基于PLC的自適應(yīng)環(huán)境路燈模擬控制裝置*

劉德清，熊中剛，賀曉瑩，陳溪華，肖昌永，羅子強(qiáng)，肖慧嬌

（桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

0 引言

本文是針對傳統(tǒng)路燈模式電力資源的浪費(fèi)以及可遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題，設(shè)計(jì)了基于PLC的自適應(yīng)環(huán)境路燈的控制裝置。國內(nèi)一些地方采用的路燈通常采取固定時鐘開啟與關(guān)閉，甚至有些地方是通過人工去手動開啟路燈，這就導(dǎo)致這一些地區(qū)開燈不合理[1]。相同的地方，不同的季節(jié)，天黑的時間不一定，就會造成資源浪費(fèi)。而且傳統(tǒng)的路燈都是同時打開，這樣會導(dǎo)致電壓對燈的沖擊，會減少路燈的使用壽命，更容易導(dǎo)致路燈的損壞，從而增加人工維護(hù)成本[2-5]。在國外一些發(fā)達(dá)國家，如德國、新加坡等地區(qū)，采用的是通過運(yùn)行計(jì)算機(jī)設(shè)定的自動化程序，使得路燈控制更加智能化，從而達(dá)到節(jié)約資源的目的。在做出的實(shí)物中實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)路燈智能的開啟與關(guān)閉，將路燈開啟和關(guān)閉的時間控制得更加的精確，減少了電力資源的浪費(fèi)；（2）自由控制路燈開啟與關(guān)閉的時間；（3）“人（車）到燈亮，人（車）走燈滅”，在無人經(jīng)過的情況下關(guān)閉路燈，提高了路燈工作效率的同時減少了電力資源的浪費(fèi)并延長設(shè)備及路燈的使用壽命[6]；（4）自動檢測路燈是否發(fā)生故障，極大地節(jié)省了維護(hù)的人工開支，避免出現(xiàn)故障后維護(hù)人員逐一檢查路燈的工作情況，提升了維護(hù)的工作效率；（5）可遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，全天候監(jiān)控與管理，節(jié)約了人工成本以及物力資源；（6）智能化與數(shù)據(jù)化程度高。將各控制器通過網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)信息的收集與共享，有利于系統(tǒng)的優(yōu)化與發(fā)展。

1 控制系統(tǒng)的PLC技術(shù)與硬件組成

本次的路燈系統(tǒng)是由三菱FX2N可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心，利用PLC技術(shù)模擬了一個基于PLC的路燈控制系統(tǒng)。PLC技術(shù)是一種負(fù)責(zé)運(yùn)算和操作的電子系統(tǒng)，它可以替代生產(chǎn)線上的傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)，促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展。它可以將硬件軟化，促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的效率，提高系統(tǒng)的靈活性。還可以通過編程運(yùn)算，通過數(shù)字化操作完成生產(chǎn)流程，并有可靠性強(qiáng)，抗干擾性強(qiáng)，I∕O接口模塊豐富，重量輕、能耗低、便于安裝等特點(diǎn)[7-9]。本系統(tǒng)采用光敏電阻傳感器判斷環(huán)境的明暗程度、紅外對管采集可移動物的位置信息以及PLC內(nèi)部的時鐘功能來分別在光控模式、移動物監(jiān)控模式和時控模式下實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)的智能化控制，并將其集成為一個涵蓋上述所有模式功能的自動化控制模式，并能實(shí)現(xiàn)路燈的故障自檢功能。這就是本自適應(yīng)環(huán)境的路燈整體控制過程。硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成

2 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能分析與仿真結(jié)果

2.1 自動控制功能

自動控制功能是集結(jié)光控功能、時控功能，以及移動功能為一身的模式，開啟自動控制模式時，自動故障檢測同步開啟，其他模式無法單獨(dú)控制。首先通過光控模式來控制路燈的開啟，其次通過時鐘系統(tǒng)來控制路燈在深夜時的關(guān)閉時間區(qū)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)路燈關(guān)閉的時間區(qū)間時，打開移動物監(jiān)控模式，由移動物來控制路燈的開啟與關(guān)閉。當(dāng)時間過了系統(tǒng)設(shè)定的關(guān)燈時間，系統(tǒng)恢復(fù)到光控模式，由環(huán)境的明暗程度來控制路燈關(guān)閉。如圖2~3所示。

圖2 自動模式程序

2.2 光控與故障功能

光敏電阻傳感器模塊分為環(huán)境光檢測模塊和故障檢測模塊。環(huán)境光檢測是通過光敏電阻（光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1 kΩ以下；光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5 MΩ[10-11]。）檢測傳感器對外界環(huán)境亮度，將信息傳到PLC中進(jìn)行處理，從而判斷是否是要開燈。該模塊是使用直流5 V電壓，利用光敏電阻的特性搭配雙電壓比較器LM393組成光感檢測電路，不同的光亮程度使電路輸出高電平或低電平，射入光強(qiáng)時，光敏電阻RL的阻值下降，正向輸入端的電壓減小，反向輸入端電壓大于正向輸入端，輸出低電平、低光強(qiáng)時則輸出高電平。故障檢測是檢測路燈的工作狀態(tài)來判斷是否故障，若檢測到路燈正常發(fā)光則無故障；若出現(xiàn)故障，故障報(bào)警器則會發(fā)聲響。如圖4~7所示。

