基于S7-1212C PLC的立體停車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 偉

（上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著“十三五”以來(lái)城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，汽車(chē)保有量也不斷增加。作為交通樞紐、市政商業(yè)以及高層建筑的基礎(chǔ)附屬設(shè)施，停車(chē)庫(kù)的重要性日益凸顯。停車(chē)庫(kù)的2 項(xiàng)基本功能是照明和車(chē)輛停放，由于人們工作和生活時(shí)間的相對(duì)規(guī)律性，因此，高峰時(shí)段和低谷時(shí)段存在明顯差異。雖然停車(chē)庫(kù)不是隨時(shí)都有車(chē)輛進(jìn)出，但傳統(tǒng)停車(chē)庫(kù)的照明系統(tǒng)卻保持24 h 常亮的狀態(tài)，這就在使用過(guò)程中造成了能源的大量浪費(fèi)[1]。

傳統(tǒng)停車(chē)庫(kù)照明基本采用手動(dòng)區(qū)域控制或者回路開(kāi)關(guān)控制，存在以下5 個(gè)問(wèn)題：1） 不能根據(jù)作息時(shí)間、車(chē)流量和車(chē)輛進(jìn)出智能感知調(diào)整其運(yùn)行時(shí)間。2） 不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域照明的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警。3） 不能定制各種場(chǎng)景模式。4） 缺乏大數(shù)據(jù)共享與分析的能力。5） 不能遠(yuǎn)程分析整個(gè)停車(chē)庫(kù)各區(qū)域照明的運(yùn)行狀態(tài)，只能通過(guò)人工目視巡檢，物業(yè)維護(hù)工作量大，運(yùn)營(yíng)管理成本高。

因此，筆者針對(duì)浦東機(jī)場(chǎng)露天立體停車(chē)庫(kù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于可編程控制器S7-1212C PLC 的分布式智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)高可靠性的工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。構(gòu)建了遠(yuǎn)程集中管理和區(qū)域分布式控制的模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)智能化的設(shè)計(jì)以及對(duì)其運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的監(jiān)控。該設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同要求和不同使用時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的開(kāi)閉進(jìn)行整體、每棟、每層以及每個(gè)區(qū)域的分別控制，并結(jié)合雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)區(qū)域照明閉環(huán)控制，達(dá)到按需照明和節(jié)能的效果，從而實(shí)現(xiàn)集綠色、節(jié)能和智慧化為一體的立體停車(chē)庫(kù)照明設(shè)計(jì)[2]。

1 立體停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)和應(yīng)用架構(gòu)

該立體停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目采用的智能照明控制系統(tǒng)，融合了先進(jìn)的工業(yè)可編程控制、雷達(dá)智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 軟件管理平臺(tái)等技術(shù)。整體系統(tǒng)基于以太網(wǎng)星型光纖主干網(wǎng)和分布式RS485 總線的通信架構(gòu)，并通過(guò)單模光纖和屏蔽雙絞線作為連接鏈路的物理介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)停車(chē)庫(kù)照明軟件系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)停車(chē)庫(kù)每層終端可編程控制器S7-1212C PLC 的直接監(jiān)控和信息交互，方便對(duì)停車(chē)庫(kù)進(jìn)行高效可靠的運(yùn)維管理。同時(shí)系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)和硬件架構(gòu)充分考慮了易于擴(kuò)展和多客戶端監(jiān)管的需求，并預(yù)留了OPC Server 數(shù)據(jù)接口，可以擴(kuò)展樓宇BA 等交互信息[3]。

1.1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)包括A、B、C 和D 共4 棟大型敞開(kāi)式公共停車(chē)庫(kù)和高架橋進(jìn)出連廊，每棟停車(chē)庫(kù)地上8 層，每層樓的照明控制柜包括2 臺(tái)應(yīng)急照明控制柜和4臺(tái)普通照明控制柜，在應(yīng)急照明配電間旁還設(shè)置了弱電間。每層樓的6 臺(tái)照明控制柜都配備了可編程控制器S7-1212C PLC。將其中1 臺(tái)應(yīng)急照明PLC 設(shè)定為主站控制器，其他5 臺(tái)PLC 設(shè)定為從站控制器，通過(guò)RS485 屏蔽雙絞總線進(jìn)行手拉手通信連接。主從站PLC 控制5 路DO照明回路，并通過(guò)接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)反饋信號(hào)對(duì)PLC IO 進(jìn)行監(jiān)控。主從站PLC 管控車(chē)庫(kù)區(qū)域的主入口和出口都配備了雷達(dá)傳感器，可以對(duì)移動(dòng)車(chē)輛和人進(jìn)行探測(cè)，并將信號(hào)反饋到PLC IO 作為照明回路開(kāi)關(guān)的閉環(huán)條件。

