王連杰,欒泰珍
(濟南大學泉城學院,山東煙臺 265600)
隨著人們?nèi)粘I钪袑δ茉蠢速M的逐漸重視,根據(jù)節(jié)省能源、維護世界環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的需要,中國自一九九三年十一月啟動“中國綠色照明工程”以來,已于一九九六年開始納入國家計劃[1]。但由于現(xiàn)代化燈光設(shè)備的使用并不普遍,大部分學校還是采用傳統(tǒng)的燈光管理方法。對完善校園交通燈光智能管理工程,進一步擴大管理點位,主動實時控制和遠程管理校園燈光裝置的顯示,對于合理控制道路燈光和景觀燈的工作與停止有著重大的現(xiàn)實意義。
在普通高等學校中,教學樓、實驗樓、學生宿舍一般用電比較多,而且設(shè)備也比較高級一些,用電不同于初高中學、小學,展現(xiàn)出下列用電特征。
1)普通高等學校在能源的使用上,主要是以使用電力為主,大約占90%以上。
2)最主要的供電設(shè)備,通常是照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、排水設(shè)備、水處理及其他設(shè)備,尤其是當照明負荷正好與供電設(shè)備的最高峰負載重合時,使供電的最大負載發(fā)生了很大的沖擊。
3)學校的照明具有遍布廣闊、數(shù)目比較多、對照明的監(jiān)管比較松散、用電的時間比較長、學校內(nèi)用電環(huán)境繁雜及人工對其進行掌控不太便利等特征。學校內(nèi)學生經(jīng)常使用的教室、宿舍、圖書館等地夜晚時間的用電量比較大,對學校電網(wǎng)的負荷也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。
以上特點表現(xiàn)出學校在電力的有效使用中往往會忽略燈光照明使用的浪費問題。
對于智能照明控制系統(tǒng)給出以下幾點基本要求。
1)學生在社會中處于一種獨特的存在,其活動具有一定的規(guī)律性。因此,對一些照明設(shè)施需要進行智能分時控制的辦法,分段時序控制采用時序控制器,根據(jù)不同季節(jié)、不同時段設(shè)定不同的控制時序。
2)在學生的假期時間就可以采用手動控制的方式,根據(jù)學生的需要,可以定時或少量開啟,根據(jù)學生的使用時間進行變化;路燈每天只需要開啟1/4,滿足最低照明要求。
3)草坪與花壇燈光采取在第1、第2 時段完全與部分開啟,第3 時段全熄的調(diào)控方法。
4)為提高在PLC 故障狀態(tài)下的道路照明效果,設(shè)置過程中考慮了手動與自動2 個工作模式,在手動中可人為打開或關(guān)閉任意一路燈光[2]。
5)在設(shè)計時考慮夏、秋時制與冬、春時制的識別。
1.2.1 優(yōu)越的節(jié)能效果
此次采用的智能照明控制系統(tǒng)的首要目標是降低能源沒有必要的耗損與人力資源的耗費,智能照明控制系統(tǒng)通過各種預(yù)設(shè)的控制模式和控制元件,對不同時間和環(huán)境條件進行精確設(shè)置與智能控制,以此來達到節(jié)約能源的成效。
1.2.2 創(chuàng)造優(yōu)越的作業(yè)條件,提高效率
提高效率的重要條件是優(yōu)越的設(shè)備條件、優(yōu)良的設(shè)備,使用燈光的設(shè)置要正確的燈具和燈光系統(tǒng)也可以改善燈光的作用[3]。
1.2.3 提高光源的照明時長
增加光源的照明時長不僅能夠節(jié)約許多的經(jīng)費,而且還能大大降低燈管損壞的頻率,減少了智能照明系統(tǒng)的經(jīng)營成本,照明設(shè)備的管理、維修與保護也會變得更加便利。
1.2.4 呈現(xiàn)更多的照明效果
通過使用不同的照明控制形式,可以使同樣的一棟建筑物展現(xiàn)出不同的照明效果,使照明效果具有更多的藝術(shù)形式,使建筑物呈現(xiàn)出不同的視覺表現(xiàn)方式。在現(xiàn)代建筑物中,照明的作用必須具備使建筑物更加絢麗多彩、元素多變,具有更強藝術(shù)感的效果,給人以更加強烈的美感,能夠進一步陶冶學生們的情趣[4]。比如部分購物廣場的噴泉、寫字樓、步行街等配備了智能照明控制系統(tǒng),按照不同時間、不同場合、不同環(huán)境下能夠做出不同的燈光效果,通過預(yù)設(shè)置的場景進行智能控制,比如晚上的燈光更加明亮多彩,電影院的場景下更加溫馨浪漫,白天的燈光更加柔和,從而達到不同的視覺動態(tài)效果,給人以舒適的感覺。
