薛　吉

(上海電器科學(xué)研究院, 上海　200063)

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工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC在智能樓宇照明中的應(yīng)用*

薛吉

(上海電器科學(xué)研究院, 上海200063)

介紹了工業(yè)以太網(wǎng)主站可編程控制器(PLC)的硬件和軟件設(shè)計(jì),闡述了智能照明系統(tǒng)總體方案,以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,實(shí)現(xiàn)多模場(chǎng)景回路調(diào)控、能耗計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理等智能化功能,提高了照明設(shè)備的使用壽命。實(shí)踐運(yùn)行結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)照明方式,智能照明系統(tǒng)能節(jié)省約35%的能耗,且減少了維護(hù)成本。

工業(yè)以太網(wǎng); 可編程控制器; 智能照明系統(tǒng); 總體方案

0　引　言

有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示,建筑的能耗達(dá)整個(gè)能耗總量的30%,建筑物的能耗通常體現(xiàn)在建筑設(shè)備上,其中照明能耗占相當(dāng)大的比重。

傳統(tǒng)的照明控制是在靠近回路處加上開(kāi)關(guān),由開(kāi)關(guān)來(lái)控制照明,但這樣很難達(dá)到由管理室對(duì)全體照明實(shí)行成批監(jiān)視、控制,在現(xiàn)場(chǎng)也可以靈活控制照明的要求。近年來(lái),智能照明技術(shù)發(fā)展迅速?，F(xiàn)有技術(shù)大多是通過(guò)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)照明的集中控制,根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)各種控制邏輯,一定程度上降低了照明能耗[1]。

隨著建筑物向大型化發(fā)展,簡(jiǎn)單的PLC集中控制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足智能照明節(jié)能的需求。本文以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,在實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域多個(gè)照明負(fù)載集中控制的基礎(chǔ)上,通過(guò)PLC的工業(yè)以太網(wǎng)接口,構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)[2-3]。

1　工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC

1.1工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC功能

VPC系列PLC分為VPC2(增強(qiáng)型)、VPC1(標(biāo)準(zhǔn)型)和VPC0(經(jīng)濟(jì)型),本體含20點(diǎn)、32點(diǎn)或60點(diǎn),最大可連接8個(gè)擴(kuò)展模塊,如數(shù)字量、模擬量、溫度模塊等,提供最大24 KB的程序容量,最高3個(gè)獨(dú)立的10 kHz高速計(jì)數(shù)器,最高6路獨(dú)立的100 kHz高速脈沖輸出,滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化各相關(guān)領(lǐng)域?qū)π⌒蜋C(jī)性能、穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比的需求。

該系統(tǒng)方案采用VPC2-32MT以太網(wǎng)機(jī)型,主站PLC實(shí)物如圖1所示,支持Modbus/TCP主/從站協(xié)議,還具有1個(gè)RS-232編程/通信口和1個(gè)RS-485通信接口,支持Modbus主/從站[4]。

圖1　主站PLC實(shí)物

1.2工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC硬件設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,主站可以直接連接從站設(shè)備或通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)底層設(shè)備[5-6]。主站PLC硬件系統(tǒng)由CPU模塊、電源模塊、以太網(wǎng)模塊、串口模塊以及PLC各功能模塊組成。主站PLC硬件框圖如圖2所示。

圖2　主站PLC硬件框圖

1.3工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC軟件設(shè)計(jì)

主站PLC軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　主站PLC軟件架構(gòu)

以太網(wǎng)主站PLC嵌入式軟件采用無(wú)操作系統(tǒng)架構(gòu),分PLC內(nèi)核與通信內(nèi)核。PLC內(nèi)核中包括指令解釋執(zhí)行模塊、常務(wù)處理模塊、錯(cuò)誤處理模塊、I/O刷新模塊等;通信內(nèi)核包括擴(kuò)串口通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊。PLC內(nèi)核與通信內(nèi)核建立在底層驅(qū)動(dòng)之上。以太網(wǎng)PLC固件程序?qū)崿F(xiàn)模式切換、指令解析執(zhí)行、以太網(wǎng)通信、串口通信、固件更新、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、錯(cuò)誤處理、擴(kuò)展模塊接口、計(jì)數(shù)器、定位器、狀態(tài)指示、模擬量輸入、I/O刷新、高速計(jì)數(shù)器、運(yùn)動(dòng)控制、用戶(hù)內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)存放區(qū)等功能[7-9]。

以太網(wǎng)通信主要實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP主站、從站功能,可分開(kāi)或同時(shí)工作在主站模式、從站模式。

(1) Modbus/TCP主站模式。以太網(wǎng)主站PLC通過(guò)Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端從站進(jìn)行通信,并管理相應(yīng)從站。以太網(wǎng)主站PLC可周期性地將內(nèi)存N區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)往遠(yuǎn)端從站,或從遠(yuǎn)端從站讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于N區(qū),該通信過(guò)程獨(dú)立于PLC內(nèi)用戶(hù)程序。主站PLC主站模式工作流程如圖4所示。