1.2 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)軟件管理平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于B/S 瀏覽器/服務(wù)器模式控制系統(tǒng)，立體車(chē)庫(kù)中心機(jī)房的照明服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)管型核心交換機(jī)星型擴(kuò)展到所有弱電間的匯聚交換機(jī)，并通過(guò)超六類(lèi)網(wǎng)線連通應(yīng)急照明配電間的主站S7-1212C PLC，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理和分布式控制架構(gòu)。另外，立體停車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)還提供了OPC Server 數(shù)據(jù)接口，可以與立體車(chē)庫(kù)的智慧停車(chē)和智能安防等系統(tǒng)進(jìn)行綜合對(duì)接，提供更多的智能控制方案。

根據(jù)立體停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)的總體應(yīng)用需求，網(wǎng)管型核心交換機(jī)采用插拔式設(shè)計(jì)，后期可以根據(jù)規(guī)模擴(kuò)展添加配置，軟件平臺(tái)也充分考慮了數(shù)據(jù)擴(kuò)展和接口，系統(tǒng)具有整體容量大、可擴(kuò)展性強(qiáng)和安全性能高的優(yōu)點(diǎn)，充分滿足了立體停車(chē)庫(kù)后期系統(tǒng)擴(kuò)容的需要。

2 立體停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)交互協(xié)議設(shè)計(jì)

立體停車(chē)庫(kù)遠(yuǎn)程智能照明系統(tǒng)軟件管理平臺(tái)與每層應(yīng)急照明配電間的S7-1212C PLC 之間基于Modbus TCP 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。軟件管理平臺(tái)作為Modbus TCP 主站、S7-1212C PLC 作為Modbus TCP 從站，主站平臺(tái)和A、B、C、D 4 棟樓每層Modbus TCP 從站的PLC 分別分配10.54.52.某局域網(wǎng)段的唯一IP 地址[4]。

每層應(yīng)急照明配電間的S7-1212C PLC 與其他5 臺(tái)S7-1212C PLC 之間基于Modbus RTU 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。應(yīng)急照明配電間的PLC 為Modbus RTU 主站，其他5 臺(tái)PLC為Modbus RTU 從站，主站PLC 與5 臺(tái)從站PLC 分別分配1～254 的唯一ID 地址[5]。

2.1 軟件平臺(tái)與每層PLC 交互控制

2.1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控命令

軟件管理平臺(tái)與每層應(yīng)急照明配電間的S7-1212C PLC 之間的實(shí)時(shí)控制命令交互字地址為MW100，應(yīng)急照明配電間的主站PLC 對(duì)實(shí)時(shí)控制命令字進(jìn)行解析，通過(guò)廣播或者單播分發(fā)到從站PLC 并執(zhí)行，實(shí)時(shí)控制命令字格式組成如圖1 所示。

圖1 實(shí)時(shí)控制命令字格式圖

2.1.2 照明控制策略

立體停車(chē)庫(kù)每層PLC 可以通過(guò)雷達(dá)傳感器閉環(huán)控制照明DO 的輸出，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)回路控制、分組控制、分層控制、分棟控制以及整棟控制等模式的切換，按照立體車(chē)庫(kù)運(yùn)營(yíng)需求預(yù)設(shè)每層PLC 開(kāi)閉控制策略，對(duì)照明進(jìn)行定時(shí)控制。每層PLC 可預(yù)設(shè)定制200 條以上的策略，實(shí)現(xiàn)四季靈活的智能化管控。照明控制策略數(shù)據(jù)交互區(qū)域和格式組成如圖2 所示。

2.2 每層主站PLC 與從站PLC 交互控制

2.2.1 控制命令中轉(zhuǎn)

每層應(yīng)急照明配電間的PLC 作為Modbus TCP 從站和Modbus RTU 主站，不僅可以周期輪詢本站和5 臺(tái)Modbus RTU 從站的照明數(shù)據(jù)并上傳至遠(yuǎn)程軟件管理平臺(tái)；而且還可以解析遠(yuǎn)程軟件管理平臺(tái)發(fā)送的實(shí)時(shí)監(jiān)控命令和照明控制策略，或者解析同步存儲(chǔ)于本地定時(shí)觸發(fā)的照明控制策略，并通過(guò)廣播或者單播轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)從站PLC 執(zhí)行。

2.2.2 從站PLC 照明控制和數(shù)據(jù)采集

立體車(chē)庫(kù)每層的從站PLC 可以根據(jù)雷達(dá)傳感器閉環(huán)控制照明回路的輸出，接收Modbus RTU 主站的照明控制命令或者數(shù)據(jù)采集報(bào)文，并進(jìn)行識(shí)別解析、執(zhí)行命令和上傳數(shù)據(jù)等工作，雷達(dá)傳感器模式和智能控制模式可以遠(yuǎn)程控制軟件平臺(tái)的切換。從站PLC 實(shí)時(shí)采集本站PLC 的DO輸出、DI 輸入的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在本地進(jìn)行存儲(chǔ)和更新，滿足Modbus RTU 主站數(shù)據(jù)輪詢的需要。

