PLC在建筑外遮陽調控系統中設計與分析

李 　 杜，　陳 永 明

( 鹽城工學院 電氣工程學院, 江蘇 鹽城　224001 )

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PLC在建筑外遮陽調控系統中設計與分析

李 杜*，陳 永 明

( 鹽城工學院 電氣工程學院, 江蘇 鹽城224001 )

采用PLC集成控制技術實現遮陽調控系統智能化．通過各種傳感器實時自動檢測光強、溫度以及風力等變化，利用數學模型和建筑陰影模型，經多參量數據分析計算出合理的遮陽板角度，控制驅動電動機，統一調節建筑的室外遮陽板．利用PLC控制與遮陽板相結合，不僅可以有效減少建筑物供暖成本和空調的冷負荷，而且還可以最大限度地擴大建筑的自然采光．遮陽板的PLC控制系統可以在建筑節能領域發揮重要作用．

調控系統；遮陽角度；建筑采光；遮陽系數

0　引　言

居住建筑外窗作為建筑外圍護結構的重要組成部分，其能耗約占建筑總能耗的30%，而在嚴寒地區，其能耗甚至高達40%[1]．因此，建筑外窗及外窗遮陽的節能與研究[2-6]是中高緯度地區建筑節能的關鍵措施．同時，建筑內舒適環境的營造需要自然采光與自然景觀．建筑中照明能耗占總能耗的40%～50%，而且，由燈具產生的廢熱所引起的冷負荷的增加占總能耗的3%～5%，合理設計和采用自然采光能夠節約照明能耗50%～80%[7]．

居住建筑外窗的遮陽方法共分兩類：固定式遮陽和可調控式遮陽．可調控式遮陽可以根據太陽高度角的不斷變化來改變遮陽設置，保證一天中大部分時間能夠保持最好的遮陽效果；而固定式遮陽僅能在一天中的某個時刻或者太陽在某個角度才能發揮最好的遮陽效果．采用固定式遮陽方法，建筑節能率最高值為58.52%；而采用可調控的水平遮陽時這一比例可達72.67%[8]．

1　系統設計原則

居住建筑外窗遮陽的工作原理在于通過阻斷直射陽光透過玻璃進入室內，為建筑室內營造舒適的熱環境，降低室內溫度和空調負荷，從而降低建筑能耗，達到節能效果．對于居住建筑外窗的遮陽設置，夏季在白天時段應盡可能減少進入室內的太陽輻射，以降低空調負荷，并營造良好的室內光環境；冬季應盡可能增大進入室內的太陽輻射[9]．同時，建筑外遮陽在保證最大限度減小建筑能耗原則的基礎上，應盡量擴大建筑室內自然光的采光率，創造良好、舒適的室內環境．

本文的遮陽調控系統設計以南京地區典型氣象年氣象為依據，對該地區居住建筑南向外墻遮陽板的構造進行建模分析，根據遮陽板在不同遮陽角度下的遮陽系數進行分析比較，探索適應南京地區居住建筑南墻外窗活動水平外遮陽的調控策略．

南京屬于典型的北回歸線以北的夏熱冬冷型城市，應采用水平式外遮陽，方可達到最佳遮陽效果．而冬季寒冷、夏季濕熱的氣候特點決定了南京地區居住建筑節能必須兼顧冬、夏兩個方面．居住建筑外窗需要采用隨太陽高度角和方位角進行調節的可調控式遮陽，以滿足對遮陽效果的要求．

2　系統控制流程

本文采用PLC集成控制技術實現遮陽調控系統智能化，以時間為原則進行控制，事先根據太陽在不同季節與每天不同起落時間的位置進行設置．遮陽調控系統能夠準確地使電機在設定的時間進行建筑外遮陽板角度的調節．同時根據分布在建筑各處的感應裝置采集室外環境參數，進一步根據天氣情況達到室內環境最優化．

