楊欣雨,占佳倩,吳雙池

(安徽三聯(lián)學院 電子電氣工程學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

與傳統(tǒng)照明方式相比,智能照明在延長燈具使用壽命的同時,讓室內(nèi)場景燈光變化增加了環(huán)境藝術(shù)效果,多種不同傳感器的相互組合使用讓燈光的亮度可以自動調(diào)節(jié)強與弱,在節(jié)約能源方面具有更大的優(yōu)勢。

1 智能照明控制系統(tǒng)的背景和發(fā)展

1.1 研究背景

使用繼電器和時間的控制方式是傳統(tǒng)照明控制的主要手段,這2種方式盡管方便、直接,但都相對依賴人的主動性,控制器的位置相對分散,沒有辦法集中控制和管理。在環(huán)保方面,傳統(tǒng)控制燈具的方式使光源時刻處于開的狀態(tài),即使在無人環(huán)境下,造成了電力資源的浪費。在當下的市場需求及前景下,智能燈光控制產(chǎn)品也趨于更加合理和實用,無論是室內(nèi)家居還是工廠、商場、公司都逐漸開始使用智能燈光的控制。

1.2 市場背景

隨著 5G 的商用和新興產(chǎn)業(yè)的普及,智能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極的發(fā)展勢頭,智能照明也迎來了爆發(fā)式增長?！?0后”互聯(lián)網(wǎng)時代主力軍的到來,帶動了智能照明產(chǎn)品新一輪的快速增長。從市場需求來看,智能照明對于傳統(tǒng)照明市場的替代效應也極大地刺激了智能照明市場的需求,智能照明產(chǎn)業(yè)逐漸呈現(xiàn)極具誘惑力的市場 “蛋糕”,到2025年智能照明市場規(guī)模預計將超過1 000億元。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC控制模塊的選型

本文設(shè)計的PLC控制模塊主要起子機控制作用,因此必須具有可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點,選用SIMATIC S7-1200系列1214C作為CPU模塊,其具有可靠性高、擴展性強等特點,可智能化地滿足照明安裝控制需求。此外,PROFINET接口是一個集成接口,可通過編程實現(xiàn)人機界面與 PLC 之間的通信[1-2]。

該系統(tǒng)采用的處理器型號為CPU 1214C AC/DC/Relay,擁有2種電能輸入方式。交流輸入為電源提供AC 220 V的電壓,直流輸入為電源提供DC 24 V的電壓。該控制器內(nèi)部集成了100 KB的工作存儲器、4 MB的裝載存儲器和10 KB的保持存儲器;裝載存儲器可用SIMATIC存儲卡擴展;集成了14路數(shù)字量輸入、10路數(shù)字量輸出和2路模擬量輸入;可以擴展一個信號板、3個通信模塊和8個信號模塊;具有一個以太網(wǎng)/PROFINET接口。

2.2 觸摸屏的選型

在系統(tǒng)中采用SIMATIC KTP700 Basic HMI設(shè)備,可滿足高品質(zhì)和可視化操作的需求,可勝任在任何中小型設(shè)備上使用;在聯(lián)網(wǎng)性能方面,可以在PROFINET、PROFIBUS接口以及USB接口之間做出靈活選擇。另外,使用TIA Portal中最新版本的WinCC軟件,編程過程得到了大幅度簡化,更加方便進行組態(tài)和操作。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以中大型的圖書館場景設(shè)計為例,采用西門子S7-1200系列PLC作為系統(tǒng)的核心控制器件,將各個不同的傳感器按照特定位置擺放,各組燈具相互連接,最后通過觸摸屏顯示各個傳感器和燈具當前的狀態(tài)。此時,在一片區(qū)域范圍內(nèi),形成了一個照明控制單元,將各個控制單元通過交換機整合與中控室的PC機連接組成一個完整的智能照明控制系統(tǒng)[3],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于中大型圖書館的占地面積大,空間分布廣,光線在空間中錯綜復雜,不同區(qū)域的光亮度相差較大,因此,每塊區(qū)域采用PLC加觸摸屏的控制方式最為穩(wěn)妥。

3 人機交互與方案實施

3.1 人機交互界面設(shè)計

對于人機交互界面的設(shè)計,為了防止非專業(yè)人員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行更改導致出現(xiàn)錯誤,增加了用戶登錄界面。

如果需要對系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)進行調(diào)試修改,進入登錄界面,點擊登錄,輸入管理員賬戶和密碼后,即可跳轉(zhuǎn)到調(diào)試界面,此時登錄界面上也會留下登錄信息,登錄信息會上傳至中控室的PC機中,包括更改的數(shù)據(jù),以便定期維護。

在故障報警的交互界面上,為了快速定位故障發(fā)生的具體位置,從面到點的排除方法十分高效[4],設(shè)計如圖2—3所示。當出現(xiàn)報警時,交互界面上會彈出報警提示框,中控室的PC機上也會出現(xiàn)相應提示,點擊報警提示框則會轉(zhuǎn)到區(qū)域報警界面,如果區(qū)域下方的綠燈轉(zhuǎn)為紅色,則代表故障發(fā)生的區(qū)域,點擊紅燈上方的區(qū)域按鈕進入具體的報警界面;當燈具下方的綠燈轉(zhuǎn)為紅色,則代表著對應故障的燈具,點擊對于燈具,進入檢修狀態(tài),紅燈轉(zhuǎn)為黃色。此時,對應燈具斷開使能電源,再次點擊燈具按鈕,則重新上電。故障發(fā)生的時間和具體位置也會上傳至系統(tǒng)的日志中,在中控室的PC機上可查看。這種方式極大地減少了排除故障到檢修所需要的時間[5],同時也便捷了使用者的操作,減少了定期維護的成本。

