薛　吉

(上海電器科學(xué)研究院, 上?！?00063)

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工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC在智能樓宇照明中的應(yīng)用*

薛吉

(上海電器科學(xué)研究院, 上海200063)

介紹了工業(yè)以太網(wǎng)主站可編程控制器(PLC)的硬件和軟件設(shè)計,闡述了智能照明系統(tǒng)總體方案,以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,實現(xiàn)多模場景回路調(diào)控、能耗計量、狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理等智能化功能,提高了照明設(shè)備的使用壽命。實踐運行結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)照明方式,智能照明系統(tǒng)能節(jié)省約35%的能耗,且減少了維護(hù)成本。

工業(yè)以太網(wǎng); 可編程控制器; 智能照明系統(tǒng); 總體方案

0　引　言

有關(guān)統(tǒng)計資料顯示,建筑的能耗達(dá)整個能耗總量的30%,建筑物的能耗通常體現(xiàn)在建筑設(shè)備上,其中照明能耗占相當(dāng)大的比重。

傳統(tǒng)的照明控制是在靠近回路處加上開關(guān),由開關(guān)來控制照明,但這樣很難達(dá)到由管理室對全體照明實行成批監(jiān)視、控制,在現(xiàn)場也可以靈活控制照明的要求。近年來,智能照明技術(shù)發(fā)展迅速?，F(xiàn)有技術(shù)大多是通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)來實現(xiàn)照明的集中控制,根據(jù)需求實現(xiàn)各種控制邏輯,一定程度上降低了照明能耗[1]。

隨著建筑物向大型化發(fā)展,簡單的PLC集中控制已經(jīng)無法滿足智能照明節(jié)能的需求。本文以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,在實現(xiàn)同一區(qū)域多個照明負(fù)載集中控制的基礎(chǔ)上,通過PLC的工業(yè)以太網(wǎng)接口,構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)[2-3]。

1　工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC

1.1工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC功能

VPC系列PLC分為VPC2(增強(qiáng)型)、VPC1(標(biāo)準(zhǔn)型)和VPC0(經(jīng)濟(jì)型),本體含20點、32點或60點,最大可連接8個擴(kuò)展模塊,如數(shù)字量、模擬量、溫度模塊等,提供最大24 KB的程序容量,最高3個獨立的10 kHz高速計數(shù)器,最高6路獨立的100 kHz高速脈沖輸出,滿足工業(yè)自動化各相關(guān)領(lǐng)域?qū)π⌒蜋C(jī)性能、穩(wěn)定性和性價比的需求。

該系統(tǒng)方案采用VPC2-32MT以太網(wǎng)機(jī)型,主站PLC實物如圖1所示,支持Modbus/TCP主/從站協(xié)議,還具有1個RS-232編程/通信口和1個RS-485通信接口,支持Modbus主/從站[4]。

圖1　主站PLC實物

1.2工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC硬件設(shè)計

在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,主站可以直接連接從站設(shè)備或通過通信網(wǎng)關(guān)訪問底層設(shè)備[5-6]。主站PLC硬件系統(tǒng)由CPU模塊、電源模塊、以太網(wǎng)模塊、串口模塊以及PLC各功能模塊組成。主站PLC硬件框圖如圖2所示。

圖2　主站PLC硬件框圖

1.3工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC軟件設(shè)計

主站PLC軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　主站PLC軟件架構(gòu)

以太網(wǎng)主站PLC嵌入式軟件采用無操作系統(tǒng)架構(gòu),分PLC內(nèi)核與通信內(nèi)核。PLC內(nèi)核中包括指令解釋執(zhí)行模塊、常務(wù)處理模塊、錯誤處理模塊、I/O刷新模塊等;通信內(nèi)核包括擴(kuò)串口通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊。PLC內(nèi)核與通信內(nèi)核建立在底層驅(qū)動之上。以太網(wǎng)PLC固件程序?qū)崿F(xiàn)模式切換、指令解析執(zhí)行、以太網(wǎng)通信、串口通信、固件更新、實時時鐘、錯誤處理、擴(kuò)展模塊接口、計數(shù)器、定位器、狀態(tài)指示、模擬量輸入、I/O刷新、高速計數(shù)器、運動控制、用戶內(nèi)存區(qū)、數(shù)據(jù)存放區(qū)等功能[7-9]。

以太網(wǎng)通信主要實現(xiàn)Modbus/TCP主站、從站功能,可分開或同時工作在主站模式、從站模式。

(1) Modbus/TCP主站模式。以太網(wǎng)主站PLC通過Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端從站進(jìn)行通信,并管理相應(yīng)從站。以太網(wǎng)主站PLC可周期性地將內(nèi)存N區(qū)的數(shù)據(jù)寫往遠(yuǎn)端從站,或從遠(yuǎn)端從站讀取數(shù)據(jù)存儲于N區(qū),該通信過程獨立于PLC內(nèi)用戶程序。主站PLC主站模式工作流程如圖4所示。

圖4　PLC主站模式工作流程

(2) Modbus/TCP從站模式。以太網(wǎng)主站PLC作為Modbus/TCP從站,接收主站的Modbus/TCP請求(該請求是對PLC內(nèi)存N區(qū)數(shù)據(jù)交互的請求),并響應(yīng)該請求,將內(nèi)存N區(qū)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)端主站進(jìn)行交互,實現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