本次設(shè)計主要由西門子PLC 程序來進行完成。第一步先設(shè)定好相應(yīng)的程序,白天利用濕度傳感器和光線傳感器來判別天氣的好壞狀態(tài),通過傳感器的識別來實現(xiàn)惡劣天氣與良好天氣的燈光控制。夜間由設(shè)定程序設(shè)計好的夏、秋時制與冬、春時制進行判斷處理,從而達到不同天氣、時間下的燈光控制,以達到智能照明的目的。
目前S7-200 系列的PLC 主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP 和CPU226 5 個CPU 型號。其中,在該系列中所采用的CPU224XP[5],具備了十四輸入/十輸出共二十四路的I/O 端口??墒褂玫膭t是7 個擴展模塊,可擴展至168 路數(shù)字容量I/O 點以及38 路模擬容量I/O 點。20 K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。預(yù)設(shè)置的I/O 分配見表1。
表1 I/O 分配表
第一步:首先執(zhí)行程序進入到傳感器判別指令程序,進行下一步判別。
第二步:通過傳感器判別,天氣良好進入到下一個時制判別指令程序,天氣惡劣進入到下一個所有燈具全部打開的指令程序。
第三步:通過時制判別指令程序判定冬、春或者夏、秋后進入到時段判別指令程序,再進行判定時段問題。
夏、秋時制:第一時段19—21 時,燈光與路燈全部開啟;第二時段21—24 時,燈光與路燈關(guān)閉一半;第三時段0—6 時,只開啟2 個路燈。
冬、春時制:第一時段18—21 時,燈光與路燈全部打開;第二時段21—23 時,燈光與路燈關(guān)閉一半;第三時段23—次日7 時,只開啟2 個路燈。
由于要判斷夏秋、冬春時制與時段0—24 時,所以設(shè)置一個獲取時鐘信息的指令(READ_RTC),如圖1所示。
圖1 讀取時間設(shè)置
設(shè)置光照傳感器與濕度傳感器,光照傳感器設(shè)定0~100%區(qū)間判別,濕度傳感器設(shè)定0~100%區(qū)間判別,如圖2 所示。
圖2 光照與濕度設(shè)置
設(shè)定白天時間夏秋時制為6—19 時、冬春時制為7—18 時光線傳感器與濕度傳感器感應(yīng),若濕度大于80%,光照小于20%,路燈全部開啟。如圖3 所示。
圖3 白天時段設(shè)置
晚上分夏秋、冬春時制與時段判別,按照控制要求設(shè)定,如圖4 所示。
圖4 夜間時段設(shè)置
打開S7-200 仿真器,選擇PLC 型號(CPU224XP)導(dǎo)入文件進行系統(tǒng)仿真。
按下I0.2 冬春時制按鈕,開始啟動冬春時制,此時設(shè)置時間為20 時,屬于第一時段,燈光應(yīng)全部打開,如如圖5 所示。
圖5 冬春第一時段
設(shè)定時間為21 時,此刻啟動的是冬春時制的第二時段,此時燈光應(yīng)打開一半,從右側(cè)梯形圖也可以直觀地看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如圖6 所示。
圖6 冬春第二時段
設(shè)定時間為凌晨1 時,屬于冬春時制的第三時段,此時應(yīng)只有1、3 號路燈亮,如圖7 所示。
圖7 冬春第三時段
設(shè)定時間為白天的9 時,此刻屬于夏秋時制的白天時段,傳感器感應(yīng)到光照過低(14%)、濕度過高(81%),屬于天氣惡劣(傳感器通過調(diào)整模擬量來判別天氣惡劣與良好)時段,燈光應(yīng)全部打開,如圖8所示。
圖8 白天天氣惡劣
通過本次設(shè)計的校園智能照明控制系統(tǒng),達到了預(yù)先設(shè)想的目的。此次設(shè)計主要是采用了以PLC 為核心,通過梯形圖編程,不斷嘗試與修改梯形圖中的錯誤,在最后仿真模擬時達到了預(yù)想的結(jié)果。本次設(shè)計的創(chuàng)新之處是加入了多種傳感器的相互配合,使系統(tǒng)更加靈活與智能。最后達到了不需要刻意進行人工控制的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。將PLC 控制與校園智能照明控制系統(tǒng)進行了很好的連接與配合。通過本次的系統(tǒng)設(shè)計,獲得了以下成果。
1)通過這次系統(tǒng)設(shè)計的成功,達到了節(jié)約用電的效果。
2)以PLC 為核心的控制相比于其他的控制系統(tǒng)而言,PLC 投資成本低,故障率低,無需時刻維護。
3)這種照明系統(tǒng)的設(shè)計對學校照明電力的管理有著事半功倍的效果。同時還為學校節(jié)約了電費的支出。
4)在這種校園智能照明控制系統(tǒng)的使用下,燈具的使用年限預(yù)計可以延長2~3 倍,大大節(jié)省了學校對電力設(shè)備的資金支出。