实验教学楼智能照明系统的设计与实现

2017-03-23孟庆丰黄越洋石元博周子文刘子朝

自动化仪表 2017年3期

关键词：控系统楼宇上位

孟庆丰,黄越洋,石元博,周子文,刘子朝

(1.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺 113001； 2.辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院，辽宁抚顺 113001)

实验教学楼智能照明系统的设计与实现

孟庆丰1,黄越洋1,石元博2,周子文1,刘子朝1

(1.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺 113001； 2.辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院，辽宁抚顺 113001)

针对传统照明系统存在的可扩展性不足、不能适应各种特殊场景等问题，提出了一种新型的智能楼宇照明控制系统。该系统以自动控制为基础，利用通信、PLC和计算机等技术，将采集的现场信息反馈至处理器。反馈的现场信息与用户需求共同作为处理器的逻辑控制判断条件；处理器通过对信息分析处理，选出最佳控制方案。以实验教学楼实际工程为例，该系统根据实验教学楼的实际布局，将监控分成光导室内照明和走廊节能照明两部分。该系统由上位机远程集成中控系统与下位机现场楼控系统两大系统组成，实现了照明系统的现场监控与远程监控，并且可以通过场景选择与用户需求完成特定的功能控制。Modbus协议的使用，除了使该系统具备运行稳定、成本相对低廉的优点，也保障了系统的可扩展性。智能楼宇的投运表明，该系统的运行不仅实现了实验教学楼照明系统的统一调控，还达到了节能的目的，极具经济效益与社会效益。

智能楼宇；智能照明；自动控制；远程控制；组态； PLC； Modbus

0 引言

根据数据统计，我国绝大多数建筑目前仍然沿用传统照明系统。相比智能照明系统，传统照明系统只能利用单一的开/关两种状态变换控制方式，并且仍采用落后的人工管理。随着社会的发展以及人们环保意识的不断提高，传统照明系统越来越难以满足人们对照明模式多样化的追求，还造成了不同程度的能源、人力以及物力的浪费。例如：目前普遍存在的“长明灯”现象就是人们离开建筑后忘记关灯导致的[1-2]。

智能照明系统为多种技术相结合的产物，能够实现对分散照明的集中监控。通过对各种传感器的输入信息进行逻辑分析来控制光照。其操作智能化、管理简单化、扩展灵活化，能够满足用户的不同要求。本文以实验教学楼实际工程为例，对该照明系统进行介绍。

1 实验教学楼智能照明系统需求

本系统的应用对象为地上三层、地下一层的实验教学楼。设计需求如下：照明的控制和监视；每一个回路的开/闭控制；调光控制；场景设置和控制；时间顺序控制；定时控制；现场模拟图形方式的管理；负荷计算；监控照明回路状态；分析计算维修保养期；提供无线图形显示(数量只取决于计算机本身硬件条件)；全方位操作界面；提供管理日志，根据系统时钟记录，按发生的时间顺序对操作进行记录；提供运行时间分析及历史记录功能；提供报表生成功能；提供对使用量的累计和趋势的分析，并对报表和趋势图进行打印；对应急照明系统进行集中管理，并通过接口与中央测试应急照明系统相连，不但可以监控应急照明系统的正常照明状态，而且可以定义时间控制模式，允许照明状态以天、周或月为时间周期触发变化，对照明的变化进行自动控制；提供整个数据库和图形界面的备份、重装等系统维护操作；使用直接、明了且支持多任务、多进程控制的高级编程语言。

2 系统设计

2.1 控制原理

智能照明系统由光导照明和走廊节能照明两部分组成。白天的室内采光通常为门窗照进的太阳光，而对于地下空间来说，在白天也只能采取人工电力照明的办法。因此，对于本建筑地下层的室内照明，采用了光导照明的办法。光导照明就是把户外的自然光送进室内进行照明。根据对特定项目的测算，用光导管技术代替人工照明，能够节约20%～30%的建筑用电[3-4]。

