工業(yè)以太網主站PLC在智能樓宇照明中的應用*

薛　吉

(上海電器科學研究院, 上?！?00063)

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工業(yè)以太網主站PLC在智能樓宇照明中的應用*

薛吉

(上海電器科學研究院, 上海200063)

介紹了工業(yè)以太網主站可編程控制器(PLC)的硬件和軟件設計,闡述了智能照明系統(tǒng)總體方案,以工業(yè)以太網主站PLC為核心,實現(xiàn)多模場景回路調控、能耗計量、狀態(tài)監(jiān)測和遠程管理等智能化功能,提高了照明設備的使用壽命。實踐運行結果表明,相對于傳統(tǒng)照明方式,智能照明系統(tǒng)能節(jié)省約35%的能耗,且減少了維護成本。

工業(yè)以太網; 可編程控制器; 智能照明系統(tǒng); 總體方案

0　引　言

有關統(tǒng)計資料顯示,建筑的能耗達整個能耗總量的30%,建筑物的能耗通常體現(xiàn)在建筑設備上,其中照明能耗占相當大的比重。

傳統(tǒng)的照明控制是在靠近回路處加上開關,由開關來控制照明,但這樣很難達到由管理室對全體照明實行成批監(jiān)視、控制,在現(xiàn)場也可以靈活控制照明的要求。近年來,智能照明技術發(fā)展迅速?，F(xiàn)有技術大多是通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)來實現(xiàn)照明的集中控制,根據(jù)需求實現(xiàn)各種控制邏輯,一定程度上降低了照明能耗[1]。

隨著建筑物向大型化發(fā)展,簡單的PLC集中控制已經無法滿足智能照明節(jié)能的需求。本文以工業(yè)以太網主站PLC為核心,在實現(xiàn)同一區(qū)域多個照明負載集中控制的基礎上,通過PLC的工業(yè)以太網接口,構建基于工業(yè)以太網的照明控制系統(tǒng)[2-3]。

1　工業(yè)以太網主站PLC

1.1工業(yè)以太網主站PLC功能

VPC系列PLC分為VPC2(增強型)、VPC1(標準型)和VPC0(經濟型),本體含20點、32點或60點,最大可連接8個擴展模塊,如數(shù)字量、模擬量、溫度模塊等,提供最大24 KB的程序容量,最高3個獨立的10 kHz高速計數(shù)器,最高6路獨立的100 kHz高速脈沖輸出,滿足工業(yè)自動化各相關領域對小型機性能、穩(wěn)定性和性價比的需求。

該系統(tǒng)方案采用VPC2-32MT以太網機型,主站PLC實物如圖1所示,支持Modbus/TCP主/從站協(xié)議,還具有1個RS-232編程/通信口和1個RS-485通信接口,支持Modbus主/從站[4]。

圖1　主站PLC實物

1.2工業(yè)以太網主站PLC硬件設計

在工業(yè)控制網絡中,主站可以直接連接從站設備或通過通信網關訪問底層設備[5-6]。主站PLC硬件系統(tǒng)由CPU模塊、電源模塊、以太網模塊、串口模塊以及PLC各功能模塊組成。主站PLC硬件框圖如圖2所示。

圖2　主站PLC硬件框圖

1.3工業(yè)以太網主站PLC軟件設計

主站PLC軟件架構如圖3所示。

圖3　主站PLC軟件架構

以太網主站PLC嵌入式軟件采用無操作系統(tǒng)架構,分PLC內核與通信內核。PLC內核中包括指令解釋執(zhí)行模塊、常務處理模塊、錯誤處理模塊、I/O刷新模塊等;通信內核包括擴串口通信模塊和以太網通信模塊。PLC內核與通信內核建立在底層驅動之上。以太網PLC固件程序實現(xiàn)模式切換、指令解析執(zhí)行、以太網通信、串口通信、固件更新、實時時鐘、錯誤處理、擴展模塊接口、計數(shù)器、定位器、狀態(tài)指示、模擬量輸入、I/O刷新、高速計數(shù)器、運動控制、用戶內存區(qū)、數(shù)據(jù)存放區(qū)等功能[7-9]。

以太網通信主要實現(xiàn)Modbus/TCP主站、從站功能,可分開或同時工作在主站模式、從站模式。

(1) Modbus/TCP主站模式。以太網主站PLC通過Modbus/TCP網絡與遠端從站進行通信,并管理相應從站。以太網主站PLC可周期性地將內存N區(qū)的數(shù)據(jù)寫往遠端從站,或從遠端從站讀取數(shù)據(jù)存儲于N區(qū),該通信過程獨立于PLC內用戶程序。主站PLC主站模式工作流程如圖4所示。

圖4　PLC主站模式工作流程

(2) Modbus/TCP從站模式。以太網主站PLC作為Modbus/TCP從站,接收主站的Modbus/TCP請求(該請求是對PLC內存N區(qū)數(shù)據(jù)交互的請求),并響應該請求,將內存N區(qū)數(shù)據(jù)與遠端主站進行交互,實現(xiàn)與上層網絡的數(shù)據(jù)交互。

