基于PLC的教室照明控制系统节能改造研究与实现.pdf

收稿日期：基金项目：江西省高等学校教学改革研究省级立项课题（）。作者简介：温林（），男，江西萍乡人，副教授，工学硕士，研究方向为电气自动化。基于 的教室照明控制系统节能改造研究与实现温林（江西应用工程职业学院，江西 萍乡 ）摘要：针对传统教室照明控制方式存在严重浪费电能的问题，提出基于 的教室照明控制系统，采用分组、分时的控制方案，对教室的照明控制系统进行了升级改造。系统以西门子 为主控核心，通过 完成程序开发和仿真，通过红外传感器和光照传感器动态检测教室内的光照情况和人数，根据不同时段制定相应的控制策略。改造后的教室照明系统，小教室节能约 ，大教室节能约 ，验证了设计方案的可行性和有效性。关键词：；教室照明；自动控制；系统改造中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，：；引言随着经济社会的快速发展和资源紧缺形势的不断加剧，绿色发展理念受到国家的高度关注 。为此，国家出台了一系列政策，包括“十四五”工业绿色发展规划 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 年前碳达峰行动方案 科技支撑碳达峰碳中和实施方案（年）。党的十九届五中全会提出要建第 卷第 期 年 月 北京工业职业技术学院学报 设“人与自然和谐共生的现代化”，党的二十大则继续强调“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”。可见，绿色化、节能化、低碳化已经成为我国经济高质量发展的重要内容 。学校不仅照明场所多，照明时间也较长，尤其是教室照明，已经成为学校的主要能耗因素之一 。据统计，照明用电在校园所有耗电中约占 ，几乎占据校园能耗的半壁江山 。调查发现，许多学校的教室照明控制仍然以传统的手动控制方式为主 ，由于不能频繁地操作开关，无形中造成了大量的电能浪费 。在提倡绿色低碳、节能减排的今天，通过技术手段实现照明系统的节能已经成为重要发展趋势 。目前关于公共建筑智能控制照明设备研究的文献资料较多，但是控制策略比较复杂，没有适合学校教室照明控制系统的设计方案。为此，本文根据学校的作息时间及学生的学习生活规律，以 为基础，提出一种基于 的照明控制系统，对教室的照明控制进行节能改造。系统总体方案设计由于大部分高校教室面积较大，可以容纳 人或更多，所以 间教室一般有 盏以上的日光灯。高校教室大多为流动教室，白天很多时候并没有排满课，如果没有人或者自习人数很少，就会造成灯光的浪费。因此，系统采用分组、分时控制的思路，根据每间教室的人数情况，将日光灯分为若干组，在手动控制过程中，每组可以通过相应的按钮独立进行控制。为了避免人为频繁地操作开关，系统采用自动控制手段，通过应用光照传感器和红外传感器，可以根据光照条件和在场人数自动开启或关闭相应的灯组，从而减少电能浪费。基于 的教室照明控制系统总体框架如图 所示。图 教室照明控制系统总体框架图 分组控制方案传统的控制方法中，个开关按钮控制的日光灯数量过多，不管是否需要，只要开关打开，整间教室的日光灯就处于工作耗电状态。实际上，若天气状况良好，教室光线充足，就不需要照明；而有时教室人数较少，灯全部开启也不合理。此外，在使用投影设备时，教室前排的灯通常需要全部关闭以提高投屏的清晰度。本方案中，首先根据人数、多媒体授课及合理使用照明，将教室分为 个区域，分别为前排左区域（灯组 ）、前排右区域（灯组 ）、后排左区域（灯组）和后排右区域（灯组 ）。每个区域的所有日光灯构成 个灯组，按 间教室 盏灯，则每组各 盏。