基于PLC的城市照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王靜 張江亞 李煥娜

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展以及城市的進(jìn)步，照明在人們的生產(chǎn)生活中愈發(fā)重要，如何將公共照明發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化已經(jīng)成為了一種必然的趨向。本文主要介紹了基于PLC的城市照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，突出的優(yōu)點(diǎn)為根據(jù)時(shí)間的變化來控制路燈的亮暗程度從而達(dá)到節(jié)能的目的?？紤]到季節(jié)因素以及突發(fā)的惡劣天氣情況等因素，本設(shè)計(jì)將使用亮度檢測(cè)裝置來輔助城市照明系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：PLC;照明控制;定時(shí)控制

1 研究背景

對(duì)于一個(gè)城市而言，照明是必不可少的一部分，但照明不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的安裝上照明設(shè)備這么簡(jiǎn)單，城市照明需要進(jìn)行有效的管理，只有通過合適的方案進(jìn)行城市照明管理，才能夠降低不必要的能源浪費(fèi)。而如何高效率的進(jìn)行城市照明管理一直是全世界各大國(guó)家的研究方向。因此，本文將對(duì)此進(jìn)行研究，本文將使用PLC控制器也就是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）來進(jìn)行控制，它可以輕松完成時(shí)序邏輯，運(yùn)動(dòng)控制，定時(shí)控制，計(jì)數(shù)控制，數(shù)字操作，數(shù)據(jù)處理等功能，并通過輸入/輸出接口和各種生產(chǎn)機(jī)器進(jìn)行數(shù)字化和建立模擬連接照明的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2 PLC的簡(jiǎn)介以及選取

2.1 PLC的簡(jiǎn)介

2.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)

可編程控制器（PLC）和計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)極為相似，它主要包括如圖所示幾個(gè)方面：

2.1.2 PLC的工作原理

“順序掃描，周期循環(huán)”作為PLC的工作方式。CPU按照規(guī)定的順序從執(zhí)行第一條開始執(zhí)行每一條程序，截止到末條指令。循環(huán)掃描是在執(zhí)行時(shí)碰到結(jié)束指令后返回到最初的第一條程序指令，這樣就稱為一個(gè)掃描周期。

2.2 PLC的選取

根據(jù)城市照明的特點(diǎn)及其要求，我在眾多的PLC型號(hào)里選擇了西門子S7-200型PLC。因?yàn)镾7-200系列PLC的優(yōu)點(diǎn)很突出，不光可以媲美中型PLC，價(jià)格還十分低廉。S7-200系列PLC有8個(gè)CPU和4個(gè)不同的基本型號(hào)。本文設(shè)計(jì)使用的CPU是CPU224。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 I/O分配

本設(shè)計(jì)是城市照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，假設(shè)對(duì)城市照明系統(tǒng)所有照明設(shè)備進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，道路信號(hào)假設(shè)輸出為4個(gè)，分別為左側(cè)燈1#、左側(cè)燈2#、假設(shè)公共站點(diǎn)信號(hào)是2個(gè)輸出，并輸出2個(gè)景觀燈信號(hào)。根據(jù)分時(shí)控制信號(hào)和照明輸出信號(hào)的分類和統(tǒng)計(jì)，估計(jì)PLC輸入開關(guān)的數(shù)量，并且假設(shè)信號(hào)的總數(shù)為13。（可根據(jù)具體情況添加燈具數(shù)量）

該設(shè)計(jì)以道路，這里以公共場(chǎng)所照明燈具和景觀照明燈具的控制作為例子。在實(shí)際的工程實(shí)踐以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，可以根據(jù)實(shí)際所需的要求而進(jìn)行更改或擴(kuò)展，而且梯形圖的修改也很簡(jiǎn)便。

3.2 硬件接線

為了便于維護(hù)裝置的安全，輸出端子的控制不是直接連接到負(fù)載，而是在其中間接入一個(gè)繼電器來進(jìn)行連接，這種中間繼電器全部采用2P 24V的電壓以保證能正常工作，并且其電壓皆來源于電源電壓中。

