基于PLC的教室節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遼寧省機(jī)電工程學(xué)校 朱向東

智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)能和節(jié)省燈具使用的同時(shí)，有效節(jié)省了電費(fèi)與管理費(fèi)用的支出。根據(jù)一般的教學(xué)大樓使用的經(jīng)驗(yàn)來看，節(jié)能效果能達(dá)到40%以上，一般的商場、酒店、地鐵站等節(jié)能效果也能達(dá)到25%-30%；

1.方案的擬定

1.1 設(shè)計(jì)要求

教室智能照明控制系統(tǒng)的作用是在保證教室正常照明的前提條件下，利用PLC自動(dòng)控制的方法對(duì)日光燈的亮滅實(shí)行智能控制從而達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)也有效地延長了燈具的使用壽命。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 選擇PLC類型

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從保證系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和可擴(kuò)展性等方面入手。本控制系統(tǒng)采用可靠性和可擴(kuò)展性很好的西門子S7-200PLC系列的PLC作為控制器，對(duì)于每個(gè)教室輸入點(diǎn)主要來自以下四個(gè)方面：啟動(dòng)開關(guān)、停止開關(guān)、體存在傳感器和光電傳感器；輸出點(diǎn)主要輸來自每個(gè)教室五個(gè)區(qū)域的燈。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)選擇CPU224模塊，每個(gè)教室有13點(diǎn)輸入，5點(diǎn)輸出。用人體存在傳感器和光電傳感器作為檢測裝置來檢測教室中是否有人和教室的光照強(qiáng)度。運(yùn)用擴(kuò)展模塊EM235將信號(hào)輸入到PLC中，控制系統(tǒng)的框圖如上圖所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

教室中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此教室中的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管，根據(jù)需求，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)，本系統(tǒng)采用了邏輯電平輸出的HP-208型號(hào)的人體存在傳感器。

2.2.1 環(huán)境光采集電路

光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。在無光照時(shí)三極管的穿透電流很小，為暗電流Iceo有光照時(shí)，產(chǎn)生的Ib增大，成為光電流Ie。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。因此光敏三極管靈敏度高，而且體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境光采集電路原理圖如下圖所示。當(dāng)自然光強(qiáng)大于一定程度時(shí)，光敏三極管D6呈現(xiàn)底阻狀態(tài)小于1K歐，三極管Q12的基極電壓升高，Q12管飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平。當(dāng)自然光強(qiáng)小于一定程度時(shí)，光敏三極管D6呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，100K歐，使三極管Q12截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻R26可調(diào)節(jié)，調(diào)R26阻值的大小，使Q12三極管受環(huán)境光影響在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。

2.2.2 人體存在傳感器的工作原理

本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理，人體發(fā)射的10μM左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能由人體存在的信號(hào)。

2.2.3 人體存在信號(hào)采集電路

人體傳感器HP-208基于紅外線的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下：

(1)感應(yīng)為全自動(dòng)方式，人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平(高3.3V)，人離開應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平(低0.3V)，其高低電平利于采集；

(2)采用可重復(fù)觸發(fā)方式。即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果二人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)15秒后將高電平變?yōu)榈碗娖剑?/p>

(3)人體傳感器工作電壓寬為DC3VDC24V；

(4)人體傳感器制作成錐面形狀，感應(yīng)范圍大，小于140度錐角，感應(yīng)距了為7米以內(nèi)；

(5)其靜態(tài)電流小于50微安，功耗低；

(6)工作溫度介于－15度和+70度之間，適應(yīng)性強(qiáng)；

(7)靈敏度高，可靠性強(qiáng)。

人體傳感器的1號(hào)引腳為電源信號(hào)端，3號(hào)引腳為地信號(hào)端，2號(hào)引腳為采集信號(hào)輸出端。在電路設(shè)計(jì)中，為了使人體傳感器的工作更加可靠，介于人體傳感器的信號(hào)引腳2與地信號(hào)引腳3之間加一個(gè)6800pF的電容，另外人體存在傳感器的信號(hào)引腳2與PLC EM235相連。

上述光電傳感器與人體存在傳感器輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，屬于模擬量信號(hào)，所以需要將兩種傳感器通過EM235擴(kuò)展模塊與PLC相連接，由于光電傳感器與人體存在傳感器輸出的模擬量信號(hào)共有10路，故需EM235模塊3個(gè)。24V DC電源正極接入模塊L+端子，負(fù)極接入M端子，輸入的電壓信號(hào)正極接入X+端子，負(fù)極接入X—端子，RA懸空，由于會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)接口不使用的情況，未用端口應(yīng)用短路子短接以免受到外部干擾。

表1 I/O地址分配表

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

由于上述具體控制要求，將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實(shí)現(xiàn)控制要求。

3.2 輸入輸出編址

系統(tǒng)輸入點(diǎn)及地址：啟動(dòng)I0.0停止I0.1、紅外探測器I1.0～I(xiàn)1.4、照度計(jì)I0.3～I(xiàn)0.7投影儀信號(hào)I0.2。為了減少輸出點(diǎn)數(shù)，一個(gè)區(qū)域作為一 個(gè)輸出點(diǎn)，其地址Q0.0～Q0.4。

4.結(jié)束語

教室節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)只是智能控制模型中的一個(gè)典型應(yīng)用，由此可開發(fā)其它智能系統(tǒng)，如智能家居系統(tǒng)、智能溫室系統(tǒng)、智能汽車駕駛系統(tǒng)等?？萍及l(fā)展日新月異，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)取得了更加迅猛的發(fā)展，各種裝備與設(shè)備上嵌入式計(jì)算與系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，大大地推動(dòng)了行業(yè)的滲透性應(yīng)用。智能系統(tǒng)將逐步走進(jìn)我們的生活。

[1]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)及其設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：高等教育出版社,2004.

[3]李緩.PLC原理與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社,2005.

[4]林明星.電氣控制及可編程序控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5]周淑珍,高鴻斌. PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[6]王玉中.電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].河南：河南科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[7]張新軍.電氣控制與PLC技術(shù)及應(yīng)用[M].濟(jì)源：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院出版社,2006.

[8]張曉峰.電氣控制與可編程控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.

[9]張曉峰.電氣自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.