高校教室照明節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒恩

摘 要：針對(duì)目前高校教室照明系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的人工管理方式效率低下、人走燈亮的長(zhǎng)明燈情況普遍、用電浪費(fèi)明顯的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種照明節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC為中央控制器，控制現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備的工作。使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的PC端上位機(jī)軟件，與PLC以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，作為照明控制和監(jiān)測(cè)平臺(tái)。設(shè)置了休息日、節(jié)假日、寒暑假等符合高校工作時(shí)間的工作模式，實(shí)現(xiàn)教室照明的自動(dòng)控制，避免了不必要的照明用電，起到節(jié)能降耗的效果。同時(shí)，在上位機(jī)軟件上還能夠直接控制教室現(xiàn)場(chǎng)燈具，監(jiān)測(cè)燈具使用情況，包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)、今日使用時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間等，方便工作人員管理。

關(guān)鍵詞：教室照明 節(jié)能 PLC C#

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0002-03

據(jù)教育部公布，截止2013年6月，全國(guó)共有2621所高校（包括全國(guó)普通高校共1909所、民辦普通高校共295所、成人高校共415所、民辦成人高校共計(jì)2所），且每個(gè)高校不止一幢教學(xué)樓。近幾年來(lái)，隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生數(shù)量大幅增長(zhǎng)，大學(xué)教學(xué)樓的數(shù)量也增加很多。由于大學(xué)開(kāi)放型的管理模式，以及學(xué)生們節(jié)能意識(shí)的淡薄，教室里在白天室內(nèi)照度充足的情況下，仍普遍存在開(kāi)燈學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，即使教室內(nèi)無(wú)人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開(kāi)啟室內(nèi)照明燈。在許多教室里，長(zhǎng)明燈和人走不熄燈的現(xiàn)象普遍存在[1-2]。據(jù)測(cè)算，照明耗電占學(xué)校建筑耗電的40%左右。

該文設(shè)計(jì)一種照明節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用PLC為中央控制器，控制現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備的工作。使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的PC端上位機(jī)軟件，與PLC以Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，作為照明控制和監(jiān)測(cè)平臺(tái)。設(shè)置了休息日、節(jié)假日、寒暑假等符合高校工作時(shí)間的工作模式，實(shí)現(xiàn)教室照明的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能管理而且節(jié)約能源。

1 建筑照明能耗標(biāo)準(zhǔn)

1.1 建筑照明節(jié)能評(píng)價(jià)方法

目前對(duì)建筑照明能耗進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算模型并未統(tǒng)一[3]，目前國(guó)際上常用的照明能耗計(jì)算方法有比利時(shí)計(jì)算法、歐洲EN15193標(biāo)準(zhǔn)法等。在我國(guó)，根據(jù)GB50034-2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，建筑電氣設(shè)計(jì)上普遍采用LPD（lighting power density，照明功率密度）來(lái)評(píng)估照明設(shè)計(jì)是否節(jié)能[4-6]，其定義為：

其中，為室內(nèi)裝設(shè)光源（包括鎮(zhèn)流器）的功率之和，單位為W；S為房間面積，單位為m2，即單位面積上的照明安裝功率（包括光源、鎮(zhèn)流器或變壓器），單位為。

根據(jù)GB50034-2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[7-8]，學(xué)校建筑的LPD值不應(yīng)超過(guò)表1的規(guī)定數(shù)值，否則即為不夠節(jié)能的照明設(shè)計(jì)。

1.2 節(jié)能潛力分析

假設(shè)教室的照明設(shè)計(jì)符合國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，以教室的照明功率密度為10W/m2計(jì)算，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教室的面積為96m2，假設(shè)每天正常用電時(shí)間為15h，每個(gè)教學(xué)年度按270日計(jì)，一個(gè)學(xué)校教室數(shù)量為200間，節(jié)電率以平均30%計(jì)算，則一年可節(jié)電2.33*105kWh，節(jié)約電費(fèi)12～20萬(wàn)元。（以上估算還未包括線損和燈具長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟而損壞的部分）。因此，研究大學(xué)教室的節(jié)能照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，在滿足學(xué)校照明需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大學(xué)教室照明的節(jié)能自動(dòng)控制，不僅能滿足室內(nèi)人員對(duì)照明的要求，又節(jié)能降耗，延長(zhǎng)燈具壽命，降低運(yùn)行費(fèi)用，簡(jiǎn)化節(jié)省配電控制設(shè)備和管線工作量，課件照明節(jié)能潛力巨大，以成為建筑節(jié)能不可或缺的一部分。

2 控制系統(tǒng)整體方案

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

照明節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)采用“上位機(jī)—PLC—現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)，以“集中管理，分布執(zhí)行”的方式控制系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中，采用西門(mén)子S7-200（XP224）型PLC作為下位機(jī)，PC作為上位機(jī)。在上位機(jī)軟件中，工作人員登錄系統(tǒng)后，可以在軟件里設(shè)定特定教室一周的課表，課表數(shù)據(jù)將發(fā)送到PLC保存，同時(shí)保存在上位機(jī)內(nèi)。PLC接收到課表數(shù)據(jù)后，將會(huì)按照課表上安排的上課時(shí)間段控制教室的照明燈具的開(kāi)關(guān)，以達(dá)到照明的自動(dòng)控制，避免不必要的照明造成浪費(fèi)，節(jié)省電能。工作人員可以在上位機(jī)軟件隨時(shí)修改特定教室的課表，更改課程時(shí)間，也可以直接遠(yuǎn)程控制教室燈具的開(kāi)關(guān)，使控制更為靈活。在上位機(jī)軟件可以監(jiān)控特定教室的燈具的使用情況，包括實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、燈具使用時(shí)間等，數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)上保存，使工作人員能夠方便地管理教室照明設(shè)備，統(tǒng)計(jì)分析照明數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括自動(dòng)控制和人工手動(dòng)控制兩種控制模式，除了根據(jù)課表自動(dòng)控制教室，在教室現(xiàn)場(chǎng)可以人工開(kāi)燈和關(guān)燈。

