基于PLC 的校园智能照明控制系统设计

王连杰，栾泰珍

（济南大学泉城学院，山东烟台 265600）

随着人们日常生活中对能源浪费的逐渐重视，根据节省能源、维护世界环境的可持续发展的需要，中国自一九九三年十一月启动“中国绿色照明工程”以来，已于一九九六年开始纳入国家计划[1]。但由于现代化灯光设备的使用并不普遍，大部分学校还是采用传统的灯光管理方法。对完善校园交通灯光智能管理工程，进一步扩大管理点位，主动实时控制和远程管理校园灯光装置的显示，对于合理控制道路灯光和景观灯的工作与停止有着重大的现实意义。

在普通高等学校中，教学楼、实验楼、学生宿舍一般用电比较多，而且设备也比较高级一些，用电不同于初高中学、小学，展现出下列用电特征。

1）普通高等学校在能源的使用上，主要是以使用电力为主，大约占90%以上。

2）最主要的供电设备，通常是照明设备、空调设备、排水设备、水处理及其他设备，尤其是当照明负荷正好与供电设备的最高峰负载重合时，使供电的最大负载发生了很大的冲击。

3）学校的照明具有遍布广阔、数目比较多、对照明的监管比较松散、用电的时间比较长、学校内用电环境繁杂及人工对其进行掌控不太便利等特征。学校内学生经常使用的教室、宿舍、图书馆等地夜晚时间的用电量比较大，对学校电网的负荷也会产生相应的影响。

以上特点表现出学校在电力的有效使用中往往会忽略灯光照明使用的浪费问题。

1 方案设计

1.1 方案整体要求

对于智能照明控制系统给出以下几点基本要求。

1）学生在社会中处于一种独特的存在，其活动具有一定的规律性。因此，对一些照明设施需要进行智能分时控制的办法，分段时序控制采用时序控制器，根据不同季节、不同时段设定不同的控制时序。

2）在学生的假期时间就可以采用手动控制的方式，根据学生的需要，可以定时或少量开启，根据学生的使用时间进行变化；路灯每天只需要开启1/4，满足最低照明要求。

3）草坪与花坛灯光采取在第1、第2 时段完全与部分开启，第3 时段全熄的调控方法。

4）为提高在PLC 故障状态下的道路照明效果，设置过程中考虑了手动与自动2 个工作模式，在手动中可人为打开或关闭任意一路灯光[2]。

5）在设计时考虑夏、秋时制与冬、春时制的识别。

1.2 智能照明系统的特点与优势

1.2.1 优越的节能效果

此次采用的智能照明控制系统的首要目标是降低能源没有必要的耗损与人力资源的耗费，智能照明控制系统通过各种预设的控制模式和控制元件，对不同时间和环境条件进行精确设置与智能控制，以此来达到节约能源的成效。

1.2.2 创造优越的作业条件，提高效率

提高效率的重要条件是优越的设备条件、优良的设备，使用灯光的设置要正确的灯具和灯光系统也可以改善灯光的作用[3]。

1.2.3 提高光源的照明时长

增加光源的照明时长不仅能够节约许多的经费，而且还能大大降低灯管损坏的频率，减少了智能照明系统的经营成本，照明设备的管理、维修与保护也会变得更加便利。

1.2.4 呈现更多的照明效果

通过使用不同的照明控制形式，可以使同样的一栋建筑物展现出不同的照明效果，使照明效果具有更多的艺术形式，使建筑物呈现出不同的视觉表现方式。在现代建筑物中，照明的作用必须具备使建筑物更加绚丽多彩、元素多变，具有更强艺术感的效果，给人以更加强烈的美感，能够进一步陶冶学生们的情趣[4]。比如部分购物广场的喷泉、写字楼、步行街等配备了智能照明控制系统，按照不同时间、不同场合、不同环境下能够做出不同的灯光效果，通过预设置的场景进行智能控制，比如晚上的灯光更加明亮多彩，电影院的场景下更加温馨浪漫，白天的灯光更加柔和，从而达到不同的视觉动态效果，给人以舒适的感觉。

