基于S7-200PLC、MCGS 的教室燈光智能控制系統設計與仿真運行

張 斌，胡 江

（江西應用工程職業學院，江西 萍鄉，337000）

引言

近年來，隨著人們的環保意識逐漸增強，綠色、低碳、節能、環保等觀念越來越被重視。電能是現代社會賴以生存的重要能源，但技術制約、用電管理不善，電能浪費等原因，導致用電負荷急劇增加，電力浪費嚴重。[1]由于各類大中專院校不斷擴招，教室不斷擴建，學校用電負荷不斷加大，教室用電管理不善，造成電能的巨大浪費。同時，鑒于江西應用工程職業學院歷史歸屬、地緣問題，場地、設備陳舊、技術落后等因素制約，教室仍以普通多媒體教室為主，教室燈光采用的仍是傳統人工手動燈光控制方式[2]，教室照明管理不到位，導致用電成本增加。為響應《國務院關于印發“十四五”節能減排綜合工作方案的通知》《江西省人民政府關于印發江西省“十四五”節能減排綜合工作方案的通知》及《萍鄉市“十四五”公共機構節約能源資源工作規劃》等國家、省、市三級綠色節能減排政策的號召，同時更好服務湘贛邊區域經濟和產業發展，強化綠色環保的發展理念，積極配合低碳節能，學院對傳統老舊教室燈光進行智能化改造，提高教室燈光照明效率。

一、控制要求

S7-200PLC 教室燈光智能控制器以自然光強度與人體存在與否為主要輸入參數，實現手動、自動相兼容，光線強度足夠時，無論人是否存在，都不開燈；自然光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開燈光，人走后，延時一段時間后關燈。同時，按照作息時間控制，晚上超過23時，若還有人存在，則關閉控制器運行，改用機械手動開關控制，以解決特殊情況下燈光智能自動控制器的不人性化運行。

二、系統設計

（一）控制模型

前期調查分析江西應用工程職業學院教學樓的采光及教室使用情況，以潤心樓410教室為例，該教室是單面采光，所以會出現不同區域光照程度差異大的情況，并且教室的流動性及座位的不確定性，初步設想將教室分為5 個區域，如圖1 所示。利用紅外探測器、光照傳感器對教室進行分區控制[3]，通過燈光智能控制系統運行，隨時檢測教室光照情況及人員流動參數，進而控制日光燈組自動開關，實現燈光智能控制，達到最大限度節能的目的。

圖1 教室分區域控制圖

分析潤心樓410 教室的構造及常用電器布置，紅外探測器分別安裝在教室的5個區域上方或能有效覆蓋該區域，光照傳感器安裝在每個區域光照較暗的地方。需要用多媒體播放影片或視頻時，可以在講臺區域合適的位置安裝1個控制按鈕，以手動方式給PLC 提供信號，開始放映時關閉教室燈光，放映結束時打開教室燈光。每個區域的人體存在紅外探測器和光照探測器均是獨立工作，互不影響。同時，提出分時段控制設想。分時段控制方案如表1所示。

表1 教室分時段控制方案

（1）6:00—18：00 課堂教學或學生自習時間段，當計數器0＜C1＜144 時，代表之后的12 小時內，輔助繼電器常開觸點M0.1保持導通，若此時教室5個區域都存在人員流動，則各區域紅外探測器會感應到相應區域的人體參數，并使紅外探測器5 個常開觸點I1.0 至I1.4 閉合；若5 個區域光線較充足，光照探測器會讓5個常開觸點I0.3 至I0.7 處于斷開狀態。相反，若光線不充足，光照探測器會使I0.3至I0.7閉合，所有回路會因光線亮度改變而導通，每個相對應區域上的燈會因常開觸點的閉合而形成連鎖反應，從而點亮。當某區域的人員全部離開，其紅外探測器會感應到狀態變化，將信息發送回主控CPU 進行處理，主控CPU 控制常開觸點從而控制燈的開關。此外，在特殊情況下（播放影片或視頻等），當投影儀開關I0.2 閉合后，定時器T38（100 ms）開始計時，將參數PT 設為600，即60 s（600x100 ms）時，T38的常閉觸點斷開，講臺區域的燈立即關閉，獲得較好的多媒體投影效果，而不需要手動關閉開關。

（2）18:00—23:00 空閑或學生自習時間段，當計數器144＜C1＜192 時，代表之后5 小時內，輔助繼電器M0.2處于導通狀態，因在夜晚，室內光線非常弱，光照探測器達不到工作導通條件，只需利用紅外線探測器監測人員的存在與否，從而控制教室燈的開關。

（3）23:00—第二天6:00空閑時間段，當計數器192＜C1＜288 時，代表之后7 小時內教室里一般沒人，輔助繼電器M0.3 的常閉觸點自動斷開，光照探測器、紅外探測器不再工作，只能人工手動控制教室燈的開關。

（二）系統控制框圖

將5 個日光燈組分布于教室5 個區域，光照探測器、紅外探測器均設置5 組，從5 個不同位置進行探測。系統硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 系統硬件連接示意圖

