基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 冬

（上海羅曼照明科技股份有限公司，上海 200090）

0 引 言

景觀燈光作為城市中的風(fēng)景建設(shè)內(nèi)容，能夠?yàn)槿藗兊囊归g生活提供便利，是城市風(fēng)景建設(shè)中的重要組成部分。由于景觀燈光建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如何在保證景觀燈光美觀性的同時(shí)，降低景觀燈光能耗，成為景觀燈光行業(yè)的主流研究方向[1]?；诖耍坝^燈光控制系統(tǒng)應(yīng)勢(shì)而生。景觀燈光控制系統(tǒng)能夠通過設(shè)置科學(xué)的控制策略，減少景觀燈光照明時(shí)不必要的能耗，進(jìn)而起到景觀燈光控制降耗的作用，具有現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)景觀燈光控制系統(tǒng)主要是通過驅(qū)動(dòng)板的作用控制景觀燈光。景觀燈光通常工作在露天的環(huán)境中，實(shí)際傳輸景觀燈光控制信號(hào)過程中很容易受到外界因素的干擾，導(dǎo)致控制失效的情況發(fā)生，致使景觀燈光控制信號(hào)的傳輸需要很高時(shí)延，更無法降低景觀燈光控制能耗[2]。而PLC作為一種通信技術(shù)，能夠有效隔離外界因素對(duì)傳輸信號(hào)的干擾，避免其對(duì)傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響，為此可以將PLC應(yīng)用在景觀燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文從硬件和軟件兩方面出發(fā)，設(shè)計(jì)基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)。

1 PLC概述

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）多用于工業(yè)機(jī)械控制中，也適用于數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。從PLC的傳統(tǒng)意義層面上分析，所有可執(zhí)行功能通常是使用電氣與計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)的，但隨著高新技術(shù)的不斷引進(jìn)，由美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)GM技術(shù)提出的電氣控制技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在此研究項(xiàng)目提出的一年后，設(shè)計(jì)行為控制器，用于控制集成電路與電子電路，由此首次提出了可編程邏輯控制器原理，這就是第一代PLC技術(shù)的提出。隨著市場(chǎng)對(duì)PLC技術(shù)研究的深入，PLC被不斷賦予了數(shù)字統(tǒng)計(jì)、行為處理以及人機(jī)交互等能力。目前，PLC技術(shù)在多個(gè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)均得到了廣泛的應(yīng)用，是一種較為成熟的控制技術(shù)，其憑借優(yōu)異的傳輸性能和可編程性能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)功能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的工作效率[3]。為此，將PLC應(yīng)用在景觀燈光控制中，設(shè)計(jì)一種新型基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)，具體內(nèi)容如下。

2 基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集板卡

系統(tǒng)硬件部分需要利用數(shù)據(jù)采集板卡來采集系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)，該部分?jǐn)?shù)據(jù)為模擬量數(shù)據(jù)，以此作為燈光控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。選用如圖1所示型號(hào)為HYVJ-KIB15690的數(shù)據(jù)采集板卡。該采集板卡包含兩路六位模擬量輸入模塊，具有采集速度快和性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，適合本系統(tǒng)使用[4]。通過ISA總線使服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集板卡互聯(lián)，即可控制數(shù)據(jù)采集板卡運(yùn)行。

圖1 數(shù)據(jù)采集板卡

2.2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

上述采集到的模擬數(shù)據(jù)無法直接應(yīng)用于系統(tǒng)中，需要采用模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)程度對(duì)系統(tǒng)燈光控制的精準(zhǔn)度有重要影響，因此對(duì)于數(shù)字轉(zhuǎn)換器的選型應(yīng)慎重。此次選用AGVD-SDNV1400型號(hào)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有32位半閃速結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度快且精準(zhǔn)度高[5]。AGVD-SDNV1400模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器各個(gè)引腳功能如表1所示。

表1 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器引腳功能

充分運(yùn)用轉(zhuǎn)換器引腳功能，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)景觀燈光控制數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換，得到系統(tǒng)能夠識(shí)別的景觀燈光控制數(shù)據(jù)類型。

2.3 設(shè)計(jì)PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器

為實(shí)現(xiàn)景觀燈光控制系統(tǒng)的節(jié)能功能，設(shè)計(jì)PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器[5]。循環(huán)控制器的整體可分為固定結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)兩種，包括數(shù)字信號(hào)/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電池主板、電子顯示屏幕、內(nèi)存條、電源、接口以及通信電路等。PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，通過傳輸線纜連接CPU與景觀燈，基于脈沖控制的方式，將景觀燈光控制數(shù)據(jù)以RE的格式輸入SVDE緩沖區(qū)，作為景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制指令[6]。利用本文設(shè)計(jì)的PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器判定景觀燈光狀態(tài)，通過存儲(chǔ)模塊接口與編程器相連，起到景觀燈光控制的作用。

