PLC在建筑外遮阳调控系统中设计与分析

李 　 杜，　陈 永 明

( 盐城工学院 电气工程学院, 江苏 盐城　224001 )



PLC在建筑外遮阳调控系统中设计与分析

李 杜*，陈 永 明

( 盐城工学院 电气工程学院, 江苏 盐城224001 )

采用PLC集成控制技术实现遮阳调控系统智能化．通过各种传感器实时自动检测光强、温度以及风力等变化，利用数学模型和建筑阴影模型，经多参量数据分析计算出合理的遮阳板角度，控制驱动电动机，统一调节建筑的室外遮阳板．利用PLC控制与遮阳板相结合，不仅可以有效减少建筑物供暖成本和空调的冷负荷，而且还可以最大限度地扩大建筑的自然采光．遮阳板的PLC控制系统可以在建筑节能领域发挥重要作用．

调控系统；遮阳角度；建筑采光；遮阳系数

0　引　言

居住建筑外窗作为建筑外围护结构的重要组成部分，其能耗约占建筑总能耗的30%，而在严寒地区，其能耗甚至高达40%[1]．因此，建筑外窗及外窗遮阳的节能与研究[2-6]是中高纬度地区建筑节能的关键措施．同时，建筑内舒适环境的营造需要自然采光与自然景观．建筑中照明能耗占总能耗的40%～50%，而且，由灯具产生的废热所引起的冷负荷的增加占总能耗的3%～5%，合理设计和采用自然采光能够节约照明能耗50%～80%[7]．

居住建筑外窗的遮阳方法共分两类：固定式遮阳和可调控式遮阳．可调控式遮阳可以根据太阳高度角的不断变化来改变遮阳设置，保证一天中大部分时间能够保持最好的遮阳效果；而固定式遮阳仅能在一天中的某个时刻或者太阳在某个角度才能发挥最好的遮阳效果．采用固定式遮阳方法，建筑节能率最高值为58.52%；而采用可调控的水平遮阳时这一比例可达72.67%[8]．

1　系统设计原则

居住建筑外窗遮阳的工作原理在于通过阻断直射阳光透过玻璃进入室内，为建筑室内营造舒适的热环境，降低室内温度和空调负荷，从而降低建筑能耗，达到节能效果．对于居住建筑外窗的遮阳设置，夏季在白天时段应尽可能减少进入室内的太阳辐射，以降低空调负荷，并营造良好的室内光环境；冬季应尽可能增大进入室内的太阳辐射[9]．同时，建筑外遮阳在保证最大限度减小建筑能耗原则的基础上，应尽量扩大建筑室内自然光的采光率，创造良好、舒适的室内环境．

本文的遮阳调控系统设计以南京地区典型气象年气象为依据，对该地区居住建筑南向外墙遮阳板的构造进行建模分析，根据遮阳板在不同遮阳角度下的遮阳系数进行分析比较，探索适应南京地区居住建筑南墙外窗活动水平外遮阳的调控策略．

南京属于典型的北回归线以北的夏热冬冷型城市，应采用水平式外遮阳，方可达到最佳遮阳效果．而冬季寒冷、夏季湿热的气候特点决定了南京地区居住建筑节能必须兼顾冬、夏两个方面．居住建筑外窗需要采用随太阳高度角和方位角进行调节的可调控式遮阳，以满足对遮阳效果的要求．

2　系统控制流程

本文采用PLC集成控制技术实现遮阳调控系统智能化，以时间为原则进行控制，事先根据太阳在不同季节与每天不同起落时间的位置进行设置．遮阳调控系统能够准确地使电机在设定的时间进行建筑外遮阳板角度的调节．同时根据分布在建筑各处的感应装置采集室外环境参数，进一步根据天气情况达到室内环境最优化．

