LED室外全彩屏監控系統設計

王中豪，付邦勝，郭飛亞

（中原工學院，河南 鄭州 450007）

0 引言

LED全彩顯示屏是近年來快速流行的一種新型的傳播媒介，由于其顯示亮度高、色彩好、壽命長，視角大，同時具備任意延展性，可以實現大面積的無縫拼接，能增強媒介與受眾之間的互動，近年來在火車站、機場、大型商場、會展中心等場合得到了廣泛的應用。LED全彩屏顯示系統為集計算機控制技術、視頻技術、光電子技術、微電子技術、通信技術、數字圖像技術為一體的顯示設備[1]。但是，作為半導體電子器件集中的光電系統，其電源模塊、控制芯片等半導體器件對溫度非常敏感，隨著溫度的增高，其老化速度會迅速加快[2]。對于戶外全彩顯示屏，一般做成完全密封的箱體，以求達到良好的防水效果，但是這給顯示屏散熱帶來極大障礙[2]。研究表明，LED顯示屏熱量損耗占能耗的80-90%[3]。因此，散熱、控制環境溫度是LED顯示屏可靠工作的重要一環。

近年來，學者們針對LED彩色顯示屏的散熱問題，開展了相關的研究。任紅[4]研究了LED選型中的功率、散熱問題；房偉[5]、燕希[2]等提出了一種半導體制冷技術應用到LED屏散熱中；謝軍龍[6]等采用強迫風冷技術對顯示屏進行散熱，并對某戶外LED顯示屏的溫度場進行了模擬分析；茅于海[7]探討了LED的散熱與LED壽命問題，指出了溫度與LED衰減壽命的關系，說明了散熱的重要性。對于LED系統的監控，賈東耀[8]等提出了通過PC機與單片機通訊來對顯示內容進行預覽；郭立新[9]提出了一種顯示屏供電遠程監控系統，實現遠程顯示屏的供電狀態；劉建偉[10]提出了一種LED箱溫濕度、煙霧監控系統，完成參數的測量。上述研究都指出了溫度對LED全彩屏的壽命具有重要的影響，也提出了一些環境監控的方案，但是對于面積較大的LED室外全彩屏，其發熱量非常可觀，采用常規的風冷和自然冷卻無法保證其工作溫度，這將造成顯示效果變差、器件迅速老化甚至造成顯示故障。

針對上述問題，本文針對某火車站大面積戶外全彩屏，提出了一種基于PLC的溫度控制和現場監控系統。

1 系統控制要求

某火車站戶外顯示屏面積達100平方米，峰值供電電流高達100A左右，發熱功率非常大，為保證系統安全運行，需要保持LED顯示屏內部溫度在安全范圍內，常規的風冷無法滿足散熱要求，因此需要加入冷卻空調，同時，設計可靠的控制系統，滿足對溫度的控制要求。為了避免投顯示屏對電網造成的沖擊，LED彩色顯示屏分八組順序投入，同時，實現供電電源監控、工作狀態監控、數據記錄、報警記錄、等功能。

2 系統控制方案設計

PLC以抗干擾能力強，可以快速集成等特點，使得PLC的環境監控系統已經在其他行業得到較好的應用[11-16]。本文提出一種基于PLC、觸摸屏的遠程監控系統，其控制方案見圖1。其中，遠程人機界面選用威綸通經濟型TK8071iP，其價格便宜，性價比高。PLC選用西門子SMART系列，型號為SR30，其本體包括18路數字量輸入口和12路數字量輸出口；擴展EMAE08模塊1塊，分別采集供電信號和溫度信號。

圖1中，為了溫度信息準確，在不同位置安裝4路溫度傳感器，模擬量通過EM-AE08模塊采集計算后，取平均值作為實際溫度值。分布的煙霧報警開關4個，采用常閉觸點，將信號串聯后接入PLC的輸入點，使得無論任何位置發生火災，都通過同一個信號觸發報警，減少了輸入接口。為了避免投切時對電網系統的沖擊，8組LED通過PLC控制接觸器分組投切，同時，將接觸器投切信號反饋到PLC以顯示其工作狀態。風機和空調通過一定的控制邏輯，實現溫度控制。人機界面（觸摸屏）放置于遠程監控室，通過以太網進行數據傳輸，距離不足時，通過光纖轉換實現數據的遠距離傳輸。

