高校教室照明节能自动控制系统设计

摘 要：针对目前高校教室照明系统中，传统的人工管理方式效率低下、人走灯亮的长明灯情况普遍、用电浪费明显的现状，设计了一种照明节能自动控制系统。控制系统以PLC为中央控制器，控制现场底层设备的工作。使用C#语言开发的PC端上位机软件，与PLC以Modbus协议进行通讯，作为照明控制和监测平台。设置了休息日、节假日、寒暑假等符合高校工作时间的工作模式，实现教室照明的自动控制，避免了不必要的照明用电，起到节能降耗的效果。同时，在上位机软件上还能够直接控制教室现场灯具，监测灯具使用情况，包括开关状态、今日使用时间、累计工作时间等，方便工作人员管理。

关键词：教室照明 节能 PLC C#

中国分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0002-03

据教育部公布，截止2013年6月，全国共有2621所高校（包括全国普通高校共1909所、民办普通高校共295所、成人高校共415所、民办成人高校共计2所），且每个高校不止一幢教学楼。近几年来，随着高校的扩招，学生数量大幅增长，大学教学楼的数量也增加很多。由于大学开放型的管理模式，以及学生们节能意识的淡薄，教室里在白天室内照度充足的情况下，仍普遍存在开灯学习的现象，即使教室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明灯。在许多教室里，长明灯和人走不熄灯的现象普遍存在[1-2]。据测算，照明耗电占学校建筑耗电的40%左右。

该文设计一种照明节能自动控制系统，利用PLC为中央控制器，控制现场底层设备的工作。使用C#语言开发的PC端上位机软件，与PLC以Modbus协议进行通讯，作为照明控制和监测平台。设置了休息日、节假日、寒暑假等符合高校工作时间的工作模式，实现教室照明的自动控制，实现智能管理而且节约能源。

1 建筑照明能耗标准

1.1 建筑照明节能评价方法

目前对建筑照明能耗进行计算的计算模型并未统一[3]，目前国际上常用的照明能耗计算方法有比利时计算法、欧洲EN15193标准法等。在我国，根据GB50034-2004《建筑照明设计标准》，建筑电气设计上普遍采用LPD（lighting power density，照明功率密度）来评估照明设计是否节能[4-6]，其定义为：

其中，为室内装设光源（包括镇流器）的功率之和，单位为W；S为房间面积，单位为m2，即单位面积上的照明安装功率（包括光源、镇流器或变压器），单位为。

根据GB50034-2004《建筑照明设计标准》规定[7-8]，学校建筑的LPD值不应超过表1的规定数值，否则即为不够节能的照明设计。

1.2 节能潜力分析

假设教室的照明设计符合国家节能标准，以教室的照明功率密度为10W/m2计算，一个标准教室的面积为96m2，假设每天正常用电时间为15h，每个教学年度按270日计，一个学校教室数量为200间，节电率以平均30%计算，则一年可节电2.33*105kWh，节约电费12～20万元。（以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分）。因此，研究大学教室的节能照明自动控制系统，在满足学校照明需求的基础上，实现大学教室照明的节能自动控制，不仅能满足室内人员对照明的要求，又节能降耗，延长灯具寿命，降低运行费用，简化节省配电控制设备和管线工作量，课件照明节能潜力巨大，以成为建筑节能不可或缺的一部分。

2 控制系统整体方案

2.1 控制系统结构

照明节能自动控制系统采用“上位机―PLC―现场节点”的结构，以“集中管理，分布执行”的方式控制系统中的各个设备，控制系统结构如图1所示。

系统中，采用西门子S7-200（XP224）型PLC作为下位机，PC作为上位机。在上位机软件中，工作人员登录系统后，可以在软件里设定特定教室一周的课表，课表数据将发送到PLC保存，同时保存在上位机内。PLC接收到课表数据后，将会按照课表上安排的上课时间段控制教室的照明灯具的开关，以达到照明的自动控制，避免不必要的照明造成浪费，节省电能。工作人员可以在上位机软件随时修改特定教室的课表，更改课程时间，也可以直接远程控制教室灯具的开关，使控制更为灵活。在上位机软件可以监控特定教室的灯具的使用情况，包括实时开关状态、灯具使用时间等，数据可以在上位机上保存，使工作人员能够方便地管理教室照明设备，统计分析照明数据。系统包括自动控制和人工手动控制两种控制模式，除了根据课表自动控制教室，在教室现场可以人工开灯和关灯。