主站PLC從站模式工作流程如圖5所示。

圖5　主站PLC從站模式工作流程

2　智能照明系統(tǒng)總體方案

智能照明系統(tǒng)基于樓宇智能化和工業(yè)控制及通信技術(shù),結(jié)合智能樓宇地下車庫、辦公走道和泛光、景觀照明的特點,以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,實現(xiàn)多模場景回路調(diào)控、策略定制能耗計量、狀態(tài)監(jiān)測傳感探測和數(shù)據(jù)報表遠(yuǎn)程管理等智能化功能。照明系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6　智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能照明系統(tǒng)架構(gòu)共劃分為4層:終端設(shè)備層、現(xiàn)場控制層、本地管理層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。

(1) 終端設(shè)備層包括照明用的各種燈具以及配套的電氣元件,實現(xiàn)對照明燈具的直接控制。

(2) 現(xiàn)場控制層是智能照明系統(tǒng)的核心,選用工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC。主站PLC可擴(kuò)展連接數(shù)/模模塊,實現(xiàn)對照明燈具的智能調(diào)節(jié);主站PLC可以將光照傳感器、紅外傳感器等信號接入,實現(xiàn)異常監(jiān)測、人體、車輛及光照傳感探測等智能化功能。同時,主站PLC可管理區(qū)域范圍內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,如從站PLC、電量模塊等,進(jìn)行數(shù)據(jù)打包匯總后上傳,整個智能照明系統(tǒng)節(jié)點較多、范圍較廣時,可緩解上層網(wǎng)絡(luò)的通信壓力。

(3) 本地管理層將本區(qū)域(包括整棟樓宇,甚至整棟園區(qū))的所有工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC進(jìn)行集中控制管理,通過上位機(jī)軟件實現(xiàn)對PLC的靈活控制,同時可實現(xiàn)各種節(jié)能控制策略。

(4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控層通過互聯(lián)網(wǎng)與本地管理層進(jìn)行連接,不僅能對智能照明的樓宇進(jìn)行監(jiān)測,還可以通過遠(yuǎn)程管理平臺控制工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC,實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

該方案通過智能多模場景營造美觀、舒適環(huán)境,通過綠色可調(diào)燈源降低樓宇能耗,通過智能化系統(tǒng)降低人工成本,同時也提高了照明設(shè)備的使用壽命,形成高效、智能化的樓宇照明系統(tǒng)解決方案。

4　能源大樓應(yīng)用案例

該智能照明系統(tǒng)已應(yīng)用在武寧園區(qū)能源大樓中。能源大樓智能照明系統(tǒng)主要針對大樓地下車庫、1F展示大廳和所有公共樓梯間的照明,3個區(qū)域控制策略相互獨立,又統(tǒng)一集中到能源大樓監(jiān)控中心進(jìn)行管理。系統(tǒng)具備自動/手動切換方式,在自動控制的情況下,智能照明系統(tǒng)根據(jù)各個功能區(qū)域的實際需求,預(yù)設(shè)時間段和相應(yīng)照度,自動實現(xiàn)開關(guān)和調(diào)光。當(dāng)自動設(shè)備出現(xiàn)故障時,可切換到傳統(tǒng)的手動方式,通過定時設(shè)備啟動或關(guān)閉所有的燈具,確保照明的正常供給。同時,在每個區(qū)域布置電量模塊,可采集每個區(qū)域耗電情況,便于系統(tǒng)耗能的評估分析。能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖7所示。

圖7　能源大樓智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)

地下停車庫根據(jù)精細(xì)化分區(qū)域管理策略和系統(tǒng)通信架構(gòu)簡明化原則,以及地下車庫的車道和車位分布情況,共劃分為3個控制區(qū)域,每個區(qū)域1個小型掛壁控制箱,在地下車庫配電室放置數(shù)據(jù)集中控制箱,采集區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)后,與上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

地下車庫智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖8所示。

圖8中,以太網(wǎng)主站PLC可作為主站管理本區(qū)域內(nèi)的所有以太網(wǎng)設(shè)備,又可作為從站與數(shù)據(jù)集中控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。經(jīng)系統(tǒng)運行后測算評估,相對于傳統(tǒng)照明方式,智能樓宇照明系統(tǒng)能夠節(jié)省約35%的能耗,同時節(jié)省了人工維護(hù)的成本。

圖8　地下車庫智能照明區(qū)域系統(tǒng)通信架構(gòu)圖

5　結(jié)　語

本文以工業(yè)以太網(wǎng)主站PLC為核心,構(gòu)建了具有4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的智能照明系統(tǒng)。實踐應(yīng)用證明,智能照明系統(tǒng)可顯著降低樓宇能耗、人工成本,提高燈具使用壽命,具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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Application of Industrial Ethernet Master PLC in Intelligent Building Lighting

XUE Ji

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

This paper introduced the hareware and software designs of industrial Ethernet master programmable logic controller(PLC),and elaborated a overall scheme of intelligent lighting system,which was built with the industrial Ethernet master PLC as the core.It is pointed out that the intelligent lighting system has the intelligent functions including loop control of multimode scene,energy metering,status monitoring and remote management,which can improve the service life of lighting equipments.The actual operation of intelligent lighting system results show that compared with the traditional lighting system,the intelligent lighting system can save about 35% energy consumption and reduce the maintenance costs.

industrial ethernet; programmable logic controller(PLC); intelligent lighting system; verall scheme

薛吉(1978—),女,高級工程師,從事現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)。

上海人才發(fā)展資金資助項目(201533)

TU 855

B

1674-8417(2016)06-0040-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.010

2016-05-03