3 立體車(chē)庫(kù)照明軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

立體車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)采用集中管理、分層分布式控制架構(gòu)，軟件管理平臺(tái)基于C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出B/S 系統(tǒng)架構(gòu)，可以通過(guò)Internet 或者局域網(wǎng)隨時(shí)進(jìn)行WEB 訪問(wèn)，并提供OPC Server 數(shù)據(jù)接口，與立體車(chē)庫(kù)的智慧停車(chē)和智能安防等系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。Modbus RTU 主站和從站S7-1212C PLC 程序是基于西門(mén)子TIA 博途而開(kāi)發(fā)的，其采用了符合IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的LD 和FBD 語(yǔ)言。

3.1 主從站PLC 梯形圖程序設(shè)計(jì)

每層應(yīng)急照明配電間的PLC 作為Modbus TCP 從站和Modbus RTU 主站，包括Modbus TCP 通信設(shè)置、Modbus RTU MASTER 設(shè)置、控制命令轉(zhuǎn)發(fā)和輪詢Modbus RTU 從站等梯形圖程序設(shè)計(jì)[6]。

3.2 智能照明軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)需求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了智慧B/S 軟件管理平臺(tái)，共包括4 個(gè)交互界面功能模塊[7]：1） 實(shí)時(shí)監(jiān)控。它可以監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，還可以切換“手動(dòng)控制”、“策略控制”以及“雷達(dá)控制”等模式。2） 故障檢測(cè)。它是負(fù)責(zé)對(duì)回路的開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤等故障進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)追溯查詢。3） 用戶管理。該模塊可以添加、編輯以及刪除管理用戶，還可以設(shè)定用戶名和密碼，對(duì)登錄人員進(jìn)行登記等。4） 策略控制。該模塊是按照運(yùn)營(yíng)需求預(yù)設(shè)控制策略，策略控制可預(yù)設(shè)定制200 條及以上的策略。

圖2 照明控制策略數(shù)據(jù)交互區(qū)域和格式圖

4 運(yùn)營(yíng)模式和節(jié)能效益

浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求切換成手動(dòng)控制、策略控制和雷達(dá)控制模式，為了滿足按需照明和節(jié)能減排的需求，立體停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)采用策略控制和雷達(dá)控制相結(jié)合的管控模式[8]。白天07：00～17：00時(shí)間段內(nèi)光照度充足，適合采取雷達(dá)控制模式，應(yīng)急照明回路常亮，普通照明回路根據(jù)車(chē)輛和人員的出入開(kāi)啟，持續(xù)1 min 后關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的照明系統(tǒng)，亮燈概率為60%。前半夜17：00～24：00 時(shí)間段內(nèi)光照度低且車(chē)輛出入較為頻繁，適合采取策略控制模式，全部照明回路常亮，前半夜起始時(shí)間策略控制根據(jù)節(jié)氣預(yù)設(shè)自動(dòng)調(diào)整，亮燈概率為100%。后半夜00：00～07：00 時(shí)間段內(nèi)光照度低且車(chē)輛出入較為稀少，適合采取雷達(dá)控制模式，應(yīng)急照明回路常亮，普通照明回路根據(jù)車(chē)輛和人員的出入開(kāi)啟，持續(xù)1 min后關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的照明系統(tǒng)，亮燈概率為40%。根據(jù)以上運(yùn)營(yíng)控制設(shè)定原理可以計(jì)算出浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)智能照明控制與傳統(tǒng)24 h 運(yùn)營(yíng)模式相比，其節(jié)能率為34.17%。因?yàn)槿坎捎肔ED 燈具，所以比傳統(tǒng)停車(chē)庫(kù)照明系統(tǒng)的節(jié)能率更高。

5 結(jié)語(yǔ)

照明是1 個(gè)城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是改善和提升城市品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)?！笆濉睍r(shí)期是全面建成小康社會(huì)的決勝階段，推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化，實(shí)施城市綠色照明，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境成為城市建設(shè)管理工作的重點(diǎn)任務(wù)之一。相關(guān)人員應(yīng)該有序推進(jìn)綠色照明產(chǎn)品和技術(shù)的應(yīng)用，堅(jiān)持科技創(chuàng)新，加快建立全國(guó)信息化平臺(tái)，提高城市照明建設(shè)管理水平，科學(xué)合理地推進(jìn)城市綠色照明工作[9]。上海浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)智能照明系統(tǒng)基于以太網(wǎng)星型光纖主干網(wǎng)和分布式RS485 總線的通信架構(gòu)，融合了先進(jìn)的工業(yè)可編程控制、雷達(dá)智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 軟件管理平臺(tái)等技術(shù)，從而達(dá)到“人、信息交互系統(tǒng)以及低碳環(huán)保照明”的無(wú)縫結(jié)合。提升了浦東機(jī)場(chǎng)立體停車(chē)庫(kù)照明的信息化和自動(dòng)化管理水平，大幅降低了立體停車(chē)庫(kù)照明的綜合運(yùn)營(yíng)和管理成本，實(shí)現(xiàn)了較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)了建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市的發(fā)展步伐。