圖4　PLC主站模式工作流程

(2) Modbus/TCP從站模式。以太網(wǎng)主站PLC作為Modbus/TCP從站,接收主站的Modbus/TCP請(qǐng)求(該請(qǐng)求是對(duì)PLC內(nèi)存N區(qū)數(shù)據(jù)交互的請(qǐng)求),并響應(yīng)該請(qǐng)求,將內(nèi)存N區(qū)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)端主站進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

主站PLC從站模式工作流程如圖5所示。

圖5　主站PLC從站模式工作流程

2　智能照明系統(tǒng)總體方案

智能照明系統(tǒng)基于樓宇智能化和工業(yè)控制及通信技術(shù),結(jié)合智能樓宇地下車(chē)庫(kù)、辦公走道和泛光、景觀照明的特點(diǎn),以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,實(shí)現(xiàn)多模場(chǎng)景回路調(diào)控、策略定制能耗計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感探測(cè)和數(shù)據(jù)報(bào)表遠(yuǎn)程管理等智能化功能。照明系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6　智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能照明系統(tǒng)架構(gòu)共劃分為4層:終端設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、本地管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。

(1) 終端設(shè)備層包括照明用的各種燈具以及配套的電氣元件,實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的直接控制。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)控制層是智能照明系統(tǒng)的核心,選用工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC。主站PLC可擴(kuò)展連接數(shù)/模模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的智能調(diào)節(jié);主站PLC可以將光照傳感器、紅外傳感器等信號(hào)接入,實(shí)現(xiàn)異常監(jiān)測(cè)、人體、車(chē)輛及光照傳感探測(cè)等智能化功能。同時(shí),主站PLC可管理區(qū)域范圍內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,如從站PLC、電量模塊等,進(jìn)行數(shù)據(jù)打包匯總后上傳,整個(gè)智能照明系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多、范圍較廣時(shí),可緩解上層網(wǎng)絡(luò)的通信壓力。

(3) 本地管理層將本區(qū)域(包括整棟樓宇,甚至整棟園區(qū))的所有工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC進(jìn)行集中控制管理,通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的靈活控制,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)各種節(jié)能控制策略。

(4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控層通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與本地管理層進(jìn)行連接,不僅能對(duì)智能照明的樓宇進(jìn)行監(jiān)測(cè),還可以通過(guò)遠(yuǎn)程管理平臺(tái)控制工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC,實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

該方案通過(guò)智能多模場(chǎng)景營(yíng)造美觀、舒適環(huán)境,通過(guò)綠色可調(diào)燈源降低樓宇能耗,通過(guò)智能化系統(tǒng)降低人工成本,同時(shí)也提高了照明設(shè)備的使用壽命,形成高效、智能化的樓宇照明系統(tǒng)解決方案。

4　能源大樓應(yīng)用案例

該智能照明系統(tǒng)已應(yīng)用在武寧園區(qū)能源大樓中。能源大樓智能照明系統(tǒng)主要針對(duì)大樓地下車(chē)庫(kù)、1F展示大廳和所有公共樓梯間的照明,3個(gè)區(qū)域控制策略相互獨(dú)立,又統(tǒng)一集中到能源大樓監(jiān)控中心進(jìn)行管理。系統(tǒng)具備自動(dòng)/手動(dòng)切換方式,在自動(dòng)控制的情況下,智能照明系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)功能區(qū)域的實(shí)際需求,預(yù)設(shè)時(shí)間段和相應(yīng)照度,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)和調(diào)光。當(dāng)自動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),可切換到傳統(tǒng)的手動(dòng)方式,通過(guò)定時(shí)設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)閉所有的燈具,確保照明的正常供給。同時(shí),在每個(gè)區(qū)域布置電量模塊,可采集每個(gè)區(qū)域耗電情況,便于系統(tǒng)耗能的評(píng)估分析。能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖7所示。

圖7　能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)

地下停車(chē)庫(kù)根據(jù)精細(xì)化分區(qū)域管理策略和系統(tǒng)通信架構(gòu)簡(jiǎn)明化原則,以及地下車(chē)庫(kù)的車(chē)道和車(chē)位分布情況,共劃分為3個(gè)控制區(qū)域,每個(gè)區(qū)域1個(gè)小型掛壁控制箱,在地下車(chē)庫(kù)配電室放置數(shù)據(jù)集中控制箱,采集區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)后,與上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

地下車(chē)庫(kù)智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖8所示。

圖8中,以太網(wǎng)主站PLC可作為主站管理本區(qū)域內(nèi)的所有以太網(wǎng)設(shè)備,又可作為從站與數(shù)據(jù)集中控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行后測(cè)算評(píng)估,相對(duì)于傳統(tǒng)照明方式,智能樓宇照明系統(tǒng)能夠節(jié)省約35%的能耗,同時(shí)節(jié)省了人工維護(hù)的成本。

圖8　地下車(chē)庫(kù)智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

5　結(jié)　語(yǔ)

本文以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,構(gòu)建了具有4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的智能照明系統(tǒng)。實(shí)踐應(yīng)用證明,智能照明系統(tǒng)可顯著降低樓宇能耗、人工成本,提高燈具使用壽命,具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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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

薛吉(1978—),女,高級(jí)工程師,從事現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

上海人才發(fā)展資金資助項(xiàng)目(201533)

TU 855

B

1674-8417(2016)06-0040-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.010

2016-05-03