基于PLC的景观灯光控制系统设计

程 冬

（上海罗曼照明科技股份有限公司，上海 200090）

0 引 言

景观灯光作为城市中的风景建设内容，能够为人们的夜间生活提供便利，是城市风景建设中的重要组成部分。由于景观灯光建设规模的不断扩大，如何在保证景观灯光美观性的同时，降低景观灯光能耗，成为景观灯光行业的主流研究方向[1]。基于此，景观灯光控制系统应势而生。景观灯光控制系统能够通过设置科学的控制策略，减少景观灯光照明时不必要的能耗，进而起到景观灯光控制降耗的作用，具有现实意义。传统景观灯光控制系统主要是通过驱动板的作用控制景观灯光。景观灯光通常工作在露天的环境中，实际传输景观灯光控制信号过程中很容易受到外界因素的干扰，导致控制失效的情况发生，致使景观灯光控制信号的传输需要很高时延，更无法降低景观灯光控制能耗[2]。而PLC作为一种通信技术，能够有效隔离外界因素对传输信号的干扰，避免其对传输质量产生影响，为此可以将PLC应用在景观灯光控制系统设计中。本文从硬件和软件两方面出发，设计基于PLC的景观灯光控制系统。

1 PLC概述

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）多用于工业机械控制中，也适用于数字运算操作电子系统。从PLC的传统意义层面上分析，所有可执行功能通常是使用电气与计算机辅助实现的，但随着高新技术的不断引进，由美国研究团队对GM技术提出的电气控制技术进行了改进，在此研究项目提出的一年后，设计行为控制器，用于控制集成电路与电子电路，由此首次提出了可编程逻辑控制器原理，这就是第一代PLC技术的提出。随着市场对PLC技术研究的深入，PLC被不断赋予了数字统计、行为处理以及人机交互等能力。目前，PLC技术在多个产业内均得到了广泛的应用，是一种较为成熟的控制技术，其凭借优异的传输性能和可编程性能够实现可靠、稳定的控制系统功能，进而提高系统的工作效率[3]。为此，将PLC应用在景观灯光控制中，设计一种新型基于PLC的景观灯光控制系统，具体内容如下。

2 基于PLC的景观灯光控制系统硬件设计

2.1 数据采集板卡

系统硬件部分需要利用数据采集板卡来采集系统运行所需数据，该部分数据为模拟量数据，以此作为灯光控制的基础数据。选用如图1所示型号为HYVJ-KIB15690的数据采集板卡。该采集板卡包含两路六位模拟量输入模块，具有采集速度快和性价比高的优势，适合本系统使用[4]。通过ISA总线使服务器与数据采集板卡互联，即可控制数据采集板卡运行。

图1 数据采集板卡

2.2 模拟数字转换器

上述采集到的模拟数据无法直接应用于系统中，需要采用模拟数据转换器进行数据转换。转换器对数据转换的精准程度对系统灯光控制的精准度有重要影响，因此对于数字转换器的选型应慎重。此次选用AGVD-SDNV1400型号的模拟数字转换器，该转换器具有32位半闪速结构，数据转换速度快且精准度高[5]。AGVD-SDNV1400模拟数字转换器各个引脚功能如表1所示。

表1 模拟数字转换器引脚功能

充分运用转换器引脚功能，通过模拟数字转换器能够实现对景观灯光控制数据的高效转换，得到系统能够识别的景观灯光控制数据类型。

2.3 设计PLC景观灯光节能循环控制器

为实现景观灯光控制系统的节能功能，设计PLC景观灯光节能循环控制器[5]。循环控制器的整体可分为固定结构与组合结构两种，包括数字信号/模拟信号转换器、电池主板、电子显示屏幕、内存条、电源、接口以及通信电路等。PLC景观灯光节能循环控制器结构如图2所示。

图2 PLC景观灯光节能循环控制器结构框图

如图2所示，通过传输线缆连接CPU与景观灯，基于脉冲控制的方式，将景观灯光控制数据以RE的格式输入SVDE缓冲区，作为景观灯光节能循环控制指令[6]。利用本文设计的PLC景观灯光节能循环控制器判定景观灯光状态，通过存储模块接口与编程器相连，起到景观灯光控制的作用。

