教室照明控制系统的设计

李文军，陈杰，王永峰

（1.内蒙古工业大学 工程训练教学部，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 后勤管理处，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

照明的发展依赖于科学的进步和生产技术水平的提高。自从爱迪生的第一只钨丝灯泡问世以来，世界拥有了由电能转换而来的一片光明。照明控制系统是以实现显著的节能为主要目的，有效的控制可以延长灯具，提高照明质量，改善工作环境，实现多种照明效果。

传统照明控制系统在照明控制方式上主要以手动为主，仅能实现简单的开关和调光控制，具有功能简单，造价低廉，控制信息不能进行交换，管理效率低等特点。随着电气技术的不断发展，照明控制迈入了自动控制阶段，利用自动控制技术来遥控灯具的开关，具有控制相对集中，管理效率较高，自动化程度相对较高的特点。智能照明控制系统是随着计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的发展出现的，其可以根据客观要求、环境变化和用户预订等条件而自动采集系统中的各种信息，再对所采集的信息进行相应的逻辑分析与判断，然后把结果按一定的形式传输、存储、显示以及反馈控制等处理，使控制效果达到最佳的照明系统，称之为智能照明控制系统。

高等院校的教室是师生学习、工作的主要空间和场所。如果能够在学校各类教室应用智能照明控制系统，根据教室的客观要求、环境变化和用户预订等条件自动控制照明灯具的开闭与数量，并充分利用自然光，实现教室照明控制与管理的自动化与智能化，对于新形势下的智慧校园建设具有重要的意义。

1 控制需求与分析

1.1 功能分析

教室照明控制系统要满足学生在一定时间段内的高密度使用需求，而且学生多为统一住宿管理，在关闭宿舍后教室照明需求会急剧减小。在设计自动控制模式外，还需要设计手动控制模式，实现照明系统的即时通断，用以解决自动控制模式下无法控制的情况。此外还需设计一种半自动化的控制系统，即定时控制模式，该模式可以避免传感器出现问题时出现的误操作，且不需要人员全程跟随控制。

1.2 总体结构设计

教室照明控制系统的结构框图如图1所示。硬件部分以S7-1200 PLC 控制器为核心，使用昆仑通泰工业触摸屏作为人机交互的平台，将光照度传感器和人体红外感应探头的数据作为输入，经由PLC 处理后用以控制交流继电器，继而控制灯组。

图1 教室照明控制系统的结构框图

2 硬件电路设计

系统的电路使用光照度传感器和三个红外传感器的数据输入提供自动模式下的判断依据，系统的电气原理如图2所示。正常情况下由工业触摸屏作为人机交互的平台可以实现系统的正常控制，而在非正常情况下也可以使用I0.3 ～I0.6之间的手动按钮控制系统。

图2 教室照明控制系统电气原理路图

由图2可知，I0.0 ～I0.2 为红外传感器，用于检测是否有人接近；I0.4 ～I0.6 为模式选择开关，在触摸屏连接出现问题导致无法控制时，可以使用按钮来控制系统模式；AI0为光照度传感器的模拟量输入，用于检测实时光照度，进而传递数据给PLC 处理；工业触摸屏使用PROFINET 接口与PLC 连接；Q0.0 ～Q0.3 为四个继电器，用于控制对应的交流接触器线圈，控制灯组的亮灭；Q0.4 ～Q0.6 为三种模式的指示灯，用来显示当前系统正处于何种控制模式。系统电气原理路图的I/O 接口分配如表1所示。

表1 教室照明控制系统I/O 接口表

3 控制程序设计

3.1 自动控制模式程序设计

自动控制模式下，照明受到环境光照度和是否有人接近的影响，在环境光照度低于阈值且有人接近的情况下，程序才会输出开启信号。光照度传感器输出量为0 ～10 V 的电压量模拟量信号，而PLC1200 的模拟量输入直接支持0 ～10 V 电压模拟量输入，则可以直接使用。PLC 的模拟量数值为0 ～27 648，对应电压0 ～10 V，可以使用一个NORM标准化模块来进行对模拟量的处理，得到的数值再经过一个SCALE 比例模块进行转换，得到需要的光照度数值，单位为lx；而人体红外感应探头可以检测到是否有人靠近，由于输出为数字量，则PLC 可以直接使用。如图3所示。

图3 系统的自动控制流程

在自动控制模式下，如果周围环境照度低于25lx，则判断周围环境光照度不足以满足使用需求，且当有人靠近触发人体感应红外探头，程序将会输出开启信号，用以控制继电器的通断，进而控制灯组。

3.2 手动控制模式程序设计

手动控制模式作为应急状态时自动控制模式作为补充，当自动控制模式满足不了控制需求时，可以切换到手动控制模式，在工业触摸屏端按下开启按钮时，对应灯组即会亮起，同理可关断。

4 触摸屏界面设计与系统测试

工业触摸屏使用昆仑通泰TPC1061Ti，界面使用MCGS组态软件进行编写。MCGS 为使用者提供了用以解决实际上工程问题的开发平台和完整方案，对于现场数据收集、实时以及历史数据分析、安全和报警机制、动画显示、流程控制、报表输出和趋势曲线等可以很好地实现。

当进入系统时，工业触摸屏界面如图4所示，此时可以自由选择控制模式，进入相应控制模式的子界面。

图4 主界面仿真图

在自动控制控制模式下，工作指示灯亮起，光照度数值显示当前光照度为20lx，人体红外探头1 亮起，灯组1 亮起，表示当光照度小于阈值且人体红外感应探头感应到有人接近的情况，此时灯组1 亮起，完成相应的功能。如图5所示。

图5 自动控制模式仿真图

5 结 论

本文对于校园照明控制系统的现状，分析了现存的校园照明控制系统的不足和未来的可发展性，设计了基于PLC的教室智能照明控制系统，提出了解决校园照明系统能耗过高、缺少后备照明方案的问题，完成了照明控制系统硬件部分的选型设计和软件部分的编程。在自动控制模式下，环境光照度和是否有人接近对照明产生影响，在环境光照度低于阈值且有人接近的情况下会输出开启信号；手动控制模式在传感器失灵导致的照明不当时，给以上两种模式作为补充，当自动控制模式和定时控制模式满足不了控制需求时，可以切换到手动控制模式。