LED室外全彩屏监控系统设计

王中豪，付邦胜，郭飞亚

（中原工学院，河南 郑州 450007）

0 引言

LED全彩显示屏是近年来快速流行的一种新型的传播媒介，由于其显示亮度高、色彩好、寿命长，视角大，同时具备任意延展性，可以实现大面积的无缝拼接，能增强媒介与受众之间的互动，近年来在火车站、机场、大型商场、会展中心等场合得到了广泛的应用。LED全彩屏显示系统为集计算机控制技术、视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字图像技术为一体的显示设备[1]。但是，作为半导体电子器件集中的光电系统，其电源模块、控制芯片等半导体器件对温度非常敏感，随着温度的增高，其老化速度会迅速加快[2]。对于户外全彩显示屏，一般做成完全密封的箱体，以求达到良好的防水效果，但是这给显示屏散热带来极大障碍[2]。研究表明，LED显示屏热量损耗占能耗的80-90%[3]。因此，散热、控制环境温度是LED显示屏可靠工作的重要一环。

近年来，学者们针对LED彩色显示屏的散热问题，开展了相关的研究。任红[4]研究了LED选型中的功率、散热问题；房伟[5]、燕希[2]等提出了一种半导体制冷技术应用到LED屏散热中；谢军龙[6]等采用强迫风冷技术对显示屏进行散热，并对某户外LED显示屏的温度场进行了模拟分析；茅于海[7]探讨了LED的散热与LED寿命问题，指出了温度与LED衰减寿命的关系，说明了散热的重要性。对于LED系统的监控，贾东耀[8]等提出了通过PC机与单片机通讯来对显示内容进行预览；郭立新[9]提出了一种显示屏供电远程监控系统，实现远程显示屏的供电状态；刘建伟[10]提出了一种LED箱温湿度、烟雾监控系统，完成参数的测量。上述研究都指出了温度对LED全彩屏的寿命具有重要的影响，也提出了一些环境监控的方案，但是对于面积较大的LED室外全彩屏，其发热量非常可观，采用常规的风冷和自然冷却无法保证其工作温度，这将造成显示效果变差、器件迅速老化甚至造成显示故障。

针对上述问题，本文针对某火车站大面积户外全彩屏，提出了一种基于PLC的温度控制和现场监控系统。

1 系统控制要求

某火车站户外显示屏面积达100平方米，峰值供电电流高达100A左右，发热功率非常大，为保证系统安全运行，需要保持LED显示屏内部温度在安全范围内，常规的风冷无法满足散热要求，因此需要加入冷却空调，同时，设计可靠的控制系统，满足对温度的控制要求。为了避免投显示屏对电网造成的冲击，LED彩色显示屏分八组顺序投入，同时，实现供电电源监控、工作状态监控、数据记录、报警记录、等功能。

2 系统控制方案设计

PLC以抗干扰能力强，可以快速集成等特点，使得PLC的环境监控系统已经在其他行业得到较好的应用[11-16]。本文提出一种基于PLC、触摸屏的远程监控系统，其控制方案见图1。其中，远程人机界面选用威纶通经济型TK8071iP，其价格便宜，性价比高。PLC选用西门子SMART系列，型号为SR30，其本体包括18路数字量输入口和12路数字量输出口；扩展EMAE08模块1块，分别采集供电信号和温度信号。

图1中，为了温度信息准确，在不同位置安装4路温度传感器，模拟量通过EM-AE08模块采集计算后，取平均值作为实际温度值。分布的烟雾报警开关4个，采用常闭触点，将信号串联后接入PLC的输入点，使得无论任何位置发生火灾，都通过同一个信号触发报警，减少了输入接口。为了避免投切时对电网系统的冲击，8组LED通过PLC控制接触器分组投切，同时，将接触器投切信号反馈到PLC以显示其工作状态。风机和空调通过一定的控制逻辑，实现温度控制。人机界面（触摸屏）放置于远程监控室，通过以太网进行数据传输，距离不足时，通过光纤转换实现数据的远距离传输。

