基于S7-1212C PLC的立体停车库智能照明系统设计

张 伟

（上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063）

0 引言

随着“十三五”以来城市现代化建设的不断推进，汽车保有量也不断增加。作为交通枢纽、市政商业以及高层建筑的基础附属设施，停车库的重要性日益凸显。停车库的2 项基本功能是照明和车辆停放，由于人们工作和生活时间的相对规律性，因此，高峰时段和低谷时段存在明显差异。虽然停车库不是随时都有车辆进出，但传统停车库的照明系统却保持24 h 常亮的状态，这就在使用过程中造成了能源的大量浪费[1]。

传统停车库照明基本采用手动区域控制或者回路开关控制，存在以下5 个问题：1） 不能根据作息时间、车流量和车辆进出智能感知调整其运行时间。2） 不能实现区域照明的实时监测和故障报警。3） 不能定制各种场景模式。4） 缺乏大数据共享与分析的能力。5） 不能远程分析整个停车库各区域照明的运行状态，只能通过人工目视巡检，物业维护工作量大，运营管理成本高。

因此，笔者针对浦东机场露天立体停车库存在的问题，设计了基于可编程控制器S7-1212C PLC 的分布式智能照明控制系统。该系统根据高可靠性的工业级标准对产品进行设计。构建了远程集中管理和区域分布式控制的模式，实现了对停车库照明系统智能化的设计以及对其运营状态的监控。该设计可以根据不同要求和不同使用时间实现对照明系统的开闭进行整体、每栋、每层以及每个区域的分别控制，并结合雷达传感器实现区域照明闭环控制，达到按需照明和节能的效果，从而实现集绿色、节能和智慧化为一体的立体停车库照明设计[2]。

1 立体停车库照明系统控制方案设计和应用架构

该立体停车库项目采用的智能照明控制系统，融合了先进的工业可编程控制、雷达智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 软件管理平台等技术。整体系统基于以太网星型光纤主干网和分布式RS485 总线的通信架构，并通过单模光纤和屏蔽双绞线作为连接链路的物理介质，可以实现停车库照明软件系统平台对停车库每层终端可编程控制器S7-1212C PLC 的直接监控和信息交互，方便对停车库进行高效可靠的运维管理。同时系统软件平台设计和硬件架构充分考虑了易于扩展和多客户端监管的需求，并预留了OPC Server 数据接口，可以扩展楼宇BA 等交互信息[3]。

1.1 系统控制方案设计

浦东机场立体停车库包括A、B、C 和D 共4 栋大型敞开式公共停车库和高架桥进出连廊，每栋停车库地上8 层，每层楼的照明控制柜包括2 台应急照明控制柜和4台普通照明控制柜，在应急照明配电间旁还设置了弱电间。每层楼的6 台照明控制柜都配备了可编程控制器S7-1212C PLC。将其中1 台应急照明PLC 设定为主站控制器，其他5 台PLC 设定为从站控制器，通过RS485 屏蔽双绞总线进行手拉手通信连接。主从站PLC 控制5 路DO照明回路，并通过接触器常开触点反馈信号对PLC IO 进行监控。主从站PLC 管控车库区域的主入口和出口都配备了雷达传感器，可以对移动车辆和人进行探测，并将信号反馈到PLC IO 作为照明回路开关的闭环条件。

1.2 系统应用架构

浦东机场立体停车库智能照明系统软件管理平台的拓扑结构属于B/S 浏览器/服务器模式控制系统，立体车库中心机房的照明服务器通过网管型核心交换机星型扩展到所有弱电间的汇聚交换机，并通过超六类网线连通应急照明配电间的主站S7-1212C PLC，实现远程集中管理和分布式控制架构。另外，立体停车库智能照明系统还提供了OPC Server 数据接口，可以与立体车库的智慧停车和智能安防等系统进行综合对接，提供更多的智能控制方案。

根据立体停车库照明系统的总体应用需求，网管型核心交换机采用插拔式设计，后期可以根据规模扩展添加配置，软件平台也充分考虑了数据扩展和接口，系统具有整体容量大、可扩展性强和安全性能高的优点，充分满足了立体停车库后期系统扩容的需要。

2 立体停车库照明系统交互协议设计

立体停车库远程智能照明系统软件管理平台与每层应急照明配电间的S7-1212C PLC 之间基于Modbus TCP 通信协议进行数据交互。软件管理平台作为Modbus TCP 主站、S7-1212C PLC 作为Modbus TCP 从站，主站平台和A、B、C、D 4 栋楼每层Modbus TCP 从站的PLC 分别分配10.54.52.某局域网段的唯一IP 地址[4]。

每层应急照明配电间的S7-1212C PLC 与其他5 台S7-1212C PLC 之间基于Modbus RTU 通信协议进行数据交互。应急照明配电间的PLC 为Modbus RTU 主站，其他5 台PLC为Modbus RTU 从站，主站PLC 与5 台从站PLC 分别分配1～254 的唯一ID 地址[5]。

2.1 软件平台与每层PLC 交互控制

2.1.1 实时监控命令

软件管理平台与每层应急照明配电间的S7-1212C PLC 之间的实时控制命令交互字地址为MW100，应急照明配电间的主站PLC 对实时控制命令字进行解析，通过广播或者单播分发到从站PLC 并执行，实时控制命令字格式组成如图1 所示。

