基于PLC的泛光照明強(qiáng)電控制系統(tǒng)

楊克軍 吳觀華 陳智剛 解明強(qiáng)

（中建照明有限公司 廣東省深圳市 518000）

PLC 作為自動化控制領(lǐng)域的核心技術(shù)，具有極強(qiáng)的可靠性、抗干擾性，其豐富的通信與編程功能也為控制對象提供了多種方案[1]。在泛光照明工程領(lǐng)域，由于具備燈具工程量大、分布面廣的顯著特點，所以對應(yīng)的供電系統(tǒng)回路數(shù)非常多[2]；尤其對于大型聯(lián)動類泛光照明工程而言，各個樓宇的強(qiáng)電控制是否能集中可靠的管理顯得尤為重要。本設(shè)計可以實現(xiàn)泛光照明系統(tǒng)單回路精確控制、電流監(jiān)測預(yù)警、定時啟動、遠(yuǎn)程管理等功能，最終提高泛光照明整體的控制穩(wěn)定性[3]。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要由電氣回路設(shè)計和PLC 控制回路設(shè)計兩部分組成，按照24 個回路控制數(shù)量，分別配置電氣回路的斷路器、交流接觸器、電流傳感器等設(shè)備。

表1：西門子S7-200 擴(kuò)展模塊介紹

1.1 硬件設(shè)備選型

1.1.1 PLC 控制器的選型

圖1：電氣回路系統(tǒng)圖

圖2：PLC 主模塊外圍接線圖

工程中所使用配電系統(tǒng)的最大特點是供電回路數(shù)多、負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行時間長，傳統(tǒng)的智能控制方式一般是在三相回路分流前增加總開關(guān)。以三相24 回路為例，系統(tǒng)A、B、C 三相各自承擔(dān)8 個回路負(fù)載，此時在各相8 回路增設(shè)一個斷路器，配合三相交流接觸器與智能模塊，實現(xiàn)該8 個回路的共同通斷。此種方式只能實現(xiàn)泛光照明“面層”的強(qiáng)電控制[4]。

本系統(tǒng)的設(shè)計基于“點層”出發(fā)，必須達(dá)到單回路精確控制，采用的可編程邏輯控制器（簡稱PLC）的型號為西門子S7-200。S7-200 是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC 的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。處理速度0.8-1.2ms；存貯器2k；數(shù)字量248 點；模擬量35 路[5]。

1.1.2 PLC 擴(kuò)展模塊選型

西門子S7-200PLC 原有16 個輸出口，需增設(shè)EM222 拓展接口模塊才能滿足24 回路輸出控制；監(jiān)測回路電流信息需要增加模擬量擴(kuò)展模塊。該型號PLC 共有6 種擴(kuò)展模塊類型，每種型號的輸出和輸入點數(shù)都有差異。如表1 所示。

采用EM222 作為主回路擴(kuò)展接口，剛好滿足24 回路充分利用。由于電流變送器回饋模擬量信號，故需采用EM231，具有8 個輸入點的擴(kuò)展模塊，增加3 個EM231 即可滿足設(shè)計要求。

1.2 電氣回路設(shè)計

如圖1 所示，系統(tǒng)分別采用24 個斷路器和交流接觸器作為電氣回路的控制開關(guān)斷裝置。接觸器的主觸點與斷路器串聯(lián)，輔助觸點與中間繼電器KA1-KA24 串聯(lián)，通過接收繼電器的信號引起接觸器線圈的動作[4]。電流變送器的功能相當(dāng)于互感器，原理與互感器相同，都是通過感應(yīng)被測回路的較大電流，通過其內(nèi)部電阻轉(zhuǎn)換成線性比例輸出的直流4-20mA 電流，該電流值通過反饋至PLC 的模擬量拓展接口EM231 端口計取?；芈坟?fù)載為泛光照明燈具[6]。

圖3

圖4

1.3 PLC控制回路接線

西門子S7-200PLC 的輸出端口電壓為24V，無法直接控制220V 強(qiáng)電回路，因此需配合中間繼電器的使用，通過PLC 的輸出端產(chǎn)生的電位信號變化，促使繼電器動作，繼電器的接通信號使接觸器動作，回路閉合。PLC 控制器的核心CPU 接線如圖2 所示，該型號CPU 共有16 個輸出口，分別是0.0-0.7、1.0-1.7，輸出口接中間繼電器KA1-KA16[7]。

CPU 的輸入端口設(shè)計利用了0.0-0.4，手動/自動輸入設(shè)置對應(yīng)的旋鈕開關(guān)。撥到自動時屬于自動控制，可通過不開啟箱門進(jìn)行操作；旋鈕撥到手動時，關(guān)閉自動控制，遠(yuǎn)程和屏幕都無法操控配電箱[8]。操作人員按“啟動”按鈕，所有回路開啟，按“停止”按鈕，所有回路斷開。

