廣播電視大廈燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□常云峰

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們物質(zhì)文化生活水平不斷提高，導(dǎo)致用電負(fù)荷加劇，能源危機(jī)已成為一個(gè)嚴(yán)峻問題。隨著廣電事業(yè)的發(fā)展，辦公樓宇不斷擴(kuò)建，建筑物內(nèi)的照明系統(tǒng)是不可或缺的，辦公以及公共區(qū)域照明管理不當(dāng)，容易造成電能巨大浪費(fèi)，因此提高廣播電視大廈辦公及公共區(qū)域照明用電效率成為一個(gè)重要課題。

國內(nèi)外很多地方開始采用建筑物燈光自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但一些廣播電視大廈辦公及公共區(qū)域照明依然采用傳統(tǒng)的手動(dòng)控制管理，辦公及公共區(qū)域照明用電管理不完善，造成電能巨大浪費(fèi)以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失，這種沒必要的浪費(fèi)與當(dāng)今節(jié)能綠色環(huán)保理念相違背。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷更新、計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用，燈光照明管理也應(yīng)朝著自動(dòng)化、節(jié)能化方向發(fā)展。于是，開發(fā)一套簡單、實(shí)用、可靠的樓宇燈光自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對廣電大廈而言具有更重要意義。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)功能

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化燈光控制系統(tǒng)以松下PLC為控制核心，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體所在的區(qū)域，通過對人體存在的信號感應(yīng)和判斷，完成對人體所在區(qū)域照明電路自動(dòng)化控制。整體系統(tǒng)由人體紅外傳感器感應(yīng)信號，輸入松下PLC進(jìn)行處理、判斷、輸出，再由松下PLC輸出電路，控制燈光。

2.系統(tǒng)功能

自動(dòng)化燈光控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有效的公共及辦公區(qū)域燈光控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體所在區(qū)域的紅外感應(yīng)信號，通過對信號的處理及分析控制該區(qū)域燈光自動(dòng)啟停。理論和實(shí)驗(yàn)證明這種控制方式能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

人體感應(yīng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

1.工作電壓：DC 5V至20V

2.靜態(tài)功耗：65毫安

3.電平輸出DC12V至24V

4.感應(yīng)范圍：紅外感應(yīng)120度錐角，6米以內(nèi)

5.工作溫度：-20℃至+60℃

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要是對人體所在區(qū)域進(jìn)行檢測，輸出電平信號，通過對信號采集及處理實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域燈光控制，達(dá)到節(jié)約能源的目的。本自動(dòng)化系統(tǒng)有兩種控制方式：自控制狀態(tài)和手動(dòng)控制狀態(tài)。

自動(dòng)化控制狀態(tài)：系統(tǒng)上電后處于自動(dòng)控制狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器檢測6米以內(nèi)人體紅外信號。檢測到該區(qū)域有人員活動(dòng)，輸出高電平信號DC12V至24V，PLC輸入模塊接收電信號，通過PLC處理后輸出控制指令，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器并閉合燈光回路。

手動(dòng)控制狀態(tài)：在系統(tǒng)上電后按下手動(dòng)自動(dòng)切換按鈕，并通過觸摸屏手動(dòng)控制某個(gè)區(qū)域燈光啟停，再按下手動(dòng)自動(dòng)按鈕可以恢復(fù)到自動(dòng)控制狀態(tài)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.PLC（可編程序控制器）簡介

PLC可編程序控制器被稱為PC（Programmable Controller）或PLC（Programmable Logic Controller）。20世紀(jì)60年代中期，美國通用汽車公司為了適應(yīng)汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線不斷更新的需求，提出了一種設(shè)想：把技術(shù)完善、通用靈活、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制電路簡單易懂易操控的特點(diǎn)結(jié)合起來，制造出新型的工業(yè)控制裝置系統(tǒng)，并提出了新型電氣控制系統(tǒng)10條招標(biāo)要求。其中包括：工業(yè)性比繼電器控制電路可靠；占用空間比繼電器控制電路要小；價(jià)格上能與繼電器電路系統(tǒng)競爭；必須易于編程；易于在工作現(xiàn)場變更程序；便于維護(hù)、使用和維修；可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器的執(zhí)行系統(tǒng)；可向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)這一要求，于1969年研制成功第一臺控制器PDP—14。

這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響，可編程序控制器在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展壯大起來。1971年，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，并成功研制了日本第一臺控制器。1973年至1974年，德國、法國也相繼成功研發(fā)本國的控制器。我國從1974年開始研制，1977年成功制造出以一個(gè)微處理器MC14500為核心的控制器，并用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.PLC的主要特點(diǎn)

PLC是在微處理器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的電子控制裝置系統(tǒng)。存儲器與用戶指令相結(jié)合，通過數(shù)字或模擬的輸入/輸出完成一系列邏輯、順序、計(jì)數(shù)、定時(shí)、運(yùn)算等功能控制，從而控制各種類型的機(jī)電自動(dòng)化設(shè)備和工藝生產(chǎn)過程。PLC把微型計(jì)算機(jī)和繼電器控制系統(tǒng)融合為一體，兼具計(jì)算機(jī)的功能完備、靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

