LED室外全彩屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王中豪，付邦勝，郭飛亞

（中原工學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引言

LED全彩顯示屏是近年來快速流行的一種新型的傳播媒介，由于其顯示亮度高、色彩好、壽命長，視角大，同時具備任意延展性，可以實現(xiàn)大面積的無縫拼接，能增強媒介與受眾之間的互動，近年來在火車站、機場、大型商場、會展中心等場合得到了廣泛的應(yīng)用。LED全彩屏顯示系統(tǒng)為集計算機控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)為一體的顯示設(shè)備[1]。但是，作為半導(dǎo)體電子器件集中的光電系統(tǒng)，其電源模塊、控制芯片等半導(dǎo)體器件對溫度非常敏感，隨著溫度的增高，其老化速度會迅速加快[2]。對于戶外全彩顯示屏，一般做成完全密封的箱體，以求達(dá)到良好的防水效果，但是這給顯示屏散熱帶來極大障礙[2]。研究表明，LED顯示屏熱量損耗占能耗的80-90%[3]。因此，散熱、控制環(huán)境溫度是LED顯示屏可靠工作的重要一環(huán)。

近年來，學(xué)者們針對LED彩色顯示屏的散熱問題，開展了相關(guān)的研究。任紅[4]研究了LED選型中的功率、散熱問題；房偉[5]、燕希[2]等提出了一種半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用到LED屏散熱中；謝軍龍[6]等采用強迫風(fēng)冷技術(shù)對顯示屏進行散熱，并對某戶外LED顯示屏的溫度場進行了模擬分析；茅于海[7]探討了LED的散熱與LED壽命問題，指出了溫度與LED衰減壽命的關(guān)系，說明了散熱的重要性。對于LED系統(tǒng)的監(jiān)控，賈東耀[8]等提出了通過PC機與單片機通訊來對顯示內(nèi)容進行預(yù)覽；郭立新[9]提出了一種顯示屏供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示屏的供電狀態(tài)；劉建偉[10]提出了一種LED箱溫濕度、煙霧監(jiān)控系統(tǒng)，完成參數(shù)的測量。上述研究都指出了溫度對LED全彩屏的壽命具有重要的影響，也提出了一些環(huán)境監(jiān)控的方案，但是對于面積較大的LED室外全彩屏，其發(fā)熱量非常可觀，采用常規(guī)的風(fēng)冷和自然冷卻無法保證其工作溫度，這將造成顯示效果變差、器件迅速老化甚至造成顯示故障。

針對上述問題，本文針對某火車站大面積戶外全彩屏，提出了一種基于PLC的溫度控制和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制要求

某火車站戶外顯示屏面積達(dá)100平方米，峰值供電電流高達(dá)100A左右，發(fā)熱功率非常大，為保證系統(tǒng)安全運行，需要保持LED顯示屏內(nèi)部溫度在安全范圍內(nèi)，常規(guī)的風(fēng)冷無法滿足散熱要求，因此需要加入冷卻空調(diào)，同時，設(shè)計可靠的控制系統(tǒng)，滿足對溫度的控制要求。為了避免投顯示屏對電網(wǎng)造成的沖擊，LED彩色顯示屏分八組順序投入，同時，實現(xiàn)供電電源監(jiān)控、工作狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報警記錄、等功能。

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

PLC以抗干擾能力強，可以快速集成等特點，使得PLC的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在其他行業(yè)得到較好的應(yīng)用[11-16]。本文提出一種基于PLC、觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其控制方案見圖1。其中，遠(yuǎn)程人機界面選用威綸通經(jīng)濟型TK8071iP，其價格便宜，性價比高。PLC選用西門子SMART系列，型號為SR30，其本體包括18路數(shù)字量輸入口和12路數(shù)字量輸出口；擴展EMAE08模塊1塊，分別采集供電信號和溫度信號。

圖1中，為了溫度信息準(zhǔn)確，在不同位置安裝4路溫度傳感器，模擬量通過EM-AE08模塊采集計算后，取平均值作為實際溫度值。分布的煙霧報警開關(guān)4個，采用常閉觸點，將信號串聯(lián)后接入PLC的輸入點，使得無論任何位置發(fā)生火災(zāi)，都通過同一個信號觸發(fā)報警，減少了輸入接口。為了避免投切時對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，8組LED通過PLC控制接觸器分組投切，同時，將接觸器投切信號反饋到PLC以顯示其工作狀態(tài)。風(fēng)機和空調(diào)通過一定的控制邏輯，實現(xiàn)溫度控制。人機界面（觸摸屏）放置于遠(yuǎn)程監(jiān)控室，通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，距離不足時，通過光纖轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