2.2 控制系统的控制策略

该控制系统主要采用的是基于时间控制的控制策略，并针对高校教室工作时间进行调整，具体控制策略如下。

（1）正常工作日时间。

在周一至周五的工作日里，系统根据教室的课表时间控制灯具开关。根据高校课程的时间安排特点，将上午第一、二节课设定为8点至9点35分，第三、四节课设定为10点05分至11点40分；下午第五、六节课设定为14点30分至16点05分，第七、八节设定为16点35分至18点；晚课时间设定为19点30分至22点。有课的教室将在对应时间段开灯，课间时间段不关灯，在上、下午及晚课的最后一节课下课后自动关灯。

（2）休息日时间。

在休息日时间，控制系统白天不开灯，由教室根据现场需要人工开灯。下午18点之后，只开启三分之一的灯具，在22点之后，控制系统将检查并关闭所有灯具。

（3）寒暑假时间。

在寒暑假时间，控制系统将不开启所有灯具，并在每天的中午12点及晚上22点检查并关闭所有灯具。

3 控制系统硬件设计

根据对广东某高校教学楼的实地考察，其教室内的灯具采用统一布局。灯具类型使用36W日光灯，中等规模的教室一般安装有9根日光灯，其分布如图2所示。

高校教室一般将每一排的三个灯具作为一组，共前中后三排，教室里的开关总是一次性控制一排三个灯具开关。因此，该系统沿用这种控制特点，将教室的9个灯具分布分为三部分，按照前中后的位置划分为一号、二号、三号灯具。

4 控制系统上位机软件设计

上位机软件运行于该控制系统的最上层，是控制系统的控制核心，也是整个系统的监控平台，实现控制PLC、直接控制现场灯具、监控灯具运行状况、统计灯具运行时间等功能。该控制系统上位机软件使用C#语言编写，利用.Net技术提供的丰富资源，能够方便地实现上位机的各项功能。

该控制系统的控制策略主要是以时间为依据的，同时，针对高校教室使用时间的特殊性，该设计提出了基于课表时间来控制各个教室灯具工作的方法。其基本思想为，根据该教室的课表时间数据，当系统判断当前教室处于上课时间时，将控制灯具工作，处于下课时间时，在一定的预留时间之后，便自动关闭灯具。

上位机软件的基本工作流程如图3所示。

4.1 人机交互界面设计

上位机交互界面如图4所示。在该界面上，用户可以方便直观地输入课表数据，也可以直接对现场的灯具进行开关控制。

4.2 现场照明灯具监控

上位机作为控制系统的监控平台，能够监测现场灯具的使用状态，使工作人员能够在平台上直观地了解现场各灯具的开关状态及工作时间，当灯具工作时间超过其寿命时，系统将提出警报，提示工作人员进行更换。监控功能的工作流程如图5所示。

要实现监控灯具状态的功能，需要上位机软件不断地查询PLC线圈的开关状态。可以使用Modbus协议的第1号功能，该功能能够读取PLC的数字量输出口的开关状态，发送欲读取的输出线圈地址及线圈数量，PLC成功接收数据后便能返回对应的线圈的状态。上位机监控界面如图6所示。

5 结语

该设计在广州某高校教学楼一50人中小型教室进行了一个月的测试，测试结果显示，在未使用该系统之前，该教室灯具的平均每日使用时间为10.3小时，使用该系统之后，灯具的平均每日使用时间为8.6小时，有效降低了灯具的不必要工作时间。教室使用灯具为36W日光灯，按当地非高峰期用电电费0.61元/千瓦时计算，每个教室每月节省电费约为10元。当高校教室较多，系统长期投入工作的情况下，节能量较为可观。因此，该系统起到了节能降耗，减少工作人员工作量的作用，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 薛莲同.大型建筑智能化照明远程控制系统设计[J].电气应用，2014（24）：119-123.

[2] 胡春玉.楼宇绿色智能照明系统的研究[J].电气应用，2014，33（22）：119-123.

[3] 姜涛.高校教室节能照明改造与设计[J].照明工程学报，2014，25（5）：40-45.

[4] 王飞翔.我国办公建筑的照明节能评价方法的探索[J].照明工程学报，2014，25（3）：50-57.

[5] 徐进.智能化照明系统的研究[J].照明工程学报，2010，21（2）：15-19.

[6] 孙宗智.一种智能照明控制系统方案的研究[J].信息技术与信息化，2010（1）：53-55.

[7] .智能控制系统在照明中的应用[J].电源技术，2013，37（6）：1052-1054.

[8] 沈瑞珠.智能照明系统在智能建筑中的应用[J].低压电器，2002（5）：20-22.