基于PLC 的校園智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

王連杰，欒泰珍

（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東煙臺 265600）

隨著人們?nèi)粘Ｉ钪袑δ茉蠢速M的逐漸重視，根據(jù)節(jié)省能源、維護(hù)世界環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的需要，中國自一九九三年十一月啟動“中國綠色照明工程”以來，已于一九九六年開始納入國家計劃[1]。但由于現(xiàn)代化燈光設(shè)備的使用并不普遍，大部分學(xué)校還是采用傳統(tǒng)的燈光管理方法。對完善校園交通燈光智能管理工程，進(jìn)一步擴(kuò)大管理點位，主動實時控制和遠(yuǎn)程管理校園燈光裝置的顯示，對于合理控制道路燈光和景觀燈的工作與停止有著重大的現(xiàn)實意義。

在普通高等學(xué)校中，教學(xué)樓、實驗樓、學(xué)生宿舍一般用電比較多，而且設(shè)備也比較高級一些，用電不同于初高中學(xué)、小學(xué)，展現(xiàn)出下列用電特征。

1）普通高等學(xué)校在能源的使用上，主要是以使用電力為主，大約占90%以上。

2）最主要的供電設(shè)備，通常是照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、排水設(shè)備、水處理及其他設(shè)備，尤其是當(dāng)照明負(fù)荷正好與供電設(shè)備的最高峰負(fù)載重合時，使供電的最大負(fù)載發(fā)生了很大的沖擊。

3）學(xué)校的照明具有遍布廣闊、數(shù)目比較多、對照明的監(jiān)管比較松散、用電的時間比較長、學(xué)校內(nèi)用電環(huán)境繁雜及人工對其進(jìn)行掌控不太便利等特征。學(xué)校內(nèi)學(xué)生經(jīng)常使用的教室、宿舍、圖書館等地夜晚時間的用電量比較大，對學(xué)校電網(wǎng)的負(fù)荷也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

以上特點表現(xiàn)出學(xué)校在電力的有效使用中往往會忽略燈光照明使用的浪費問題。

1 方案設(shè)計

1.1 方案整體要求

對于智能照明控制系統(tǒng)給出以下幾點基本要求。

1）學(xué)生在社會中處于一種獨特的存在，其活動具有一定的規(guī)律性。因此，對一些照明設(shè)施需要進(jìn)行智能分時控制的辦法，分段時序控制采用時序控制器，根據(jù)不同季節(jié)、不同時段設(shè)定不同的控制時序。

2）在學(xué)生的假期時間就可以采用手動控制的方式，根據(jù)學(xué)生的需要，可以定時或少量開啟，根據(jù)學(xué)生的使用時間進(jìn)行變化；路燈每天只需要開啟1/4，滿足最低照明要求。

3）草坪與花壇燈光采取在第1、第2 時段完全與部分開啟，第3 時段全熄的調(diào)控方法。

4）為提高在PLC 故障狀態(tài)下的道路照明效果，設(shè)置過程中考慮了手動與自動2 個工作模式，在手動中可人為打開或關(guān)閉任意一路燈光[2]。

5）在設(shè)計時考慮夏、秋時制與冬、春時制的識別。

1.2 智能照明系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢

1.2.1 優(yōu)越的節(jié)能效果

此次采用的智能照明控制系統(tǒng)的首要目標(biāo)是降低能源沒有必要的耗損與人力資源的耗費，智能照明控制系統(tǒng)通過各種預(yù)設(shè)的控制模式和控制元件，對不同時間和環(huán)境條件進(jìn)行精確設(shè)置與智能控制，以此來達(dá)到節(jié)約能源的成效。

1.2.2 創(chuàng)造優(yōu)越的作業(yè)條件，提高效率

提高效率的重要條件是優(yōu)越的設(shè)備條件、優(yōu)良的設(shè)備，使用燈光的設(shè)置要正確的燈具和燈光系統(tǒng)也可以改善燈光的作用[3]。

1.2.3 提高光源的照明時長

增加光源的照明時長不僅能夠節(jié)約許多的經(jīng)費，而且還能大大降低燈管損壞的頻率，減少了智能照明系統(tǒng)的經(jīng)營成本，照明設(shè)備的管理、維修與保護(hù)也會變得更加便利。

1.2.4 呈現(xiàn)更多的照明效果

通過使用不同的照明控制形式，可以使同樣的一棟建筑物展現(xiàn)出不同的照明效果，使照明效果具有更多的藝術(shù)形式，使建筑物呈現(xiàn)出不同的視覺表現(xiàn)方式。在現(xiàn)代建筑物中，照明的作用必須具備使建筑物更加絢麗多彩、元素多變，具有更強(qiáng)藝術(shù)感的效果，給人以更加強(qiáng)烈的美感，能夠進(jìn)一步陶冶學(xué)生們的情趣[4]。比如部分購物廣場的噴泉、寫字樓、步行街等配備了智能照明控制系統(tǒng)，按照不同時間、不同場合、不同環(huán)境下能夠做出不同的燈光效果，通過預(yù)設(shè)置的場景進(jìn)行智能控制，比如晚上的燈光更加明亮多彩，電影院的場景下更加溫馨浪漫，白天的燈光更加柔和，從而達(dá)到不同的視覺動態(tài)效果，給人以舒適的感覺。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本次設(shè)計主要由西門子PLC 程序來進(jìn)行完成。第一步先設(shè)定好相應(yīng)的程序，白天利用濕度傳感器和光線傳感器來判別天氣的好壞狀態(tài)，通過傳感器的識別來實現(xiàn)惡劣天氣與良好天氣的燈光控制。夜間由設(shè)定程序設(shè)計好的夏、秋時制與冬、春時制進(jìn)行判斷處理，從而達(dá)到不同天氣、時間下的燈光控制，以達(dá)到智能照明的目的。