3.PLC的主要應(yīng)用

經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，PLC的上述特點(diǎn)越來越為廣大的工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員所認(rèn)知、接受和使用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到化工、水利、石油、電力、輕工、冶煉、智能樓宇等各個(gè)控制領(lǐng)域。

①熱釋電紅外傳感器

自然界存在的各種物質(zhì)，如人體、動(dòng)物、塑料、木材、鋼鐵等都會發(fā)出不同波長的紅外線，利用紅外傳感器可對其進(jìn)行檢測。紅外傳感器可分為熱型和量子型兩種。熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器。與量子型紅外傳感器相比，響應(yīng)的紅外線波長范圍更寬，價(jià)格低廉，可在常溫環(huán)境下使用。量子型紅外傳感器與熱釋電紅外傳感器相反，要求冷卻環(huán)境下能正常工作。在該自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用熱釋電紅外傳感器。

②輸入/輸出燈控電路設(shè)計(jì)

輸入輸出控制電路通常稱為I/O模塊。PLC對外部電器的控制主要是通過各種I/O模塊與外部所連接電器而實(shí)現(xiàn)。輸入輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O受控電器設(shè)備之間的連接部件，起到PLC與外部受控電路設(shè)備之間傳遞控制信息的作用。通常輸入輸出I/O模塊上還有LED顯示和I/O連線端口，以便于連接和監(jiān)視PLC整體輸入輸出工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用直流輸入輸出設(shè)計(jì)。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.梯形圖

在該工程項(xiàng)目中采用梯形圖編程語言，這也是實(shí)際設(shè)計(jì)中最常用的一種編程設(shè)計(jì)語言。因與繼電器控制電路很相似，所以具有直觀、易懂、易學(xué)、易使用的特點(diǎn)，很容易被熟悉繼電器控制電路系統(tǒng)的電氣工程技術(shù)人員掌握，適合于數(shù)字邏輯電路控制。

梯形圖是一種圖形化的編程設(shè)計(jì)語言，使用了傳統(tǒng)電氣原理圖中的繼電器、接觸器、線圈、串并聯(lián)和一些圖形符號標(biāo)識，左右豎線稱為左右母線。在程序中，最左邊是主信號輸入，梯形圖由左右母線、觸點(diǎn)、線圈和指令框及高級指令組成。觸點(diǎn)代表電路輸入條件，線圈代表電路邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出，指令框用來表示計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及高級指令中的多功能數(shù)學(xué)運(yùn)算等指令。梯形圖中所標(biāo)識的觸點(diǎn)狀態(tài)只有常開和常閉兩種，觸點(diǎn)可以是PLC外部電路連接的輸入觸點(diǎn)，也可以是PLC內(nèi)部中間繼電器的觸點(diǎn)或內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等觸點(diǎn)。梯形圖中常開和常閉觸點(diǎn)可以任意串并聯(lián)使用，線圈只可并聯(lián)使用。內(nèi)部中間繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、寄存器不能直接驅(qū)動(dòng)外部電路負(fù)載。PLC按照循環(huán)掃描的工作方式處理控制任務(wù)，并沿梯形圖的先后順序執(zhí)行控制命令及輸出結(jié)果。

2.系統(tǒng)使用指令

①X輸入繼電器指令，PLC接收外部開關(guān)量輸入信號的端口。PLC將外部輸入開關(guān)量信號的狀態(tài)（0或1）讀取并存儲到對應(yīng)的輸入地址寄存器即輸入繼電器中。外部輸入電路接通時(shí)，對應(yīng)的映象寄存器為NO（1狀態(tài)），該輸入繼電器常開點(diǎn)閉合，常閉點(diǎn)斷開。輸入繼電器狀態(tài)取決于外部電路輸入信號，不能用程序控制，在梯形圖中不能出現(xiàn)輸入繼電器線圈。在本系統(tǒng)中外部開關(guān)量信號由熱釋電紅外傳感器輸出獲得。

②Y輸出繼電器指令，PLC向外部連接電器發(fā)送信號的端口。輸出繼電器用來將PLC的輸出信號輸出給輸出端口，在驅(qū)動(dòng)外部大功率電器。

PLC輸出繼電器是向外部負(fù)載電路輸出信號通道，通過光電耦合器隔離及RC濾波后接外部負(fù)載。輸出繼電器線圈由梯形圖編程控制，外部輸出接點(diǎn)連接到PLC輸出端子上，以供驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載電路使用，其余的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)供內(nèi)部使用。輸出繼電器的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)使用次數(shù)不限，線圈在梯形圖編程中只能使用一次。

輸出接口有計(jì)算機(jī)輸出接口電路和隔離電路、功率放大電路等組成。PLC的外部輸出電路有三種類型，即繼電器輸出型、晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是繼電器輸出型電路。