PLC控制系統的輸入信號如圖1所示，共分為4種：位置信號、光信號、風信號、雨信號．信號由傳感器發出，而傳感器由傳感元件、信號處理電路、無線收發電路等模塊組成，采用無線收發．遮陽板的初始位置設定在關閉的位置上，即遮陽角度為0°．遮陽板的角度轉動根據此位置作相對的運作．PLC控制系統根據太陽的軌跡曲線，通過定時器的設置，使遮陽板在特定時刻轉動到合適的位置，得到遮陽與能耗的綜合最佳效果．同時，除了晴朗的天氣外，系統還需考慮刮風、下雨等惡劣天氣的影響．因此，遮陽板附近還應安裝風傳感器、雨傳感器與光傳感器，通過對傳感器信號的處理，PLC控制系統會在遭遇大風或者陰雨天氣時將遮陽板設置成安全模式以保護遮陽板不受損壞．

圖1　控制流程圖

3　系統結構設計

3.1遮陽板結構設計

南墻外窗的遮陽板安裝示意圖如圖2所示．

從圖2可見，遮陽板與墻體之間采用鉸鏈連接，遮陽板拉繩輪軸的正反轉由管狀電機進行驅動，電機為螺旋線型驅動裝置，使用三相電源220 V，與電源箱可安裝在遮陽板附近．拉繩輪軸安裝在構造橫梁內，輪軸的正反轉控制拉繩的伸縮，拉繩帶動遮陽板轉動．遮陽板兩端安裝向上傾斜45°的掛鉤，拉繩安裝在掛鉤上．同時拉繩的頂點與墻壁的接觸處安裝位置傳感器，向PLC控制系統傳遞拉繩的位置信號．輪軸正轉驅使拉繩拉伸，使遮陽板閉合，與窗戶角度變小；輪軸反轉驅使拉繩縮短，使遮陽板張開，與窗戶角度變大．

圖2　遮陽板安裝示意圖

3.2傳感器設置

本文作為研究對象的南窗取長1.5 m、寬1.5 m．根據相關研究，遮陽板長度宜取0.4 m，遮陽板距窗戶上沿的距離宜取0.4 m[3]．因此，窗戶的高度為h，取1.5 m；窗戶上沿與遮陽板的距離為d，取0.4 m ；遮陽板與建筑窗戶的角度為θ；遮陽板的長度為W，取0.4 m；遮陽板與拉繩頂端的距離為a，取0.2 m；拉繩底點與建筑外墻之間的遮陽板長度為b，取0.2 m；拉繩底點與拉繩頂點之間的拉繩長度為c，c=[a2+b2-2abcos(180°-θ)]1/2．其中位置信號由位置傳感器傳出，安裝在拉繩頂點與墻壁的接觸處，同時在拉繩中不同的長度位置安裝芯片，芯片可以裹在薄的密封塑料薄膜中進行防水．當拉繩中的芯片與位置傳感器接觸時，向PLC控制系統發出位置信號．比如，當遮陽板與窗戶的角度是90°時，拉繩的長度c大約為0.283 m．那么以拉繩與遮陽板的接觸點為起始點，在拉繩的0.283 m 處放置芯片，當此芯片接觸位置傳感器時，PLC控制系統便接收到位置信號．在本系統的芯片位置設置中，可以將遮陽板角度調整的精度設定為10°．芯片的放置位置見表1．

而另外3種氣象傳感器：光傳感器可采用熱敏電阻Pt1000 和硫化鎘光敏電阻，由PLC控制系統設定強度，當日照光強度低于設定值時，代表當日為陰天；風傳感器根據遮陽板的機械強度設定風速等級，當風力超過設定極限值時，代表當日風力對遮陽板有害，應該閉合遮陽板保護其不受損傷；雨傳感器能測定是否有室外的雨水進入室內，如果有，代表當日雨水已經影響到室內，應該閉合遮陽板防止雨水進入室內．這3種氣象傳感器的相應動作應當自動進行，可以在惡劣的氣候條件下保證遮陽板的安全使用．

表1　芯片位置

3.3PLC控制硬件連接

PLC控制系統主機采用TCP/IP協議與分布在遮陽板附近的現場控制器通信，主要用于傳達控制主機的控制指令和反饋遮陽板狀態．該系統通過RS232接口與三菱FX2N-32MR進行通信，并對整個控制系統進行在線監控．PLC控制硬件接線圖如圖3所示．

