□常云峰

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們物質文化生活水平不斷提高，導致用電負荷加劇，能源危機已成為一個嚴峻問題。隨著廣電事業(yè)的發(fā)展，辦公樓宇不斷擴建，建筑物內的照明系統(tǒng)是不可或缺的，辦公以及公共區(qū)域照明管理不當，容易造成電能巨大浪費，因此提高廣播電視大廈辦公及公共區(qū)域照明用電效率成為一個重要課題。

國內外很多地方開始采用建筑物燈光自動化控制系統(tǒng)，但一些廣播電視大廈辦公及公共區(qū)域照明依然采用傳統(tǒng)的手動控制管理，辦公及公共區(qū)域照明用電管理不完善，造成電能巨大浪費以及相應的經(jīng)濟損失，這種沒必要的浪費與當今節(jié)能綠色環(huán)保理念相違背。隨著自動化技術的不斷更新、計算機技術的普及應用，燈光照明管理也應朝著自動化、節(jié)能化方向發(fā)展。于是，開發(fā)一套簡單、實用、可靠的樓宇燈光自動化控制系統(tǒng)，對廣電大廈而言具有更重要意義。

一、系統(tǒng)總體設計及結構功能

1.系統(tǒng)結構

自動化燈光控制系統(tǒng)以松下PLC為控制核心，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體所在的區(qū)域，通過對人體存在的信號感應和判斷，完成對人體所在區(qū)域照明電路自動化控制。整體系統(tǒng)由人體紅外傳感器感應信號，輸入松下PLC進行處理、判斷、輸出，再由松下PLC輸出電路，控制燈光。

2.系統(tǒng)功能

自動化燈光控制系統(tǒng)可實現(xiàn)有效的公共及辦公區(qū)域燈光控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體所在區(qū)域的紅外感應信號，通過對信號的處理及分析控制該區(qū)域燈光自動啟停。理論和實驗證明這種控制方式能實現(xiàn)上述目標。

二、系統(tǒng)設計參數(shù)

人體感應參數(shù)標準：

1.工作電壓：DC 5V至20V

2.靜態(tài)功耗：65毫安

3.電平輸出DC12V至24V

4.感應范圍：紅外感應120度錐角，6米以內

5.工作溫度：-20℃至+60℃

三、系統(tǒng)設計方案

本設計主要是對人體所在區(qū)域進行檢測，輸出電平信號，通過對信號采集及處理實現(xiàn)所在區(qū)域燈光控制，達到節(jié)約能源的目的。本自動化系統(tǒng)有兩種控制方式：自控制狀態(tài)和手動控制狀態(tài)。

自動化控制狀態(tài)：系統(tǒng)上電后處于自動控制狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器檢測6米以內人體紅外信號。檢測到該區(qū)域有人員活動，輸出高電平信號DC12V至24V，PLC輸入模塊接收電信號，通過PLC處理后輸出控制指令，同時啟動內部計時器并閉合燈光回路。

手動控制狀態(tài)：在系統(tǒng)上電后按下手動自動切換按鈕，并通過觸摸屏手動控制某個區(qū)域燈光啟停，再按下手動自動按鈕可以恢復到自動控制狀態(tài)。

系統(tǒng)結構圖

四、系統(tǒng)硬件設計

1.PLC（可編程序控制器）簡介

PLC可編程序控制器被稱為PC（Programmable Controller）或PLC（Programmable Logic Controller）。20世紀60年代中期，美國通用汽車公司為了適應汽車自動化生產(chǎn)線不斷更新的需求，提出了一種設想：把技術完善、通用靈活、編程簡單等優(yōu)點和繼電器控制電路簡單易懂易操控的特點結合起來，制造出新型的工業(yè)控制裝置系統(tǒng)，并提出了新型電氣控制系統(tǒng)10條招標要求。其中包括：工業(yè)性比繼電器控制電路可靠；占用空間比繼電器控制電路要??；價格上能與繼電器電路系統(tǒng)競爭；必須易于編程；易于在工作現(xiàn)場變更程序；便于維護、使用和維修；可直接驅動電磁閥、接觸器的執(zhí)行系統(tǒng)；可向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)這一要求，于1969年研制成功第一臺控制器PDP—14。

這項技術應用在工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的影響，可編程序控制器在世界范圍內迅速發(fā)展壯大起來。1971年，日本引進了這項技術，并成功研制了日本第一臺控制器。1973年至1974年，德國、法國也相繼成功研發(fā)本國的控制器。我國從1974年開始研制，1977年成功制造出以一個微處理器MC14500為核心的控制器，并用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.PLC的主要特點