圖1 系統(tǒng)控制方案圖

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

系統(tǒng)的主流程如圖2所示。系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇手動模式或自動模式，在手動模式下，可以分別對各組LED供電單元進行手動操作。在自動模式下，LED組件每隔2s投入一組，直至全部投入。系統(tǒng)會根據(jù)煙霧報警情況、溫度情況及電源情況判斷環(huán)境是否異常，在環(huán)境異常情況下，系統(tǒng)禁止投切操作，同時，啟動報警和故障記錄。

圖2 主啟動流程

無異常情況下，在自動模式下啟動后，系統(tǒng)一直運行，除非人工停止。在異常情況下，異常處理邏輯將驅(qū)動系統(tǒng)緊急停車，并驅(qū)動報警。

一般情況下，LED顯示屏的正常工作溫度范圍是-10℃-40℃，在超過65℃時，會迅速的加速老化，故障大幅度增多[7]。為防止溫度過高造成的系統(tǒng)故障及元件老化，需要對其溫度進行控制。在設(shè)計溫度控制系統(tǒng)時，既要保證溫度不超限，盡可能的保證系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)，又不能頻繁啟停，造成設(shè)備過多的切換導(dǎo)致的設(shè)備沖擊，同時兼顧節(jié)能要求。溫度控制流程圖見圖3所示。

圖3 溫度控制流程

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)定溫度上下限，其中，風(fēng)機開啟的溫度為40℃，空調(diào)的開啟溫度為45℃。系統(tǒng)首先檢測環(huán)境參數(shù)，條件滿足后，判斷溫度是否達(dá)到風(fēng)機開啟門限，若超過限定值，啟動風(fēng)機，進行風(fēng)冷循環(huán)。正常情況下，風(fēng)機可以基本保證環(huán)境溫度不超過45℃。若溫度超過空調(diào)開啟溫度，則開啟空調(diào)，在開啟空調(diào)和循環(huán)風(fēng)的作用下進行降溫循環(huán)。極端情況下，溫度超過65℃時，則判斷為系統(tǒng)失控，繼續(xù)工作則可能造成損壞，系統(tǒng)緊急停車，切斷電源，風(fēng)機、空調(diào)停止工作，同時，啟動系統(tǒng)報警。

同時，為避免設(shè)備頻繁啟停，空調(diào)和風(fēng)機在具備一定寬度的溫度范圍內(nèi)工作，其中，風(fēng)機停止溫度為37℃，空調(diào)的停止溫度為41℃。

4 人機界面設(shè)計

觸摸屏選用威綸通TK系列觸摸屏，型號為TK8071iP。觸摸屏具有以太網(wǎng)通訊接口，可以方便采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議與SMART系列PLC進行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)控制柜與監(jiān)控室距離較遠(yuǎn)時，可以光纖轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離傳輸。

人機界面是重要的信息終端和控制裝置。可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控、電參數(shù)狀態(tài)檢測、溫度檢測、故障記錄等功能。本設(shè)計包括主畫面，監(jiān)控畫面、曲線記錄畫面、報警記錄畫面等。主畫面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控主畫面

主畫面主要包括系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示，系統(tǒng)LED狀態(tài)顯示，自動啟停控制；溫度顯示，供電系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。這些信息可以直觀的看到現(xiàn)場的信息，也可以在遠(yuǎn)程進行系統(tǒng)的啟停操作。

系統(tǒng)工作專題監(jiān)控畫面主要顯示現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)，包括風(fēng)機、空調(diào)以及8組LED顯示屏的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)畫面見圖5。

圖5 系統(tǒng)工作狀態(tài)畫面

溫度實時數(shù)據(jù)顯示畫面如圖6所示。該畫面主要功能為系統(tǒng)溫度曲線記錄，系統(tǒng)實時檢測環(huán)境溫度并繪制曲線，為系統(tǒng)溫度趨勢和系統(tǒng)工作狀態(tài)分析提供依據(jù)。

圖6 溫度實時數(shù)據(jù)顯示畫面

此外，還有報警數(shù)據(jù)記錄畫面、報警記錄畫面等。當(dāng)事件驅(qū)動故障時，報警畫面立即顯示并閃爍，提示故障信息。報警記錄畫面保存歷史報警數(shù)據(jù)，為排除故障、事故信息等提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語

本文根據(jù)某火車站大面積室外LED全彩屏的環(huán)境控制要求，提出了基于西門子新型經(jīng)濟型可編程控制器S7-200SMART為核心，以低成本經(jīng)濟型威綸通TK8071iP觸摸屏為人機界面的控制系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)工藝和控制需求，介紹了系統(tǒng)控制方案和程序設(shè)計方法，并根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計了人機界面。該系統(tǒng)通用性強，抗干擾能力和可靠性較高，經(jīng)過實際應(yīng)用，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動溫度控制，為LED系統(tǒng)的安全可靠運行提供了保障。