圖2 區(qū)域報警界面

圖3 具體報警界面

3.2 控制器算法

智能系統(tǒng)采用的算法為最常見的PID控制算法,原理如圖4所示。

圖4 PID算法原理

PID算法是一種十分常見的控制算法,作用的場景也十分廣泛,如加熱設(shè)備的恒定溫度控制、無人機的飛行姿態(tài)和飛行速度、卷繞設(shè)備的線速度和張力恒定控制等都采用了PID算法控制。PID控制算法結(jié)合比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)3種環(huán)節(jié)于一體,適用于對被控對象模型了解不清楚的場合。

PID控制器集成了該控制算法,通過比較期望輸出和實際輸出之間的誤差來調(diào)整輸出。PID控制器包括3個部分:比例控制、積分控制和微分控制。其中,比例控制部分根據(jù)誤差的大小進行調(diào)整,積分部分控制根據(jù)誤差的累積時間進行調(diào)整,微分控制部分根據(jù)誤差的變化速率進行調(diào)整。

3.2.1 比例控制

控制系統(tǒng)中的偏差信號是按比例反映的,一旦出現(xiàn)偏差,就會產(chǎn)生控制效果以減少偏差。比例控制器的輸出u(t)與輸入偏差e(t)成比例,能迅速反映偏差并減少偏差,但不能消除靜差。在比例控制器中,由于偏差的存在,靜差是控制器提供恒定控制輸出的必要條件。根據(jù)偏差理論,可以通過增加偏差來減少偏差,但偏差無法完全消除。比例控制效果的大小不僅取決于偏差e(t),還取決于比例系數(shù)Kp的大小。比例系數(shù)Kp越小,控制效果越小,系統(tǒng)響應越慢;而比例系數(shù)Kp越大,控制效果越強,系統(tǒng)響應越快。但如果Kp過大,則會引起系統(tǒng)過沖和振蕩,導致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此,Kp不宜過大,應根據(jù)被控對象的特性折中選擇Kp,在加快響應速度的同時,將系統(tǒng)靜態(tài)差分控制在可接受的范圍內(nèi)[6]。

3.2.2 積分控制

積分環(huán)節(jié)的作用主要是消除靜態(tài)差異,提高系統(tǒng)精度。積分效應的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti,Ti越大,積分效應越弱。積分控制效應的有無與偏差存在的時間有關(guān),只要系統(tǒng)中存在e(t)和偏差,積分環(huán)節(jié)就會繼續(xù)起作用,對輸入偏差進行積分,產(chǎn)生控制器輸出和執(zhí)行器開度不斷變化、偏差不斷減小的控制效應。在足夠的積分時間內(nèi),靜態(tài)差值完全消失,積分控制功能保持不變;Ti越小,積分速度越快,積分效果越強。如果積分過強,系統(tǒng)超調(diào)會更多,振蕩也會更大。

3.2.3 微分控制

微分環(huán)節(jié)的作用可以反映偏差信號的變化趨勢,在偏差信號值過大之前為系統(tǒng)添加有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的響應速度,縮短調(diào)整時間。如果引入積分控制,靜態(tài)偏差可以消除,但系統(tǒng)的響應速度會降低,這就很難通過PI控制器實現(xiàn)高質(zhì)量的動態(tài)控制,特別是對于具有較大慣性的被控體,可能會出現(xiàn)差分效應,系統(tǒng)可能會出現(xiàn)較大的過量諧波振蕩。根據(jù)偏差量的變化趨勢,根據(jù)偏差量的瞬時出現(xiàn)或變化情況,同時根據(jù)偏差量的及時響應,提前給予較大的控制效果,可將偏差消除在萌芽狀態(tài),并能顯著減少系統(tǒng)動態(tài)偏差和調(diào)整時間,提高系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整質(zhì)量。

微分控制操作的階躍響應特性對于固定的偏差量,微分控制操作無論其值大小均為零。因此,單獨使用微分運行無法消除靜態(tài)差值,通常必須與比例和積分控制運行,PD 或 PID 控制形成組合使用。

3.3 軟件的實施

傳感器傳回的數(shù)據(jù)需要進行處理才能具體顯示,在TIA Portal V17中,選擇使用SCALE縮放指令,對傳感器傳回的數(shù)值進行縮放,即可獲得當前的亮度值。

控制算法在TIA Portal V17中有其相對應的指令PID_Compact ,PID_Compact指令提供了一種可對具有比例作用的執(zhí)行器進行集成調(diào)節(jié)的 PID 控制器。在PID_Compact指令中已經(jīng)將執(zhí)行器進行了集成,只需要更換相對應的執(zhí)行器即可使用,如圖5所示。

圖5 更換執(zhí)行器

當亮度、照度傳感器的數(shù)值發(fā)生變化,在一定的范圍內(nèi)PID指令將會啟動,對比周圍環(huán)境的光亮度,做出最優(yōu)的調(diào)整。此外,中控室的PC機對傳感器的數(shù)值進行監(jiān)視,結(jié)合其他類型傳感器傳回的數(shù)據(jù)對場景進行合理的分析,實時調(diào)整設(shè)置的數(shù)據(jù),使場景亮度最優(yōu)的同時,讓環(huán)境充滿氛圍感。

4 結(jié)語

智能照明控制現(xiàn)如今依舊是科技研究的熱點之一,如何讓設(shè)備變得更加智能、運行更加穩(wěn)定等問題一直受人們持續(xù)關(guān)注。基于PLC開發(fā)智能燈光控制,不僅可以讓設(shè)備智能化的同時運行更加穩(wěn)定,連同應用場景也變得更加多種多樣。作為下位機使用方便了使用者操作的同時,也為照明的安全性提供了一種較高的保障,具有很好的實用性和推廣性。