基于S7-200PLC、MCGS 的教室灯光智能控制系统设计与仿真运行

张 斌，胡 江

（江西应用工程职业学院，江西 萍乡，337000）

引言

近年来，随着人们的环保意识逐渐增强，绿色、低碳、节能、环保等观念越来越被重视。电能是现代社会赖以生存的重要能源，但技术制约、用电管理不善，电能浪费等原因，导致用电负荷急剧增加，电力浪费严重。[1]由于各类大中专院校不断扩招，教室不断扩建，学校用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成电能的巨大浪费。同时，鉴于江西应用工程职业学院历史归属、地缘问题，场地、设备陈旧、技术落后等因素制约，教室仍以普通多媒体教室为主，教室灯光采用的仍是传统人工手动灯光控制方式[2]，教室照明管理不到位，导致用电成本增加。为响应《国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》《江西省人民政府关于印发江西省“十四五”节能减排综合工作方案的通知》及《萍乡市“十四五”公共机构节约能源资源工作规划》等国家、省、市三级绿色节能减排政策的号召，同时更好服务湘赣边区域经济和产业发展，强化绿色环保的发展理念，积极配合低碳节能，学院对传统老旧教室灯光进行智能化改造，提高教室灯光照明效率。

一、控制要求

S7-200PLC 教室灯光智能控制器以自然光强度与人体存在与否为主要输入参数，实现手动、自动相兼容，光线强度足够时，无论人是否存在，都不开灯；自然光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开灯光，人走后，延时一段时间后关灯。同时，按照作息时间控制，晚上超过23时，若还有人存在，则关闭控制器运行，改用机械手动开关控制，以解决特殊情况下灯光智能自动控制器的不人性化运行。

二、系统设计

（一）控制模型

前期调查分析江西应用工程职业学院教学楼的采光及教室使用情况，以润心楼410教室为例，该教室是单面采光，所以会出现不同区域光照程度差异大的情况，并且教室的流动性及座位的不确定性，初步设想将教室分为5 个区域，如图1 所示。利用红外探测器、光照传感器对教室进行分区控制[3]，通过灯光智能控制系统运行，随时检测教室光照情况及人员流动参数，进而控制日光灯组自动开关，实现灯光智能控制，达到最大限度节能的目的。

图1 教室分区域控制图

分析润心楼410 教室的构造及常用电器布置，红外探测器分别安装在教室的5个区域上方或能有效覆盖该区域，光照传感器安装在每个区域光照较暗的地方。需要用多媒体播放影片或视频时，可以在讲台区域合适的位置安装1个控制按钮，以手动方式给PLC 提供信号，开始放映时关闭教室灯光，放映结束时打开教室灯光。每个区域的人体存在红外探测器和光照探测器均是独立工作，互不影响。同时，提出分时段控制设想。分时段控制方案如表1所示。

表1 教室分时段控制方案

（1）6:00—18：00 课堂教学或学生自习时间段，当计数器0＜C1＜144 时，代表之后的12 小时内，辅助继电器常开触点M0.1保持导通，若此时教室5个区域都存在人员流动，则各区域红外探测器会感应到相应区域的人体参数，并使红外探测器5 个常开触点I1.0 至I1.4 闭合；若5 个区域光线较充足，光照探测器会让5个常开触点I0.3 至I0.7 处于断开状态。相反，若光线不充足，光照探测器会使I0.3至I0.7闭合，所有回路会因光线亮度改变而导通，每个相对应区域上的灯会因常开触点的闭合而形成连锁反应，从而点亮。当某区域的人员全部离开，其红外探测器会感应到状态变化，将信息发送回主控CPU 进行处理，主控CPU 控制常开触点从而控制灯的开关。此外，在特殊情况下（播放影片或视频等），当投影仪开关I0.2 闭合后，定时器T38（100 ms）开始计时，将参数PT 设为600，即60 s（600x100 ms）时，T38的常闭触点断开，讲台区域的灯立即关闭，获得较好的多媒体投影效果，而不需要手动关闭开关。

（2）18:00—23:00 空闲或学生自习时间段，当计数器144＜C1＜192 时，代表之后5 小时内，辅助继电器M0.2处于导通状态，因在夜晚，室内光线非常弱，光照探测器达不到工作导通条件，只需利用红外线探测器监测人员的存在与否，从而控制教室灯的开关。

（3）23:00—第二天6:00空闲时间段，当计数器192＜C1＜288 时，代表之后7 小时内教室里一般没人，辅助继电器M0.3 的常闭触点自动断开，光照探测器、红外探测器不再工作，只能人工手动控制教室灯的开关。