同一灯组的灯或者同时点亮，或者同时熄灭，不同的灯组之间则相互独立。安装 个光照传感器在教室用于采集光照，判断是否需要启用照明。利用红外传感器对整个教室人数进行统计。将 个红外传感器分别安装在进口和出口，用来检测进出教室的人数。光照不充足、需要启用照明时，分组控制方案如表 所示。表 分组控制方案人数启用照明（投影仪没开）启用照明（投影仪打开）人灯组 （优先从前排点亮）灯组 、灯组 人灯组 、灯组 灯组 、灯组 人灯组 、灯组 、灯组 灯组 、灯组 人个灯组都启用灯组 、灯组 分时控制方案为了使教室照明控制更加合理，符合学校的作息时间及学生的学习生活规律，在不同的时间段，根据教室实际光照条件和在场人数对灯组状态进行控制。分时控制方案如表 所示。表 分时控制方案时间段教室状态控制方案：空闲自由学习根据光照条件和在场人数进行控制：课堂教学若光照充足，所有灯组关闭；若光照不充足且有课，所有灯组打开 ：空闲自由学习根据光照条件和在场人数进行控制 ：课堂教学若光照充足，所有灯组关闭；若光照不充足且有课，所有灯组打开 ：空闲自由学习根据光照条件和在场人数进行控制 ：晚自习若有晚自习或上课，全部灯组开启 ：空闲自由学习根据在场人数进行控制 ：空闲全部灯组关闭第 期温林：基于 的教室照明控制系统节能改造研究与实现上午 ：和下午 ：均为上课时间，教室利用率最高，如果光照条件充足，则所有灯组全部熄灭；如果由于天气条件导致教室光照不充足且有课，所有灯组打开。在上午上课之前（：）或下午下课之后（：）的空闲时间段，一般是学生自由学习时间，人员流动性较大，可根据光照条件和人流量实现灯组的自动控制。到了晚上 ：以后，由于不存在自然采光条件，只要有课就需要开启所有灯组；：之后为学校规定的休息时间，教室统一关灯锁门，禁止进入，所有灯组自动熄灭；将关闭自动控制模式切换为手动控制，如果有特殊情况需要进入教室，可以通过手动控制开关点亮所需灯组。系统硬件设计 关键器件选型为实现基于 的教室照明控制系统改造，需要对系统的关键器件进行选型。科学的器件选型不仅是控制工程成本的要求，也是提升系统综合性能的要求。系统的核心器件为 控制器，其他关键器件包括 扩展模块、红外传感器、光照传感器和 转换器等。（）控制器 控制器是整个系统的“心脏”，直接控制着整个系统的运行。随着 市场的扩大和电子技术的发展，目前全球范围内已经发展出许多 品牌巨头，如德国西门子、瑞士 、美国罗克韦尔、日本欧姆龙等。经多维度的对比分析，采用了德国西门子 系列 控制器。属于典型的小型可编程控制器，在稳定性、安全性、先进性、灵活性、片上资源等方面有着极为独特的优势，无论是独立使用还是组网运行均能实现复杂控制功能，因而被广泛用于自动检测、实时监测和智能控制等场合。集成 个数字量 ，最多支持扩展 个 扩展模块，控制器内置高性能程序和数据存储器、高速计数器、高速脉冲生成器，支持 ，等标准化通信协议，还配备了 控制器，可以较好地满足本系统的需求。（）红外传感器红外传感器用于检测教室的人流量，是灯组控制的重要因素之一。是款高性能传感信号处 理 ，以 热 释 电 红 外 传 感 芯 片 为 核 心。模块实现人流量检测的基本原理是：有人进入检测范围，红外传感器会接收到人体发出的红外辐射，通过其内部的红外感应源将其转换成电流，再经调理、放大、滤波等处理，对外输出高电平信号；若人走出可检测区域，由于人体红外辐射的消失，传感器自动恢复低电平输出；只要检测到 个高电平和 个低电平，即可识别出有人经过。（）光照传感器光照条件是决定教室是否开灯的主要因素，因此科学选择光照传感器是实现本系统的关键。系统选用的 型光照传感器，体积小巧，采用先进光电转换模块，光谱范围 ，工作电压 均可，有电压输出和电流输出 种模式。