基于PLC控制的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)設(shè)計

王翠榮

（江蘇省宿城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇宿城，223800 ）

0 引言

現(xiàn)代建筑照明系統(tǒng)能夠保證人們的日常生活和工作，消耗量繼空調(diào)系統(tǒng)成為第二大能耗，面對社會資源損耗的增加以及綠色環(huán)保理念的提出，以智能化的照明系統(tǒng)的成為當(dāng)前關(guān)注的焦點。高校教學(xué)樓是學(xué)生頻繁上課且用電比較重要的場所，能源消耗巨大。本文最大限度利用現(xiàn)有的資源，借助于PLC控制技術(shù)，和多種傳感器系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件完成教室的智能照明的控制，結(jié)合教室的實際情況完成對于照明的控制，達到綠色節(jié)能的理念。

1 控制方案以及要求

教室作為校園教學(xué)和學(xué)習(xí)的重要場所，保證照明可靠運行，能夠為教育教學(xué)活動保駕護航，借助于智能傳感器系統(tǒng)，可以判定教室環(huán)境的光照強度和人員的變化，實現(xiàn)對校園教室照明的智能控制，將開關(guān)信號設(shè)定為兩種，即手動和自動模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時則為傳統(tǒng)的手動照明模式。在手動模式情況下，可以手動操作完成對現(xiàn)場照明的斷開和閉合，是傳統(tǒng)照明運用；在自動控制模式下，根據(jù)教室內(nèi)人員、光照強度以及系統(tǒng)時間的設(shè)定，完成對教室的智能控制，主要是多種傳感器的配合使用，而對于現(xiàn)場具體光照強度的控制主要是對室內(nèi)照明燈點亮的個數(shù)來實現(xiàn)。例如，在自動控制模式下，在光照強度達到室內(nèi)設(shè)定的閾值前提下，將此時的信號上傳至上位機，控制照明燈自動關(guān)閉，但是，在陰天時候，在光照強度低于室內(nèi)設(shè)定的閾值前提下，將此時的信號上傳至上位機，控制教室照明燈自動開啟，但是，如果監(jiān)測此時教室無人上課或者上自習(xí)時，紅外傳感器聯(lián)動，阻止上位機發(fā)出指令照明。同時，在晚上時，學(xué)生已經(jīng)不來上課，此時，教學(xué)樓有人上自習(xí)，利用光照傳感器和人體紅外傳感器，感知學(xué)生進入教室，教室照明自動打開，如果無人前來，則自動關(guān)閉。同時，也可設(shè)定此時利用手動模式情況下來控制照明。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可以借助于手動操作，完成教室的照明，能夠確保教學(xué)活動的正常運行，也能盡可能避免照明浪費情況。

2 智能照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該功能模塊主要含有三個部分上位機、下位機和通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)首選該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，利用GH-3002-GZ 型號的光照度傳感器完成對于現(xiàn)場光照強度的采集，利用人體紅外感應(yīng)模塊對教室人員的檢測，在教室內(nèi)設(shè)定光照傳感器和人員紅外感應(yīng)模塊，完成對于現(xiàn)場的總控制，基于此，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1，保證系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運行，該系統(tǒng)使用的是以太網(wǎng)通信實現(xiàn)對程序的下載，設(shè)備電源為DC24V，設(shè)計電路連線圖見圖2。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2中主要有兩種傳感器：光電傳感器和人體溫度傳感器，前者主要用于對光照信號的采集，后者主要是對檢測區(qū)域測定人員的數(shù)量和位置，將采集的光照信號和人員數(shù)量等信號采集到上位機PLC中。PLC作為系統(tǒng)的核心器件，利用采集的光照信號和人員數(shù)量等信號向開關(guān)量模塊發(fā)出指令。開關(guān)信號有手動和自動模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時則為傳統(tǒng)的手動照明模式。

圖2 連線示意圖

■2.1 PLC控制器

該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，使用的是以太網(wǎng)通信實現(xiàn)對程序的下載，設(shè)備電源為DC24V。該控制器具有20個端口，18個輸入和12個輸出，為有效節(jié)約現(xiàn)有的成本資源，設(shè)定一個總的控制開關(guān)、燈控和人體感應(yīng)開關(guān)（分別為四個）、以及光照度檢測傳感器（四個）。照明位置分別為講臺照明，以及學(xué)生座位上方照明。為保證教室照明的強度，學(xué)生位置照明達到300 lx強度，講臺照明強度達到500lx強度，符合國家設(shè)定的《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。同時，根據(jù)教室的具體情況，將室內(nèi)光感在教室正上方，人感傳感器在門口位置和教室門口位置。

■2.2 檢測模塊

檢測模塊主要是采用與PLC-200匹配使用的GH-3002-GZ傳感器模塊，完成對室內(nèi)光照強度的檢測。主要采用0～6×10和0～20×10精度的光照度傳感器，主要有電流和電壓模式的模擬量輸出光照傳感器。GH-3002-GZ傳感器具有較高的防護性能，能夠精準(zhǔn)檢測微弱熱光源和冷光源，傳輸精度高，傳輸距離長，同時具有較強的擴展性，可以在比較惡劣的環(huán)境下運用，由于此具有壁掛防水功能，可以在校園內(nèi)廣泛使用。該傳感器工作電壓是10～30V，有四根引線，分別為正負極和兩個信號段，用來接入PLC控制器的模擬量。該傳感器模塊主要采用智能的可調(diào)節(jié)的電壓信號，可以被廣泛運用。