圖1 系統控制方案圖

3 系統控制程序設計

系統的主流程如圖2所示。系統可以根據需要選擇手動模式或自動模式，在手動模式下，可以分別對各組LED供電單元進行手動操作。在自動模式下，LED組件每隔2s投入一組，直至全部投入。系統會根據煙霧報警情況、溫度情況及電源情況判斷環境是否異常，在環境異常情況下，系統禁止投切操作，同時，啟動報警和故障記錄。

圖2 主啟動流程

無異常情況下，在自動模式下啟動后，系統一直運行，除非人工停止。在異常情況下，異常處理邏輯將驅動系統緊急停車，并驅動報警。

一般情況下，LED顯示屏的正常工作溫度范圍是-10℃-40℃，在超過65℃時，會迅速的加速老化，故障大幅度增多[7]。為防止溫度過高造成的系統故障及元件老化，需要對其溫度進行控制。在設計溫度控制系統時，既要保證溫度不超限，盡可能的保證系統良好的工作狀態，又不能頻繁啟停，造成設備過多的切換導致的設備沖擊，同時兼顧節能要求。溫度控制流程圖見圖3所示。

圖3 溫度控制流程

根據系統控制要求，設定溫度上下限，其中，風機開啟的溫度為40℃，空調的開啟溫度為45℃。系統首先檢測環境參數，條件滿足后，判斷溫度是否達到風機開啟門限，若超過限定值，啟動風機，進行風冷循環。正常情況下，風機可以基本保證環境溫度不超過45℃。若溫度超過空調開啟溫度，則開啟空調，在開啟空調和循環風的作用下進行降溫循環。極端情況下，溫度超過65℃時，則判斷為系統失控，繼續工作則可能造成損壞，系統緊急停車，切斷電源，風機、空調停止工作，同時，啟動系統報警。

同時，為避免設備頻繁啟停，空調和風機在具備一定寬度的溫度范圍內工作，其中，風機停止溫度為37℃，空調的停止溫度為41℃。

4 人機界面設計

觸摸屏選用威綸通TK系列觸摸屏，型號為TK8071iP。觸摸屏具有以太網通訊接口，可以方便采用以太網通訊協議與SMART系列PLC進行數據交換，當控制柜與監控室距離較遠時，可以光纖轉換，并實現數據的長距離傳輸。

人機界面是重要的信息終端和控制裝置。可以實現現場設備監控、電參數狀態檢測、溫度檢測、故障記錄等功能。本設計包括主畫面，監控畫面、曲線記錄畫面、報警記錄畫面等。主畫面如圖4所示。

圖4 監控主畫面

主畫面主要包括系統工作狀態顯示，系統LED狀態顯示，自動啟?？刂疲粶囟蕊@示，供電系統狀態顯示等。這些信息可以直觀的看到現場的信息，也可以在遠程進行系統的啟停操作。

系統工作專題監控畫面主要顯示現場設備的工作狀態，包括風機、空調以及8組LED顯示屏的工作狀態。工作狀態畫面見圖5。

圖5 系統工作狀態畫面

溫度實時數據顯示畫面如圖6所示。該畫面主要功能為系統溫度曲線記錄，系統實時檢測環境溫度并繪制曲線，為系統溫度趨勢和系統工作狀態分析提供依據。

圖6 溫度實時數據顯示畫面

此外，還有報警數據記錄畫面、報警記錄畫面等。當事件驅動故障時，報警畫面立即顯示并閃爍，提示故障信息。報警記錄畫面保存歷史報警數據，為排除故障、事故信息等提供數據支持。

5 結語

本文根據某火車站大面積室外LED全彩屏的環境控制要求，提出了基于西門子新型經濟型可編程控制器S7-200SMART為核心，以低成本經濟型威綸通TK8071iP觸摸屏為人機界面的控制系統。分析了系統工藝和控制需求，介紹了系統控制方案和程序設計方法，并根據系統要求，設計了人機界面。該系統通用性強，抗干擾能力和可靠性較高，經過實際應用，滿足了系統的設計要求，實現了系統的自動溫度控制，為LED系統的安全可靠運行提供了保障。