基于S7-1212C PLC的立體停車庫智能照明系統設計

張 偉

（上海電器科學研究所（集團）有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著“十三五”以來城市現代化建設的不斷推進，汽車保有量也不斷增加。作為交通樞紐、市政商業以及高層建筑的基礎附屬設施，停車庫的重要性日益凸顯。停車庫的2 項基本功能是照明和車輛停放，由于人們工作和生活時間的相對規律性，因此，高峰時段和低谷時段存在明顯差異。雖然停車庫不是隨時都有車輛進出，但傳統停車庫的照明系統卻保持24 h 常亮的狀態，這就在使用過程中造成了能源的大量浪費[1]。

傳統停車庫照明基本采用手動區域控制或者回路開關控制，存在以下5 個問題：1） 不能根據作息時間、車流量和車輛進出智能感知調整其運行時間。2） 不能實現區域照明的實時監測和故障報警。3） 不能定制各種場景模式。4） 缺乏大數據共享與分析的能力。5） 不能遠程分析整個停車庫各區域照明的運行狀態，只能通過人工目視巡檢，物業維護工作量大，運營管理成本高。

因此，筆者針對浦東機場露天立體停車庫存在的問題，設計了基于可編程控制器S7-1212C PLC 的分布式智能照明控制系統。該系統根據高可靠性的工業級標準對產品進行設計。構建了遠程集中管理和區域分布式控制的模式，實現了對停車庫照明系統智能化的設計以及對其運營狀態的監控。該設計可以根據不同要求和不同使用時間實現對照明系統的開閉進行整體、每棟、每層以及每個區域的分別控制，并結合雷達傳感器實現區域照明閉環控制，達到按需照明和節能的效果，從而實現集綠色、節能和智慧化為一體的立體停車庫照明設計[2]。

1 立體停車庫照明系統控制方案設計和應用架構

該立體停車庫項目采用的智能照明控制系統，融合了先進的工業可編程控制、雷達智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 軟件管理平臺等技術。整體系統基于以太網星型光纖主干網和分布式RS485 總線的通信架構，并通過單模光纖和屏蔽雙絞線作為連接鏈路的物理介質，可以實現停車庫照明軟件系統平臺對停車庫每層終端可編程控制器S7-1212C PLC 的直接監控和信息交互，方便對停車庫進行高效可靠的運維管理。同時系統軟件平臺設計和硬件架構充分考慮了易于擴展和多客戶端監管的需求，并預留了OPC Server 數據接口，可以擴展樓宇BA 等交互信息[3]。

1.1 系統控制方案設計

浦東機場立體停車庫包括A、B、C 和D 共4 棟大型敞開式公共停車庫和高架橋進出連廊，每棟停車庫地上8 層，每層樓的照明控制柜包括2 臺應急照明控制柜和4臺普通照明控制柜，在應急照明配電間旁還設置了弱電間。每層樓的6 臺照明控制柜都配備了可編程控制器S7-1212C PLC。將其中1 臺應急照明PLC 設定為主站控制器，其他5 臺PLC 設定為從站控制器，通過RS485 屏蔽雙絞總線進行手拉手通信連接。主從站PLC 控制5 路DO照明回路，并通過接觸器常開觸點反饋信號對PLC IO 進行監控。主從站PLC 管控車庫區域的主入口和出口都配備了雷達傳感器，可以對移動車輛和人進行探測，并將信號反饋到PLC IO 作為照明回路開關的閉環條件。

1.2 系統應用架構

浦東機場立體停車庫智能照明系統軟件管理平臺的拓撲結構屬于B/S 瀏覽器/服務器模式控制系統，立體車庫中心機房的照明服務器通過網管型核心交換機星型擴展到所有弱電間的匯聚交換機，并通過超六類網線連通應急照明配電間的主站S7-1212C PLC，實現遠程集中管理和分布式控制架構。另外，立體停車庫智能照明系統還提供了OPC Server 數據接口，可以與立體車庫的智慧停車和智能安防等系統進行綜合對接，提供更多的智能控制方案。

根據立體停車庫照明系統的總體應用需求，網管型核心交換機采用插拔式設計，后期可以根據規模擴展添加配置，軟件平臺也充分考慮了數據擴展和接口，系統具有整體容量大、可擴展性強和安全性能高的優點，充分滿足了立體停車庫后期系統擴容的需要。

2 立體停車庫照明系統交互協議設計

立體停車庫遠程智能照明系統軟件管理平臺與每層應急照明配電間的S7-1212C PLC 之間基于Modbus TCP 通信協議進行數據交互。軟件管理平臺作為Modbus TCP 主站、S7-1212C PLC 作為Modbus TCP 從站，主站平臺和A、B、C、D 4 棟樓每層Modbus TCP 從站的PLC 分別分配10.54.52.某局域網段的唯一IP 地址[4]。

每層應急照明配電間的S7-1212C PLC 與其他5 臺S7-1212C PLC 之間基于Modbus RTU 通信協議進行數據交互。應急照明配電間的PLC 為Modbus RTU 主站，其他5 臺PLC為Modbus RTU 從站，主站PLC 與5 臺從站PLC 分別分配1～254 的唯一ID 地址[5]。

2.1 軟件平臺與每層PLC 交互控制

2.1.1 實時監控命令

軟件管理平臺與每層應急照明配電間的S7-1212C PLC 之間的實時控制命令交互字地址為MW100，應急照明配電間的主站PLC 對實時控制命令字進行解析，通過廣播或者單播分發到從站PLC 并執行，實時控制命令字格式組成如圖1 所示。