2.2 控制系統(tǒng)的控制策略

該控制系統(tǒng)主要采用的是基于時(shí)間控制的控制策略，并針對(duì)高校教室工作時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，具體控制策略如下。

（1）正常工作日時(shí)間。

在周一至周五的工作日里，系統(tǒng)根據(jù)教室的課表時(shí)間控制燈具開(kāi)關(guān)。根據(jù)高校課程的時(shí)間安排特點(diǎn)，將上午第一、二節(jié)課設(shè)定為8點(diǎn)至9點(diǎn)35分，第三、四節(jié)課設(shè)定為10點(diǎn)05分至11點(diǎn)40分；下午第五、六節(jié)課設(shè)定為14點(diǎn)30分至16點(diǎn)05分，第七、八節(jié)設(shè)定為16點(diǎn)35分至18點(diǎn)；晚課時(shí)間設(shè)定為19點(diǎn)30分至22點(diǎn)。有課的教室將在對(duì)應(yīng)時(shí)間段開(kāi)燈，課間時(shí)間段不關(guān)燈，在上、下午及晚課的最后一節(jié)課下課后自動(dòng)關(guān)燈。

（2）休息日時(shí)間。

在休息日時(shí)間，控制系統(tǒng)白天不開(kāi)燈，由教室根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要人工開(kāi)燈。下午18點(diǎn)之后，只開(kāi)啟三分之一的燈具，在22點(diǎn)之后，控制系統(tǒng)將檢查并關(guān)閉所有燈具。

（3）寒暑假時(shí)間。

在寒暑假時(shí)間，控制系統(tǒng)將不開(kāi)啟所有燈具，并在每天的中午12點(diǎn)及晚上22點(diǎn)檢查并關(guān)閉所有燈具。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)廣東某高校教學(xué)樓的實(shí)地考察，其教室內(nèi)的燈具采用統(tǒng)一布局。燈具類(lèi)型使用36W日光燈，中等規(guī)模的教室一般安裝有9根日光燈，其分布如圖2所示。

高校教室一般將每一排的三個(gè)燈具作為一組，共前中后三排，教室里的開(kāi)關(guān)總是一次性控制一排三個(gè)燈具開(kāi)關(guān)。因此，該系統(tǒng)沿用這種控制特點(diǎn)，將教室的9個(gè)燈具分布分為三部分，按照前中后的位置劃分為一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)燈具。

4 控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件運(yùn)行于該控制系統(tǒng)的最上層，是控制系統(tǒng)的控制核心，也是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制PLC、直接控制現(xiàn)場(chǎng)燈具、監(jiān)控?zé)艟哌\(yùn)行狀況、統(tǒng)計(jì)燈具運(yùn)行時(shí)間等功能。該控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，利用.Net技術(shù)提供的豐富資源，能夠方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的各項(xiàng)功能。

該控制系統(tǒng)的控制策略主要是以時(shí)間為依據(jù)的，同時(shí)，針對(duì)高校教室使用時(shí)間的特殊性，該設(shè)計(jì)提出了基于課表時(shí)間來(lái)控制各個(gè)教室燈具工作的方法。其基本思想為，根據(jù)該教室的課表時(shí)間數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)判斷當(dāng)前教室處于上課時(shí)間時(shí)，將控制燈具工作，處于下課時(shí)間時(shí)，在一定的預(yù)留時(shí)間之后，便自動(dòng)關(guān)閉燈具。

上位機(jī)軟件的基本工作流程如圖3所示。

4.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)交互界面如圖4所示。在該界面上，用戶可以方便直觀地輸入課表數(shù)據(jù)，也可以直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的燈具進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)照明燈具監(jiān)控

上位機(jī)作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，能夠監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)燈具的使用狀態(tài)，使工作人員能夠在平臺(tái)上直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)各燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及工作時(shí)間，當(dāng)燈具工作時(shí)間超過(guò)其壽命時(shí)，系統(tǒng)將提出警報(bào)，提示工作人員進(jìn)行更換。監(jiān)控功能的工作流程如圖5所示。

要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?zé)艟郀顟B(tài)的功能，需要上位機(jī)軟件不斷地查詢PLC線圈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。可以使用Modbus協(xié)議的第1號(hào)功能，該功能能夠讀取PLC的數(shù)字量輸出口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，發(fā)送欲讀取的輸出線圈地址及線圈數(shù)量，PLC成功接收數(shù)據(jù)后便能返回對(duì)應(yīng)的線圈的狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)在廣州某高校教學(xué)樓一50人中小型教室進(jìn)行了一個(gè)月的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，在未使用該系統(tǒng)之前，該教室燈具的平均每日使用時(shí)間為10.3小時(shí)，使用該系統(tǒng)之后，燈具的平均每日使用時(shí)間為8.6小時(shí)，有效降低了燈具的不必要工作時(shí)間。教室使用燈具為36W日光燈，按當(dāng)?shù)胤歉叻迤谟秒婋娰M(fèi)0.61元/千瓦時(shí)計(jì)算，每個(gè)教室每月節(jié)省電費(fèi)約為10元。當(dāng)高校教室較多，系統(tǒng)長(zhǎng)期投入工作的情況下，節(jié)能量較為可觀。因此，該系統(tǒng)起到了節(jié)能降耗，減少工作人員工作量的作用，具有良好的應(yīng)用前景。

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