图1 实时控制命令字格式图

2.1.2 照明控制策略

立体停车库每层PLC 可以通过雷达传感器闭环控制照明DO 的输出，也可以通过远程管理平台实现回路控制、分组控制、分层控制、分栋控制以及整栋控制等模式的切换，按照立体车库运营需求预设每层PLC 开闭控制策略，对照明进行定时控制。每层PLC 可预设定制200 条以上的策略，实现四季灵活的智能化管控。照明控制策略数据交互区域和格式组成如图2 所示。

2.2 每层主站PLC 与从站PLC 交互控制

2.2.1 控制命令中转

每层应急照明配电间的PLC 作为Modbus TCP 从站和Modbus RTU 主站，不仅可以周期轮询本站和5 台Modbus RTU 从站的照明数据并上传至远程软件管理平台；而且还可以解析远程软件管理平台发送的实时监控命令和照明控制策略，或者解析同步存储于本地定时触发的照明控制策略，并通过广播或者单播转发到对应从站PLC 执行。

2.2.2 从站PLC 照明控制和数据采集

立体车库每层的从站PLC 可以根据雷达传感器闭环控制照明回路的输出，接收Modbus RTU 主站的照明控制命令或者数据采集报文，并进行识别解析、执行命令和上传数据等工作，雷达传感器模式和智能控制模式可以远程控制软件平台的切换。从站PLC 实时采集本站PLC 的DO输出、DI 输入的状态数据，并在本地进行存储和更新，满足Modbus RTU 主站数据轮询的需要。

3 立体车库照明软件系统设计

立体车库智能照明系统采用集中管理、分层分布式控制架构，软件管理平台基于C#语言开发出B/S 系统架构，可以通过Internet 或者局域网随时进行WEB 访问，并提供OPC Server 数据接口，与立体车库的智慧停车和智能安防等系统进行对接。Modbus RTU 主站和从站S7-1212C PLC 程序是基于西门子TIA 博途而开发的，其采用了符合IEC61131-3 标准的LD 和FBD 语言。

3.1 主从站PLC 梯形图程序设计

每层应急照明配电间的PLC 作为Modbus TCP 从站和Modbus RTU 主站，包括Modbus TCP 通信设置、Modbus RTU MASTER 设置、控制命令转发和轮询Modbus RTU 从站等梯形图程序设计[6]。

3.2 智能照明软件平台设计

根据浦东机场立体停车库智能照明系统的运营需求，开发设计了智慧B/S 软件管理平台，共包括4 个交互界面功能模块[7]：1） 实时监控。它可以监测开关状态，还可以切换“手动控制”、“策略控制”以及“雷达控制”等模式。2） 故障检测。它是负责对回路的开关错误等故障进行检测和报警，同时对系统历史数据进行分类追溯查询。3） 用户管理。该模块可以添加、编辑以及删除管理用户，还可以设定用户名和密码，对登录人员进行登记等。4） 策略控制。该模块是按照运营需求预设控制策略，策略控制可预设定制200 条及以上的策略。

图2 照明控制策略数据交互区域和格式图

4 运营模式和节能效益

浦东机场立体停车库照明系统可以根据运营需求切换成手动控制、策略控制和雷达控制模式，为了满足按需照明和节能减排的需求，立体停车库照明系统采用策略控制和雷达控制相结合的管控模式[8]。白天07：00～17：00时间段内光照度充足，适合采取雷达控制模式，应急照明回路常亮，普通照明回路根据车辆和人员的出入开启，持续1 min 后关闭相应区域的照明系统，亮灯概率为60%。前半夜17：00～24：00 时间段内光照度低且车辆出入较为频繁，适合采取策略控制模式，全部照明回路常亮，前半夜起始时间策略控制根据节气预设自动调整，亮灯概率为100%。后半夜00：00～07：00 时间段内光照度低且车辆出入较为稀少，适合采取雷达控制模式，应急照明回路常亮，普通照明回路根据车辆和人员的出入开启，持续1 min后关闭相应区域的照明系统，亮灯概率为40%。根据以上运营控制设定原理可以计算出浦东机场立体停车库智能照明控制与传统24 h 运营模式相比，其节能率为34.17%。因为全部采用LED 灯具，所以比传统停车库照明系统的节能率更高。

5 结语

照明是1 个城市重要的基础设施，是改善和提升城市品质的重要环节。“十三五”时期是全面建成小康社会的决胜阶段，推进新型城镇化，实施城市绿色照明，节约能源、保护环境成为城市建设管理工作的重点任务之一。相关人员应该有序推进绿色照明产品和技术的应用，坚持科技创新，加快建立全国信息化平台，提高城市照明建设管理水平，科学合理地推进城市绿色照明工作[9]。上海浦东机场立体停车库智能照明系统基于以太网星型光纤主干网和分布式RS485 总线的通信架构，融合了先进的工业可编程控制、雷达智能感知、奇偶照明回路以及智慧B/S 软件管理平台等技术，从而达到“人、信息交互系统以及低碳环保照明”的无缝结合。提升了浦东机场立体停车库照明的信息化和自动化管理水平，大幅降低了立体停车库照明的综合运营和管理成本，实现了较高的社会效益和经济效益，从而促进了建立资源节约型、环境友好型城市的发展步伐。