基于PLC 的校園智能照明控制系統設計

王連杰，欒泰珍

（濟南大學泉城學院，山東煙臺 265600）

隨著人們日常生活中對能源浪費的逐漸重視，根據節省能源、維護世界環境的可持續發展的需要，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]。但由于現代化燈光設備的使用并不普遍，大部分學校還是采用傳統的燈光管理方法。對完善校園交通燈光智能管理工程，進一步擴大管理點位，主動實時控制和遠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實意義。

在普通高等學校中，教學樓、實驗樓、學生宿舍一般用電比較多，而且設備也比較高級一些，用電不同于初高中學、小學，展現出下列用電特征。

1）普通高等學校在能源的使用上，主要是以使用電力為主，大約占90%以上。

2）最主要的供電設備，通常是照明設備、空調設備、排水設備、水處理及其他設備，尤其是當照明負荷正好與供電設備的最高峰負載重合時，使供電的最大負載發生了很大的沖擊。

3）學校的照明具有遍布廣闊、數目比較多、對照明的監管比較松散、用電的時間比較長、學校內用電環境繁雜及人工對其進行掌控不太便利等特征。學校內學生經常使用的教室、宿舍、圖書館等地夜晚時間的用電量比較大，對學校電網的負荷也會產生相應的影響。

以上特點表現出學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 方案設計

1.1 方案整體要求

對于智能照明控制系統給出以下幾點基本要求。

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

2）在學生的假期時間就可以采用手動控制的方式，根據學生的需要，可以定時或少量開啟，根據學生的使用時間進行變化；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 時段全熄的調控方法。

4）為提高在PLC 故障狀態下的道路照明效果，設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閉任意一路燈光[2]。

5）在設計時考慮夏、秋時制與冬、春時制的識別。

1.2 智能照明系統的特點與優勢

1.2.1 優越的節能效果

此次采用的智能照明控制系統的首要目標是降低能源沒有必要的耗損與人力資源的耗費，智能照明控制系統通過各種預設的控制模式和控制元件，對不同時間和環境條件進行精確設置與智能控制，以此來達到節約能源的成效。

1.2.2 創造優越的作業條件，提高效率

提高效率的重要條件是優越的設備條件、優良的設備，使用燈光的設置要正確的燈具和燈光系統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約許多的經費，而且還能大大降低燈管損壞的頻率，減少了智能照明系統的經營成本，照明設備的管理、維修與保護也會變得更加便利。

1.2.4 呈現更多的照明效果

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出不同的照明效果，使照明效果具有更多的藝術形式，使建筑物呈現出不同的視覺表現方式。在現代建筑物中，照明的作用必須具備使建筑物更加絢麗多彩、元素多變，具有更強藝術感的效果，給人以更加強烈的美感，能夠進一步陶冶學生們的情趣[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，按照不同時間、不同場合、不同環境下能夠做出不同的燈光效果，通過預設置的場景進行智能控制，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，從而達到不同的視覺動態效果，給人以舒適的感覺。

2 硬件設計

2.1 系統整體設計

本次設計主要由西門子PLC 程序來進行完成。第一步先設定好相應的程序，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，通過傳感器的識別來實現惡劣天氣與良好天氣的燈光控制。夜間由設定程序設計好的夏、秋時制與冬、春時制進行判斷處理，從而達到不同天氣、時間下的燈光控制，以達到智能照明的目的。

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 個擴展模塊，可擴展至168 路數字容量I/O 點以及38 路模擬容量I/O 點。20 K 字節程序和數據存儲空間。預設置的I/O 分配見表1。

表1 I/O 分配表

3 軟件設計

3.1 程序流程

第一步：首先執行程序進入到傳感器判別指令程序，進行下一步判別。

第二步：通過傳感器判別，天氣良好進入到下一個時制判別指令程序，天氣惡劣進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、秋后進入到時段判別指令程序，再進行判定時段問題。

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 部分梯形圖設計

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

圖1 讀取時間設置

設置光照傳感器與濕度傳感器，光照傳感器設定0~100%區間判別，濕度傳感器設定0~100%區間判別，如圖2 所示。

圖2 光照與濕度設置

設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，若濕度大于80%，光照小于20%，路燈全部開啟。如圖3 所示。

圖3 白天時段設置

晚上分夏秋、冬春時制與時段判別，按照控制要求設定，如圖4 所示。

圖4 夜間時段設置

4 系統部分調試

打開S7-200 仿真器，選擇PLC 型號（CPU224XP）導入文件進行系統仿真。

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

圖5 冬春第一時段

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

圖6 冬春第二時段

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

圖7 冬春第三時段

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

圖8 白天天氣惡劣

5 結束語

通過本次設計的校園智能照明控制系統，達到了預先設想的目的。此次設計主要是采用了以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到了預想的結果。本次設計的創新之處是加入了多種傳感器的相互配合，使系統更加靈活與智能。最后達到了不需要刻意進行人工控制的自動調節系統。將PLC 控制與校園智能照明控制系統進行了很好的連接與配合。通過本次的系統設計，獲得了以下成果。

1）通過這次系統設計的成功，達到了節約用電的效果。

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

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

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