基于PLC控制的教学楼智能照明系统设计

2022-07-21王翠荣

电子制作 2022年12期

王翠荣

（江苏省宿城中等专业学校，江苏宿城，223800 ）

0 引言

现代建筑照明系统能够保证人们的日常生活和工作，消耗量继空调系统成为第二大能耗，面对社会资源损耗的增加以及绿色环保理念的提出，以智能化的照明系统的成为当前关注的焦点。高校教学楼是学生频繁上课且用电比较重要的场所，能源消耗巨大。本文最大限度利用现有的资源，借助于PLC控制技术，和多种传感器系统，通过组态软件完成教室的智能照明的控制，结合教室的实际情况完成对于照明的控制，达到绿色节能的理念。

1 控制方案以及要求

教室作为校园教学和学习的重要场所，保证照明可靠运行，能够为教育教学活动保驾护航，借助于智能传感器系统，可以判定教室环境的光照强度和人员的变化，实现对校园教室照明的智能控制，将开关信号设定为两种，即手动和自动模式两种，当开关打开时，该系统处于智能照明模式，关闭时则为传统的手动照明模式。在手动模式情况下，可以手动操作完成对现场照明的断开和闭合，是传统照明运用；在自动控制模式下，根据教室内人员、光照强度以及系统时间的设定，完成对教室的智能控制，主要是多种传感器的配合使用，而对于现场具体光照强度的控制主要是对室内照明灯点亮的个数来实现。例如，在自动控制模式下，在光照强度达到室内设定的阈值前提下，将此时的信号上传至上位机，控制照明灯自动关闭，但是，在阴天时候，在光照强度低于室内设定的阈值前提下，将此时的信号上传至上位机，控制教室照明灯自动开启，但是，如果监测此时教室无人上课或者上自习时，红外传感器联动，阻止上位机发出指令照明。同时，在晚上时，学生已经不来上课，此时，教学楼有人上自习，利用光照传感器和人体红外传感器，感知学生进入教室，教室照明自动打开，如果无人前来，则自动关闭。同时，也可设定此时利用手动模式情况下来控制照明。一旦系统发生故障，可以借助于手动操作，完成教室的照明，能够确保教学活动的正常运行，也能尽可能避免照明浪费情况。

2 智能照明系统整体结构设计

该功能模块主要含有三个部分上位机、下位机和通信系统，该系统首选该系统硬件设备采用的是PLC为S7-200SMART CPU ST30，利用GH-3002-GZ 型号的光照度传感器完成对于现场光照强度的采集，利用人体红外感应模块对教室人员的检测，在教室内设定光照传感器和人员红外感应模块，完成对于现场的总控制，基于此，该系统的结构框图见图1，保证系统能够正常稳定的运行，该系统使用的是以太网通信实现对程序的下载，设备电源为DC24V，设计电路连线图见图2。

图1 系统结构框图

图2中主要有两种传感器：光电传感器和人体温度传感器，前者主要用于对光照信号的采集，后者主要是对检测区域测定人员的数量和位置，将采集的光照信号和人员数量等信号采集到上位机PLC中。PLC作为系统的核心器件，利用采集的光照信号和人员数量等信号向开关量模块发出指令。开关信号有手动和自动模式两种，当开关打开时，该系统处于智能照明模式，关闭时则为传统的手动照明模式。

图2 连线示意图

■2.1 PLC控制器

该系统硬件设备采用的是PLC为S7-200SMART CPU ST30，使用的是以太网通信实现对程序的下载，设备电源为DC24V。该控制器具有20个端口，18个输入和12个输出，为有效节约现有的成本资源，设定一个总的控制开关、灯控和人体感应开关（分别为四个）、以及光照度检测传感器（四个）。照明位置分别为讲台照明，以及学生座位上方照明。为保证教室照明的强度，学生位置照明达到300 lx强度，讲台照明强度达到500lx强度，符合国家设定的《建筑照明设计标准》。同时，根据教室的具体情况，将室内光感在教室正上方，人感传感器在门口位置和教室门口位置。

