節(jié)點，先使用本文設計系統(tǒng)控制景觀燈光，通過萬能表測得景觀燈光控制功率設為實驗組，再使用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制景觀燈光，通過萬能表測得景觀燈光控制功率設為對照組。本次實驗由上位監(jiān)控主機進行中控控制，現(xiàn)場控制1～20號景觀燈，實驗控制的整體流程如圖3所示。

圖3 實驗流程圖

4.2 實驗結果分析與結論

整理實驗結果，控制能耗對比如表3所示。

表3 控制能耗對比表

通過表3可知，實驗組與對照組的能耗相比，能夠節(jié)能60%以上，更具現(xiàn)實推廣價值。

5 結 論

本文通過實例分析的方式，確定設計的控制系統(tǒng)在實際應用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設計的必要性。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對本次萬能表測定結果的精密度與準確度進行檢驗，因此需要進一步提高測定結果的可信度。同時，還需要深入研究景觀燈光的優(yōu)化設計，以此為提高景觀燈光的綜合質(zhì)量提供建議。