圖3 自動控制流程

圖4 光控功能仿真結(jié)果（無光狀態(tài)）

2.3 總體時控和移動功能

圖5 光控功能仿真結(jié)果（有光狀態(tài)）

圖6 故障功能仿真結(jié)果（全部故障）

圖7 故障功能仿真結(jié)果（單個故障）

本系統(tǒng)中會有一個總體時控功能，總體時控開燈信號和總體時控關(guān)燈信號功能是在（例如晚上9點(diǎn)到凌晨1點(diǎn)）這段時間里，馬路上人和車輛比較多，就可以開啟路燈直到1點(diǎn)關(guān)燈。然后后半夜（例如凌晨1點(diǎn)到4點(diǎn)）人員以及車輛很少，可以開啟深夜關(guān)燈模式，路燈就會關(guān)閉，這時移動模式會同時開啟，移動模式是由紅外傳感器使用紅外對管對移動物實(shí)時檢測。移動模式是由3個紅外傳感器X1、X2、X3控制開關(guān)。該模式使用SFC順序功能圖編寫，當(dāng)滿足跳轉(zhuǎn)條件程序會自動跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。若X1先閉合，燈1開啟；X2閉合后，燈2開啟，燈1關(guān)閉；X3閉合后，燈1、燈2全都關(guān)閉。若是X3先閉合，則路燈開啟與關(guān)閉的順序與前者相反。（寄存器D10、D11、D12為總時控開啟時間的時、分、秒，D3代表當(dāng)前的時、分、秒，D20、D21、D22代表總時控路燈關(guān)閉的時、分、秒。）如圖8~10所示。

圖8 總時控模式仿真（處在開燈時間）

圖9 總時控控制時間程序

圖10 移動模式下仿真結(jié)果（X1閉合）

3 軟件

三菱PLC在工業(yè)中的應(yīng)用非常的廣泛，其最初的編程軟件是GX Developer，三菱公司于2011年推出了更具效率的GX Works2。該軟件支持結(jié)構(gòu)化工程、梯形圖、SFC順序功能圖等設(shè)計(jì)，其編程界面簡潔，如圖11所示，操作容易上手、易理解，具有在線模擬調(diào)試等功能，深受國內(nèi)工業(yè)控制從業(yè)者的喜愛。

圖11 GX workd2軟件編輯界面

程序編輯結(jié)束后，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換”或按下快捷鍵“F4”，編輯界面的背景色會從藍(lán)色轉(zhuǎn)為白色，這時程序即為編譯完成，可進(jìn)行程序的下載，將程序?qū)懭隤LC。通過設(shè)置導(dǎo)航欄的“連接目標(biāo)”參數(shù)，可設(shè)置軟件與PLC的通訊端口和傳輸速度。如圖12所示。

圖12 通訊連接界面

4 實(shí)物分析

該實(shí)物圖是按照與燈桿6 m的，間隔15～18 m的標(biāo)準(zhǔn)成1∶20的比例制作而成。例如對該實(shí)物的光控模式進(jìn)行功能驗(yàn)證：首先把接電源的插頭通電，打開PLC的開關(guān)，可以看到光控開關(guān)是亮著的，光控開關(guān)是常閉開關(guān)，當(dāng)光敏電阻傳感器檢測到環(huán)境光較暗時，燈1、2會打開狀態(tài)，當(dāng)光敏電阻傳感器檢測到較亮?xí)r，燈1、2處于關(guān)閉狀態(tài)（光控模式下）。如圖13~15所示。

圖13 做出的實(shí)物圖

圖14 無光狀態(tài)下，燈1、2會開啟

5 結(jié)束語

圖15 有光狀態(tài)下，燈1、2關(guān)閉狀態(tài)

本系統(tǒng)使用三菱FX2N PLC作為主控制器設(shè)計(jì)而成的路燈自適應(yīng)環(huán)境的控制裝置，很好地實(shí)現(xiàn)了對路燈的遠(yuǎn)程控制與檢測。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明：本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作便捷人性化，通過各模塊傳感器采集信息并傳送至PLC，成功實(shí)現(xiàn)了路燈光控、時控、移動物控制、自動控制、故障自檢等功能，實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化和節(jié)能化。PLC技術(shù)能夠很好地把各種機(jī)械電器組合起來進(jìn)行控制操作使得器材的價(jià)值進(jìn)一步體現(xiàn)，給生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)提高了效率，PLC技術(shù)在未來的使用過程中，會給我們帶來更多便利。