圖3　PLC控制硬件接線圖

4　系統功能設計

4.1系統數據分析

建筑外窗遮陽措施的重要功能是阻斷直射陽光透過玻璃進入室內，從而降低室內溫度和空調負荷，減少建筑能耗，達到節能效果．因此遮陽板角度也應參考基于建筑節能因素的遮陽系數進行確定，其定義是采用外遮陽措施后建筑外窗太陽輻射引起的全年建筑能耗與無遮陽時建筑外窗太陽輻射引起的全年建筑能耗的比值，表達式如下：

(1)

式中：q1為建筑模型無遮陽情況下模擬得到的建筑能耗；q2為對外窗設定遮陽板后模擬得到的建筑能耗；q3為對外窗設定窗玻璃遮陽系數為零，但外窗不設遮陽措施，模擬得到的建筑能耗．

而外遮陽系數計算公式如下：

夏季

Ss=asP2+bsP+1

(2)

冬季

Sw=awP2+bwP+1

(3)

式中：a、b為擬合系數，根據式(1)在能耗計算中按照二次回歸擬合得到，針對本次研究對象，夏季as取值0.35、bs取值-0.65，冬季aw取值0.10，bw取值-0.45．P為遮陽板外挑系數，計算公式為

式中：W為遮陽板長度；H為遮陽板到窗戶下沿的距離，H=h+d=1.9 m；θ為遮陽板與墻壁外窗之間的角度．

南京地區南墻窗戶的水平遮陽板各段角度在冬夏季基于建筑節能的外遮陽系數在冬夏季的變化規律計算結果如圖4所示．

圖4　基于建筑節能的外遮陽系數計算結果

圖4中橫坐標為遮陽板與外窗形成的角度，縱坐標為遮陽板基于建筑節能因素計算出來的遮陽系數．如圖4所示，當遮陽板在遮陽角度10°～60°調節時，遮陽系數呈穩步下降的趨勢；而當遮陽板的遮陽角度在60°～90°調節時，遮陽系數的計算值趨于穩定，并且夏季遮陽系數穩定于0.88，冬季遮陽系數穩定于0.91．因此，從遮陽系數可以看出，遮陽板的遮陽角度在60°～90°調節時，遮陽系數處于穩定狀態，節能效果基本一致．

建筑遮陽應盡量采用自然光，同時保證建筑最大限度的自然通風與自然景觀．因此遮陽板角度可采用基于遮陽板遮陽效果的遮陽系數進行確定．遮陽系數是指遮陽板在太陽光照射下形成的外窗日影區面積與外窗表面積的比值，計算公式可表示為

(4)

式中：Wime為遮陽板形成的陰影長度；H為遮陽板到窗戶下沿的距離，H=h+d=1.9 m；W為遮陽板長度；θ為遮陽板與墻壁外窗之間的角度；rs,w=|As-Aw|，As為太陽方位角，Aw為墻面方位角；hs為太陽高度角，sinhs=sinφsinδ+cosφcosδcosw，φ為地理緯度，δ為太陽赤緯角，w為當時的太陽時角．w=(t-12)×15°，t在0～24時，每間隔1 h相差15°．

以3月1日為例，各個時間段的基于遮陽效果的遮陽系數計算結果如圖5所示．

圖5　典型氣象年3月1日基于遮陽效果的遮陽系數

3月1日正是南京的春季，陽光明媚，因此室內應該盡量提高自然光的采光率與自然通風．通過圖5可以發現，在3月1日的各個時間段，遮陽板的遮陽效果整體上并非是隨著遮陽角度的增大而減小的．在遮陽角度在60°～70°時，遮陽系數達到峰值，然后才隨著遮陽角度的減小而減小．因此，在遵循盡量提高自然光采光率的原則下，遮陽角度應該選擇偏小的數值．

因此，綜合建筑節能與自然采光雙重因素，3月1日遮陽角度的調控策略見表2．

表2　遮陽角度調控策略

4.2實時監測功能

如圖6所示，X5、X6、X7分別為風傳感器、雨傳感器與光傳感器的輸入信號．X0為遮陽角度為0°時的限位開關，X4為遮陽角度為90°時的限位開關．當遮陽板上承受的風壓超過設定值或當時為陰雨天氣時，Y1便會有信號輸出，使遮陽板閉合，直至遮陽角度為0°．

