基于PLC的智能照明控制研究

楊欣雨,占佳倩,吳雙池

(安徽三聯學院 電子電氣工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

與傳統照明方式相比,智能照明在延長燈具使用壽命的同時,讓室內場景燈光變化增加了環境藝術效果,多種不同傳感器的相互組合使用讓燈光的亮度可以自動調節強與弱,在節約能源方面具有更大的優勢。

1 智能照明控制系統的背景和發展

1.1 研究背景

使用繼電器和時間的控制方式是傳統照明控制的主要手段,這2種方式盡管方便、直接,但都相對依賴人的主動性,控制器的位置相對分散,沒有辦法集中控制和管理。在環保方面,傳統控制燈具的方式使光源時刻處于開的狀態,即使在無人環境下,造成了電力資源的浪費。在當下的市場需求及前景下,智能燈光控制產品也趨于更加合理和實用,無論是室內家居還是工廠、商場、公司都逐漸開始使用智能燈光的控制。

1.2 市場背景

隨著 5G 的商用和新興產業的普及,智能產業呈現積極的發展勢頭,智能照明也迎來了爆發式增長。“90后”互聯網時代主力軍的到來,帶動了智能照明產品新一輪的快速增長。從市場需求來看,智能照明對于傳統照明市場的替代效應也極大地刺激了智能照明市場的需求,智能照明產業逐漸呈現極具誘惑力的市場 “蛋糕”,到2025年智能照明市場規模預計將超過1 000億元。

2 控制系統設計

2.1 PLC控制模塊的選型

本文設計的PLC控制模塊主要起子機控制作用,因此必須具有可靠性高、抗干擾能力強等優點,選用SIMATIC S7-1200系列1214C作為CPU模塊,其具有可靠性高、擴展性強等特點,可智能化地滿足照明安裝控制需求。此外,PROFINET接口是一個集成接口,可通過編程實現人機界面與 PLC 之間的通信[1-2]。

該系統采用的處理器型號為CPU 1214C AC/DC/Relay,擁有2種電能輸入方式。交流輸入為電源提供AC 220 V的電壓,直流輸入為電源提供DC 24 V的電壓。該控制器內部集成了100 KB的工作存儲器、4 MB的裝載存儲器和10 KB的保持存儲器;裝載存儲器可用SIMATIC存儲卡擴展;集成了14路數字量輸入、10路數字量輸出和2路模擬量輸入;可以擴展一個信號板、3個通信模塊和8個信號模塊;具有一個以太網/PROFINET接口。

2.2 觸摸屏的選型

在系統中采用SIMATIC KTP700 Basic HMI設備,可滿足高品質和可視化操作的需求,可勝任在任何中小型設備上使用;在聯網性能方面,可以在PROFINET、PROFIBUS接口以及USB接口之間做出靈活選擇。另外,使用TIA Portal中最新版本的WinCC軟件,編程過程得到了大幅度簡化,更加方便進行組態和操作。

2.3 系統結構

以中大型的圖書館場景設計為例,采用西門子S7-1200系列PLC作為系統的核心控制器件,將各個不同的傳感器按照特定位置擺放,各組燈具相互連接,最后通過觸摸屏顯示各個傳感器和燈具當前的狀態。此時,在一片區域范圍內,形成了一個照明控制單元,將各個控制單元通過交換機整合與中控室的PC機連接組成一個完整的智能照明控制系統[3],系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

由于中大型圖書館的占地面積大,空間分布廣,光線在空間中錯綜復雜,不同區域的光亮度相差較大,因此,每塊區域采用PLC加觸摸屏的控制方式最為穩妥。

3 人機交互與方案實施

3.1 人機交互界面設計

對于人機交互界面的設計,為了防止非專業人員對系統數據進行更改導致出現錯誤,增加了用戶登錄界面。

如果需要對系統上的數據進行調試修改,進入登錄界面,點擊登錄,輸入管理員賬戶和密碼后,即可跳轉到調試界面,此時登錄界面上也會留下登錄信息,登錄信息會上傳至中控室的PC機中,包括更改的數據,以便定期維護。

在故障報警的交互界面上,為了快速定位故障發生的具體位置,從面到點的排除方法十分高效[4],設計如圖2—3所示。當出現報警時,交互界面上會彈出報警提示框,中控室的PC機上也會出現相應提示,點擊報警提示框則會轉到區域報警界面,如果區域下方的綠燈轉為紅色,則代表故障發生的區域,點擊紅燈上方的區域按鈕進入具體的報警界面;當燈具下方的綠燈轉為紅色,則代表著對應故障的燈具,點擊對于燈具,進入檢修狀態,紅燈轉為黃色。此時,對應燈具斷開使能電源,再次點擊燈具按鈕,則重新上電。故障發生的時間和具體位置也會上傳至系統的日志中,在中控室的PC機上可查看。這種方式極大地減少了排除故障到檢修所需要的時間[5],同時也便捷了使用者的操作,減少了定期維護的成本。

