工业以太网主站PLC在智能楼宇照明中的应用*

2016-08-24薛吉

现代建筑电气 2016年6期

关键词：主站楼宇以太网

薛　吉

(上海电器科学研究院, 上海　200063)

工业以太网主站PLC在智能楼宇照明中的应用*

薛吉

(上海电器科学研究院, 上海200063)

介绍了工业以太网主站可编程控制器(PLC)的硬件和软件设计,阐述了智能照明系统总体方案,以工业以太网主站PLC为核心,实现多模场景回路调控、能耗计量、状态监测和远程管理等智能化功能,提高了照明设备的使用寿命。实践运行结果表明,相对于传统照明方式,智能照明系统能节省约35%的能耗,且减少了维护成本。

工业以太网; 可编程控制器; 智能照明系统; 总体方案

0　引　言

有关统计资料显示,建筑的能耗达整个能耗总量的30%,建筑物的能耗通常体现在建筑设备上,其中照明能耗占相当大的比重。

传统的照明控制是在靠近回路处加上开关,由开关来控制照明,但这样很难达到由管理室对全体照明实行成批监视、控制,在现场也可以灵活控制照明的要求。近年来,智能照明技术发展迅速。现有技术大多是通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)来实现照明的集中控制,根据需求实现各种控制逻辑,一定程度上降低了照明能耗[1]。

随着建筑物向大型化发展,简单的PLC集中控制已经无法满足智能照明节能的需求。本文以工业以太网主站PLC为核心,在实现同一区域多个照明负载集中控制的基础上,通过PLC的工业以太网接口,构建基于工业以太网的照明控制系统[2-3]。

1　工业以太网主站PLC

1.1工业以太网主站PLC功能

VPC系列PLC分为VPC2(增强型)、VPC1(标准型)和VPC0(经济型),本体含20点、32点或60点,最大可连接8个扩展模块,如数字量、模拟量、温度模块等,提供最大24 KB的程序容量,最高3个独立的10 kHz高速计数器,最高6路独立的100 kHz高速脉冲输出,满足工业自动化各相关领域对小型机性能、稳定性和性价比的需求。

该系统方案采用VPC2-32MT以太网机型,主站PLC实物如图1所示,支持Modbus/TCP主/从站协议,还具有1个RS-232编程/通信口和1个RS-485通信接口,支持Modbus主/从站[4]。

图1　主站PLC实物

1.2工业以太网主站PLC硬件设计

在工业控制网络中,主站可以直接连接从站设备或通过通信网关访问底层设备[5-6]。主站PLC硬件系统由CPU模块、电源模块、以太网模块、串口模块以及PLC各功能模块组成。主站PLC硬件框图如图2所示。

图2　主站PLC硬件框图

1.3工业以太网主站PLC软件设计

主站PLC软件架构如图3所示。

图3　主站PLC软件架构

以太网主站PLC嵌入式软件采用无操作系统架构,分PLC内核与通信内核。PLC内核中包括指令解释执行模块、常务处理模块、错误处理模块、I/O刷新模块等;通信内核包括扩串口通信模块和以太网通信模块。PLC内核与通信内核建立在底层驱动之上。以太网PLC固件程序实现模式切换、指令解析执行、以太网通信、串口通信、固件更新、实时时钟、错误处理、扩展模块接口、计数器、定位器、状态指示、模拟量输入、I/O刷新、高速计数器、运动控制、用户内存区、数据存放区等功能[7-9]。

以太网通信主要实现Modbus/TCP主站、从站功能,可分开或同时工作在主站模式、从站模式。

(1) Modbus/TCP主站模式。以太网主站PLC通过Modbus/TCP网络与远端从站进行通信,并管理相应从站。以太网主站PLC可周期性地将内存N区的数据写往远端从站,或从远端从站读取数据存储于N区,该通信过程独立于PLC内用户程序。主站PLC主站模式工作流程如图4所示。

图4　PLC主站模式工作流程

(2) Modbus/TCP从站模式。以太网主站PLC作为Modbus/TCP从站,接收主站的Modbus/TCP请求(该请求是对PLC内存N区数据交互的请求),并响应该请求,将内存N区数据与远端主站进行交互,实现与上层网络的数据交互。

主站PLC从站模式工作流程如图5所示。

图5　主站PLC从站模式工作流程

2　智能照明系统总体方案

智能照明系统基于楼宇智能化和工业控制及通信技术,结合智能楼宇地下车库、办公走道和泛光、景观照明的特点,以工业以太网主站PLC为核心,实现多模场景回路调控、策略定制能耗计量、状态监测传感探测和数据报表远程管理等智能化功能。照明系统总体架构如图6所示。