可以将环境光照强度值转化为电压值，再经调理电路转化为 或 电信号输出，根据输出信号的强弱即可判断出光照强度。资源分配根据 自有的 资源，结合 扩展模块的应用，对片上资源进行了科学分配，使启动按钮、红外传感器、光照传感器均能有效接入 控制器。为了控制输出点数量，将 组灯看成个输出点。系统输入包括启动按钮、个红外传感器和 个光照传感器，输出包括多组日光灯组。考虑到输入信号为模拟量，系统采用扩展模块 实现信号接入。经过综合分析设计，的 地址和中间变量分配如表 、表 所示。表 地址分配表输入信号输出信号序号地址名称序号地址名称 启动按钮 灯组 进门人数测量 灯组 出门人数测量 灯组 光照强度测量 灯组 北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷表 中间变量分配表中间变量序号地址名称序号地址名称 动作中继 第八时间段中继 第一时间段中继 准备就绪 第二时间段中继 准备就绪 第三时间段中继 计数器初始化 第四时间段中继 计数器初始化 第五时间段中继 时间计数器 第六时间段中继 人数计数器 第七时间段中继 定时器 电气连接设计实现信号的采集、分析和灯组的控制，需要将各种功能模块或器件连接起来，使其在 的统一控制下协调工作。根据系统的设计需求，首先红外传感器和光照传感器经过直流供电后，采集环境变化形成相应的电信号；的扩展模块 把传感器输出信号发送给 ；按照设定好的程序接收并处理信号，再将处理结果转化为控制指标进行输出，从而控制灯组的点亮或熄灭。按照 控制器的端口定义和 扩展模块的接线规则，绘制系统接线原理图如图 所示。图 系统接线原理图 系统软件方案设计 系统控制流程系统控制流程如下：系统开机，完成设备状态和各变量的初始化；在定时器的控制下，采集教室的光照度并检测人员流动情况；将获取到的光照度和在场人数传入 控制器；根据系统时钟判断当前属于哪个时间段，以光照度、人数和时间段为参数计算出各灯组的控制信号；根据相应的控制策略对各灯组的状态进行控制，实现教室灯组的优化控制。第 期温林：基于 的教室照明控制系统节能改造研究与实现 程序设计目前，的编程软件经历了 个版本，系统采用最新的 版本。为用户提供了标准 编程语言、语句表、梯形图、功能块图等，不仅可以进行程序开发，还具备强大的程序调试和监控功能，在程序运行的过程中实时跟踪程序运行状态。系统采用模块化程序设计思想，将整个控制系统的功能细化分解为多个相对独立的功能，每个功能设计 个子程序，具体包括初始化子程序、人流量计数子程序和时间段子程序。所有子程序都由 个主程序进行调用，通过主程序调用子程序实现教室照明的自动控制。在 中，采用梯形图对主程序和子程序进行设计，最终形成完整的控制逻辑。主程序控制流程图如图 所示。图 主程序控制流程图 系统仿真完成仿真系统搭建和程序设计后，将 中的程序导出为 文件，选择本系统采用的控制器系列“西门子 ”，进一步选中控制器搭载的 为 ，接着将导出的 文件再次导入仿真系统中，依次点击“”“运行”和“内存监视（）”，即可实现系统的仿真运行。运行界面如图 所示。北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷（）仿真运行界面图（）梯形图图 系统仿真界面图图 （）是仿真运行时的界面，下方数字代表 编号，图 （）是相应的梯形图。是红外传感器的输入端口，向上拨动表示检测到有人进入检测区域，此时上方相应的灯组会被点亮，每检测到 个人，计数就会相应加 。是光照传感器的输入端口，可以动态传入教室内的光照测量参数。