李文軍，陳杰，王永峰

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 后勤管理處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

照明的發(fā)展依賴于科學(xué)的進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)水平的提高。自從愛迪生的第一只鎢絲燈泡問世以來，世界擁有了由電能轉(zhuǎn)換而來的一片光明。照明控制系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能為主要目的，有效的控制可以延長(zhǎng)燈具，提高照明質(zhì)量，改善工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多種照明效果。

傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)在照明控制方式上主要以手動(dòng)為主，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開關(guān)和調(diào)光控制，具有功能簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，控制信息不能進(jìn)行交換，管理效率低等特點(diǎn)。隨著電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，照明控制邁入了自動(dòng)控制階段，利用自動(dòng)控制技術(shù)來遙控?zé)艟叩拈_關(guān)，具有控制相對(duì)集中，管理效率較高，自動(dòng)化程度相對(duì)較高的特點(diǎn)。智能照明控制系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的，其可以根據(jù)客觀要求、環(huán)境變化和用戶預(yù)訂等條件而自動(dòng)采集系統(tǒng)中的各種信息，再對(duì)所采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析與判斷，然后把結(jié)果按一定的形式傳輸、存儲(chǔ)、顯示以及反饋控制等處理，使控制效果達(dá)到最佳的照明系統(tǒng)，稱之為智能照明控制系統(tǒng)。

高等院校的教室是師生學(xué)習(xí)、工作的主要空間和場(chǎng)所。如果能夠在學(xué)校各類教室應(yīng)用智能照明控制系統(tǒng)，根據(jù)教室的客觀要求、環(huán)境變化和用戶預(yù)訂等條件自動(dòng)控制照明燈具的開閉與數(shù)量，并充分利用自然光，實(shí)現(xiàn)教室照明控制與管理的自動(dòng)化與智能化，對(duì)于新形勢(shì)下的智慧校園建設(shè)具有重要的意義。

1 控制需求與分析

1.1 功能分析

教室照明控制系統(tǒng)要滿足學(xué)生在一定時(shí)間段內(nèi)的高密度使用需求，而且學(xué)生多為統(tǒng)一住宿管理，在關(guān)閉宿舍后教室照明需求會(huì)急劇減小。在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制模式外，還需要設(shè)計(jì)手動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的即時(shí)通斷，用以解決自動(dòng)控制模式下無法控制的情況。此外還需設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，即定時(shí)控制模式，該模式可以避免傳感器出現(xiàn)問題時(shí)出現(xiàn)的誤操作，且不需要人員全程跟隨控制。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教室照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。硬件部分以S7-1200 PLC 控制器為核心，使用昆侖通泰工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互的平臺(tái)，將光照度傳感器和人體紅外感應(yīng)探頭的數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)由PLC 處理后用以控制交流繼電器，繼而控制燈組。

圖1 教室照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電路使用光照度傳感器和三個(gè)紅外傳感器的數(shù)據(jù)輸入提供自動(dòng)模式下的判斷依據(jù)，系統(tǒng)的電氣原理如圖2所示。正常情況下由工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互的平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正?？刂疲诜钦Ｇ闆r下也可以使用I0.3 ～I(xiàn)0.6之間的手動(dòng)按鈕控制系統(tǒng)。

圖2 教室照明控制系統(tǒng)電氣原理路圖

由圖2可知，I0.0 ～I(xiàn)0.2 為紅外傳感器，用于檢測(cè)是否有人接近；I0.4 ～I(xiàn)0.6 為模式選擇開關(guān)，在觸摸屏連接出現(xiàn)問題導(dǎo)致無法控制時(shí)，可以使用按鈕來控制系統(tǒng)模式；AI0為光照度傳感器的模擬量輸入，用于檢測(cè)實(shí)時(shí)光照度，進(jìn)而傳遞數(shù)據(jù)給PLC 處理；工業(yè)觸摸屏使用PROFINET 接口與PLC 連接；Q0.0 ～Q0.3 為四個(gè)繼電器，用于控制對(duì)應(yīng)的交流接觸器線圈，控制燈組的亮滅；Q0.4 ～Q0.6 為三種模式的指示燈，用來顯示當(dāng)前系統(tǒng)正處于何種控制模式。系統(tǒng)電氣原理路圖的I/O 接口分配如表1所示。

