广播电视大厦灯光自动控制系统设计与实现

□常云峰

随着经济的不断发展，人们物质文化生活水平不断提高，导致用电负荷加剧，能源危机已成为一个严峻问题。随着广电事业的发展，办公楼宇不断扩建，建筑物内的照明系统是不可或缺的，办公以及公共区域照明管理不当，容易造成电能巨大浪费，因此提高广播电视大厦办公及公共区域照明用电效率成为一个重要课题。

国内外很多地方开始采用建筑物灯光自动化控制系统，但一些广播电视大厦办公及公共区域照明依然采用传统的手动控制管理，办公及公共区域照明用电管理不完善，造成电能巨大浪费以及相应的经济损失，这种没必要的浪费与当今节能绿色环保理念相违背。随着自动化技术的不断更新、计算机技术的普及应用，灯光照明管理也应朝着自动化、节能化方向发展。于是，开发一套简单、实用、可靠的楼宇灯光自动化控制系统，对广电大厦而言具有更重要意义。

一、系统总体设计及结构功能

1.系统结构

自动化灯光控制系统以松下PLC为控制核心，采用热释电红外传感器检测人体所在的区域，通过对人体存在的信号感应和判断，完成对人体所在区域照明电路自动化控制。整体系统由人体红外传感器感应信号，输入松下PLC进行处理、判断、输出，再由松下PLC输出电路，控制灯光。

2.系统功能

自动化灯光控制系统可实现有效的公共及办公区域灯光控制。其输入参数主要是人体所在区域的红外感应信号，通过对信号的处理及分析控制该区域灯光自动启停。理论和实验证明这种控制方式能实现上述目标。

二、系统设计参数

人体感应参数标准：

1.工作电压：DC 5V至20V

2.静态功耗：65毫安

3.电平输出DC12V至24V

4.感应范围：红外感应120度锥角，6米以内

5.工作温度：-20℃至+60℃

三、系统设计方案

本设计主要是对人体所在区域进行检测，输出电平信号，通过对信号采集及处理实现所在区域灯光控制，达到节约能源的目的。本自动化系统有两种控制方式：自控制状态和手动控制状态。

自动化控制状态：系统上电后处于自动控制状态，热释电红外传感器检测6米以内人体红外信号。检测到该区域有人员活动，输出高电平信号DC12V至24V，PLC输入模块接收电信号，通过PLC处理后输出控制指令，同时启动内部计时器并闭合灯光回路。

手动控制状态：在系统上电后按下手动自动切换按钮，并通过触摸屏手动控制某个区域灯光启停，再按下手动自动按钮可以恢复到自动控制状态。

系统结构图

四、系统硬件设计

1.PLC（可编程序控制器）简介

PLC可编程序控制器被称为PC（Programmable Controller）或PLC（Programmable Logic Controller）。20世纪60年代中期，美国通用汽车公司为了适应汽车自动化生产线不断更新的需求，提出了一种设想：把技术完善、通用灵活、编程简单等优点和继电器控制电路简单易懂易操控的特点结合起来，制造出新型的工业控制装置系统，并提出了新型电气控制系统10条招标要求。其中包括：工业性比继电器控制电路可靠；占用空间比继电器控制电路要小；价格上能与继电器电路系统竞争；必须易于编程；易于在工作现场变更程序；便于维护、使用和维修；可直接驱动电磁阀、接触器的执行系统；可向数据处理系统直接传输数据等。美国数字设备公司（DEC）根据这一要求，于1969年研制成功第一台控制器PDP—14。

这项技术应用在工业生产产生了巨大的影响，可编程序控制器在世界范围内迅速发展壮大起来。1971年，日本引进了这项技术，并成功研制了日本第一台控制器。1973年至1974年，德国、法国也相继成功研发本国的控制器。我国从1974年开始研制，1977年成功制造出以一个微处理器MC14500为核心的控制器，并用于工业生产。

2.PLC的主要特点

PLC是在微处理器基础上发展起来的新型控制器，是一种基于计算机技术，专为工业环境下应用的电子控制装置系统。存储器与用户指令相结合，通过数字或模拟的输入/输出完成一系列逻辑、顺序、计数、定时、运算等功能控制，从而控制各种类型的机电自动化设备和工艺生产过程。PLC把微型计算机和继电器控制系统融合为一体，兼具计算机的功能完备、灵活、通用性好等优点。

3.PLC的主要应用

经过长期的工程实践，PLC的上述特点越来越为广大的工程技术设计人员所认知、接受和使用，已经广泛应用到化工、水利、石油、电力、轻工、冶炼、智能楼宇等各个控制领域。

①热释电红外传感器

自然界存在的各种物质，如人体、动物、塑料、木材、钢铁等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。红外传感器可分为热型和量子型两种。热型红外传感器也称热释电红外传感器。与量子型红外传感器相比，响应的红外线波长范围更宽，价格低廉，可在常温环境下使用。量子型红外传感器与热释电红外传感器相反，要求冷却环境下能正常工作。在该自动化系统设计中采用热释电红外传感器。

②输入/输出灯控电路设计

输入输出控制电路通常称为I/O模块。PLC对外部电器的控制主要是通过各种I/O模块与外部所连接电器而实现。输入输出模块是PLC与现场I/O受控电器设备之间的连接部件，起到PLC与外部受控电路设备之间传递控制信息的作用。通常输入输出I/O模块上还有LED显示和I/O连线端口，以便于连接和监视PLC整体输入输出工作状态。本系统采用直流输入输出设计。

五、系统软件设计

1.梯形图

在该工程项目中采用梯形图编程语言，这也是实际设计中最常用的一种编程设计语言。因与继电器控制电路很相似，所以具有直观、易懂、易学、易使用的特点，很容易被熟悉继电器控制电路系统的电气工程技术人员掌握，适合于数字逻辑电路控制。

