基于PLC的智能照明控制研究

杨欣雨,占佳倩,吴双池

(安徽三联学院 电子电气工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

与传统照明方式相比,智能照明在延长灯具使用寿命的同时,让室内场景灯光变化增加了环境艺术效果,多种不同传感器的相互组合使用让灯光的亮度可以自动调节强与弱,在节约能源方面具有更大的优势。

1 智能照明控制系统的背景和发展

1.1 研究背景

使用继电器和时间的控制方式是传统照明控制的主要手段,这2种方式尽管方便、直接,但都相对依赖人的主动性,控制器的位置相对分散,没有办法集中控制和管理。在环保方面,传统控制灯具的方式使光源时刻处于开的状态,即使在无人环境下,造成了电力资源的浪费。在当下的市场需求及前景下,智能灯光控制产品也趋于更加合理和实用,无论是室内家居还是工厂、商场、公司都逐渐开始使用智能灯光的控制。

1.2 市场背景

随着 5G 的商用和新兴产业的普及,智能产业呈现积极的发展势头,智能照明也迎来了爆发式增长。“90后”互联网时代主力军的到来,带动了智能照明产品新一轮的快速增长。从市场需求来看,智能照明对于传统照明市场的替代效应也极大地刺激了智能照明市场的需求,智能照明产业逐渐呈现极具诱惑力的市场 “蛋糕”,到2025年智能照明市场规模预计将超过1 000亿元。

2 控制系统设计

2.1 PLC控制模块的选型

本文设计的PLC控制模块主要起子机控制作用,因此必须具有可靠性高、抗干扰能力强等优点,选用SIMATIC S7-1200系列1214C作为CPU模块,其具有可靠性高、扩展性强等特点,可智能化地满足照明安装控制需求。此外,PROFINET接口是一个集成接口,可通过编程实现人机界面与 PLC 之间的通信[1-2]。

该系统采用的处理器型号为CPU 1214C AC/DC/Relay,拥有2种电能输入方式。交流输入为电源提供AC 220 V的电压,直流输入为电源提供DC 24 V的电压。该控制器内部集成了100 KB的工作存储器、4 MB的装载存储器和10 KB的保持存储器;装载存储器可用SIMATIC存储卡扩展;集成了14路数字量输入、10路数字量输出和2路模拟量输入;可以扩展一个信号板、3个通信模块和8个信号模块;具有一个以太网/PROFINET接口。

2.2 触摸屏的选型

在系统中采用SIMATIC KTP700 Basic HMI设备,可满足高品质和可视化操作的需求,可胜任在任何中小型设备上使用;在联网性能方面,可以在PROFINET、PROFIBUS接口以及USB接口之间做出灵活选择。另外,使用TIA Portal中最新版本的WinCC软件,编程过程得到了大幅度简化,更加方便进行组态和操作。

2.3 系统结构

以中大型的图书馆场景设计为例,采用西门子S7-1200系列PLC作为系统的核心控制器件,将各个不同的传感器按照特定位置摆放,各组灯具相互连接,最后通过触摸屏显示各个传感器和灯具当前的状态。此时,在一片区域范围内,形成了一个照明控制单元,将各个控制单元通过交换机整合与中控室的PC机连接组成一个完整的智能照明控制系统[3],系统结构如图1所示。

图1 系统结构

由于中大型图书馆的占地面积大,空间分布广,光线在空间中错综复杂,不同区域的光亮度相差较大,因此,每块区域采用PLC加触摸屏的控制方式最为稳妥。

3 人机交互与方案实施

3.1 人机交互界面设计

对于人机交互界面的设计,为了防止非专业人员对系统数据进行更改导致出现错误,增加了用户登录界面。

如果需要对系统上的数据进行调试修改,进入登录界面,点击登录,输入管理员账户和密码后,即可跳转到调试界面,此时登录界面上也会留下登录信息,登录信息会上传至中控室的PC机中,包括更改的数据,以便定期维护。

在故障报警的交互界面上,为了快速定位故障发生的具体位置,从面到点的排除方法十分高效[4],设计如图2—3所示。当出现报警时,交互界面上会弹出报警提示框,中控室的PC机上也会出现相应提示,点击报警提示框则会转到区域报警界面,如果区域下方的绿灯转为红色,则代表故障发生的区域,点击红灯上方的区域按钮进入具体的报警界面;当灯具下方的绿灯转为红色,则代表着对应故障的灯具,点击对于灯具,进入检修状态,红灯转为黄色。此时,对应灯具断开使能电源,再次点击灯具按钮,则重新上电。故障发生的时间和具体位置也会上传至系统的日志中,在中控室的PC机上可查看。这种方式极大地减少了排除故障到检修所需要的时间[5],同时也便捷了使用者的操作,减少了定期维护的成本。