■2.2 检测模块

检测模块主要是采用与PLC-200匹配使用的GH-3002-GZ传感器模块，完成对室内光照强度的检测。主要采用0～6×10和0～20×10精度的光照度传感器，主要有电流和电压模式的模拟量输出光照传感器。GH-3002-GZ传感器具有较高的防护性能，能够精准检测微弱热光源和冷光源，传输精度高，传输距离长，同时具有较强的扩展性，可以在比较恶劣的环境下运用，由于此具有壁挂防水功能，可以在校园内广泛使用。该传感器工作电压是10～30V，有四根引线，分别为正负极和两个信号段，用来接入PLC控制器的模拟量。该传感器模块主要采用智能的可调节的电压信号，可以被广泛运用。

■2.3 组态模块

上位机组态监视模块主要是借助于组态王软件实现对校园教室照明情况的及时反馈，能够直观的看清现场的运行情况。利用该设计模块，完成对现场照明的控制，以及教室照明亮度的调节和控制，利用通信系统，完成人机交互。对于系统的照明控制，主要是完成对学校教室内照明的统一启停的控制，以及单个教室内部照明的控制，确保在紧急环境下，能够紧急制动。借助于通信系统，人机交互系统主要是实现系统的显示，利用组态软件，完成信息的预报和警示，于此做出对应的信息报表，利用数据库完成对信息的存储备份，以便后期能够对信息的调用。

3 控制程序设计

■3.1 程序设定思想

该程序主要考虑两种控制模式。开关信号有手动和自动模式两种，当开关打开时，该系统处于智能照明模式，关闭时则为传统的手动照明模式。自动模式下主要是完成对各个检测点的数据采集，以及照明时间的设定。在打开自动模式下时，对各个数据进行数据的采集，利用现阶段学生上课和自习的时间，判定教室照明时间的长短。

一般来说，根据学校学生上课时间的统一性，在学生上课之前开启照明装置，在上午六点和晚上十二点开启装置，在上课之前采用的是智能人体温度传感器信息的采集，一旦有学生提前进入教室，可以自动开启。同时和教室内光照传感器形成联动开关，当教室内光纤充足时，即使有人也不必要打开照明模式，若是教室内光照强度不够时，开启照明模式。利用不同的照明模式，开启智能照明模式。换言之，当室内的光线强度达到设定的阈值，应该关闭该系统的照明模式。也就是说，根据教室内学生上上课与不上课的时段，对教室内光照强度进行设定。当该系统采用手动照明模式时，可以借助于教室内开关或者上位机手动模式的点击，对控制区域灯具进行控制，其中控制流程图详见图3所示。

图3 照明系统程序控制流程

■3.2 部分梯形图设计

（1）接通线圈，程序图如图4所示。

图4

（2）设定定时器，T=300s，程序图如图5所示。

图5

（3）定时器每次完成一次定时，计时器则完成一次计数，程序图如图6所示。

图6

（4）为保证该照明系统能够在早上六点到晚上十一点开通，设定以下程序图控制M0.1动作，程序图如图7所示。

图7

（5）为保证该照明系统能够在晚上十一点到十二点开通，设定以下程序图控制M0.2动作，程序图如图8所示。

图8

（6）为保证该照明系统正常运行，在晚上十二点至早上六点之间开通，设定以下程序图控制M0.3动作，程序图如图9所示。

图9

（7）根据在不同的时间段内，根据不同的光照强度以及声音（判定教室内是否有人），判定此时教室是否需要开灯，程序图如图10所示。

图10

4 试验结果分析

为验证系统的可靠性，随机抽取两个教室实现对教室的用电控制，采用对比数据方式验证。第一个教室（201）利用传统的照明方式，第二个教室（301）利用智能的照明方式，监控一个学期。201教室用电量为256.4kW·h，301教室用电量为171.4kW·h，除却由于天气和人为因素的影响，得出能够节省33.15%，满足事先设定的预算数值，试验结果保证了系统的可靠性。