基于PLC控制的教學樓智能照明系統設計

王翠榮

（江蘇省宿城中等專業學校，江蘇宿城，223800 ）

0 引言

現代建筑照明系統能夠保證人們的日常生活和工作，消耗量繼空調系統成為第二大能耗，面對社會資源損耗的增加以及綠色環保理念的提出，以智能化的照明系統的成為當前關注的焦點。高校教學樓是學生頻繁上課且用電比較重要的場所，能源消耗巨大。本文最大限度利用現有的資源，借助于PLC控制技術，和多種傳感器系統，通過組態軟件完成教室的智能照明的控制，結合教室的實際情況完成對于照明的控制，達到綠色節能的理念。

1 控制方案以及要求

教室作為校園教學和學習的重要場所，保證照明可靠運行，能夠為教育教學活動保駕護航，借助于智能傳感器系統，可以判定教室環境的光照強度和人員的變化，實現對校園教室照明的智能控制，將開關信號設定為兩種，即手動和自動模式兩種，當開關打開時，該系統處于智能照明模式，關閉時則為傳統的手動照明模式。在手動模式情況下，可以手動操作完成對現場照明的斷開和閉合，是傳統照明運用；在自動控制模式下，根據教室內人員、光照強度以及系統時間的設定，完成對教室的智能控制，主要是多種傳感器的配合使用，而對于現場具體光照強度的控制主要是對室內照明燈點亮的個數來實現。例如，在自動控制模式下，在光照強度達到室內設定的閾值前提下，將此時的信號上傳至上位機，控制照明燈自動關閉，但是，在陰天時候，在光照強度低于室內設定的閾值前提下，將此時的信號上傳至上位機，控制教室照明燈自動開啟，但是，如果監測此時教室無人上課或者上自習時，紅外傳感器聯動，阻止上位機發出指令照明。同時，在晚上時，學生已經不來上課，此時，教學樓有人上自習，利用光照傳感器和人體紅外傳感器，感知學生進入教室，教室照明自動打開，如果無人前來，則自動關閉。同時，也可設定此時利用手動模式情況下來控制照明。一旦系統發生故障，可以借助于手動操作，完成教室的照明，能夠確保教學活動的正常運行，也能盡可能避免照明浪費情況。

2 智能照明系統整體結構設計

該功能模塊主要含有三個部分上位機、下位機和通信系統，該系統首選該系統硬件設備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，利用GH-3002-GZ 型號的光照度傳感器完成對于現場光照強度的采集，利用人體紅外感應模塊對教室人員的檢測，在教室內設定光照傳感器和人員紅外感應模塊，完成對于現場的總控制，基于此，該系統的結構框圖見圖1，保證系統能夠正常穩定的運行，該系統使用的是以太網通信實現對程序的下載，設備電源為DC24V，設計電路連線圖見圖2。

圖1 系統結構框圖

圖2中主要有兩種傳感器：光電傳感器和人體溫度傳感器，前者主要用于對光照信號的采集，后者主要是對檢測區域測定人員的數量和位置，將采集的光照信號和人員數量等信號采集到上位機PLC中。PLC作為系統的核心器件，利用采集的光照信號和人員數量等信號向開關量模塊發出指令。開關信號有手動和自動模式兩種，當開關打開時，該系統處于智能照明模式，關閉時則為傳統的手動照明模式。

圖2 連線示意圖

■2.1 PLC控制器

該系統硬件設備采用的是PLC為S7-200SMART CPU ST30，使用的是以太網通信實現對程序的下載，設備電源為DC24V。該控制器具有20個端口，18個輸入和12個輸出，為有效節約現有的成本資源，設定一個總的控制開關、燈控和人體感應開關（分別為四個）、以及光照度檢測傳感器（四個）。照明位置分別為講臺照明，以及學生座位上方照明。為保證教室照明的強度，學生位置照明達到300 lx強度，講臺照明強度達到500lx強度，符合國家設定的《建筑照明設計標準》。同時，根據教室的具體情況，將室內光感在教室正上方，人感傳感器在門口位置和教室門口位置。