圖2 區域報警界面

圖3 具體報警界面

3.2 控制器算法

智能系統采用的算法為最常見的PID控制算法,原理如圖4所示。

圖4 PID算法原理

PID算法是一種十分常見的控制算法,作用的場景也十分廣泛,如加熱設備的恒定溫度控制、無人機的飛行姿態和飛行速度、卷繞設備的線速度和張力恒定控制等都采用了PID算法控制。PID控制算法結合比例環節、積分環節和微分環節3種環節于一體,適用于對被控對象模型了解不清楚的場合。

PID控制器集成了該控制算法,通過比較期望輸出和實際輸出之間的誤差來調整輸出。PID控制器包括3個部分:比例控制、積分控制和微分控制。其中,比例控制部分根據誤差的大小進行調整,積分部分控制根據誤差的累積時間進行調整,微分控制部分根據誤差的變化速率進行調整。

3.2.1 比例控制

控制系統中的偏差信號是按比例反映的,一旦出現偏差,就會產生控制效果以減少偏差。比例控制器的輸出u(t)與輸入偏差e(t)成比例,能迅速反映偏差并減少偏差,但不能消除靜差。在比例控制器中,由于偏差的存在,靜差是控制器提供恒定控制輸出的必要條件。根據偏差理論,可以通過增加偏差來減少偏差,但偏差無法完全消除。比例控制效果的大小不僅取決于偏差e(t),還取決于比例系數Kp的大小。比例系數Kp越小,控制效果越小,系統響應越慢;而比例系數Kp越大,控制效果越強,系統響應越快。但如果Kp過大,則會引起系統過沖和振蕩,導致系統穩定性變差。因此,Kp不宜過大,應根據被控對象的特性折中選擇Kp,在加快響應速度的同時,將系統靜態差分控制在可接受的范圍內[6]。

3.2.2 積分控制

積分環節的作用主要是消除靜態差異,提高系統精度。積分效應的強弱取決于積分時間常數Ti,Ti越大,積分效應越弱。積分控制效應的有無與偏差存在的時間有關,只要系統中存在e(t)和偏差,積分環節就會繼續起作用,對輸入偏差進行積分,產生控制器輸出和執行器開度不斷變化、偏差不斷減小的控制效應。在足夠的積分時間內,靜態差值完全消失,積分控制功能保持不變;Ti越小,積分速度越快,積分效果越強。如果積分過強,系統超調會更多,振蕩也會更大。

3.2.3 微分控制

微分環節的作用可以反映偏差信號的變化趨勢,在偏差信號值過大之前為系統添加有效的早期修正信號,從而加快系統的響應速度,縮短調整時間。如果引入積分控制,靜態偏差可以消除,但系統的響應速度會降低,這就很難通過PI控制器實現高質量的動態控制,特別是對于具有較大慣性的被控體,可能會出現差分效應,系統可能會出現較大的過量諧波振蕩。根據偏差量的變化趨勢,根據偏差量的瞬時出現或變化情況,同時根據偏差量的及時響應,提前給予較大的控制效果,可將偏差消除在萌芽狀態,并能顯著減少系統動態偏差和調整時間,提高系統動態調整質量。

微分控制操作的階躍響應特性對于固定的偏差量,微分控制操作無論其值大小均為零。因此,單獨使用微分運行無法消除靜態差值,通常必須與比例和積分控制運行,PD 或 PID 控制形成組合使用。

3.3 軟件的實施

傳感器傳回的數據需要進行處理才能具體顯示,在TIA Portal V17中,選擇使用SCALE縮放指令,對傳感器傳回的數值進行縮放,即可獲得當前的亮度值。

控制算法在TIA Portal V17中有其相對應的指令PID_Compact ,PID_Compact指令提供了一種可對具有比例作用的執行器進行集成調節的 PID 控制器。在PID_Compact指令中已經將執行器進行了集成,只需要更換相對應的執行器即可使用,如圖5所示。

圖5 更換執行器

當亮度、照度傳感器的數值發生變化,在一定的范圍內PID指令將會啟動,對比周圍環境的光亮度,做出最優的調整。此外,中控室的PC機對傳感器的數值進行監視,結合其他類型傳感器傳回的數據對場景進行合理的分析,實時調整設置的數據,使場景亮度最優的同時,讓環境充滿氛圍感。

4 結語

智能照明控制現如今依舊是科技研究的熱點之一,如何讓設備變得更加智能、運行更加穩定等問題一直受人們持續關注。基于PLC開發智能燈光控制,不僅可以讓設備智能化的同時運行更加穩定,連同應用場景也變得更加多種多樣。作為下位機使用方便了使用者操作的同時,也為照明的安全性提供了一種較高的保障,具有很好的實用性和推廣性。