图1 系统控制方案图

3 系统控制程序设计

系统的主流程如图2所示。系统可以根据需要选择手动模式或自动模式，在手动模式下，可以分别对各组LED供电单元进行手动操作。在自动模式下，LED组件每隔2s投入一组，直至全部投入。系统会根据烟雾报警情况、温度情况及电源情况判断环境是否异常，在环境异常情况下，系统禁止投切操作，同时，启动报警和故障记录。

图2 主启动流程

无异常情况下，在自动模式下启动后，系统一直运行，除非人工停止。在异常情况下，异常处理逻辑将驱动系统紧急停车，并驱动报警。

一般情况下，LED显示屏的正常工作温度范围是-10℃-40℃，在超过65℃时，会迅速的加速老化，故障大幅度增多[7]。为防止温度过高造成的系统故障及元件老化，需要对其温度进行控制。在设计温度控制系统时，既要保证温度不超限，尽可能的保证系统良好的工作状态，又不能频繁启停，造成设备过多的切换导致的设备冲击，同时兼顾节能要求。温度控制流程图见图3所示。

图3 温度控制流程

根据系统控制要求，设定温度上下限，其中，风机开启的温度为40℃，空调的开启温度为45℃。系统首先检测环境参数，条件满足后，判断温度是否达到风机开启门限，若超过限定值，启动风机，进行风冷循环。正常情况下，风机可以基本保证环境温度不超过45℃。若温度超过空调开启温度，则开启空调，在开启空调和循环风的作用下进行降温循环。极端情况下，温度超过65℃时，则判断为系统失控，继续工作则可能造成损坏，系统紧急停车，切断电源，风机、空调停止工作，同时，启动系统报警。

同时，为避免设备频繁启停，空调和风机在具备一定宽度的温度范围内工作，其中，风机停止温度为37℃，空调的停止温度为41℃。

4 人机界面设计

触摸屏选用威纶通TK系列触摸屏，型号为TK8071iP。触摸屏具有以太网通讯接口，可以方便采用以太网通讯协议与SMART系列PLC进行数据交换，当控制柜与监控室距离较远时，可以光纤转换，并实现数据的长距离传输。

人机界面是重要的信息终端和控制装置。可以实现现场设备监控、电参数状态检测、温度检测、故障记录等功能。本设计包括主画面，监控画面、曲线记录画面、报警记录画面等。主画面如图4所示。

图4 监控主画面

主画面主要包括系统工作状态显示，系统LED状态显示，自动启停控制；温度显示，供电系统状态显示等。这些信息可以直观的看到现场的信息，也可以在远程进行系统的启停操作。

系统工作专题监控画面主要显示现场设备的工作状态，包括风机、空调以及8组LED显示屏的工作状态。工作状态画面见图5。

图5 系统工作状态画面

温度实时数据显示画面如图6所示。该画面主要功能为系统温度曲线记录，系统实时检测环境温度并绘制曲线，为系统温度趋势和系统工作状态分析提供依据。

图6 温度实时数据显示画面

此外，还有报警数据记录画面、报警记录画面等。当事件驱动故障时，报警画面立即显示并闪烁，提示故障信息。报警记录画面保存历史报警数据，为排除故障、事故信息等提供数据支持。

5 结语

本文根据某火车站大面积室外LED全彩屏的环境控制要求，提出了基于西门子新型经济型可编程控制器S7-200SMART为核心，以低成本经济型威纶通TK8071iP触摸屏为人机界面的控制系统。分析了系统工艺和控制需求，介绍了系统控制方案和程序设计方法，并根据系统要求，设计了人机界面。该系统通用性强，抗干扰能力和可靠性较高，经过实际应用，满足了系统的设计要求，实现了系统的自动温度控制，为LED系统的安全可靠运行提供了保障。