一种橱窗照明智能控制系统的设计与实现

郭世海，汤占军，陈 磊

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，昆明 650051）

橱窗是商品展示和商品信息传达的重要场所，其照明主要采用自然采光和橱内灯光照明2种方法[1]。现有橱窗照明控制方案主要通过继电器和可编程逻辑控制器PLC完成，采用的控制方式主要有手动控制、时间定时器控制和感光控制[2]。手动控制浪费人力，提高了控制成本；时间定时器控制如果突遇紧急情况如阴天就达不到控制要求；感光控制不能适应四季光照不同变化的影响。从实际使用情况来看，继电器控制虽然成本低，但是存在接线复杂、使用元器件数量多、维修工作量大、可靠性和可维护性差等缺点；而PLC控制具有减少连接配线、节省控制柜空间、便于维护等优点，但是成本较高。如果将这3种控制方式的优势结合起来，扬长避短，设计一种集手动、时间、光照强度控制于一体的照明控制系统，在实际应用中会有很大价值。

针对上述实际问题，本文设计了一种基于西门子LOGO!的橱窗照明智能控制系统，在满足基本照明的情况下实现自动和手动的联合控制。LOGO！通常称为“小型 PLC控制器”，是SIEMENS小型自动化家族中定位于简单应用场合的通用逻辑模块，它采用内部编程软件代替继电器接线，这样就省去了因工艺变化而调整外部接线的不便[3]。

1 硬件设计

针对橱窗照明实际应用存在的问题，在分析和比较现有橱窗照明控制方案的基础上，得出本文控制系统需要实现以下功能：

（1）在晴朗天气（光线比较充足）情况下，橱窗采用自然采光；在阴雨天气和傍晚（光线明显不足）情况下，开启白天基本照明以增强橱窗照明亮度。

（2）考虑到橱窗照明灯数量过多时，橱窗光线由于眩光而显得过分刺眼，会导致顾客视觉疲劳[4]，这就要求系统能够根据橱窗外的光线强度适当地调节橱窗亮度。为此系统添加了光敏传感器模块，在满足基本照明基础上启动附加照明以补充橱窗的亮度。

（3）为了保证系统的灵活性，给每个照明灯组配有手动控制开关，以便随时可以开启和关闭照明灯。

（4）在发生故障或安全事故等紧急情况下，为避免对人造成伤害和对设备造成损坏，系统设置急停开关[5]。系统流程如图1所示。

图1 系统流程Fig.1 System flow chart

照明灯使用的是220 V交流电，需要6个数字量输入和4个继电器输出，通过查阅资料[6]，西门子LOGO!230RC的供电电压范围为115 V～240 V DC/AC，可以提供8个数字量输入和4个继电器输出，能够满足控制需要。输入输出接线如图2所示，输入输出分配如表1所示。

图2 LOGO!230RC输入输出接线Fig.2 Input and output wiring diagram of LOGO!230RC

表1 输入输出配表Tab.1 Allocation table of input and output

2 软件开发

LOGO！Soft Comfort V7.0软件编程方法有2种：功能块图法（FBD）和梯形图法（LAD），功能块图与梯形图之间可以进行切换。此次设计采用的是FBD，在程序中使用了大量与门、或门、非门、脉冲继电器、接通延时开关、周定时器等逻辑功能模块。

软件设计包括自动控制、手动控制和急停控制。自动控制在设定工作时间内打开照明灯组，实现无人值守；系统在任何时候都可以通过手动开关控制照明灯；急停控制的优先级最高，在突发情况下实现急停控制。软件代码如图3所示。

2.1 自动控制设计

在急停开关未启动情况下，自动控制设计包括基本照明Q1、附加照明Q2、聚光灯照明Q3和晚上最低照明Q4。

其中白天基本照明Q1，设置2个时间模块，通过脉冲继电器产生的脉冲信号，输出高电平使Q1启动；附加照明Q2，设定I6为光敏开关，在工作时间内且光线不足情况下启动I6输出高电平，与时间控制模块产生的高电平一起通过与门，输出高电平使Q2启动；聚光灯照明Q3和晚上最低照明Q4，设定2个周定时器进行2次置1，通过脉冲继电器分别打开和关闭照明灯。当在工作时间内，定时器自动启动输出高电平信号通过或门，再通过脉冲继电器产生脉冲信号控制照明灯，使Q3和Q4开启和关闭。

