基于PLC的教室节能系统的设计

辽宁省机电工程学校 朱向东

智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的教学大楼使用的经验来看，节能效果能达到40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25%-30%；

1.方案的拟定

1.1 设计要求

教室智能照明控制系统的作用是在保证教室正常照明的前提条件下，利用PLC自动控制的方法对日光灯的亮灭实行智能控制从而达到节能的效果，同时也有效地延长了灯具的使用寿命。

1.2 总体设计方案

2.硬件设计

2.1 选择PLC类型

系统的设计要从保证系统的可靠性、实用性和可扩展性等方面入手。本控制系统采用可靠性和可扩展性很好的西门子S7-200PLC系列的PLC作为控制器，对于每个教室输入点主要来自以下四个方面：启动开关、停止开关、体存在传感器和光电传感器；输出点主要输来自每个教室五个区域的灯。根据输入输出点数选择CPU224模块，每个教室有13点输入，5点输出。用人体存在传感器和光电传感器作为检测装置来检测教室中是否有人和教室的光照强度。运用扩展模块EM235将信号输入到PLC中，控制系统的框图如上图所示。

2.2 数据采集电路

教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。

2.2.1 环境光采集电路

光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。

环境光采集电路原理图如下图所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态小于1K欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态，100K欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。

2.2.2 人体存在传感器的工作原理

本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，人体发射的10μM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能由人体存在的信号。

2.2.3 人体存在信号采集电路

人体传感器HP-208基于红外线的智能产品，它的主要特性如下：

(1)感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高3.3V)，人离开应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低0.3V)，其高低电平利于采集；

(2)采用可重复触发方式。即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果二人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时15秒后将高电平变为低电平；

(3)人体传感器工作电压宽为DC3VDC24V；

(4)人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距了为7米以内；

(5)其静态电流小于50微安，功耗低；

(6)工作温度介于－15度和+70度之间，适应性强；

(7)灵敏度高，可靠性强。

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与PLC EM235相连。

上述光电传感器与人体存在传感器输出信号为电压信号，属于模拟量信号，所以需要将两种传感器通过EM235扩展模块与PLC相连接，由于光电传感器与人体存在传感器输出的模拟量信号共有10路，故需EM235模块3个。24V DC电源正极接入模块L+端子，负极接入M端子，输入的电压信号正极接入X+端子，负极接入X—端子，RA悬空，由于会出现两个接口不使用的情况，未用端口应用短路子短接以免受到外部干扰。

表1 I/O地址分配表

3.软件设计

3.1 程序流程

由于上述具体控制要求，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。

3.2 输入输出编址

系统输入点及地址：启动I0.0停止I0.1、红外探测器I1.0～I1.4、照度计I0.3～I0.7投影仪信号I0.2。为了减少输出点数，一个区域作为一 个输出点，其地址Q0.0～Q0.4。

4.结束语

教室节能自动控制系统只是智能控制模型中的一个典型应用，由此可开发其它智能系统，如智能家居系统、智能温室系统、智能汽车驾驶系统等。科技发展日新月异，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用，大大地推动了行业的渗透性应用。智能系统将逐步走进我们的生活。

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