PLC控制系统的输入信号如图1所示，共分为4种：位置信号、光信号、风信号、雨信号．信号由传感器发出，而传感器由传感元件、信号处理电路、无线收发电路等模块组成，采用无线收发．遮阳板的初始位置设定在关闭的位置上，即遮阳角度为0°．遮阳板的角度转动根据此位置作相对的运作．PLC控制系统根据太阳的轨迹曲线，通过定时器的设置，使遮阳板在特定时刻转动到合适的位置，得到遮阳与能耗的综合最佳效果．同时，除了晴朗的天气外，系统还需考虑刮风、下雨等恶劣天气的影响．因此，遮阳板附近还应安装风传感器、雨传感器与光传感器，通过对传感器信号的处理，PLC控制系统会在遭遇大风或者阴雨天气时将遮阳板设置成安全模式以保护遮阳板不受损坏．

图1　控制流程图

3　系统结构设计

3.1遮阳板结构设计

南墙外窗的遮阳板安装示意图如图2所示．

从图2可见，遮阳板与墙体之间采用铰链连接，遮阳板拉绳轮轴的正反转由管状电机进行驱动，电机为螺旋线型驱动装置，使用三相电源220 V，与电源箱可安装在遮阳板附近．拉绳轮轴安装在构造横梁内，轮轴的正反转控制拉绳的伸缩，拉绳带动遮阳板转动．遮阳板两端安装向上倾斜45°的挂钩，拉绳安装在挂钩上．同时拉绳的顶点与墙壁的接触处安装位置传感器，向PLC控制系统传递拉绳的位置信号．轮轴正转驱使拉绳拉伸，使遮阳板闭合，与窗户角度变小；轮轴反转驱使拉绳缩短，使遮阳板张开，与窗户角度变大．

图2　遮阳板安装示意图

3.2传感器设置

本文作为研究对象的南窗取长1.5 m、宽1.5 m．根据相关研究，遮阳板长度宜取0.4 m，遮阳板距窗户上沿的距离宜取0.4 m[3]．因此，窗户的高度为h，取1.5 m；窗户上沿与遮阳板的距离为d，取0.4 m ；遮阳板与建筑窗户的角度为θ；遮阳板的长度为W，取0.4 m；遮阳板与拉绳顶端的距离为a，取0.2 m；拉绳底点与建筑外墙之间的遮阳板长度为b，取0.2 m；拉绳底点与拉绳顶点之间的拉绳长度为c，c=[a2+b2-2abcos(180°-θ)]1/2．其中位置信号由位置传感器传出，安装在拉绳顶点与墙壁的接触处，同时在拉绳中不同的长度位置安装芯片，芯片可以裹在薄的密封塑料薄膜中进行防水．当拉绳中的芯片与位置传感器接触时，向PLC控制系统发出位置信号．比如，当遮阳板与窗户的角度是90°时，拉绳的长度c大约为0.283 m．那么以拉绳与遮阳板的接触点为起始点，在拉绳的0.283 m 处放置芯片，当此芯片接触位置传感器时，PLC控制系统便接收到位置信号．在本系统的芯片位置设置中，可以将遮阳板角度调整的精度设定为10°．芯片的放置位置见表1．

而另外3种气象传感器：光传感器可采用热敏电阻Pt1000 和硫化镉光敏电阻，由PLC控制系统设定强度，当日照光强度低于设定值时，代表当日为阴天；风传感器根据遮阳板的机械强度设定风速等级，当风力超过设定极限值时，代表当日风力对遮阳板有害，应该闭合遮阳板保护其不受损伤；雨传感器能测定是否有室外的雨水进入室内，如果有，代表当日雨水已经影响到室内，应该闭合遮阳板防止雨水进入室内．这3种气象传感器的相应动作应当自动进行，可以在恶劣的气候条件下保证遮阳板的安全使用．

表1　芯片位置

3.3PLC控制硬件连接

PLC控制系统主机采用TCP/IP协议与分布在遮阳板附近的现场控制器通信，主要用于传达控制主机的控制指令和反馈遮阳板状态．该系统通过RS232接口与三菱FX2N-32MR进行通信，并对整个控制系统进行在线监控．PLC控制硬件接线图如图3所示．