3.3 亮度感應(yīng)裝置

目前市面上可應(yīng)用的光敏元件有很多，該設(shè)計(jì)主要使用由硫化鎘制成的光敏元件。目前，市場(chǎng)上最常見的金屬封裝和環(huán)氧樹脂封裝類型是線性的（DIP型）。表面也涂有防潮樹脂并具有光電性。領(lǐng)先的效果。眾所周知，光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)部光電效應(yīng)所產(chǎn)生的，就是將電極的引線安裝在半導(dǎo)體光敏材料的兩端，并封裝在具有透明窗口的環(huán)境中來構(gòu)成光敏電阻。而為了加高靈敏度，會(huì)將兩個(gè)電極的形狀改變?yōu)槭釥钚螒B(tài)。此外，它還具有環(huán)氧樹脂包裝，體積小，靈敏度高，可靠性好，響應(yīng)快，光譜特性好，價(jià)格低。

3.4 燈具布置方案

根據(jù)實(shí)際情況的需求，城市照明需要大量照明設(shè)備，本設(shè)計(jì)在此只顯示一部分照明設(shè)備的設(shè)計(jì)，而根據(jù)實(shí)際情況的不同，在此設(shè)計(jì)中可以添加額外的照明設(shè)備。該設(shè)計(jì)是使用了兩級(jí)母線的電源模式，讓每個(gè)小母線為其中部分路燈供電。因?yàn)槭褂脙杉?jí)母線的方法可以讓系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，還可以避免多母線多開關(guān)的麻煩，使得安裝和維護(hù)更加方便。每個(gè)回路都是由接觸器來進(jìn)行的控制，而接觸器所發(fā)出的動(dòng)作都是由PLC程序來進(jìn)行控制的。

4 軟件設(shè)計(jì)

城市照明控制系統(tǒng)部分分別有：時(shí)鐘控制，顯示控制，時(shí)間狀態(tài)指示控制，照明用具控制程序以及工作狀態(tài)檢測(cè)顯示控制程序。將控制系統(tǒng)打開后需要執(zhí)行子程序。第一步，我們需要打開時(shí)鐘控制電路。設(shè)計(jì)中將I0.0觸電設(shè)計(jì)為時(shí)鐘控制電路的主開關(guān)，來控制時(shí)鐘控制電路開始進(jìn)行工作。下一步，就是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘控制電路來進(jìn)行調(diào)整。時(shí)鐘控制電路的時(shí)間必須與當(dāng)前地區(qū)的時(shí)間相同。照明控制系統(tǒng)的時(shí)間是通過數(shù)碼管顯示，顯示電路也是由PLC控制輸出動(dòng)態(tài)顯示。再然后，我們還需要判斷電流檢測(cè)電路返回的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行時(shí)間狀態(tài)的輸出程序，根據(jù)當(dāng)前的時(shí)間在該時(shí)間段來控制照明。本文的設(shè)計(jì)是在天黑之后，開始第一種工作狀態(tài)。即是將所有的路燈都打開，或是下午七點(diǎn)之后，第一種工作狀態(tài)將在午時(shí)十二點(diǎn)結(jié)束并進(jìn)入第二個(gè)工作狀態(tài)，所有的路燈只亮三分之二。而在凌晨六點(diǎn)后，將進(jìn)入第三種工作狀態(tài)，所有的路燈只會(huì)有三分之一年，然后會(huì)對(duì)亮度進(jìn)行檢測(cè)。天亮后，就將進(jìn)入第四種工作狀態(tài)，所有的照明設(shè)備關(guān)閉，以達(dá)到節(jié)能的目的。而如果亮度檢測(cè)沒有輸入，它將進(jìn)入第四種工作狀態(tài)，即是特殊天氣的緊急照明狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文基于PLC的城市照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以西門子S7-200型PLC為核心所做出的照明控制系統(tǒng)，完成了對(duì)城市照明控制系統(tǒng)的硬件和軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)能，一年四季根據(jù)不同的時(shí)間段進(jìn)行分段式時(shí)間管理，在保證了節(jié)能的前提下還做到了照明質(zhì)量的提高。以照明時(shí)間控制為主，同時(shí)還有照明環(huán)境的分析，來輔助時(shí)間控制程序，以此來保障各種因突發(fā)變化或惡劣天氣所導(dǎo)致的控制方案的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭可，馮準(zhǔn)，鄭懷鵬，蘆飛，雷佳豪.城市LED照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2016（09）.

（作者單位：河北科技學(xué)院）