基于大數(shù)據(jù)的路燈時控系統(tǒng)

邢崗　馮奕紅　溫宏偉

摘 要：使用KG-220型時控開關(guān)對路燈進行控制是當(dāng)前企業(yè)廠區(qū)內(nèi)普遍使用的路燈時控方式。這種控制方式的弊端是：要根據(jù)天黑天亮的時間變化，人工及時調(diào)整路燈啟停時間。一方面，廠區(qū)內(nèi)這樣的控制裝置一般都有幾十個，調(diào)時工作牽扯大量維護精力。另一方面，由于人為疏忽，調(diào)整不及時或者調(diào)整不準確，就會導(dǎo)致路燈在自然光充足時仍然工作，造成電能的浪費，或者自然光不足時，路燈不工作，造成環(huán)境照度不足，給職工出行帶來安全隱患。為了解決原路燈時控系統(tǒng)的弊端，設(shè)計一種利用西門子S7-200PLC的實時時鐘功能，依托太陽運行軌跡大數(shù)據(jù)的新型路燈時控系統(tǒng)。本文介紹了依托大數(shù)據(jù)，利用西門子S7-200PLC的全新路燈時控系統(tǒng)。通過對數(shù)據(jù)分析、程序設(shè)計等方面詳細闡述，全面展現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想和實施方略。系統(tǒng)簡單實用，投入低，回報大，極具推廣價值。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) 路燈時控系統(tǒng) S7-200PLC 實時時鐘

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0119-03

1 數(shù)據(jù)采集與分析

采集2016、2017年內(nèi)蒙包頭地區(qū)365d天黑天亮?xí)r間，匯總進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化中的規(guī)律。

公歷是以太陽的運動軌跡生成的，因此，同一地區(qū)每年的任何一天，天黑天亮的時間基本一致，相差不超過10s。比如：2016年6月12日的天黑時間為20：45：17，天亮?xí)r間為04：35：50；2017年6月12日的天黑時間為20：45：09，天亮?xí)r間為04：35：52。那么就可以采集一年的天黑天亮的時間，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)固化，將數(shù)據(jù)與路燈開、停時間相關(guān)聯(lián)，利用大數(shù)據(jù)對路燈實現(xiàn)精準時控，誤差精確到分鐘，而不必考慮年度數(shù)據(jù)的更新，省去大量存儲空間。

全年最長夜晚出現(xiàn)在12月22日，夜長13h43min，最短夜晚出現(xiàn)在6月21日，夜長7h48min，兩個極限點夜長時間相差近6h。如果使用時控開關(guān)控制，開關(guān)時間不及時調(diào)整將給生產(chǎn)生活造成巨大影響。

天黑天亮?xí)r間變化快慢在全年是不同的，比如，2月28日到5月12日相對變化迅速，平均30d內(nèi)的夜長時差是81min。5月26日到7月6日相對變化趨緩，平均30d內(nèi)的夜長時差是11min。這樣對于時控開關(guān)控制系統(tǒng)來說，就需要在夜長時差變化迅速區(qū)間，縮短調(diào)整周期，從而再次增加調(diào)時維護工作量。

經(jīng)統(tǒng)計全年夜晚總時長3944h37min，與路燈開、停時間相關(guān)聯(lián)，全年路燈工作時間就是3944h37min。若使用時控開關(guān)，按照全年調(diào)時12次，調(diào)時及時準確的情況下，經(jīng)統(tǒng)計全年路燈工作時間是4333h18min。就是說，依托大數(shù)據(jù)的路燈時控比時控開關(guān)人工調(diào)時方式全年縮短路燈運行時間9%。

2 程序設(shè)計

路燈控制系統(tǒng)程序由1個主程序和14個子程序組成，分別是：1～12月子程序，時鐘校準子程序，時間偏移計算子程序。主程序調(diào)用1～12月子程序?qū)崿F(xiàn)路燈的精準時控。時鐘校準子程序在設(shè)定的時間被主程序調(diào)用實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘校準。時間偏移計算子程序用于實現(xiàn)時鐘偏移，提升系統(tǒng)的地域適應(yīng)性，擴大地域使用范圍。