利用PLC技术最大集成度的框架结构优势，可以使景观灯光节能循环控制器更适应恶劣的外界环境，为实现控制器节能功能，引入神经元芯片。利用更高性能的接口技术，可以快速转换和传输数据参数，降低连接系统的功耗，支持功能更加强大的处理器连接。神经元芯片能够在保证最小硬件的前提下满足其功能需求，可以有效提高系统功能，使PLC景观灯光节能循环控制器的各项性能达到最佳，并在一定程度上节省系统硬件运行时间，提高系统运行效率。神经元芯片主要控制景观灯中多个电路的通断，将神经元芯片中发出的控制信号与电路相连，将景观灯光控制信号转换为控制当量，实现景观灯光的智能控制。通过PLC景观灯光节能循环控制器中的ZW245V25-27主控制芯片可以调节景观灯光控制速率，以提高PLC景观灯光节能循环控制器的控制能力。ZW245V25-27主控制芯片主要用于PLC景观灯光节能循环控制器的驱动，驱动形式为脉冲宽度调制，可使循环控制器实现智能调速[7]。在布设电源时应将外部其他控制部件的电源与PLC景观灯光节能循环控制器的供电电源隔离，确保PLC景观灯光节能循环控制器支持突发传送方式的同步操作及自动配置。

3 基于PLC的景观灯光控制系统软件设计

3.1 基于PLC采集景观灯光控制数据

在系统软件设计中，预先基于PLC采集景观灯光控制数据，设置3个端口分别表示为PLC（1.0/2.0/3.0），获取景观灯光控制工作的实时终端数据[8]。利用上述设计的端口，将PLC（1.0）的通信地址定义为“001”，其他两个端口的通信地址分别表示为“0101”与“10100”，完成终端数据的定位后，输入通信指令，使数据呈现并行排列方式，输出端口数据。通过采集景观灯光控制数据，以此作为景观灯光控制的基础数据，展开下文研究。

3.2 建立PPI景观灯光控制协议

在完成景观灯光控制数据采集工作的基础上，本文将应用PLC通信网络，遵循高级协议内容，在支持多路同步自动化控制的行为上具体限制循环次数[9]。建立的PPI景观灯光控制协议具体信息如表2所示。

表2 PPI景观灯光控制协议具体信息

结合表2所示，在实际景观灯光控制过程中由于信息量不大，因此PPI高级控制协议即可满足景观灯光控制需求。

3.3 实现景观灯光控制

基于PLC的景观灯光控制过程中，应按照信号滤波的表述方式，将平流电转变为交流电，并记录每次数据变化情况。通过控制信号电压值，实现终端电压数据与信号的有效控制，并以获取的数据为依据，进行景观灯光控制在不同运行状态下的耗能分析。假定输出的数据值较之前低，则可保留数据，倘若输出的数据值较之前高，则保留两组数据中数值较低的一组。综上所述，通过调控数据，实现在不同满载状态下，终端对信息频率的有效控制[10]。利用PLC可对该景观灯光控制状态进行判定，进而对景观灯光照明全过程进行节能循环控制，为日后的景观灯光控制提供强有力的支持。以此，完成基于PLC的景观灯光控制系统设计。

4 实例分析

4.1 实验准备

设计实例分析，实验对象选取某城区，针对该城区的景观灯光加以控制。本次实验设定景观灯光照明时间共为8 h，从19:00-3:00以1 h为一个时间节点，先使用本文设计系统控制景观灯光，通过万能表测得景观灯光控制功率设为实验组，再使用传统系统控制景观灯光，通过万能表测得景观灯光控制功率设为对照组。本次实验由上位监控主机进行中控控制，现场控制1～20号景观灯，实验控制的整体流程如图3所示。

图3 实验流程图

4.2 实验结果分析与结论

整理实验结果，控制能耗对比如表3所示。

表3 控制能耗对比表

通过表3可知，实验组与对照组的能耗相比，能够节能60%以上，更具现实推广价值。

5 结 论

本文通过实例分析的方式，确定设计的控制系统在实际应用中的适用性，以此为依据，证明此次优化设计的必要性。但本文同样存在不足之处，主要表现为未对本次万能表测定结果的精密度与准确度进行检验，因此需要进一步提高测定结果的可信度。同时，还需要深入研究景观灯光的优化设计，以此为提高景观灯光的综合质量提供建议。