圖6　信號傳感器程序

4.3對時功能

在PLC控制系統中，有7個實時時鐘用的特殊輔助寄存器D8013～D8019，用于存放年、月、日、時、分、秒和星期．圖7中的D8015為存放0～23時的實時時鐘用特殊輔助寄存器．根據表2與表3設置，當D8015為8(8：00)時，M12設置為1；當D8015為9至15(9：00至15：00)時，M11設置為1；當D8015為16(16：00)時，M12設置為1．

4.4遮陽角度調控功能

如圖8所示，當實時時鐘用的秒鐘寄存器D8013與分鐘寄存器D8014為0時，即為整點時間時，M0發出一個脈沖信號．于是，M0常開開關閉合，編碼指令ENC0將X0開始的8位寄存器中最高位的1進行編碼，編碼存放在D0寄存器的低3位中；同時將M10開始的8位寄存器中最高位的1進行編碼，編碼存放在D1寄存器的低3位中．M1線圈得電自鎖，接通比較指令CMP D0 D1 Y0，當D0>D1時，Y0=1，輪軸正轉，遮陽角度開始縮小；當D0=D1時，Y1=1，輪軸保持不動，遮陽角度不變；當D0

圖7　對時程序

表3　遮陽角度設定

圖8　遮陽板轉動程序

假設遮陽板在夜間的遮陽角度為0°，當時間到達8：00時，PLC控制系統開始運作．在8：00前，遮陽板遮陽角度為0°，輸入信號X0為1，D0的編碼結果為1，到達8：00時，D8015=K8，M12為1，于是D1的編碼結果為3.經過CMP D0 D1 Y0指令進行比較，得D0

5　結　語

基于PLC的遮陽板可調控遮陽系統以節能為目的，是從功能要求到控制模式、信息采集、執行命令、傳動機構的全過程控制系統．在研究中發現：建筑節能效果隨著遮陽板角度的增大而減小．當遮陽板角度由0°～60°變化時，變化趨勢偏大；當遮陽板角度增大到60°及以上時，節能效果趨于穩定．同時綜合考慮建筑節能與遮陽效果，遮陽板的角度應在60°～90°調節．該遮陽系統具有以下幾種優點：

(1)本系統采用基于建筑節能的數學計算模型與建筑采光的建筑陰影模型來判斷南向遮陽板各個時間段遮陽角度的合理值，在有效地減少建筑物供暖成本和空調冷負荷的原則下，可最大限度地遮蔽夏季的陽光、擴大冬季的日照，保證建筑節能．

(2)本系統是對太陽輻射和采光等環境因素的被動節能控制技術措施，它能夠實時調節遮陽狀態，沒有滯后性，將對建筑節能發揮重要作用．

(3)本系統采用PLC作為控制核心，降低了人工控制帶來的不準確性和不合理性．

(4)本系統采用的PLC具有遠程通信功能，有利于與樓宇自動化系統整合，方便進行分布管理．

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Design and analysis of PLC in building external shading control system

LIDu*,CHENYong-ming

( School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224001, China )

PLC integrated control technology is used in shading control system to realize the intelligence. This control system detects real-time data of light intensity, temperature and wind power by various sensors automatically and obtains data of appropriate shading angle through the analysis and computation of multiple parameters by using mathematical model and building shading model, then controls the drive motor to regulate building external shading together. The combination of PLC control and shading can not only reduce building heating costs and air conditioning cooling load, but also maximize the using of natural daylight.The PLC shading control system can play an important role in building energy saving area.

control system; shading angle; building lighting; shading coefficient

1000-8608(2016)05-0496-06

2015-12-30；

2016-07-10．

國家住建部指導項目(2016-K1-09)；江蘇省住建廳科技項目(2015ZD61)；國家自然科學基金資助項目(31501221).

李 杜*(1983-)，女，碩士，講師，E-mail:liduchina@163.com.

TU113

A

10.7511/dllgxb201605009