表1 教室照明控制系統(tǒng)I/O 接口表

3 控制程序設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)控制模式程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制模式下，照明受到環(huán)境光照度和是否有人接近的影響，在環(huán)境光照度低于閾值且有人接近的情況下，程序才會(huì)輸出開啟信號(hào)。光照度傳感器輸出量為0 ～10 V 的電壓量模擬量信號(hào)，而PLC1200 的模擬量輸入直接支持0 ～10 V 電壓模擬量輸入，則可以直接使用。PLC 的模擬量數(shù)值為0 ～27 648，對(duì)應(yīng)電壓0 ～10 V，可以使用一個(gè)NORM標(biāo)準(zhǔn)化模塊來進(jìn)行對(duì)模擬量的處理，得到的數(shù)值再經(jīng)過一個(gè)SCALE 比例模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到需要的光照度數(shù)值，單位為lx；而人體紅外感應(yīng)探頭可以檢測(cè)到是否有人靠近，由于輸出為數(shù)字量，則PLC 可以直接使用。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的自動(dòng)控制流程

在自動(dòng)控制模式下，如果周圍環(huán)境照度低于25lx，則判斷周圍環(huán)境光照度不足以滿足使用需求，且當(dāng)有人靠近觸發(fā)人體感應(yīng)紅外探頭，程序?qū)?huì)輸出開啟信號(hào)，用以控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制燈組。

3.2 手動(dòng)控制模式程序設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制模式作為應(yīng)急狀態(tài)時(shí)自動(dòng)控制模式作為補(bǔ)充，當(dāng)自動(dòng)控制模式滿足不了控制需求時(shí)，可以切換到手動(dòng)控制模式，在工業(yè)觸摸屏端按下開啟按鈕時(shí)，對(duì)應(yīng)燈組即會(huì)亮起，同理可關(guān)斷。

4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試

工業(yè)觸摸屏使用昆侖通泰TPC1061Ti，界面使用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行編寫。MCGS 為使用者提供了用以解決實(shí)際上工程問題的開發(fā)平臺(tái)和完整方案，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集、實(shí)時(shí)以及歷史數(shù)據(jù)分析、安全和報(bào)警機(jī)制、動(dòng)畫顯示、流程控制、報(bào)表輸出和趨勢(shì)曲線等可以很好地實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，工業(yè)觸摸屏界面如圖4所示，此時(shí)可以自由選擇控制模式，進(jìn)入相應(yīng)控制模式的子界面。

圖4 主界面仿真圖

在自動(dòng)控制控制模式下，工作指示燈亮起，光照度數(shù)值顯示當(dāng)前光照度為20lx，人體紅外探頭1 亮起，燈組1 亮起，表示當(dāng)光照度小于閾值且人體紅外感應(yīng)探頭感應(yīng)到有人接近的情況，此時(shí)燈組1 亮起，完成相應(yīng)的功能。如圖5所示。

圖5 自動(dòng)控制模式仿真圖

5 結(jié) 論

本文對(duì)于校園照明控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)存的校園照明控制系統(tǒng)的不足和未來的可發(fā)展性，設(shè)計(jì)了基于PLC的教室智能照明控制系統(tǒng)，提出了解決校園照明系統(tǒng)能耗過高、缺少后備照明方案的問題，完成了照明控制系統(tǒng)硬件部分的選型設(shè)計(jì)和軟件部分的編程。在自動(dòng)控制模式下，環(huán)境光照度和是否有人接近對(duì)照明產(chǎn)生影響，在環(huán)境光照度低于閾值且有人接近的情況下會(huì)輸出開啟信號(hào)；手動(dòng)控制模式在傳感器失靈導(dǎo)致的照明不當(dāng)時(shí)，給以上兩種模式作為補(bǔ)充，當(dāng)自動(dòng)控制模式和定時(shí)控制模式滿足不了控制需求時(shí)，可以切換到手動(dòng)控制模式。