（二）系统控制框图

将5 个日光灯组分布于教室5 个区域，光照探测器、红外探测器均设置5 组，从5 个不同位置进行探测。系统硬件连接示意图如图2所示。

图2 系统硬件连接示意图

（三）I/O分配及主要硬件选型

根据控制要求并结合系统分析，选择S7-200PLC（CPU224）及扩展模块EM235，系统I/O分配及辅助继电器变量分配如表2和表3所示。

表2 系统I/O 分配表

表3 中间变量分配表

表4 教室节能效果对比表

针对系统控制要求并结合I/O 分配表，系统有14 个输入点，5 个输出点，外扩3 个EM235 模块。结合实际选择S7-200 系列PLC（CPU224），此模块有14 个输入点，10 个输出点，最多能扩展7个EM235模块，满足系统控制要求。

光敏三极管具有高灵敏度，且具光敏二极管的输出特性，故光照探测器选择KPC131。

人体红外探测器采用热释电红外传感器，即能检测人体发出的特定波长红外线的敏感元件。由它构成的探测装置一般能准确感测6～15 m 距离运动人体的存在，能以非接触形式检测人体辐射的红外线，并转变为电信号。[4]人体存在与否感应模块具有高灵敏度、可靠性较强等优点，人体红外探测器选择低电平输出的HP-208型号。

（四）主程序流程图及梯形图

根据控制要求，设计教室智能灯光控制系统运行主程序框图，如图3 所示。程序框图为梯形图编写提供了重要的依据，是整个系统的流程概况，通过对分时段的控制，形成1 个主程序和3个子程序的“总分式”结构，实现教室灯光的智能化控制。

图3 主程序框图

系统程序开始运行后，由人体探测器、光照探测器检测光照度和人体存在与否，在23：00—第二天6：00时间段，则关闭照明智能控制器，切换为手动控制；在6：00—18：00 时间段，若光照充足，则不开灯，若光照不充足，则有人经过时开灯；在18：00—23：00 时间段，若有人经过，则开灯，若无人，则不开灯；打开投影仪，60 s 后讲台处的日光组灯关闭。

（五）系统硬件接线图

系统通过红外探测器和光照探测器采集环境光照参数、人体存在与否，经过直流供电后转换为相应电信号；扩展模块EM235 发出信号回馈到PLC 主机。[5]PLC 主机依据程序进行扫描、处理，并通过Q 输出端输出，最终控制教室5 个区域日光灯组的开关。按照西门子S7-200 系列PLC 及EM235 系列扩展模块的连接要点，绘制系统硬件接线图，如图4所示。

图4 系统硬件外部接线图

（六）仿真运行

根据主程序流程图，在V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP9 软件中编写梯形图[6]，并将程序以后缀。awl的格式保存。打开S7-200仿真软件，在菜单栏“程序”下拉栏中点击“载入程序”，弹出“载入CPU”窗口，勾选“所有”，点击“确定”，找到之前编写的PLC 程序保存位置，载入PLC 程序，并选择CPU 配置信息（勾选CPU224），进行仿真运行，模拟灯光智能控制过程，PLC 仿真运行图如图5所示。 同时，根据系统控制要求，在MCGS动画组态页面进行动画设计，构建基于MCGS的教室智能灯光控制系统组态界面，进入设备组态，选择设备0（模拟组态），关联相关变量，完成设备组态，如图6 所示。最后，在MCGS 软件中通过“下载配置”➝“工程下载”➝“启动运行”等操作进行仿真运行，如图7所示。

图5 系统仿真及程序运行图

图6 模拟设备组态图

图7 MCGS 仿真运行图

三、实验结果及分析

以江西应用工程职业学院润心楼410 教室和420 教室为实验对象，对其进行节能仿真实验。其中410为普通多媒体教室，以教学、自习为主，为班级固定教室，流动人数按40 人/天计算。420 为阶梯教室，为流动教室，以教学、讲座、自习、小型文艺晚会为主，流动人数按150 人/天计算。若按每2 盏日光灯为1 个灯组，预设区域划分为5 个日光灯组，其中固定教室按10 盏灯，阶梯教室30 盏灯，每盏灯按0.05 kW 计算，固定教室工作大约8 时/天，阶梯教室工作大约9 时/天，1 个月按30 天计算（忽略特殊情况损耗），则固定教室410 和阶梯教室420 理论耗电量分别为120 kW·h 和405 kW·h。两教室使用前后节能效果对比如表3所示。

四、结语

为适应低碳运行、绿色发展，对传统教室进行灯光智能控制改造。[7]通过对教室中的光照探测器和人体传感器进行科学布置与参数采集，利用先进的自动化技术，实现灯光自动开关[8]，实施前后能耗分析显示，月平均节电率超过20%。采用基于S7-200PLC 的灯光智能控制系统，极大地降低了电能损耗，提高了教室的能源利用率，实现教室灯光由传统控制逐步向自动化、智能化控制发展。今后，还需进一步对程序进行优化，采用更先进的自动化技术，确保系统更高效、更节能。