教室照明控制系統的設計

李文軍，陳杰，王永峰

（1.內蒙古工業大學 工程訓練教學部，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學 后勤管理處，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

照明的發展依賴于科學的進步和生產技術水平的提高。自從愛迪生的第一只鎢絲燈泡問世以來，世界擁有了由電能轉換而來的一片光明。照明控制系統是以實現顯著的節能為主要目的，有效的控制可以延長燈具，提高照明質量，改善工作環境，實現多種照明效果。

傳統照明控制系統在照明控制方式上主要以手動為主，僅能實現簡單的開關和調光控制，具有功能簡單，造價低廉，控制信息不能進行交換，管理效率低等特點。隨著電氣技術的不斷發展，照明控制邁入了自動控制階段，利用自動控制技術來遙控燈具的開關，具有控制相對集中，管理效率較高，自動化程度相對較高的特點。智能照明控制系統是隨著計算機技術、自動控制技術和網絡通信技術的發展出現的，其可以根據客觀要求、環境變化和用戶預訂等條件而自動采集系統中的各種信息，再對所采集的信息進行相應的邏輯分析與判斷，然后把結果按一定的形式傳輸、存儲、顯示以及反饋控制等處理，使控制效果達到最佳的照明系統，稱之為智能照明控制系統。

高等院校的教室是師生學習、工作的主要空間和場所。如果能夠在學校各類教室應用智能照明控制系統，根據教室的客觀要求、環境變化和用戶預訂等條件自動控制照明燈具的開閉與數量，并充分利用自然光，實現教室照明控制與管理的自動化與智能化，對于新形勢下的智慧校園建設具有重要的意義。

1 控制需求與分析

1.1 功能分析

教室照明控制系統要滿足學生在一定時間段內的高密度使用需求，而且學生多為統一住宿管理，在關閉宿舍后教室照明需求會急劇減小。在設計自動控制模式外，還需要設計手動控制模式，實現照明系統的即時通斷，用以解決自動控制模式下無法控制的情況。此外還需設計一種半自動化的控制系統，即定時控制模式，該模式可以避免傳感器出現問題時出現的誤操作，且不需要人員全程跟隨控制。

1.2 總體結構設計

教室照明控制系統的結構框圖如圖1所示。硬件部分以S7-1200 PLC 控制器為核心，使用昆侖通泰工業觸摸屏作為人機交互的平臺，將光照度傳感器和人體紅外感應探頭的數據作為輸入，經由PLC 處理后用以控制交流繼電器，繼而控制燈組。

圖1 教室照明控制系統的結構框圖

2 硬件電路設計

系統的電路使用光照度傳感器和三個紅外傳感器的數據輸入提供自動模式下的判斷依據，系統的電氣原理如圖2所示。正常情況下由工業觸摸屏作為人機交互的平臺可以實現系統的正常控制，而在非正常情況下也可以使用I0.3 ～I0.6之間的手動按鈕控制系統。

圖2 教室照明控制系統電氣原理路圖

由圖2可知，I0.0 ～I0.2 為紅外傳感器，用于檢測是否有人接近；I0.4 ～I0.6 為模式選擇開關，在觸摸屏連接出現問題導致無法控制時，可以使用按鈕來控制系統模式；AI0為光照度傳感器的模擬量輸入，用于檢測實時光照度，進而傳遞數據給PLC 處理；工業觸摸屏使用PROFINET 接口與PLC 連接；Q0.0 ～Q0.3 為四個繼電器，用于控制對應的交流接觸器線圈，控制燈組的亮滅；Q0.4 ～Q0.6 為三種模式的指示燈，用來顯示當前系統正處于何種控制模式。系統電氣原理路圖的I/O 接口分配如表1所示。

表1 教室照明控制系統I/O 接口表

3 控制程序設計

3.1 自動控制模式程序設計

自動控制模式下，照明受到環境光照度和是否有人接近的影響，在環境光照度低于閾值且有人接近的情況下，程序才會輸出開啟信號。光照度傳感器輸出量為0 ～10 V 的電壓量模擬量信號，而PLC1200 的模擬量輸入直接支持0 ～10 V 電壓模擬量輸入，則可以直接使用。PLC 的模擬量數值為0 ～27 648，對應電壓0 ～10 V，可以使用一個NORM標準化模塊來進行對模擬量的處理，得到的數值再經過一個SCALE 比例模塊進行轉換，得到需要的光照度數值，單位為lx；而人體紅外感應探頭可以檢測到是否有人靠近，由于輸出為數字量，則PLC 可以直接使用。如圖3所示。

圖3 系統的自動控制流程

在自動控制模式下，如果周圍環境照度低于25lx，則判斷周圍環境光照度不足以滿足使用需求，且當有人靠近觸發人體感應紅外探頭，程序將會輸出開啟信號，用以控制繼電器的通斷，進而控制燈組。

3.2 手動控制模式程序設計

手動控制模式作為應急狀態時自動控制模式作為補充，當自動控制模式滿足不了控制需求時，可以切換到手動控制模式，在工業觸摸屏端按下開啟按鈕時，對應燈組即會亮起，同理可關斷。

4 觸摸屏界面設計與系統測試

工業觸摸屏使用昆侖通泰TPC1061Ti，界面使用MCGS組態軟件進行編寫。MCGS 為使用者提供了用以解決實際上工程問題的開發平臺和完整方案，對于現場數據收集、實時以及歷史數據分析、安全和報警機制、動畫顯示、流程控制、報表輸出和趨勢曲線等可以很好地實現。

當進入系統時，工業觸摸屏界面如圖4所示，此時可以自由選擇控制模式，進入相應控制模式的子界面。

圖4 主界面仿真圖

在自動控制控制模式下，工作指示燈亮起，光照度數值顯示當前光照度為20lx，人體紅外探頭1 亮起，燈組1 亮起，表示當光照度小于閾值且人體紅外感應探頭感應到有人接近的情況，此時燈組1 亮起，完成相應的功能。如圖5所示。

圖5 自動控制模式仿真圖

5 結 論

本文對于校園照明控制系統的現狀，分析了現存的校園照明控制系統的不足和未來的可發展性，設計了基于PLC的教室智能照明控制系統，提出了解決校園照明系統能耗過高、缺少后備照明方案的問題，完成了照明控制系統硬件部分的選型設計和軟件部分的編程。在自動控制模式下，環境光照度和是否有人接近對照明產生影響，在環境光照度低于閾值且有人接近的情況下會輸出開啟信號；手動控制模式在傳感器失靈導致的照明不當時，給以上兩種模式作為補充，當自動控制模式和定時控制模式滿足不了控制需求時，可以切換到手動控制模式。