（三）I/O分配及主要硬件選型

根據控制要求并結合系統分析，選擇S7-200PLC（CPU224）及擴展模塊EM235，系統I/O分配及輔助繼電器變量分配如表2和表3所示。

表2 系統I/O 分配表

表3 中間變量分配表

表4 教室節能效果對比表

針對系統控制要求并結合I/O 分配表，系統有14 個輸入點，5 個輸出點，外擴3 個EM235 模塊。結合實際選擇S7-200 系列PLC（CPU224），此模塊有14 個輸入點，10 個輸出點，最多能擴展7個EM235模塊，滿足系統控制要求。

光敏三極管具有高靈敏度，且具光敏二極管的輸出特性，故光照探測器選擇KPC131。

人體紅外探測器采用熱釋電紅外傳感器，即能檢測人體發出的特定波長紅外線的敏感元件。由它構成的探測裝置一般能準確感測6～15 m 距離運動人體的存在，能以非接觸形式檢測人體輻射的紅外線，并轉變為電信號。[4]人體存在與否感應模塊具有高靈敏度、可靠性較強等優點，人體紅外探測器選擇低電平輸出的HP-208型號。

（四）主程序流程圖及梯形圖

根據控制要求，設計教室智能燈光控制系統運行主程序框圖，如圖3 所示。程序框圖為梯形圖編寫提供了重要的依據，是整個系統的流程概況，通過對分時段的控制，形成1 個主程序和3個子程序的“總分式”結構，實現教室燈光的智能化控制。

圖3 主程序框圖

系統程序開始運行后，由人體探測器、光照探測器檢測光照度和人體存在與否，在23：00—第二天6：00時間段，則關閉照明智能控制器，切換為手動控制；在6：00—18：00 時間段，若光照充足，則不開燈，若光照不充足，則有人經過時開燈；在18：00—23：00 時間段，若有人經過，則開燈，若無人，則不開燈；打開投影儀，60 s 后講臺處的日光組燈關閉。

（五）系統硬件接線圖

系統通過紅外探測器和光照探測器采集環境光照參數、人體存在與否，經過直流供電后轉換為相應電信號；擴展模塊EM235 發出信號回饋到PLC 主機。[5]PLC 主機依據程序進行掃描、處理，并通過Q 輸出端輸出，最終控制教室5 個區域日光燈組的開關。按照西門子S7-200 系列PLC 及EM235 系列擴展模塊的連接要點，繪制系統硬件接線圖，如圖4所示。

圖4 系統硬件外部接線圖

（六）仿真運行

根據主程序流程圖，在V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP9 軟件中編寫梯形圖[6]，并將程序以后綴。awl的格式保存。打開S7-200仿真軟件，在菜單欄“程序”下拉欄中點擊“載入程序”，彈出“載入CPU”窗口，勾選“所有”，點擊“確定”，找到之前編寫的PLC 程序保存位置，載入PLC 程序，并選擇CPU 配置信息（勾選CPU224），進行仿真運行，模擬燈光智能控制過程，PLC 仿真運行圖如圖5所示。 同時，根據系統控制要求，在MCGS動畫組態頁面進行動畫設計，構建基于MCGS的教室智能燈光控制系統組態界面，進入設備組態，選擇設備0（模擬組態），關聯相關變量，完成設備組態，如圖6 所示。最后，在MCGS 軟件中通過“下載配置”?“工程下載”?“啟動運行”等操作進行仿真運行，如圖7所示。

圖5 系統仿真及程序運行圖

圖6 模擬設備組態圖

圖7 MCGS 仿真運行圖

三、實驗結果及分析

以江西應用工程職業學院潤心樓410 教室和420 教室為實驗對象，對其進行節能仿真實驗。其中410為普通多媒體教室，以教學、自習為主，為班級固定教室，流動人數按40 人/天計算。420 為階梯教室，為流動教室，以教學、講座、自習、小型文藝晚會為主，流動人數按150 人/天計算。若按每2 盞日光燈為1 個燈組，預設區域劃分為5 個日光燈組，其中固定教室按10 盞燈，階梯教室30 盞燈，每盞燈按0.05 kW 計算，固定教室工作大約8 時/天，階梯教室工作大約9 時/天，1 個月按30 天計算（忽略特殊情況損耗），則固定教室410 和階梯教室420 理論耗電量分別為120 kW·h 和405 kW·h。兩教室使用前后節能效果對比如表3所示。

四、結語

為適應低碳運行、綠色發展，對傳統教室進行燈光智能控制改造。[7]通過對教室中的光照探測器和人體傳感器進行科學布置與參數采集，利用先進的自動化技術，實現燈光自動開關[8]，實施前后能耗分析顯示，月平均節電率超過20%。采用基于S7-200PLC 的燈光智能控制系統，極大地降低了電能損耗，提高了教室的能源利用率，實現教室燈光由傳統控制逐步向自動化、智能化控制發展。今后，還需進一步對程序進行優化，采用更先進的自動化技術，確保系統更高效、更節能。