2.1 路燈精準時控功能程序設(shè)計

2.1.1 S7-200PLC實時時鐘功能

S7-200PLC具有硬件時鐘，讀取實時時鐘指令READ_RTC從硬件時鐘讀取當(dāng)前時間和日期，并將其以BCD碼格式載入以地址VB0起始的8個字節(jié)的時間緩沖區(qū)。VB0：當(dāng)前年份（0～99），VB1：當(dāng)前月份（1～12），VB2當(dāng)前日期（1-31），VB3：當(dāng)前小時（0～23），VB4：當(dāng)前分鐘（0～59），VB5：當(dāng)前秒（0～59），VB6： 00 保留，VB7： 當(dāng)前星期（1～7），1=星期日。

設(shè)置實時時鐘指令SET_RTC將當(dāng)前時間和日期寫入VB0起始的8個字節(jié)的時間緩沖區(qū)。系統(tǒng)中利用該功能實現(xiàn)硬件時鐘校準。

2.1.2 月子程序的調(diào)用

使用比較指令，將VB1中存儲的當(dāng)前月份數(shù)值與設(shè)定值進行比較，等于1即調(diào)用1月子程序，等于2即調(diào)用2月子程序，以此類推。任何時刻，1～12月子程序總有一個被調(diào)用執(zhí)行，其他等待調(diào)用。

2.1.3 依托大數(shù)據(jù)的精準開、關(guān)燈

將全年天黑、天亮?xí)r間366組（考慮閏年的2月29日），每組天黑、天亮2套數(shù)據(jù)，搜集整理后，作為預(yù)制設(shè)定時間運用于月子程序中，通過比較指令，判斷當(dāng)前日期、當(dāng)前時間是否等于預(yù)制設(shè)定日期時間，如圖1所示，VB2=16#1、VW60=16#0734，是指：日期為1日、時間到達7：34，關(guān)燈標志位M0.1為真，觸發(fā)關(guān)燈命令。同理，VB2=16#3、VW62=16#1756，是指：日期為3日、時間到達17：56，開燈標志位M10.1為真，觸發(fā)開燈命令。

主程序中將12個月子程序中產(chǎn)生的12個關(guān)燈標志位M0.1、M0.2……M1.4并聯(lián)，使用上升沿共同控制關(guān)燈脈沖M0.0置位。將12個月子程序中產(chǎn)生的12個開燈標志位M10.1、M10.2、……M11.4并聯(lián)，使用上升沿共同控制開燈脈沖M10.0置位。關(guān)燈、開燈脈沖置位后，利用定時器使其10s后復(fù)位。將二者運用于輸出命令，使用最簡單的起保停功能實現(xiàn)對路燈運行輸出命令Q0.0的控制。

2.2 時間偏移量程序設(shè)計

眾所周知利用大數(shù)據(jù)作為預(yù)制設(shè)定時間控制路燈，實現(xiàn)了路燈的精準時控，但是該套數(shù)據(jù)僅適合于包頭區(qū)域，一旦經(jīng)緯度偏移過多，天黑、天亮的時間就會偏離該套數(shù)據(jù)，從而不再適宜實地應(yīng)用。為了讓路燈時控系統(tǒng)在更廣泛的區(qū)域應(yīng)用，提升系統(tǒng)的區(qū)域適應(yīng)性，引入了時間偏移量程序。

對366組732個開關(guān)燈時間數(shù)據(jù)加入偏移量會導(dǎo)致占用大量存儲空間，程序量翻倍，對于S7-200PLC不堪重負。因此改變程序設(shè)計思路，將偏移量加入實時時鐘，通俗的講：就是將實時時鐘調(diào)快或調(diào)慢。如果希望早10min開燈，那就將實時時鐘加上10min（調(diào)快），再運用于開燈控制。如果希望晚10min關(guān)燈，那就將實時時鐘加上-10min（調(diào)慢），再運用于關(guān)燈控制。