■2.2 檢測模塊

檢測模塊主要是采用與PLC-200匹配使用的GH-3002-GZ傳感器模塊，完成對室內光照強度的檢測。主要采用0～6×10和0～20×10精度的光照度傳感器，主要有電流和電壓模式的模擬量輸出光照傳感器。GH-3002-GZ傳感器具有較高的防護性能，能夠精準檢測微弱熱光源和冷光源，傳輸精度高，傳輸距離長，同時具有較強的擴展性，可以在比較惡劣的環境下運用，由于此具有壁掛防水功能，可以在校園內廣泛使用。該傳感器工作電壓是10～30V，有四根引線，分別為正負極和兩個信號段，用來接入PLC控制器的模擬量。該傳感器模塊主要采用智能的可調節的電壓信號，可以被廣泛運用。

■2.3 組態模塊

上位機組態監視模塊主要是借助于組態王軟件實現對校園教室照明情況的及時反饋，能夠直觀的看清現場的運行情況。利用該設計模塊，完成對現場照明的控制，以及教室照明亮度的調節和控制，利用通信系統，完成人機交互。對于系統的照明控制，主要是完成對學校教室內照明的統一啟停的控制，以及單個教室內部照明的控制，確保在緊急環境下，能夠緊急制動。借助于通信系統，人機交互系統主要是實現系統的顯示，利用組態軟件，完成信息的預報和警示，于此做出對應的信息報表，利用數據庫完成對信息的存儲備份，以便后期能夠對信息的調用。

3 控制程序設計

■3.1 程序設定思想

該程序主要考慮兩種控制模式。開關信號有手動和自動模式兩種，當開關打開時，該系統處于智能照明模式，關閉時則為傳統的手動照明模式。自動模式下主要是完成對各個檢測點的數據采集，以及照明時間的設定。在打開自動模式下時，對各個數據進行數據的采集，利用現階段學生上課和自習的時間，判定教室照明時間的長短。

一般來說，根據學校學生上課時間的統一性，在學生上課之前開啟照明裝置，在上午六點和晚上十二點開啟裝置，在上課之前采用的是智能人體溫度傳感器信息的采集，一旦有學生提前進入教室，可以自動開啟。同時和教室內光照傳感器形成聯動開關，當教室內光纖充足時，即使有人也不必要打開照明模式，若是教室內光照強度不夠時，開啟照明模式。利用不同的照明模式，開啟智能照明模式。換言之，當室內的光線強度達到設定的閾值，應該關閉該系統的照明模式。也就是說，根據教室內學生上上課與不上課的時段，對教室內光照強度進行設定。當該系統采用手動照明模式時，可以借助于教室內開關或者上位機手動模式的點擊，對控制區域燈具進行控制，其中控制流程圖詳見圖3所示。

圖3 照明系統程序控制流程

■3.2 部分梯形圖設計

（1）接通線圈，程序圖如圖4所示。

圖4

（2）設定定時器，T=300s，程序圖如圖5所示。

圖5

（3）定時器每次完成一次定時，計時器則完成一次計數，程序圖如圖6所示。

圖6

（4）為保證該照明系統能夠在早上六點到晚上十一點開通，設定以下程序圖控制M0.1動作，程序圖如圖7所示。

圖7

（5）為保證該照明系統能夠在晚上十一點到十二點開通，設定以下程序圖控制M0.2動作，程序圖如圖8所示。

圖8

（6）為保證該照明系統正常運行，在晚上十二點至早上六點之間開通，設定以下程序圖控制M0.3動作，程序圖如圖9所示。

圖9

（7）根據在不同的時間段內，根據不同的光照強度以及聲音（判定教室內是否有人），判定此時教室是否需要開燈，程序圖如圖10所示。

圖10

4 試驗結果分析

為驗證系統的可靠性，隨機抽取兩個教室實現對教室的用電控制，采用對比數據方式驗證。第一個教室（201）利用傳統的照明方式，第二個教室（301）利用智能的照明方式，監控一個學期。201教室用電量為256.4kW·h，301教室用電量為171.4kW·h，除卻由于天氣和人為因素的影響，得出能夠節省33.15%，滿足事先設定的預算數值，試驗結果保證了系統的可靠性。

5 結語

綜上所述，借助于PLC控制裝置以及傳感器系統（光照傳感器和人體紅外傳感器等）的配合使用，通過組態軟件完成教室的智能照明的控制，結合教室的實際情況（教室光照強度、人員數量以及時間等因素）完成對于照明的控制，能夠實現教室照明自動化控制，有效節約電能資源，提高燈具照明的壽命，達到綠色節能的理念。