图3　PLC控制硬件接线图

4　系统功能设计

4.1系统数据分析

建筑外窗遮阳措施的重要功能是阻断直射阳光透过玻璃进入室内，从而降低室内温度和空调负荷，减少建筑能耗，达到节能效果．因此遮阳板角度也应参考基于建筑节能因素的遮阳系数进行确定，其定义是采用外遮阳措施后建筑外窗太阳辐射引起的全年建筑能耗与无遮阳时建筑外窗太阳辐射引起的全年建筑能耗的比值，表达式如下：

(1)

式中：q1为建筑模型无遮阳情况下模拟得到的建筑能耗；q2为对外窗设定遮阳板后模拟得到的建筑能耗；q3为对外窗设定窗玻璃遮阳系数为零，但外窗不设遮阳措施，模拟得到的建筑能耗．

而外遮阳系数计算公式如下：

夏季

Ss=asP2+bsP+1

(2)

冬季

Sw=awP2+bwP+1

(3)

式中：a、b为拟合系数，根据式(1)在能耗计算中按照二次回归拟合得到，针对本次研究对象，夏季as取值0.35、bs取值-0.65，冬季aw取值0.10，bw取值-0.45．P为遮阳板外挑系数，计算公式为

式中：W为遮阳板长度；H为遮阳板到窗户下沿的距离，H=h+d=1.9 m；θ为遮阳板与墙壁外窗之间的角度．

南京地区南墙窗户的水平遮阳板各段角度在冬夏季基于建筑节能的外遮阳系数在冬夏季的变化规律计算结果如图4所示．

图4　基于建筑节能的外遮阳系数计算结果

图4中横坐标为遮阳板与外窗形成的角度，纵坐标为遮阳板基于建筑节能因素计算出来的遮阳系数．如图4所示，当遮阳板在遮阳角度10°～60°调节时，遮阳系数呈稳步下降的趋势；而当遮阳板的遮阳角度在60°～90°调节时，遮阳系数的计算值趋于稳定，并且夏季遮阳系数稳定于0.88，冬季遮阳系数稳定于0.91．因此，从遮阳系数可以看出，遮阳板的遮阳角度在60°～90°调节时，遮阳系数处于稳定状态，节能效果基本一致．

建筑遮阳应尽量采用自然光，同时保证建筑最大限度的自然通风与自然景观．因此遮阳板角度可采用基于遮阳板遮阳效果的遮阳系数进行确定．遮阳系数是指遮阳板在太阳光照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值，计算公式可表示为

(4)

式中：Wime为遮阳板形成的阴影长度；H为遮阳板到窗户下沿的距离，H=h+d=1.9 m；W为遮阳板长度；θ为遮阳板与墙壁外窗之间的角度；rs,w=|As-Aw|，As为太阳方位角，Aw为墙面方位角；hs为太阳高度角，sinhs=sinφsinδ+cosφcosδcosw，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬角，w为当时的太阳时角．w=(t-12)×15°，t在0～24时，每间隔1 h相差15°．

以3月1日为例，各个时间段的基于遮阳效果的遮阳系数计算结果如图5所示．

图5　典型气象年3月1日基于遮阳效果的遮阳系数

3月1日正是南京的春季，阳光明媚，因此室内应该尽量提高自然光的采光率与自然通风．通过图5可以发现，在3月1日的各个时间段，遮阳板的遮阳效果整体上并非是随着遮阳角度的增大而减小的．在遮阳角度在60°～70°时，遮阳系数达到峰值，然后才随着遮阳角度的减小而减小．因此，在遵循尽量提高自然光采光率的原则下，遮阳角度应该选择偏小的数值．

因此，综合建筑节能与自然采光双重因素，3月1日遮阳角度的调控策略见表2．

表2　遮阳角度调控策略

4.2实时监测功能

如图6所示，X5、X6、X7分别为风传感器、雨传感器与光传感器的输入信号．X0为遮阳角度为0°时的限位开关，X4为遮阳角度为90°时的限位开关．当遮阳板上承受的风压超过设定值或当时为阴雨天气时，Y1便会有信号输出，使遮阳板闭合，直至遮阳角度为0°．