由于S7-200PLC實時時鐘是以BCD碼存儲的，在計算偏移量之前要將時、分數(shù)據(jù)BCD碼分別從BCD碼轉(zhuǎn)為整型。加入偏移量后再從整型轉(zhuǎn)為BCD碼，運用于路燈時控。

計算時間偏移，有三種情況，程序如圖2所示。

（1）當(dāng)加入時間偏移量后，分鐘數(shù)據(jù)≥60時，就需要考慮進位，將整60min進位給小時數(shù)據(jù)，即小時數(shù)據(jù)加1h，剩下的分鐘為最終分鐘數(shù)據(jù)。

（2）當(dāng)加入時間偏移量后，分鐘數(shù)據(jù)<0時，就需要考慮借位，向小時數(shù)據(jù)借1h即60min，與當(dāng)前分鐘數(shù)據(jù)相加結(jié)果即為最終分鐘數(shù)據(jù)。

（3）當(dāng)加入時間偏移量后，若0≤分鐘數(shù)據(jù)<60時，不做任何操作，直接用于路燈時控。

將以上功能整合，形成時間偏移功能子程序。在主程序中調(diào)用子程序，將小時、分鐘數(shù)據(jù)、偏移量數(shù)據(jù)賦值，得到偏移后小時、分鐘數(shù)據(jù)輸出。如圖3所示。

2.3 時鐘校準程序設(shè)計

本系統(tǒng)利用西門子S7-200PLC自帶的實時時鐘功能，運行過程中要考慮時鐘走時不準的情況發(fā)生。因此設(shè)計了時鐘校準程序。在每年的規(guī)定時段利用網(wǎng)絡(luò)時間對系統(tǒng)時間進行校準，從而保證系統(tǒng)時間的精確。

2.3.1 時鐘校準子程序設(shè)計

如圖4所示，I0.0為外部輸入的時鐘校準信號，在網(wǎng)絡(luò)標準時間為8：00時I0.0為1，該信號會持續(xù)1min。當(dāng)信號為1時，M5.0為1，系統(tǒng)關(guān)閉讀取時鐘功能，利用T41延時10S開始調(diào)用系統(tǒng)設(shè)置時鐘功能SET_RTC，進入設(shè)置時鐘狀態(tài)。將一個16進制BCD碼：08010000寫入VD3中，即系統(tǒng)實時時鐘被鎖定在8：01，并保持不變。當(dāng)時鐘校準信號I0.0為0時，剛好是8：01，M5.0恢復(fù)為0，設(shè)置時鐘功能關(guān)閉，讀取時鐘功能打開，實時時鐘就從8：01開始正常走時，完成校準。

2.3.2 時鐘校準子程序的調(diào)用

時鐘校準作業(yè)僅在每年的1月1日和7月1日進行，其他時段不起作用。因此，在主程序中設(shè)計了時鐘校準調(diào)用程序，如圖5所示，VW1中存儲著實際月、日數(shù)據(jù)，通過比較，在規(guī)定的兩個日期：16#0101、16#0701調(diào)用時鐘校準子程序。

3 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)的路燈時控系統(tǒng)經(jīng)過理論數(shù)據(jù)分析，實際應(yīng)用測試，系統(tǒng)完善推廣等多個階段，目前已日趨成熟，在包鋼股份煤焦化工分公司廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)實現(xiàn)免調(diào)時，省去全年至少234次的調(diào)時維護工作。路燈每天的開、停時間跟隨太陽運行軌跡變化，均不相同，誤差精確到分鐘，從根本上杜絕了由于調(diào)時不及時、不準確造成的電能浪費和環(huán)境照度不足導(dǎo)致的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計與人工調(diào)時相比全年縮短運行時間388h41min，本部區(qū)域節(jié)電30318.6度，降低電耗9%。如將此技術(shù)廣泛推廣，節(jié)能效果非常可觀。

參考文獻

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