主站PLC從站模式工作流程如圖5所示。

圖5　主站PLC從站模式工作流程

2　智能照明系統(tǒng)總體方案

智能照明系統(tǒng)基于樓宇智能化和工業(yè)控制及通信技術,結合智能樓宇地下車庫、辦公走道和泛光、景觀照明的特點,以工業(yè)以太網主站PLC為核心,實現(xiàn)多模場景回路調控、策略定制能耗計量、狀態(tài)監(jiān)測傳感探測和數(shù)據(jù)報表遠程管理等智能化功能。照明系統(tǒng)總體架構如圖6所示。

圖6　智能照明系統(tǒng)總體架構

智能照明系統(tǒng)架構共劃分為4層:終端設備層、現(xiàn)場控制層、本地管理層和遠程監(jiān)控層。

(1) 終端設備層包括照明用的各種燈具以及配套的電氣元件,實現(xiàn)對照明燈具的直接控制。

(2) 現(xiàn)場控制層是智能照明系統(tǒng)的核心,選用工業(yè)以太網主站PLC。主站PLC可擴展連接數(shù)/模模塊,實現(xiàn)對照明燈具的智能調節(jié);主站PLC可以將光照傳感器、紅外傳感器等信號接入,實現(xiàn)異常監(jiān)測、人體、車輛及光照傳感探測等智能化功能。同時,主站PLC可管理區(qū)域范圍內其他網絡設備,如從站PLC、電量模塊等,進行數(shù)據(jù)打包匯總后上傳,整個智能照明系統(tǒng)節(jié)點較多、范圍較廣時,可緩解上層網絡的通信壓力。

(3) 本地管理層將本區(qū)域(包括整棟樓宇,甚至整棟園區(qū))的所有工業(yè)以太網主站PLC進行集中控制管理,通過上位機軟件實現(xiàn)對PLC的靈活控制,同時可實現(xiàn)各種節(jié)能控制策略。

(4) 遠程監(jiān)控層通過互聯(lián)網與本地管理層進行連接,不僅能對智能照明的樓宇進行監(jiān)測,還可以通過遠程管理平臺控制工業(yè)以太網主站PLC,實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的遠程控制。

該方案通過智能多模場景營造美觀、舒適環(huán)境,通過綠色可調燈源降低樓宇能耗,通過智能化系統(tǒng)降低人工成本,同時也提高了照明設備的使用壽命,形成高效、智能化的樓宇照明系統(tǒng)解決方案。

4　能源大樓應用案例

該智能照明系統(tǒng)已應用在武寧園區(qū)能源大樓中。能源大樓智能照明系統(tǒng)主要針對大樓地下車庫、1F展示大廳和所有公共樓梯間的照明,3個區(qū)域控制策略相互獨立,又統(tǒng)一集中到能源大樓監(jiān)控中心進行管理。系統(tǒng)具備自動/手動切換方式,在自動控制的情況下,智能照明系統(tǒng)根據(jù)各個功能區(qū)域的實際需求,預設時間段和相應照度,自動實現(xiàn)開關和調光。當自動設備出現(xiàn)故障時,可切換到傳統(tǒng)的手動方式,通過定時設備啟動或關閉所有的燈具,確保照明的正常供給。同時,在每個區(qū)域布置電量模塊,可采集每個區(qū)域耗電情況,便于系統(tǒng)耗能的評估分析。能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構如圖7所示。

圖7　能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構

地下停車庫根據(jù)精細化分區(qū)域管理策略和系統(tǒng)通信架構簡明化原則,以及地下車庫的車道和車位分布情況,共劃分為3個控制區(qū)域,每個區(qū)域1個小型掛壁控制箱,在地下車庫配電室放置數(shù)據(jù)集中控制箱,采集區(qū)域內數(shù)據(jù)后,與上層網絡進行數(shù)據(jù)交互。

地下車庫智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構如圖8所示。

圖8中,以太網主站PLC可作為主站管理本區(qū)域內的所有以太網設備,又可作為從站與數(shù)據(jù)集中控制柜進行數(shù)據(jù)交互。經系統(tǒng)運行后測算評估,相對于傳統(tǒng)照明方式,智能樓宇照明系統(tǒng)能夠節(jié)省約35%的能耗,同時節(jié)省了人工維護的成本。

圖8　地下車庫智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構圖

5　結　語

本文以工業(yè)以太網主站PLC為核心,構建了具有4層網絡結構的智能照明系統(tǒng)。實踐應用證明,智能照明系統(tǒng)可顯著降低樓宇能耗、人工成本,提高燈具使用壽命,具有重要的經濟效益和社會效益。

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Application of Industrial Ethernet Master PLC in Intelligent Building Lighting

XUE Ji

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

This paper introduced the hareware and software designs of industrial Ethernet master programmable logic controller(PLC),and elaborated a overall scheme of intelligent lighting system,which was built with the industrial Ethernet master PLC as the core.It is pointed out that the intelligent lighting system has the intelligent functions including loop control of multimode scene,energy metering,status monitoring and remote management,which can improve the service life of lighting equipments.The actual operation of intelligent lighting system results show that compared with the traditional lighting system,the intelligent lighting system can save about 35% energy consumption and reduce the maintenance costs.

industrial ethernet; programmable logic controller(PLC); intelligent lighting system; verall scheme

薛吉(1978—),女,高級工程師,從事現(xiàn)場總線技術、工業(yè)以太網技術研究與產品開發(fā)。

上海人才發(fā)展資金資助項目(201533)

TU 855

B

1674-8417(2016)06-0040-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.010

2016-05-03