图6　信号传感器程序

4.3对时功能

在PLC控制系统中，有7个实时时钟用的特殊辅助寄存器D8013～D8019，用于存放年、月、日、时、分、秒和星期．图7中的D8015为存放0～23时的实时时钟用特殊辅助寄存器．根据表2与表3设置，当D8015为8(8：00)时，M12设置为1；当D8015为9至15(9：00至15：00)时，M11设置为1；当D8015为16(16：00)时，M12设置为1．

4.4遮阳角度调控功能

如图8所示，当实时时钟用的秒钟寄存器D8013与分钟寄存器D8014为0时，即为整点时间时，M0发出一个脉冲信号．于是，M0常开开关闭合，编码指令ENC0将X0开始的8位寄存器中最高位的1进行编码，编码存放在D0寄存器的低3位中；同时将M10开始的8位寄存器中最高位的1进行编码，编码存放在D1寄存器的低3位中．M1线圈得电自锁，接通比较指令CMP D0 D1 Y0，当D0>D1时，Y0=1，轮轴正转，遮阳角度开始缩小；当D0=D1时，Y1=1，轮轴保持不动，遮阳角度不变；当D0

图7　对时程序

表3　遮阳角度设定

图8　遮阳板转动程序

假设遮阳板在夜间的遮阳角度为0°，当时间到达8：00时，PLC控制系统开始运作．在8：00前，遮阳板遮阳角度为0°，输入信号X0为1，D0的编码结果为1，到达8：00时，D8015=K8，M12为1，于是D1的编码结果为3.经过CMP D0 D1 Y0指令进行比较，得D0

5　结　语

基于PLC的遮阳板可调控遮阳系统以节能为目的，是从功能要求到控制模式、信息采集、执行命令、传动机构的全过程控制系统．在研究中发现：建筑节能效果随着遮阳板角度的增大而减小．当遮阳板角度由0°～60°变化时，变化趋势偏大；当遮阳板角度增大到60°及以上时，节能效果趋于稳定．同时综合考虑建筑节能与遮阳效果，遮阳板的角度应在60°～90°调节．该遮阳系统具有以下几种优点：

(1)本系统采用基于建筑节能的数学计算模型与建筑采光的建筑阴影模型来判断南向遮阳板各个时间段遮阳角度的合理值，在有效地减少建筑物供暖成本和空调冷负荷的原则下，可最大限度地遮蔽夏季的阳光、扩大冬季的日照，保证建筑节能．

(2)本系统是对太阳辐射和采光等环境因素的被动节能控制技术措施，它能够实时调节遮阳状态，没有滞后性，将对建筑节能发挥重要作用．

(3)本系统采用PLC作为控制核心，降低了人工控制带来的不准确性和不合理性．

(4)本系统采用的PLC具有远程通信功能，有利于与楼宇自动化系统整合，方便进行分布管理．

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Design and analysis of PLC in building external shading control system

LIDu*,CHENYong-ming

( School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224001, China )

PLC integrated control technology is used in shading control system to realize the intelligence. This control system detects real-time data of light intensity, temperature and wind power by various sensors automatically and obtains data of appropriate shading angle through the analysis and computation of multiple parameters by using mathematical model and building shading model, then controls the drive motor to regulate building external shading together. The combination of PLC control and shading can not only reduce building heating costs and air conditioning cooling load, but also maximize the using of natural daylight.The PLC shading control system can play an important role in building energy saving area.

control system; shading angle; building lighting; shading coefficient

1000-8608(2016)05-0496-06

2015-12-30；

2016-07-10．

国家住建部指导项目(2016-K1-09)；江苏省住建厅科技项目(2015ZD61)；国家自然科学基金资助项目(31501221).

李 杜*(1983-)，女，硕士，讲师，E-mail:liduchina@163.com.

TU113

A

10.7511/dllgxb201605009