程序会根据实时的光照情况和教室内的人数决定各灯组的开关状态。改造效果分析为检验系统的改造效果，选择 个教室进行仿真和实验研究，其中，和 为小教室，各有 盏灯；和 为大教室，各有 盏灯；单盏灯的功率均为 。每个教室安装电能表，检测实际耗电量。实验时间为 。实验期间，每间小教室日均使用约，大教室约 。计算各个教室的理论月耗电量如下。小教室的理论月耗电量 。大教室的理论月耗电量 。（下转第 页）第 期温林：基于 的教室照明控制系统节能改造研究与实现询和职业发展，作为就业创业教育工作的导向。同时，应该针对不同年级与院系，为其设计相应的职业发展计划书，从而达到不同的目标：年级大学生能够全面了解现阶段的就业态势；年级大学生能够对自身发展方向形成准确认识，着重培养专业能力；年级大学生能够大幅提升职业素质及抗压能力。结语为了进一步促进家庭经济困难大学生的就业与创业，高职院校应该积极推动具有针对性的教育创业教育管理模式构建工作。通过构建校内实践平台、进行资源整合、优化就业帮扶政策、提供专业指导等方式，为家庭经济困难大学生的就业创业提供保障，提升他们的就业率和就业质量。参考文献 李东鹏，刘雅芳 精准扶贫角度下的贫困大学生就业创业反馈机制研究 造纸装备及材料，（）：卓文玲 贫困大学生就业创业教育管理工作的创新模式研究 产业创新研究，（）：王翠平，谢少群，熊泳妍 精准扶贫理念下地方高校贫困大学生创新创业教育研究 兰州教育学院学报，（）：郭元凯 建档立卡贫困大学生创业实践及提升路径 青年探索，（）：谢锦文 精准扶贫背景下贫困毕业生就业指导体系研究 佳木斯职业学院学报，（）：张永强，李振跃 高校特殊群体精准帮扶体系构建研究 内蒙古师范大学学报，（）：（责任编辑：黄宇婷櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞櫞）（上接第 页）系统改造前后节能效果对比如表 所示。表 系统改造前后节能效果对比表教室日光灯数量耗电量 理论值改造前改造后节能率 教室 教室 教室 教室 由表 可知，经过改造后的照明系统均取得了比较明显的节能效果，小教室节能 以上，大教室节能 以上，证明了设计方案的可行性。学校现有各类教室近百间，如果都采用本方案进行设计改造，从长远看，能为学校节省大量电费。结论节能减排和绿色发展是我国乃至全球在未来的重要发展趋势。对传统的照明系统进行改造，科学使用电能源，是实现“双碳”目标的重要举措。通过对现有教室照明系统的改造，利用 技术和传感器技术实现教室照明系统的优化控制，显著减少了不必要的能耗，节约了照明成本，提升了学校绿色化管理水平。虽然节能改造是以学校教室的照明系统为主，但提出的方法同样适用于展厅、会场等大型照明场所，因此本文的研究具有较好的应用前景。参考文献 蔡芙蓉，侯瑞 新型建筑智能化平台下的智能照明控制系统 智能建筑与智慧城市，（）：孙启凯，汪明，张宝瑞，等 绿色建筑智能照明控制系统研究综述 计算机时代，（）：李兴葆 低碳背景下建筑照明设计要点研究 光源与照明，（）：王翠荣 基于 控制的教学楼智能照明系统设计 电子制作，（）：蒋逸明，王一凡，龙腾，等 校园智能照明控制系统的研究 建筑施工，（）：王宝立，杨霞松 公共建筑照明节电控制系统的设计与开发 节能，（）：夏林 楼宇照明控制系统智慧化应用探索 建筑电气，（）：胡微 基于 的照明控制系统设计研究 光源与照明，（）：李帅，王守城，胡秀秀，等 基于 教室智能照明控制系统设计 自动化技术与应用，（）：王静，孙飞龙，王亓剑 基于 的校园智能照明系统的控制与实现 太原学院学报（自然科学版），（）：（责任编辑：黄宇婷）第 期郭秋生：高职院校就业创业教育管理模式的分析与探究