对走廊节能照明系统进行合理化管理，如采用定时控制、光感控制(在需要的时候、需要的区域把灯点亮到合适的照度)等技术，以节约能源和降低运行费用，并保持适当照度[5-6]。通过移动感应控制与定时控制的结合，可在保证走廊公共区域的灯光定时开启、定时关闭的同时启动移动感应控制，从而达到节约能源、便于管理的目的。

根据光导管系统的要求，在地下室房间内安装了管道式日光照明装置和照度变送器。照度变送器采集照度信息，将数据传送给PLC；PLC进一步处理数据，再传送至上位机用户端；上位机用户端将信息显示在PC机界面，供用户实时了解和写入数据库，以便日后查询。同时，上位机对照度信息和用户的设定值进行逻辑比较，由不同的结果触发不同的程序；PLC接收到用户端的处理结果，改变相对应的开关量，使执行器动作，从而改变光导管调节器的角度，以控制室内的亮度。系统体系结构如图1所示。

图1 系统体系结构图

走廊节能照明系统加装了红外热释电传感器，在无人控制时，可通过红外热释电传感器控制灯具开关。

2.2 控制流程

系统照明控制流程如图2所示。在系统启动后，首先判断用户是否需要进行自动调节。当用户选择手动操作时，系统仅监测光照值和提供手动控制开关功能。用户可通过光导管系统，在上位机手动执行全开全关光导管，或现场使用光导管调节器控制开关；可通过走廊过道系统，在上位机手动调节灯具亮度；开关根据红外热释电传感器的状态自动开启或关闭。上位机只接收下位机的数据而不再下发命令，用户只能进行检测，而无法使用界面上的任何功能键。

图2 照明控制流程图

当用户选择系统自动调节操作时，分为场景控制模式与默认模式。在场景控制模式下能实现特殊功能，如白天节能模式、夜间节能模式与顺序开关模式等。当用户不进行任何选择时，则进入默认模式。在默认模式下，由系统判断当前设置是否符合用户设置，并运行相应指令。用户在该模式下设定时间，由系统在规定时间内开启自动调节，并设定所需要的光照值区间；系统会根据设定区间进行调节，当光照过亮则调暗，过暗则调亮，在设定区间内则不动作。最后，在界面显示照明状态，系统进入周期性重复，直到用户改变控制条件。

3 实验教学楼智能照明系统的实现

本控制系统主要分为下位机现场楼控系统与上位机远程集成中控系统两部分。

3.1 下位机现场楼控系统的实现

(1)下位机现场楼控系统。

作为下位机与上位机通信以及现场设备控制的核心元件，下位机现场楼控系统是一种综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的工业自动控制装置。本系统采用矩形科技N80系类PLC，利用多个N80组网实现分布式控制，用于采集、处理下位机产生的数据，并上传至上位机。

(2)现场通信的实现。

系统通信连接如图3所示。

图3 通信连接示意图

系统通信主要包括设备层线路连接和数据传输层线路连接[7]。

①设备层线路连接。

现场设备分为支持数字通信、不支持数字通信两种。对于支持数字通信的设备，采用沈阳中凯科技有限公司的IOM系列日光调节控制器，使用标准35 mm导轨安装方式，并采用RS-485异步串口通信的方式进行数据通信。通信协议采用Modbus RTU通信规约，信息传输采用异步方式，以字节为单位。当通信命令由设备发送至PLC时，与设备发送的地址码相符的PLC接收该通信命令。如果CRC校验无误，则执行相应的操作，并把执行结果(数据)反馈给PLC；如果CRC校验出错，则不反馈任何信息[8]。对于不支持数字通信的设备，例如应急灯以及现场报警设备等，则不使用Modbus通信，而采用普通的I/O口控制设备。在自动运行模式下，PLC内置程序自动控制系统运行。在手动控制模式下，PLC的I口连接设备的输出，以监控设备的运行状态；PLC的O口连接继电器的输入。当上位机中控系统控制PLC将O口置1，闭合继电器，则电路连通，设备开始运作。