利用PLC技術(shù)最大集成度的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可以使景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器更適應(yīng)惡劣的外界環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)控制器節(jié)能功能，引入神經(jīng)元芯片。利用更高性能的接口技術(shù)，可以快速轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)，降低連接系統(tǒng)的功耗，支持功能更加強(qiáng)大的處理器連接。神經(jīng)元芯片能夠在保證最小硬件的前提下滿足其功能需求，可以有效提高系統(tǒng)功能，使PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳，并在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)硬件運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。神經(jīng)元芯片主要控制景觀燈中多個(gè)電路的通斷，將神經(jīng)元芯片中發(fā)出的控制信號(hào)與電路相連，將景觀燈光控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制當(dāng)量，實(shí)現(xiàn)景觀燈光的智能控制。通過PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器中的ZW245V25-27主控制芯片可以調(diào)節(jié)景觀燈光控制速率，以提高PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的控制能力。ZW245V25-27主控制芯片主要用于PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)形式為脈沖寬度調(diào)制，可使循環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速[7]。在布設(shè)電源時(shí)應(yīng)將外部其他控制部件的電源與PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器的供電電源隔離，確保PLC景觀燈光節(jié)能循環(huán)控制器支持突發(fā)傳送方式的同步操作及自動(dòng)配置。

3 基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于PLC采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，預(yù)先基于PLC采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)，設(shè)置3個(gè)端口分別表示為PLC（1.0/2.0/3.0），獲取景觀燈光控制工作的實(shí)時(shí)終端數(shù)據(jù)[8]。利用上述設(shè)計(jì)的端口，將PLC（1.0）的通信地址定義為“001”，其他兩個(gè)端口的通信地址分別表示為“0101”與“10100”，完成終端數(shù)據(jù)的定位后，輸入通信指令，使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)并行排列方式，輸出端口數(shù)據(jù)。通過采集景觀燈光控制數(shù)據(jù)，以此作為景觀燈光控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，展開下文研究。

3.2 建立PPI景觀燈光控制協(xié)議

在完成景觀燈光控制數(shù)據(jù)采集工作的基礎(chǔ)上，本文將應(yīng)用PLC通信網(wǎng)絡(luò)，遵循高級(jí)協(xié)議內(nèi)容，在支持多路同步自動(dòng)化控制的行為上具體限制循環(huán)次數(shù)[9]。建立的PPI景觀燈光控制協(xié)議具體信息如表2所示。

表2 PPI景觀燈光控制協(xié)議具體信息

結(jié)合表2所示，在實(shí)際景觀燈光控制過程中由于信息量不大，因此PPI高級(jí)控制協(xié)議即可滿足景觀燈光控制需求。

3.3 實(shí)現(xiàn)景觀燈光控制

基于PLC的景觀燈光控制過程中，應(yīng)按照信號(hào)濾波的表述方式，將平流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，并記錄每次?shù)據(jù)變化情況。通過控制信號(hào)電壓值，實(shí)現(xiàn)終端電壓數(shù)據(jù)與信號(hào)的有效控制，并以獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行景觀燈光控制在不同運(yùn)行狀態(tài)下的耗能分析。假定輸出的數(shù)據(jù)值較之前低，則可保留數(shù)據(jù)，倘若輸出的數(shù)據(jù)值較之前高，則保留兩組數(shù)據(jù)中數(shù)值較低的一組。綜上所述，通過調(diào)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在不同滿載狀態(tài)下，終端對(duì)信息頻率的有效控制[10]。利用PLC可對(duì)該景觀燈光控制狀態(tài)進(jìn)行判定，進(jìn)而對(duì)景觀燈光照明全過程進(jìn)行節(jié)能循環(huán)控制，為日后的景觀燈光控制提供強(qiáng)有力的支持。以此，完成基于PLC的景觀燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某城區(qū)，針對(duì)該城區(qū)的景觀燈光加以控制。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定景觀燈光照明時(shí)間共為8 h，從19:00-3:00以1 h為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，先使用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制景觀燈光，通過萬能表測(cè)得景觀燈光控制功率設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，再使用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制景觀燈光，通過萬能表測(cè)得景觀燈光控制功率設(shè)為對(duì)照組。本次實(shí)驗(yàn)由上位監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行中控控制，現(xiàn)場(chǎng)控制1～20號(hào)景觀燈，實(shí)驗(yàn)控制的整體流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，控制能耗對(duì)比如表3所示。

表3 控制能耗對(duì)比表

通過表3可知，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的能耗相比，能夠節(jié)能60%以上，更具現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文通過實(shí)例分析的方式，確定設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次萬能表測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，因此需要進(jìn)一步提高測(cè)定結(jié)果的可信度。同時(shí)，還需要深入研究景觀燈光的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此為提高景觀燈光的綜合質(zhì)量提供建議。