基于PLC的校园照明智能控制系统设计

2 智能照明控制系统总体方案设计

智能照明控制系统由可编程控制器、中间继电器、各种照明灯和刀开关组成。通过软件编程软件编写分时段程序控制校园道路、公共绿地和景观灯等照明设备，使各照明设备在规定的时间工作。道路照明的主要作用是保证行人安全和方便，绿地和景观照明主要是给人们营造温馨、和谐、美丽的环境。既要满足照明的主要功能，又要尽量节约能源，只能是采用科学的管理和控制，使两者完美统一。

2.1 照明系统的功能需求分析

（1）节能 据专业资料统计，智能建筑的照明用电占整个校园用电的85%左右。其实在大多数情况下很多区域并不需要把灯全部打开或者开到最亮，过度的照明不仅形成光污染还会造成能源浪费。在当今能源紧张、国家大力倡导节能的形势下，使用智能照明管理系统最大程度地节能具有非常实际的意义。校园照明回路数量较多，容量较大，如何在保证所需照度的前提下，综合运用多种控制手段，减少不必要的电能浪费，是个极其重要的问题。

（2）高效管理 如何提高运行的稳定性和可靠性，使控制和操作更加简单、方便、灵活，使管理更加自动化、高效化，减少大量简单重复的劳动，是我们在设计时考虑的重点。我们根据不同区域的特点进行设计，确保使用方便灵活，管理高效。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少照明系统的运行维护费用，并带来较大的投资回报[5]。

（3）人性化 使用智能照明管理系统，不仅要实现基本的灯光控制，还应通过场景、自动控制等手段，努力提高照明环境的品质，使人们在一个舒适温馨、高品质的光环境中愉快高效地工作和学习，真正做到“科技以人为本”。

2.2 系统设计的基本步骤及功能组成

2.2.1 智能照明控制系统设计过程简述

校园照明控制系统配置设计一般都在控制时间和照明电气部份设计之后进行的，根据校园的照明要求结合电气设计图进行系统配置。首先根据校园道路、景观灯等照明的分布情况，设计硬件线路；其次依据照明灯具的大小、数量计算出总的电压、电流等电气参数，通过计算出的参数进行电器元件的选型；再此就是软件编程，根据设计要求编写软件程序；最后通过仿真调试不断修改设计，直至满足校园照明智能控制要求。在实际设计过程中，也可依据实际情况对设计方案进行修改。 2.2.2 智能照明控制系统设计基本步骤和方法

第一步 编制照明回路负载清单，核对照明回路中的灯具和光源性质，进行整理[6]。

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(1)每条照明回路上的光源应当是同一类型的光源，不要将不同类型的光源如白炽灯，日光灯，景观灯混在一个回路内。

(2)分清照明回路性质是普通供电还是节能供电。

(3)每条照明回路的最大负载功率应符合开关控制器允许的额定负载容量，不应超过额定负载容量运行。

(4)根据灯光设计师对照明场景的要求，对照明回路划分进行审核，如不符合照明场景所要求的回路划分。可作些适当回路调整，使照明回路的划分能适应灯光场景效果的需要，能达到灯光与室内装璜在空间层次，光照效果和视觉表现力上的亲密融合，从而使各路灯光组合构成一个优美的照明艺术环境。

第二步 根据照明控制要求选择控制面板和其它控制部件

控制面板是控制照明系统的主要部件，也是操作者直接操作使用的界面，选择不同功能的控制面板应满足操作者对控制的要求[7]，控制系统一般有以下几种控制输入方式：

(1)采用时间管理器控制方式，根据不同时间自动控制。 (2)采用按键式手动控制面板，随时对照明进行调节控制。 (3)采用电脑集中进行控制。

(4)采用PLC实时时钟进行不同时段分时控制。 第三步 选择附件及集成方式

控制系统如需与其它相关智能系统集成，可选用相应的附件。 第四步 施工图纸设计及设备配置清单编制

(1)施工图纸设计，该部分内容可见智能照明系统电气设计相关教程。

(2)编制系统配置清单，如系统中各产品型号、数量、使用区域、备注等相关信息。 2.2.3 智能照明控制系统设计的功能组成

（1）智能照明控制系统的结构和组成

一般智能照明控制系统都为数字式照明管理系统，它由系统单元，输入单元和输出单元三部分组成。除电源设备外，每一单元设置唯一的单元地址，并用软件设定其功能。

通过输出单元来控制各负载回路，各种形式的单元简述如下：

? 系统单元：主系统对各区域实施相同的控制和信号采样的网络，子系统则对各分区实施不同具体控制的网络。主系统和子系统之间通过信息等元件连接，实现数据传输。

? 输入单元：用于将外部控制信号变换成控制系统上传输的信号，如可编程的多功能(开/关、调光、定时、软启动/软关断等)输入开关、红外线接收开关及红外线遥控器(实现灯光调光或开/关功能)。各种型式及多功能的控制板，可进行多点控制、时序控制等，调整照明，以达到使周围环境保持适宜的照度，节约电能[8]。