PLC是在微處理器基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種基于計算機技術，專為工業(yè)環(huán)境下應用的電子控制裝置系統(tǒng)。存儲器與用戶指令相結合，通過數(shù)字或模擬的輸入/輸出完成一系列邏輯、順序、計數(shù)、定時、運算等功能控制，從而控制各種類型的機電自動化設備和工藝生產(chǎn)過程。PLC把微型計算機和繼電器控制系統(tǒng)融合為一體，兼具計算機的功能完備、靈活、通用性好等優(yōu)點。

3.PLC的主要應用

經(jīng)過長期的工程實踐，PLC的上述特點越來越為廣大的工程技術設計人員所認知、接受和使用，已經(jīng)廣泛應用到化工、水利、石油、電力、輕工、冶煉、智能樓宇等各個控制領域。

①熱釋電紅外傳感器

自然界存在的各種物質，如人體、動物、塑料、木材、鋼鐵等都會發(fā)出不同波長的紅外線，利用紅外傳感器可對其進行檢測。紅外傳感器可分為熱型和量子型兩種。熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器。與量子型紅外傳感器相比，響應的紅外線波長范圍更寬，價格低廉，可在常溫環(huán)境下使用。量子型紅外傳感器與熱釋電紅外傳感器相反，要求冷卻環(huán)境下能正常工作。在該自動化系統(tǒng)設計中采用熱釋電紅外傳感器。

②輸入/輸出燈控電路設計

輸入輸出控制電路通常稱為I/O模塊。PLC對外部電器的控制主要是通過各種I/O模塊與外部所連接電器而實現(xiàn)。輸入輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O受控電器設備之間的連接部件，起到PLC與外部受控電路設備之間傳遞控制信息的作用。通常輸入輸出I/O模塊上還有LED顯示和I/O連線端口，以便于連接和監(jiān)視PLC整體輸入輸出工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用直流輸入輸出設計。

五、系統(tǒng)軟件設計

1.梯形圖

在該工程項目中采用梯形圖編程語言，這也是實際設計中最常用的一種編程設計語言。因與繼電器控制電路很相似，所以具有直觀、易懂、易學、易使用的特點，很容易被熟悉繼電器控制電路系統(tǒng)的電氣工程技術人員掌握，適合于數(shù)字邏輯電路控制。

梯形圖是一種圖形化的編程設計語言，使用了傳統(tǒng)電氣原理圖中的繼電器、接觸器、線圈、串并聯(lián)和一些圖形符號標識，左右豎線稱為左右母線。在程序中，最左邊是主信號輸入，梯形圖由左右母線、觸點、線圈和指令框及高級指令組成。觸點代表電路輸入條件，線圈代表電路邏輯運算結果輸出，指令框用來表示計數(shù)器、定時器以及高級指令中的多功能數(shù)學運算等指令。梯形圖中所標識的觸點狀態(tài)只有常開和常閉兩種，觸點可以是PLC外部電路連接的輸入觸點，也可以是PLC內部中間繼電器的觸點或內部定時器、計數(shù)器等觸點。梯形圖中常開和常閉觸點可以任意串并聯(lián)使用，線圈只可并聯(lián)使用。內部中間繼電器、定時器、計數(shù)器、寄存器不能直接驅動外部電路負載。PLC按照循環(huán)掃描的工作方式處理控制任務，并沿梯形圖的先后順序執(zhí)行控制命令及輸出結果。

2.系統(tǒng)使用指令

①X輸入繼電器指令，PLC接收外部開關量輸入信號的端口。PLC將外部輸入開關量信號的狀態(tài)（0或1）讀取并存儲到對應的輸入地址寄存器即輸入繼電器中。外部輸入電路接通時，對應的映象寄存器為NO（1狀態(tài)），該輸入繼電器常開點閉合，常閉點斷開。輸入繼電器狀態(tài)取決于外部電路輸入信號，不能用程序控制，在梯形圖中不能出現(xiàn)輸入繼電器線圈。在本系統(tǒng)中外部開關量信號由熱釋電紅外傳感器輸出獲得。

②Y輸出繼電器指令，PLC向外部連接電器發(fā)送信號的端口。輸出繼電器用來將PLC的輸出信號輸出給輸出端口，在驅動外部大功率電器。

PLC輸出繼電器是向外部負載電路輸出信號通道，通過光電耦合器隔離及RC濾波后接外部負載。輸出繼電器線圈由梯形圖編程控制，外部輸出接點連接到PLC輸出端子上，以供驅動外部負載電路使用，其余的常開觸點和常閉觸點供內部使用。輸出繼電器的常開觸點和常閉觸點使用次數(shù)不限，線圈在梯形圖編程中只能使用一次。