图3 软件代码Fig.3 Software code chart

2.2 手动控制设计

在急停开关未启动情况下，手动控制设计包括基本照明Q1、附加照明Q2、聚光灯照明Q3和晚上最低照明Q4。

白天基本照明Q1：设定I1为自锁开关，启动I1输出高电平和急停信号通过或门，输出高电平实现对Q1手动控制；附加照明Q2：设定I2为自锁开关，启动I2输出高电平和急停信号通过或门，输出高电平实现对Q2手动控制；聚光灯照明Q3：设定I3为自锁开关，启动I7输出高电平和急停信号通过或门，输出高电平实现对Q3手动控制；晚上最低照明Q4：设定I4为自锁开关，启动I4输出高电平和急停信号一起通过或门，输出高电平实现对Q4的手动控制。

2.3 急停控制设计

急停控制在系统程序中优先级最高。设定I5为自锁开关，I5开启输出高电平使脉冲继电器B019，B020，B021，B022输出脉冲信号，然后分别通过或门 B004，B008，B012，B016输出高电平。 同时，I5输出高电平使 B002，B015，B011，B007输出低电平，切断对灯组的控制实现急停功能。

3 软件仿真

LOGO！Soft Comfort v7.0软件不仅具有编程功能，还具备仿真功能，可以直接在PC机上对程序进行调试。下面利用仿真功能对程序进行在线仿真。左下角绿色按钮 I1、I2、I3、I4、I5、I6 代表 6 个开关，而右侧4个小灯泡分别表示Q1白天基本照明灯组、Q2附加照明灯组、Q3聚光灯照明组、Q4晚上最低照明灯组的工作状态：灯亮表示启动，灯熄灭表示停止。 在手动控制仿真中，I1、I2、I3、I4分别控制Q1、Q2、Q3、Q4，I5 为急停开关，I6 为光敏开关。以基本照明自动控制、手动控制和急停控制来说明系统的仿真过程，其它照明灯组仿真过程类似。

基本照明自动控制仿真过程，当时间处于设定时间内程序启动，Q1基本照明灯组点亮；当晚上11：00时，Q4最低照明灯组自动点亮；再过1 min即11：01时，Q1基本照明灯组自动熄灭。基本照明手动控制仿真，当Q1自动点亮时，用鼠标点击I1按钮Q1关闭；再次点击I1按钮Q1开启，即实现手动控制灯组Q1。最后对急停功能进行仿真。系统处于任意一种工作状态，在这里以手动控制为例，当Q1、Q2、Q3、Q4 全部点亮时， 点击 I5，Q1、Q2、Q3、Q4 全部熄灭。基本照明自动控制仿真如图4所示。

图4 基本照明自动控制仿真Fig.4 Simulation of basic lighting automatic control

4 硬件调试

通过软件仿真，程序实现了照明灯组自动控制、手动控制和急停控制，符合照明方案设计要求。把经过仿真后的程序通过LOGO！专用数据传输线下载到LOGO！230RC主机中，接通电源启动LOGO！，系统按照设定程序运行，经过实际验证满足了设计要求。整个控制系统结构简单、稳定性高、成本低，能够根据时间要求实现智能控制，减少了电能浪费，实现了无人值守，具有一定的推广应用价值。

5 结语

使用LOGO!组成的橱窗照明控制系统能够根据时间、日期进行智能控制，实现了无人值守，简化了控制系统接线，而且可以完成复杂的逻辑控制。通过设计，发现LOGO!控制器不仅具有易维护、编程简单、成本低的特点，而且可以完全替代继电器逻辑功能，总体性能比继电器更加完善，还可以在使用过程中方便快捷地修改参数和程序，有利于实现标准化设计，在小型的以少点数逻辑控制为主的系统或设备上使用LOGO!比使用PLC更合适。目前LOGO!主要应用在照明控制、开关柜、机械设备和一些专用控制系统中，由于体积小、功能强、成本低，在控制系统的应用范围将会更加广泛[7]。

[1]刘召玲.浅谈商业空间中的橱窗设计[J].电子世界，2014（10）：205-206.

[2]谢云敏.LOGO!在教学大楼照明控制系统的应用[J].南昌水专学报，2002，21（1）：49-52.

[3] 宋云丽.SIEMENS小型LOGO!在某厂自备电厂的控制方案与应用[J].科学时代，2013（9），1-4.

[4]应进平.LOGO!在画室照明控制系统中的应用[J].中国教育技术装备，2008（18）：61-62.

[5]刘云君.基于LOGO!房屋室内外照明控制系统的设计[J].长沙大学学报，2011，25（5）：29-31.

[6]西门子（中国）有限公司.SIEMENS LOGO!手册[Z].2003.

[7]赵惠忠.深入浅出西门子LOGO![M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.