? 输出单元：智能控制系统的输出单元是用于接受来自控制器的定时信号，控

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制相应回路的输出以实现实时控制。输出单元有各种型式的继电器。系统一般采用集中控制和管理、分散执行的方式，亦即配置智能控制照明柜，智能控制柜内装有可编程控制器的有关自动及手动控制开关，空中灯具开/关状态，手动控制开关可在异常情况下采取处理措施。 （2）采用智能照明控制系统的优越性

? 良好的节能效果 采用智能照明控制系统的主要目的是节约能源，智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。

? 延长光源的寿命 延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，降低了照明系统的运行费用，管理维护也变得简单了。

? 改善工作环境，提高工作效率 良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。良好的设计，合理地选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量[9]。

? 实现多种照明效果 多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。以某工程为例，建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同的效果，采用相应的预设置场景进行控制，可以达到丰富的艺术效果。

3 硬件设计

3.1 线路结构设计

3.1.1 控制线路设计

灯具布置方案 学校的道路是以步行者为多，人员比较密集，当然也有少量车辆通过，可以说是人车混合的道路。在设计时采用高于一般居住区而低于商业区的标准。为了便于分时控制，在灯具布置时采用双侧交错布置，杆距定为25m，较标准杆距略小，有利于分时控制时减少灯光死角。

路灯采用双侧交错布置，每一侧的路灯由2个单独的控制回路进行间隔控制，如：1#回路控制左侧的单编号灯具，2#回路控制同一侧的双编号灯具。3#、4#回路则分别控制右侧的单、双编号灯具。当进入第2时段后，每侧关闭1个回路，也就是1/2的灯具熄灭，由于灯的杆距不是很大，且学校道路不是很宽，灯光可以全覆盖，满足最低照明需求即可。当进入第3时段时，4个回路中3个回路分断，也就是只有1/4的灯具点亮，对于

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学校内部道路而言，完全可以满足要求。

由于灯具容量较大，采用了两级母线供电方式，每段小母线为一部分路灯供电。采用两级母线制比较灵活，同时也降低了母线和开关的容量，便于安装和维护[10]。每个回路由一个接触器控制，接触器的动作受控于PLC的程序。供电系统示意图如图1所示。图中仅画出了1条道路1个景观区域和1个公共绿地的供电系统图。

KM11QF1KM12KM13KM141#公共绿地1#草坪2#草坪3#草坪4#草坪KM21QFQF22#景KM23观KM24灯KM221#花坛2#花坛3#花坛4#花坛KM31KM32QF3右侧双数灯3#右侧单数灯KM33道路左侧双数灯KM34左侧双数灯

图1 供电系统示意图

3.1.2 控制器件的选型

在校园智能照明系统中由人工和自动两种控制方式，人工控制需要能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流的开关装置即断路器。自动控制因学校照明电路多总功率较大，因此自动控制开关器件选用接触器。目前PLC的输出有2种型号：晶体管和继电器。继电器能够支持AC220V的电压。也就是说继电器的型号能够控制AC220V的回路，但并不推荐直接用于AC220V的回路中，尤其是频繁动作的回路中，故此在设计过程中增加中间继电器来实现[11]。

本设计所选用的断路器用照明保护用，选用DZ47-63小型断路器DZ47-63/3 C型DZ47-63高分断小型断路器是一种具有过载与短路保护的限流型断路器，适用于交流50Hz，单极电压230V及以下，二、三、四极电压400V及以下的工业和商业照明配电系统的过地短路保护，亦可在正常情况下作线路的不频繁通断转换之用。该断路器外型美观，体积小，重量轻，分断能力高，脱扣迅速，导轨安装，壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料，性能优良可靠。

接触器(Contactor)在工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器分为交流接触器和直流接触器，交流接触器又可分为电磁式和真空式两种。

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