圖1 實時控制命令字格式圖

2.1.2 照明控制策略

立體停車庫每層PLC 可以通過雷達傳感器閉環控制照明DO 的輸出，也可以通過遠程管理平臺實現回路控制、分組控制、分層控制、分棟控制以及整棟控制等模式的切換，按照立體車庫運營需求預設每層PLC 開閉控制策略，對照明進行定時控制。每層PLC 可預設定制200 條以上的策略，實現四季靈活的智能化管控。照明控制策略數據交互區域和格式組成如圖2 所示。

2.2 每層主站PLC 與從站PLC 交互控制

2.2.1 控制命令中轉

每層應急照明配電間的PLC 作為Modbus TCP 從站和Modbus RTU 主站，不僅可以周期輪詢本站和5 臺Modbus RTU 從站的照明數據并上傳至遠程軟件管理平臺；而且還可以解析遠程軟件管理平臺發送的實時監控命令和照明控制策略，或者解析同步存儲于本地定時觸發的照明控制策略，并通過廣播或者單播轉發到對應從站PLC 執行。

2.2.2 從站PLC 照明控制和數據采集

立體車庫每層的從站PLC 可以根據雷達傳感器閉環控制照明回路的輸出，接收Modbus RTU 主站的照明控制命令或者數據采集報文，并進行識別解析、執行命令和上傳數據等工作，雷達傳感器模式和智能控制模式可以遠程控制軟件平臺的切換。從站PLC 實時采集本站PLC 的DO輸出、DI 輸入的狀態數據，并在本地進行存儲和更新，滿足Modbus RTU 主站數據輪詢的需要。

3 立體車庫照明軟件系統設計

立體車庫智能照明系統采用集中管理、分層分布式控制架構，軟件管理平臺基于C#語言開發出B/S 系統架構，可以通過Internet 或者局域網隨時進行WEB 訪問，并提供OPC Server 數據接口，與立體車庫的智慧停車和智能安防等系統進行對接。Modbus RTU 主站和從站S7-1212C PLC 程序是基于西門子TIA 博途而開發的，其采用了符合IEC61131-3 標準的LD 和FBD 語言。

3.1 主從站PLC 梯形圖程序設計

每層應急照明配電間的PLC 作為Modbus TCP 從站和Modbus RTU 主站，包括Modbus TCP 通信設置、Modbus RTU MASTER 設置、控制命令轉發和輪詢Modbus RTU 從站等梯形圖程序設計[6]。

3.2 智能照明軟件平臺設計

根據浦東機場立體停車庫智能照明系統的運營需求，開發設計了智慧B/S 軟件管理平臺，共包括4 個交互界面功能模塊[7]：1） 實時監控。它可以監測開關狀態，還可以切換“手動控制”、“策略控制”以及“雷達控制”等模式。2） 故障檢測。它是負責對回路的開關錯誤等故障進行檢測和報警，同時對系統歷史數據進行分類追溯查詢。3） 用戶管理。該模塊可以添加、編輯以及刪除管理用戶，還可以設定用戶名和密碼，對登錄人員進行登記等。4） 策略控制。該模塊是按照運營需求預設控制策略，策略控制可預設定制200 條及以上的策略。

圖2 照明控制策略數據交互區域和格式圖

4 運營模式和節能效益

浦東機場立體停車庫照明系統可以根據運營需求切換成手動控制、策略控制和雷達控制模式，為了滿足按需照明和節能減排的需求，立體停車庫照明系統采用策略控制和雷達控制相結合的管控模式[8]。白天07：00～17：00時間段內光照度充足，適合采取雷達控制模式，應急照明回路常亮，普通照明回路根據車輛和人員的出入開啟，持續1 min 后關閉相應區域的照明系統，亮燈概率為60%。前半夜17：00～24：00 時間段內光照度低且車輛出入較為頻繁，適合采取策略控制模式，全部照明回路常亮，前半夜起始時間策略控制根據節氣預設自動調整，亮燈概率為100%。后半夜00：00～07：00 時間段內光照度低且車輛出入較為稀少，適合采取雷達控制模式，應急照明回路常亮，普通照明回路根據車輛和人員的出入開啟，持續1 min后關閉相應區域的照明系統，亮燈概率為40%。根據以上運營控制設定原理可以計算出浦東機場立體停車庫智能照明控制與傳統24 h 運營模式相比，其節能率為34.17%。因為全部采用LED 燈具，所以比傳統停車庫照明系統的節能率更高。

5 結語

照明是1 個城市重要的基礎設施，是改善和提升城市品質的重要環節。“十三五”時期是全面建成小康社會的決勝階段，推進新型城鎮化，實施城市綠色照明，節約能源、保護環境成為城市建設管理工作的重點任務之一。相關人員應該有序推進綠色照明產品和技術的應用，堅持科技創新，加快建立全國信息化平臺，提高城市照明建設管理水平，科學合理地推進城市綠色照明工作[9]。上海浦東機場立體停車庫智能照明系統基于以太網星型光纖主干網和分布式RS485 總線的通信架構，融合了先進的工業可編程控制、雷達智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 軟件管理平臺等技術，從而達到“人、信息交互系統以及低碳環保照明”的無縫結合。提升了浦東機場立體停車庫照明的信息化和自動化管理水平，大幅降低了立體停車庫照明的綜合運營和管理成本，實現了較高的社會效益和經濟效益，從而促進了建立資源節約型、環境友好型城市的發展步伐。