2.2 PLC 的選擇

目前S7-200 系列的PLC 主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP 和CPU226 5 個CPU 型號。其中，在該系列中所采用的CPU224XP[5]，具備了十四輸入/十輸出共二十四路的I/O 端口。可使用的則是7 個擴(kuò)展模塊，可擴(kuò)展至168 路數(shù)字容量I/O 點以及38 路模擬容量I/O 點。20 K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。預(yù)設(shè)置的I/O 分配見表1。

表1 I/O 分配表

3 軟件設(shè)計

3.1 程序流程

第一步：首先執(zhí)行程序進(jìn)入到傳感器判別指令程序，進(jìn)行下一步判別。

第二步：通過傳感器判別，天氣良好進(jìn)入到下一個時制判別指令程序，天氣惡劣進(jìn)入到下一個所有燈具全部打開的指令程序。

第三步：通過時制判別指令程序判定冬、春或者夏、秋后進(jìn)入到時段判別指令程序，再進(jìn)行判定時段問題。

夏、秋時制：第一時段19—21 時，燈光與路燈全部開啟；第二時段21—24 時，燈光與路燈關(guān)閉一半；第三時段0—6 時，只開啟2 個路燈。

冬、春時制：第一時段18—21 時，燈光與路燈全部打開；第二時段21—23 時，燈光與路燈關(guān)閉一半；第三時段23—次日7 時，只開啟2 個路燈。

3.2 部分梯形圖設(shè)計

由于要判斷夏秋、冬春時制與時段0—24 時，所以設(shè)置一個獲取時鐘信息的指令（READ_RTC），如圖1所示。

圖1 讀取時間設(shè)置

設(shè)置光照傳感器與濕度傳感器，光照傳感器設(shè)定0~100%區(qū)間判別，濕度傳感器設(shè)定0~100%區(qū)間判別，如圖2 所示。

圖2 光照與濕度設(shè)置

設(shè)定白天時間夏秋時制為6—19 時、冬春時制為7—18 時光線傳感器與濕度傳感器感應(yīng)，若濕度大于80%，光照小于20%，路燈全部開啟。如圖3 所示。

圖3 白天時段設(shè)置

晚上分夏秋、冬春時制與時段判別，按照控制要求設(shè)定，如圖4 所示。

圖4 夜間時段設(shè)置

4 系統(tǒng)部分調(diào)試

打開S7-200 仿真器，選擇PLC 型號（CPU224XP）導(dǎo)入文件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

按下I0.2 冬春時制按鈕，開始啟動冬春時制，此時設(shè)置時間為20 時，屬于第一時段，燈光應(yīng)全部打開，如如圖5 所示。

圖5 冬春第一時段

設(shè)定時間為21 時，此刻啟動的是冬春時制的第二時段，此時燈光應(yīng)打開一半，從右側(cè)梯形圖也可以直觀地看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如圖6 所示。

圖6 冬春第二時段

設(shè)定時間為凌晨1 時，屬于冬春時制的第三時段，此時應(yīng)只有1、3 號路燈亮，如圖7 所示。

圖7 冬春第三時段

設(shè)定時間為白天的9 時，此刻屬于夏秋時制的白天時段，傳感器感應(yīng)到光照過低（14%）、濕度過高（81%），屬于天氣惡劣（傳感器通過調(diào)整模擬量來判別天氣惡劣與良好）時段，燈光應(yīng)全部打開，如圖8所示。

圖8 白天天氣惡劣

5 結(jié)束語

通過本次設(shè)計的校園智能照明控制系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)先設(shè)想的目的。此次設(shè)計主要是采用了以PLC 為核心，通過梯形圖編程，不斷嘗試與修改梯形圖中的錯誤，在最后仿真模擬時達(dá)到了預(yù)想的結(jié)果。本次設(shè)計的創(chuàng)新之處是加入了多種傳感器的相互配合，使系統(tǒng)更加靈活與智能。最后達(dá)到了不需要刻意進(jìn)行人工控制的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。將PLC 控制與校園智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了很好的連接與配合。通過本次的系統(tǒng)設(shè)計，獲得了以下成果。

1）通過這次系統(tǒng)設(shè)計的成功，達(dá)到了節(jié)約用電的效果。

2）以PLC 為核心的控制相比于其他的控制系統(tǒng)而言，PLC 投資成本低，故障率低，無需時刻維護(hù)。

3）這種照明系統(tǒng)的設(shè)計對學(xué)校照明電力的管理有著事半功倍的效果。同時還為學(xué)校節(jié)約了電費的支出。

4）在這種校園智能照明控制系統(tǒng)的使用下，燈具的使用年限預(yù)計可以延長2~3 倍，大大節(jié)省了學(xué)校對電力設(shè)備的資金支出。