图6　智能照明系统总体架构

智能照明系统架构共划分为4层:终端设备层、现场控制层、本地管理层和远程监控层。

(1) 终端设备层包括照明用的各种灯具以及配套的电气元件,实现对照明灯具的直接控制。

(2) 现场控制层是智能照明系统的核心,选用工业以太网主站PLC。主站PLC可扩展连接数/模模块,实现对照明灯具的智能调节;主站PLC可以将光照传感器、红外传感器等信号接入,实现异常监测、人体、车辆及光照传感探测等智能化功能。同时,主站PLC可管理区域范围内其他网络设备,如从站PLC、电量模块等,进行数据打包汇总后上传,整个智能照明系统节点较多、范围较广时,可缓解上层网络的通信压力。

(3) 本地管理层将本区域(包括整栋楼宇,甚至整栋园区)的所有工业以太网主站PLC进行集中控制管理,通过上位机软件实现对PLC的灵活控制,同时可实现各种节能控制策略。

(4) 远程监控层通过互联网与本地管理层进行连接,不仅能对智能照明的楼宇进行监测,还可以通过远程管理平台控制工业以太网主站PLC,实现智能照明系统的远程控制。

该方案通过智能多模场景营造美观、舒适环境,通过绿色可调灯源降低楼宇能耗,通过智能化系统降低人工成本,同时也提高了照明设备的使用寿命,形成高效、智能化的楼宇照明系统解决方案。

4　能源大楼应用案例

该智能照明系统已应用在武宁园区能源大楼中。能源大楼智能照明系统主要针对大楼地下车库、1F展示大厅和所有公共楼梯间的照明,3个区域控制策略相互独立,又统一集中到能源大楼监控中心进行管理。系统具备自动/手动切换方式,在自动控制的情况下,智能照明系统根据各个功能区域的实际需求,预设时间段和相应照度,自动实现开关和调光。当自动设备出现故障时,可切换到传统的手动方式,通过定时设备启动或关闭所有的灯具,确保照明的正常供给。同时,在每个区域布置电量模块,可采集每个区域耗电情况,便于系统耗能的评估分析。能源大楼智能照明系统总体架构如图7所示。

图7　能源大楼智能照明系统总体架构

地下停车库根据精细化分区域管理策略和系统通信架构简明化原则,以及地下车库的车道和车位分布情况,共划分为3个控制区域,每个区域1个小型挂壁控制箱,在地下车库配电室放置数据集中控制箱,采集区域内数据后,与上层网络进行数据交互。

地下车库智能照明区域系统通信架构如图8所示。

图8中,以太网主站PLC可作为主站管理本区域内的所有以太网设备,又可作为从站与数据集中控制柜进行数据交互。经系统运行后测算评估,相对于传统照明方式,智能楼宇照明系统能够节省约35%的能耗,同时节省了人工维护的成本。

图8　地下车库智能照明区域系统通信架构图

5　结　语

本文以工业以太网主站PLC为核心,构建了具有4层网络结构的智能照明系统。实践应用证明,智能照明系统可显著降低楼宇能耗、人工成本,提高灯具使用寿命,具有重要的经济效益和社会效益。

[1]姚伟,韦云生,高益锋,等.基于PLC/GPRS的智能照明单灯监控系统设计[J].广西科技大学学报,2015(1):63-69.

[2]李杜.基于PLC的住宅照明智能控制系统设计[J].现代建筑电气,2012,3(2):54-57.

[3]张传林,王涛,徐世许.基于PLC的智能照明控制系统[J].灯与照明,2009,33(3):5-6.

[4]李一青,薛吉,奚培峰.基于PLC的CANopen主站功能的实现[J].低压电器,2011(17):32-34.

[5]琚长江.基于IEC 61131-3标准的可编程逻辑控制器[J].低压电器,2008(5):30-32.

[6]薛吉,孙嘉辰,瞿涛.工业以太网Modbus/TCP通信网关的研发[J].电器与能效管理技术,2014(16):43-46.

[7]侯金华,杨根科,琚长江,等.可编程控制器RS-485通信接口防护设计[J].电器与能效管理技术,2014(24):38-41.

[8]应成,琚长江,薛吉.基于可编程控制器的Modbus/TCP主站研发[C]∥2015年全国智能电网用户端能源管理学术年会论文集,2015.

[9]刘念杰.基于电力线载波通信的智能调光系统[D].杭州:杭州电子科技大学,2014.

Application of Industrial Ethernet Master PLC in Intelligent Building Lighting

XUE Ji

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

This paper introduced the hareware and software designs of industrial Ethernet master programmable logic controller(PLC),and elaborated a overall scheme of intelligent lighting system,which was built with the industrial Ethernet master PLC as the core.It is pointed out that the intelligent lighting system has the intelligent functions including loop control of multimode scene,energy metering,status monitoring and remote management,which can improve the service life of lighting equipments.The actual operation of intelligent lighting system results show that compared with the traditional lighting system,the intelligent lighting system can save about 35% energy consumption and reduce the maintenance costs.

industrial ethernet; programmable logic controller(PLC); intelligent lighting system; verall scheme