2 硬件设计

2.1 系统整体设计

本次设计主要由西门子PLC 程序来进行完成。第一步先设定好相应的程序，白天利用湿度传感器和光线传感器来判别天气的好坏状态，通过传感器的识别来实现恶劣天气与良好天气的灯光控制。夜间由设定程序设计好的夏、秋时制与冬、春时制进行判断处理，从而达到不同天气、时间下的灯光控制，以达到智能照明的目的。

2.2 PLC 的选择

目前S7-200 系列的PLC 主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP 和CPU226 5 个CPU 型号。其中，在该系列中所采用的CPU224XP[5]，具备了十四输入/十输出共二十四路的I/O 端口。可使用的则是7 个扩展模块，可扩展至168 路数字容量I/O 点以及38 路模拟容量I/O 点。20 K 字节程序和数据存储空间。预设置的I/O 分配见表1。

表1 I/O 分配表

3 软件设计

3.1 程序流程

第一步：首先执行程序进入到传感器判别指令程序，进行下一步判别。

第二步：通过传感器判别，天气良好进入到下一个时制判别指令程序，天气恶劣进入到下一个所有灯具全部打开的指令程序。

第三步：通过时制判别指令程序判定冬、春或者夏、秋后进入到时段判别指令程序，再进行判定时段问题。

夏、秋时制：第一时段19—21 时，灯光与路灯全部开启；第二时段21—24 时，灯光与路灯关闭一半；第三时段0—6 时，只开启2 个路灯。

冬、春时制：第一时段18—21 时，灯光与路灯全部打开；第二时段21—23 时，灯光与路灯关闭一半；第三时段23—次日7 时，只开启2 个路灯。

3.2 部分梯形图设计

由于要判断夏秋、冬春时制与时段0—24 时，所以设置一个获取时钟信息的指令（READ_RTC），如图1所示。

图1 读取时间设置

设置光照传感器与湿度传感器，光照传感器设定0~100%区间判别，湿度传感器设定0~100%区间判别，如图2 所示。

图2 光照与湿度设置

设定白天时间夏秋时制为6—19 时、冬春时制为7—18 时光线传感器与湿度传感器感应，若湿度大于80%，光照小于20%，路灯全部开启。如图3 所示。

图3 白天时段设置

晚上分夏秋、冬春时制与时段判别，按照控制要求设定，如图4 所示。

图4 夜间时段设置

4 系统部分调试

打开S7-200 仿真器，选择PLC 型号（CPU224XP）导入文件进行系统仿真。

按下I0.2 冬春时制按钮，开始启动冬春时制，此时设置时间为20 时，属于第一时段，灯光应全部打开，如如图5 所示。

图5 冬春第一时段

设定时间为21 时，此刻启动的是冬春时制的第二时段，此时灯光应打开一半，从右侧梯形图也可以直观地看到系统的运行状态。如图6 所示。

图6 冬春第二时段

设定时间为凌晨1 时，属于冬春时制的第三时段，此时应只有1、3 号路灯亮，如图7 所示。

图7 冬春第三时段

设定时间为白天的9 时，此刻属于夏秋时制的白天时段，传感器感应到光照过低（14%）、湿度过高（81%），属于天气恶劣（传感器通过调整模拟量来判别天气恶劣与良好）时段，灯光应全部打开，如图8所示。

图8 白天天气恶劣

5 结束语

通过本次设计的校园智能照明控制系统，达到了预先设想的目的。此次设计主要是采用了以PLC 为核心，通过梯形图编程，不断尝试与修改梯形图中的错误，在最后仿真模拟时达到了预想的结果。本次设计的创新之处是加入了多种传感器的相互配合，使系统更加灵活与智能。最后达到了不需要刻意进行人工控制的自动调节系统。将PLC 控制与校园智能照明控制系统进行了很好的连接与配合。通过本次的系统设计，获得了以下成果。

1）通过这次系统设计的成功，达到了节约用电的效果。

2）以PLC 为核心的控制相比于其他的控制系统而言，PLC 投资成本低，故障率低，无需时刻维护。

3）这种照明系统的设计对学校照明电力的管理有着事半功倍的效果。同时还为学校节约了电费的支出。

4）在这种校园智能照明控制系统的使用下，灯具的使用年限预计可以延长2~3 倍，大大节省了学校对电力设备的资金支出。