③R內(nèi)部繼電器指令，PLC中有很多內(nèi)部繼電器，線圈與輸出繼電器一樣，由PLC中各種軟元件的觸點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部繼電器也稱為中間繼電器，沒有外部的連接電路。中間繼電器只供內(nèi)部編程使用。梯形圖中常開觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)不受使用次數(shù)限制，這些觸點(diǎn)不能直接使用和驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載電路，外部負(fù)載驅(qū)動(dòng)大功率電器必須通過輸出接點(diǎn)與接觸器連接來實(shí)現(xiàn)。

④F0（MV）16位數(shù)傳送指令，功能是將16位二進(jìn)制常數(shù)或16位數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)傳送到另一個(gè)16位存儲單元中。

⑤T定時(shí)器指令，PLC的內(nèi)部定時(shí)器根據(jù)時(shí)鐘脈沖累計(jì)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)達(dá)到程序設(shè)定值時(shí)，觸動(dòng)相對應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作，常開點(diǎn)閉合，常閉點(diǎn)斷開，使用脈沖有10ms（TRM）、100ms（TMX）、1s（TMY）三種。定時(shí)器可以用程序存儲器內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)存儲器（DT）或其他字單元的內(nèi)容作為設(shè)定值。默認(rèn)設(shè)置，松下PLC有100個(gè)定時(shí)器，地址范圍T0~T99,設(shè)定值范圍K1~K32767（K表示十進(jìn)制數(shù)）。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用1s（TMY）定時(shí)器。

定時(shí)器只有一個(gè)輸入，有兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲器，一個(gè)為經(jīng)過值存儲器EV，另一個(gè)是設(shè)定值存儲器SV，編號與定時(shí)器一致。如SV0是定時(shí)器T0的設(shè)定值寄存器，EV1是定時(shí)器T1的經(jīng)過值寄存器。設(shè)定值由用戶通過編程梯形圖自行設(shè)置。當(dāng)線圈通電時(shí)，定時(shí)器的當(dāng)前值進(jìn)行減計(jì)數(shù)計(jì)算，當(dāng)前值計(jì)到0時(shí)，對應(yīng)的常開與常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，常開點(diǎn)閉合，常閉點(diǎn)斷開。線圈斷電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，所有的觸點(diǎn)復(fù)位為0狀態(tài)，不保存中間數(shù)值，當(dāng)前值又變成初始設(shè)定值。

3.手自動(dòng)切換程序設(shè)計(jì)

手自動(dòng)切換是通過一個(gè)自鎖按鈕來實(shí)現(xiàn)的，自鎖按鈕按下，X0接通輸出中間繼電器R1，通過R1中間繼電器的開啟和閉合控制手動(dòng)程序及自動(dòng)程序輸出，觸摸屏讀取R1狀態(tài)輸出顯示手動(dòng)及自動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換。

4.手動(dòng)程序設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制是特殊情況使用的控制模式，按下自鎖按鈕X0接通輸出R1，R1中間繼電器常開點(diǎn)閉合，常開點(diǎn)串聯(lián)在手動(dòng)程序中啟動(dòng)后，手動(dòng)程序輸出，常閉點(diǎn)斷開，R1常閉點(diǎn)串聯(lián)在自動(dòng)程序中，R1啟動(dòng)后自動(dòng)程序輸出斷開，通過觸摸屏控制R2中間繼電器的開閉，輸出受控?zé)艟呓佑|器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

5.自動(dòng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)默認(rèn)自鎖按鈕無動(dòng)作，R1在自動(dòng)控制程序?yàn)槌ｉ]按鈕，自動(dòng)程序默認(rèn)電路接通狀態(tài)。當(dāng)有人員進(jìn)入紅外掃描區(qū)時(shí)，熱釋電紅外傳感器輸出一個(gè)高電平信號，X1接通，觸發(fā)F0數(shù)據(jù)傳送指令將常數(shù)K，120傳送到定時(shí)器T0 SV設(shè)定值（定時(shí)控制燈光啟動(dòng)兩分鐘），同時(shí)輸出R4中間繼電器并保持自鎖，受控?zé)艟邌?dòng)。當(dāng)掃描區(qū)域還有人員活動(dòng)時(shí)再次觸發(fā)傳送指令，定時(shí)器重新啟動(dòng)，掃描區(qū)域人員離開時(shí)，定時(shí)器減數(shù)計(jì)算到0時(shí)，定時(shí)器輸出接點(diǎn)T0動(dòng)作，常閉點(diǎn)斷開，自鎖斷開，程序輸出復(fù)位，燈光關(guān)閉。

R3、R4中間繼電器為手動(dòng)和自動(dòng)程序的輸出，將R3、R4并聯(lián)在電路中，任何一個(gè)動(dòng)作都能驅(qū)動(dòng)Y0輸出，Y0為受控?zé)艟呓佑|器。這樣的設(shè)計(jì)避免了程序中雙線圈輸出。

六、結(jié)語

該系統(tǒng)運(yùn)用熱釋電紅外傳感器及松下PLC，完成燈光的啟停控制，將工業(yè)用電子元器件應(yīng)用到民用領(lǐng)域，提高整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用到博物館、展覽館、機(jī)房、隱蔽工程等照明場所，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，無人工參與，節(jié)能環(huán)保質(zhì)量可靠。