2 軟件程序設(shè)計

2.1 主要I/O口分布

系統(tǒng)設(shè)計的輸入口I0.0 與I0.1 為手動/自動控制信號輸入，對應(yīng)手動/自動切換旋鈕，I0.2 為啟動開關(guān)，I0.3 為停止開關(guān)，I0.4為急停，可在任何狀態(tài)下關(guān)閉系統(tǒng)運(yùn)行。本系統(tǒng)的PLC 控制核心CPU 自帶16 個輸出口，增加擴(kuò)展模塊實現(xiàn)24 回路控制。其輸出口分別為Q0.0-Q1.0、Q1.1-Q1.7、Q2.0-Q2.7。三個EM231 擴(kuò)展接口對應(yīng)電流傳感器。

2.2 主程序設(shè)計

該程序為手/自動切換程序，旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到手動時，I0.0 常開觸點閉合，M25.0 手動模式開啟，旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到自動時，I0.1 常開觸點閉合，M25.1 自動模式啟動。

在圖3 的主程序中，手動模式下，設(shè)定開啟時間時；全部回路開啟，設(shè)定關(guān)閉時間時，全部回路關(guān)閉。VW2106 為實際時間的時，VW2108 為實際時間的分。VW806 為設(shè)定開啟時間的時，VW808為設(shè)定開啟時間的分。VW816 為設(shè)定關(guān)閉時間的時，VW818 為設(shè)定關(guān)閉時間的分。

在自動模式下，按下第一路開啟按鈕時，啟動第一路回路，可以單獨設(shè)定啟動多長時間后關(guān)閉，通過VD 模塊設(shè)置時間。

2.3 電流顯示程序設(shè)計

如圖4 所示，該模擬量通用庫主要用于電流模擬量的讀取，配合浮點數(shù)相加程序塊，實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

3 組態(tài)與HMI交互建立

由于本系統(tǒng)程序采用了子程序調(diào)用，且多處采用PLC 內(nèi)部寄存器地址，并非全部的I/O 口輸入控制，無法使用S7-200 的仿真程序仿真。為更直觀的應(yīng)用程序，采用顯控SKTOOL7.0 建立組態(tài)并虛擬仿真。其自帶的HMI 交互及屏程序組建平臺十分便利，屏程序設(shè)計較為簡單，利用Samkoon 的編寫器編寫即可。

本系統(tǒng)設(shè)計了四個畫面，主頁面、回路控制頁面、電流采集頁面、定時設(shè)置頁面、報警信息頁面。回路控制頁面中，通過采用多個位開關(guān)控件組合，實現(xiàn)每個回路的單獨控制。同時為實際應(yīng)用的便利，增加“一鍵開啟”及“一鍵關(guān)閉”功能，其原理為添加PLC程序中的M9.0 為點動地址。按下該按鈕時，地址觸發(fā)，程序運(yùn)行。

定時頁面主要用于設(shè)置定時參數(shù)，每個回路可分別設(shè)置，設(shè)置完成后系統(tǒng)可按照一個固定的時間自動進(jìn)行開關(guān)斷操作。此設(shè)計優(yōu)勢在于可以指定某個面或某個回路的定時啟動，有利于配電系統(tǒng)的分別獨立控制。

4 工藝可行性研究分析

4.1 市場前景

配電箱的智能控制在泛光照明行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用及其重要，本系統(tǒng)設(shè)計中對于回路電流檢測功能可優(yōu)化設(shè)計增加模塊和PLC 型號更改為具有溫度測量、電流電壓反饋、功率計取等功能?；芈房刂茢?shù)量、多箱聯(lián)動控制等功能均可依據(jù)需求實現(xiàn)。因此本系統(tǒng)的適應(yīng)性也極高，在實際工程應(yīng)用中具有優(yōu)勢[9]。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

本系統(tǒng)研究的目的是尋找可靠的PLC 控制策略，完成對泛光照明行業(yè)常用的智能模塊控制的取代和替換。對比泛光照明常用的智能控制調(diào)光模塊搭建的系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)計功能需求相同的條件下，本系統(tǒng)在核心關(guān)鍵材料上的價格遠(yuǎn)高于智能模塊。例如西門子S7-200PLC 搭配三個擴(kuò)展模塊總價約六千元；但對于智能控制模塊，要實現(xiàn)24 回路單獨控制的同等功能，模塊成本超過一萬元。由于本系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，技術(shù)性程度較高，在實際工程應(yīng)用中存在著可觀的認(rèn)價利潤。因此，本系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益在泛光照明常用強(qiáng)電控制系統(tǒng)中占有絕對優(yōu)勢。

5 總結(jié)

經(jīng)過研究，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最基本的控制照明負(fù)載的各回路的通斷、遠(yuǎn)程控制和手動、遠(yuǎn)程模式切換。當(dāng)出現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)故障，切換為手動模式，手動模式下，可以直接運(yùn)行存儲的定時指令，能夠定時啟動，不再需要單獨增加時鐘模塊[10]。故障恢復(fù)后切換回遠(yuǎn)程模式?？梢栽谏衔粰C(jī)建立組態(tài)，隨時監(jiān)控PLC 各輸出端口狀態(tài)、負(fù)載運(yùn)行狀況。在此基礎(chǔ)上，延伸研究附加亮度監(jiān)測、電流檢測等外圍電路功能[11]。

成功研究出基于PLC 控制的泛光照明強(qiáng)電控制系統(tǒng)，能夠投入實際工程應(yīng)用，且具備設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、維保等基礎(chǔ)能力。