梯形图是一种图形化的编程设计语言，使用了传统电气原理图中的继电器、接触器、线圈、串并联和一些图形符号标识，左右竖线称为左右母线。在程序中，最左边是主信号输入，梯形图由左右母线、触点、线圈和指令框及高级指令组成。触点代表电路输入条件，线圈代表电路逻辑运算结果输出，指令框用来表示计数器、定时器以及高级指令中的多功能数学运算等指令。梯形图中所标识的触点状态只有常开和常闭两种，触点可以是PLC外部电路连接的输入触点，也可以是PLC内部中间继电器的触点或内部定时器、计数器等触点。梯形图中常开和常闭触点可以任意串并联使用，线圈只可并联使用。内部中间继电器、定时器、计数器、寄存器不能直接驱动外部电路负载。PLC按照循环扫描的工作方式处理控制任务，并沿梯形图的先后顺序执行控制命令及输出结果。

2.系统使用指令

①X输入继电器指令，PLC接收外部开关量输入信号的端口。PLC将外部输入开关量信号的状态（0或1）读取并存储到对应的输入地址寄存器即输入继电器中。外部输入电路接通时，对应的映象寄存器为NO（1状态），该输入继电器常开点闭合，常闭点断开。输入继电器状态取决于外部电路输入信号，不能用程序控制，在梯形图中不能出现输入继电器线圈。在本系统中外部开关量信号由热释电红外传感器输出获得。

②Y输出继电器指令，PLC向外部连接电器发送信号的端口。输出继电器用来将PLC的输出信号输出给输出端口，在驱动外部大功率电器。

PLC输出继电器是向外部负载电路输出信号通道，通过光电耦合器隔离及RC滤波后接外部负载。输出继电器线圈由梯形图编程控制，外部输出接点连接到PLC输出端子上，以供驱动外部负载电路使用，其余的常开触点和常闭触点供内部使用。输出继电器的常开触点和常闭触点使用次数不限，线圈在梯形图编程中只能使用一次。

输出接口有计算机输出接口电路和隔离电路、功率放大电路等组成。PLC的外部输出电路有三种类型，即继电器输出型、晶体管输出型和双向晶闸管输出型。本系统设计中采用的是继电器输出型电路。

③R内部继电器指令，PLC中有很多内部继电器，线圈与输出继电器一样，由PLC中各种软元件的触点来驱动。内部继电器也称为中间继电器，没有外部的连接电路。中间继电器只供内部编程使用。梯形图中常开触点与常闭触点不受使用次数限制，这些触点不能直接使用和驱动外部负载电路，外部负载驱动大功率电器必须通过输出接点与接触器连接来实现。

④F0（MV）16位数传送指令，功能是将16位二进制常数或16位数据存储单元中的数据传送到另一个16位存储单元中。

⑤T定时器指令，PLC的内部定时器根据时钟脉冲累计计时，计时达到程序设定值时，触动相对应的触点动作，常开点闭合，常闭点断开，使用脉冲有10ms（TRM）、100ms（TMX）、1s（TMY）三种。定时器可以用程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据存储器（DT）或其他字单元的内容作为设定值。默认设置，松下PLC有100个定时器，地址范围T0~T99,设定值范围K1~K32767（K表示十进制数）。本系统的设计使用1s（TMY）定时器。

定时器只有一个输入，有两个数据存储器，一个为经过值存储器EV，另一个是设定值存储器SV，编号与定时器一致。如SV0是定时器T0的设定值寄存器，EV1是定时器T1的经过值寄存器。设定值由用户通过编程梯形图自行设置。当线圈通电时，定时器的当前值进行减计数计算，当前值计到0时，对应的常开与常闭触点动作，常开点闭合，常闭点断开。线圈断电时自动复位，所有的触点复位为0状态，不保存中间数值，当前值又变成初始设定值。

3.手自动切换程序设计

手自动切换是通过一个自锁按钮来实现的，自锁按钮按下，X0接通输出中间继电器R1，通过R1中间继电器的开启和闭合控制手动程序及自动程序输出，触摸屏读取R1状态输出显示手动及自动状态来实现手自动切换。

4.手动程序设计

手动控制是特殊情况使用的控制模式，按下自锁按钮X0接通输出R1，R1中间继电器常开点闭合，常开点串联在手动程序中启动后，手动程序输出，常闭点断开，R1常闭点串联在自动程序中，R1启动后自动程序输出断开，通过触摸屏控制R2中间继电器的开闭，输出受控灯具接触器实现手动控制。

5.自动程序设计

系统默认自锁按钮无动作，R1在自动控制程序为常闭按钮，自动程序默认电路接通状态。当有人员进入红外扫描区时，热释电红外传感器输出一个高电平信号，X1接通，触发F0数据传送指令将常数K，120传送到定时器T0 SV设定值（定时控制灯光启动两分钟），同时输出R4中间继电器并保持自锁，受控灯具启动。当扫描区域还有人员活动时再次触发传送指令，定时器重新启动，扫描区域人员离开时，定时器减数计算到0时，定时器输出接点T0动作，常闭点断开，自锁断开，程序输出复位，灯光关闭。

R3、R4中间继电器为手动和自动程序的输出，将R3、R4并联在电路中，任何一个动作都能驱动Y0输出，Y0为受控灯具接触器。这样的设计避免了程序中双线圈输出。

六、结语

该系统运用热释电红外传感器及松下PLC，完成灯光的启停控制，将工业用电子元器件应用到民用领域，提高整体控制系统的稳定性及可靠性，系统可以广泛应用到博物馆、展览馆、机房、隐蔽工程等照明场所，实现自动化控制，无人工参与，节能环保质量可靠。