■2.3 組態(tài)模塊

上位機組態(tài)監(jiān)視模塊主要是借助于組態(tài)王軟件實現(xiàn)對校園教室照明情況的及時反饋，能夠直觀的看清現(xiàn)場的運行情況。利用該設(shè)計模塊，完成對現(xiàn)場照明的控制，以及教室照明亮度的調(diào)節(jié)和控制，利用通信系統(tǒng)，完成人機交互。對于系統(tǒng)的照明控制，主要是完成對學(xué)校教室內(nèi)照明的統(tǒng)一啟停的控制，以及單個教室內(nèi)部照明的控制，確保在緊急環(huán)境下，能夠緊急制動。借助于通信系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)主要是實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示，利用組態(tài)軟件，完成信息的預(yù)報和警示，于此做出對應(yīng)的信息報表，利用數(shù)據(jù)庫完成對信息的存儲備份，以便后期能夠?qū)π畔⒌恼{(diào)用。

3 控制程序設(shè)計

■3.1 程序設(shè)定思想

該程序主要考慮兩種控制模式。開關(guān)信號有手動和自動模式兩種，當(dāng)開關(guān)打開時，該系統(tǒng)處于智能照明模式，關(guān)閉時則為傳統(tǒng)的手動照明模式。自動模式下主要是完成對各個檢測點的數(shù)據(jù)采集，以及照明時間的設(shè)定。在打開自動模式下時，對各個數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的采集，利用現(xiàn)階段學(xué)生上課和自習(xí)的時間，判定教室照明時間的長短。

一般來說，根據(jù)學(xué)校學(xué)生上課時間的統(tǒng)一性，在學(xué)生上課之前開啟照明裝置，在上午六點和晚上十二點開啟裝置，在上課之前采用的是智能人體溫度傳感器信息的采集，一旦有學(xué)生提前進入教室，可以自動開啟。同時和教室內(nèi)光照傳感器形成聯(lián)動開關(guān)，當(dāng)教室內(nèi)光纖充足時，即使有人也不必要打開照明模式，若是教室內(nèi)光照強度不夠時，開啟照明模式。利用不同的照明模式，開啟智能照明模式。換言之，當(dāng)室內(nèi)的光線強度達到設(shè)定的閾值，應(yīng)該關(guān)閉該系統(tǒng)的照明模式。也就是說，根據(jù)教室內(nèi)學(xué)生上上課與不上課的時段，對教室內(nèi)光照強度進行設(shè)定。當(dāng)該系統(tǒng)采用手動照明模式時，可以借助于教室內(nèi)開關(guān)或者上位機手動模式的點擊，對控制區(qū)域燈具進行控制，其中控制流程圖詳見圖3所示。

圖3 照明系統(tǒng)程序控制流程

■3.2 部分梯形圖設(shè)計

（1）接通線圈，程序圖如圖4所示。

圖4

（2）設(shè)定定時器，T=300s，程序圖如圖5所示。

圖5

（3）定時器每次完成一次定時，計時器則完成一次計數(shù)，程序圖如圖6所示。

圖6

（4）為保證該照明系統(tǒng)能夠在早上六點到晚上十一點開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.1動作，程序圖如圖7所示。

圖7

（5）為保證該照明系統(tǒng)能夠在晚上十一點到十二點開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.2動作，程序圖如圖8所示。

圖8

（6）為保證該照明系統(tǒng)正常運行，在晚上十二點至早上六點之間開通，設(shè)定以下程序圖控制M0.3動作，程序圖如圖9所示。

圖9

（7）根據(jù)在不同的時間段內(nèi)，根據(jù)不同的光照強度以及聲音（判定教室內(nèi)是否有人），判定此時教室是否需要開燈，程序圖如圖10所示。

圖10

4 試驗結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)的可靠性，隨機抽取兩個教室實現(xiàn)對教室的用電控制，采用對比數(shù)據(jù)方式驗證。第一個教室（201）利用傳統(tǒng)的照明方式，第二個教室（301）利用智能的照明方式，監(jiān)控一個學(xué)期。201教室用電量為256.4kW·h，301教室用電量為171.4kW·h，除卻由于天氣和人為因素的影響，得出能夠節(jié)省33.15%，滿足事先設(shè)定的預(yù)算數(shù)值，試驗結(jié)果保證了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

綜上所述，借助于PLC控制裝置以及傳感器系統(tǒng)（光照傳感器和人體紅外傳感器等）的配合使用，通過組態(tài)軟件完成教室的智能照明的控制，結(jié)合教室的實際情況（教室光照強度、人員數(shù)量以及時間等因素）完成對于照明的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)教室照明自動化控制，有效節(jié)約電能資源，提高燈具照明的壽命，達到綠色節(jié)能的理念。