图2 区域报警界面

图3 具体报警界面

3.2 控制器算法

智能系统采用的算法为最常见的PID控制算法,原理如图4所示。

图4 PID算法原理

PID算法是一种十分常见的控制算法,作用的场景也十分广泛,如加热设备的恒定温度控制、无人机的飞行姿态和飞行速度、卷绕设备的线速度和张力恒定控制等都采用了PID算法控制。PID控制算法结合比例环节、积分环节和微分环节3种环节于一体,适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。

PID控制器集成了该控制算法,通过比较期望输出和实际输出之间的误差来调整输出。PID控制器包括3个部分:比例控制、积分控制和微分控制。其中,比例控制部分根据误差的大小进行调整,积分部分控制根据误差的累积时间进行调整,微分控制部分根据误差的变化速率进行调整。

3.2.1 比例控制

控制系统中的偏差信号是按比例反映的,一旦出现偏差,就会产生控制效果以减少偏差。比例控制器的输出u(t)与输入偏差e(t)成比例,能迅速反映偏差并减少偏差,但不能消除静差。在比例控制器中,由于偏差的存在,静差是控制器提供恒定控制输出的必要条件。根据偏差理论,可以通过增加偏差来减少偏差,但偏差无法完全消除。比例控制效果的大小不仅取决于偏差e(t),还取决于比例系数Kp的大小。比例系数Kp越小,控制效果越小,系统响应越慢;而比例系数Kp越大,控制效果越强,系统响应越快。但如果Kp过大,则会引起系统过冲和振荡,导致系统稳定性变差。因此,Kp不宜过大,应根据被控对象的特性折中选择Kp,在加快响应速度的同时,将系统静态差分控制在可接受的范围内[6]。

3.2.2 积分控制

积分环节的作用主要是消除静态差异,提高系统精度。积分效应的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大,积分效应越弱。积分控制效应的有无与偏差存在的时间有关,只要系统中存在e(t)和偏差,积分环节就会继续起作用,对输入偏差进行积分,产生控制器输出和执行器开度不断变化、偏差不断减小的控制效应。在足够的积分时间内,静态差值完全消失,积分控制功能保持不变;Ti越小,积分速度越快,积分效果越强。如果积分过强,系统超调会更多,振荡也会更大。

3.2.3 微分控制

微分环节的作用可以反映偏差信号的变化趋势,在偏差信号值过大之前为系统添加有效的早期修正信号,从而加快系统的响应速度,缩短调整时间。如果引入积分控制,静态偏差可以消除,但系统的响应速度会降低,这就很难通过PI控制器实现高质量的动态控制,特别是对于具有较大惯性的被控体,可能会出现差分效应,系统可能会出现较大的过量谐波振荡。根据偏差量的变化趋势,根据偏差量的瞬时出现或变化情况,同时根据偏差量的及时响应,提前给予较大的控制效果,可将偏差消除在萌芽状态,并能显著减少系统动态偏差和调整时间,提高系统动态调整质量。

微分控制操作的阶跃响应特性对于固定的偏差量,微分控制操作无论其值大小均为零。因此,单独使用微分运行无法消除静态差值,通常必须与比例和积分控制运行,PD 或 PID 控制形成组合使用。

3.3 软件的实施

传感器传回的数据需要进行处理才能具体显示,在TIA Portal V17中,选择使用SCALE缩放指令,对传感器传回的数值进行缩放,即可获得当前的亮度值。

控制算法在TIA Portal V17中有其相对应的指令PID_Compact ,PID_Compact指令提供了一种可对具有比例作用的执行器进行集成调节的 PID 控制器。在PID_Compact指令中已经将执行器进行了集成,只需要更换相对应的执行器即可使用,如图5所示。

图5 更换执行器

当亮度、照度传感器的数值发生变化,在一定的范围内PID指令将会启动,对比周围环境的光亮度,做出最优的调整。此外,中控室的PC机对传感器的数值进行监视,结合其他类型传感器传回的数据对场景进行合理的分析,实时调整设置的数据,使场景亮度最优的同时,让环境充满氛围感。

4 结语

智能照明控制现如今依旧是科技研究的热点之一,如何让设备变得更加智能、运行更加稳定等问题一直受人们持续关注。基于PLC开发智能灯光控制,不仅可以让设备智能化的同时运行更加稳定,连同应用场景也变得更加多种多样。作为下位机使用方便了使用者操作的同时,也为照明的安全性提供了一种较高的保障,具有很好的实用性和推广性。