輸出接口有計算機輸出接口電路和隔離電路、功率放大電路等組成。PLC的外部輸出電路有三種類型，即繼電器輸出型、晶體管輸出型和雙向晶閘管輸出型。本系統(tǒng)設計中采用的是繼電器輸出型電路。

③R內部繼電器指令，PLC中有很多內部繼電器，線圈與輸出繼電器一樣，由PLC中各種軟元件的觸點來驅動。內部繼電器也稱為中間繼電器，沒有外部的連接電路。中間繼電器只供內部編程使用。梯形圖中常開觸點與常閉觸點不受使用次數(shù)限制，這些觸點不能直接使用和驅動外部負載電路，外部負載驅動大功率電器必須通過輸出接點與接觸器連接來實現(xiàn)。

④F0（MV）16位數(shù)傳送指令，功能是將16位二進制常數(shù)或16位數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)傳送到另一個16位存儲單元中。

⑤T定時器指令，PLC的內部定時器根據(jù)時鐘脈沖累計計時，計時達到程序設定值時，觸動相對應的觸點動作，常開點閉合，常閉點斷開，使用脈沖有10ms（TRM）、100ms（TMX）、1s（TMY）三種。定時器可以用程序存儲器內的常數(shù)K作為設定值，也可以用數(shù)據(jù)存儲器（DT）或其他字單元的內容作為設定值。默認設置，松下PLC有100個定時器，地址范圍T0~T99,設定值范圍K1~K32767（K表示十進制數(shù)）。本系統(tǒng)的設計使用1s（TMY）定時器。

定時器只有一個輸入，有兩個數(shù)據(jù)存儲器，一個為經(jīng)過值存儲器EV，另一個是設定值存儲器SV，編號與定時器一致。如SV0是定時器T0的設定值寄存器，EV1是定時器T1的經(jīng)過值寄存器。設定值由用戶通過編程梯形圖自行設置。當線圈通電時，定時器的當前值進行減計數(shù)計算，當前值計到0時，對應的常開與常閉觸點動作，常開點閉合，常閉點斷開。線圈斷電時自動復位，所有的觸點復位為0狀態(tài)，不保存中間數(shù)值，當前值又變成初始設定值。

3.手自動切換程序設計

手自動切換是通過一個自鎖按鈕來實現(xiàn)的，自鎖按鈕按下，X0接通輸出中間繼電器R1，通過R1中間繼電器的開啟和閉合控制手動程序及自動程序輸出，觸摸屏讀取R1狀態(tài)輸出顯示手動及自動狀態(tài)來實現(xiàn)手自動切換。

4.手動程序設計

手動控制是特殊情況使用的控制模式，按下自鎖按鈕X0接通輸出R1，R1中間繼電器常開點閉合，常開點串聯(lián)在手動程序中啟動后，手動程序輸出，常閉點斷開，R1常閉點串聯(lián)在自動程序中，R1啟動后自動程序輸出斷開，通過觸摸屏控制R2中間繼電器的開閉，輸出受控燈具接觸器實現(xiàn)手動控制。

5.自動程序設計

系統(tǒng)默認自鎖按鈕無動作，R1在自動控制程序為常閉按鈕，自動程序默認電路接通狀態(tài)。當有人員進入紅外掃描區(qū)時，熱釋電紅外傳感器輸出一個高電平信號，X1接通，觸發(fā)F0數(shù)據(jù)傳送指令將常數(shù)K，120傳送到定時器T0 SV設定值（定時控制燈光啟動兩分鐘），同時輸出R4中間繼電器并保持自鎖，受控燈具啟動。當掃描區(qū)域還有人員活動時再次觸發(fā)傳送指令，定時器重新啟動，掃描區(qū)域人員離開時，定時器減數(shù)計算到0時，定時器輸出接點T0動作，常閉點斷開，自鎖斷開，程序輸出復位，燈光關閉。

R3、R4中間繼電器為手動和自動程序的輸出，將R3、R4并聯(lián)在電路中，任何一個動作都能驅動Y0輸出，Y0為受控燈具接觸器。這樣的設計避免了程序中雙線圈輸出。

六、結語

該系統(tǒng)運用熱釋電紅外傳感器及松下PLC，完成燈光的啟停控制，將工業(yè)用電子元器件應用到民用領域，提高整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，系統(tǒng)可以廣泛應用到博物館、展覽館、機房、隱蔽工程等照明場所，實現(xiàn)自動化控制，無人工參與，節(jié)能環(huán)保質量可靠。