②数据传输层线路连接。

考虑到数据传输层需要的是快速的数据传输而非灵活扩展性，PLC使用了Modbus TCP/IP来实现交换机和上位机之间的用户端通信。线路连接使用了以太网接口，即8芯水晶头网线；而PLC和触摸屏的通信则采用了Modbus协议，实现对内嵌有RS-485接口的PLC进行控制。在PLC和触摸屏连接中，Modbus硬件接口采用电气接口2线制RS-485，使用屏蔽双绞线连接。所有的A、B接口都是菊链在一起的，屏蔽线应该连接到地端，采用单点接地。在总线的2个终端，需要配置120 Ω的电阻。在PLC梯形图编写时，因为PLC既使用了I/O口又使用了开放式RS-485接口，所以要将梯形图中的PLC地址转换成相应的Modbus地址，否则上位机用户端将不能识别PLC地址，造成通信失败[9-10]。

3.2 上位机远程集成中控系统的实现

本系统采用国内成熟工业组态软件组态王作为组态平台对其进行监控。组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。利用组态王自带功能，能够轻松实现日志功能，包括线路走势、数据打印、保存等[11-12]。

由于采集数据量庞大，因此使用ACCESS数据和组态王SQL访问管理器，并通过ODBC访问接口建立数据库列与组态王变量表之间的联系，从而完成数据的导入与导出，供用户使用。

光导管照明子菜单主要实现对地下一层光导管及其照明系统的监测与控制。用户在自动模式时，需在自动设置页面设置所需的时间段以及照度的最高值和最低值。子菜单中区为楼宇地下一层的平面图，演示了光导灯以及走廊灯的位置。当灯动作时，触发相应的动画效果，使用户更加直观地了解运行情况。走廊节能照明控制模式与上述基本相同，分为自动模式和手动模式，可通过开关进行选择。用户在手动模式下，可对灯光亮度进行调节。

该系统采用组态王Web自带功能，基于通用的TCP/IP、Http协议以及Java技术，通过B/S结构体系，将运行界面发布至互联网。用户只需在IE浏览器上输入对应的地址，就可以浏览运行界面，实现对楼宇的远程监控。

4 结束语

随着社会节能意识的增强和对居住要求的提高，智能建筑已经成为建筑行业未来发展的必然选择。在智能建筑设计中，应用楼宇智能化技术，可以有效地实现智能化控制。本文结合自动控制、计算机与通信等技术，设计了一款新型的智能楼宇照明系统。该系统实现了对智能建筑照明系统的统一调控，达到了节能的目的。这不仅为人们创造了更佳舒适的室内环境，还为社会带来了更大的经济效益。

[1] 李忠.智能楼宇中通信自动化系统的引用思考[J].电脑知识与技术,2016(12):250-251.

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Design and Implementation of Experiment Teaching Building Intelligent Lighting System

MENG Qingfeng1,HUANG Yueyang1,SHI Yuanbo2,ZHOU Ziwen1,LIU Zichao1

(1.School of Information and Control Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2.School of Computer and Communication Engnieering,Liaoning Shihua Univeisity,Fushun 113001,China)

Aiming at the disadvantages of traditional lighting systems of intelligent buildings,i.e.,insufficient scalability and unable to meet the needs of a variety of special scenes,a new type of intelligent building lighting control system is proposed.Based on automatic control,by using communication technology,PLC technology and computer technology,etc.,the field information collected is feedback to the processor.The feedback field information and the user demand act as the judgment conditions of the logic control of processor;through analyzing and processing the information,the optimal control scheme is selected by the processor.With practical project of experiment teaching building as example,in accordance with the actual layout of the building,the monitoring is divided into two parts,one is the light guide indoor lighting,and one is the corridor energy saving lighting;and the system is constituted by the host computer remote integrated central control system and the slave computer building field control system.The system implements the field,centralized and remote monitoring,and realizes dedicated function control based on scene selection and user demand.The usage of Modbus protocol make the system run stably,and in low cost,as well as offer scalability.Operation of the system not only achieves the unified regulation and control for the lighting systems of experiment teaching building,but also saves energy;this features economic significance and social benefits.

Buildings automation； Intelligent lighting； Automatic control； Remote control； Configuration； PLC； Modbus