CN105353779A - 一种基于plc的建筑水平外遮阳角度调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，包括电动遮阳板、PLC控制器、传感器组件以及A/D转换器，传感器组件实时采集位置信号、光信号、风信号和雨雪信号后通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后传输入PLC控制器，PLC控制器根据遮阳板所在纬度的太阳高度角与方位角变化，设置电动遮阳板的转动轨迹，PLC控制器根据接收到的实时传感器信号进行逻辑信号处理，将控制指令通过输出端传入电动机，电动机根据PLC控制器的输出信号转动，从而驱动轮轴与拉绳控制电动遮阳板角度的变化。本发明能够根据建筑本身的结构特点、性质以及当地的日照情况通过PLC内部程序的编写设定根据时间变化的遮阳板角度自动调控功能，无需人工调节。

Description

一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统

技术领域

本发明属于建筑材料和太阳能领域，具体涉及一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统。

背景技术

节能建筑在欧洲发达国家起步较早，其主要措施为：改善建筑结构的保温性能、采用节能设备以及最大限度地利用天然能源。其中，天然能源主要是太阳能，而对于太阳能的利用主要体现在建筑的遮阳系统上。欧洲发达国家经过多年的实践与发展，开发出了许多形式不同、各具特色的遮阳产品：

(1)条形板固定式遮阳帘，可根据不同地区的日照情况及建筑物不同部位的要求，通过选用不同开口率的龙骨，来决定条形板遮阳片的布置角度，从而达到不同透光率的要求。

(2)机翼型遮阳板，机翼型遮阳板因其极高的抗风压能力、更灵活的结构形式及对光线更合理的折射角度，一经推出，立即得到广泛应用。机翼型的遮阳板可根据不同的要求做成固定、电动可调及智能调控三种形式。目前该型产品也是欧洲应用最广泛的遮阳产品。

(3)百叶帘，由于百叶帘具有可以升降又可以调节角度的特性，使遮阳与采光、通风之间达到了平衡，因而在办公楼宇及民用住宅上得到了很大的应用。

但是在我国，以往的建筑更加注重建筑的外在形式，很少考虑建筑在遮阳、节能方面的要求，所以目前国内建筑中很少见到合理、有效的遮阳系统。

随着国际和国内的能源形势越来越趋于紧张，且将在长时间范围内存在。面对不断涌现的高档建筑，在保证其室内工作环境舒适性指标(光照、温度等)的情况下，如何更合理、高效地利用天然能源，己越来越得到各级政府部门和相关科技人员的重视。

我国现有的传统遮阳产品只是简单地遮住阳光，阻隔太阳辐射和避免眩光。目前的建筑物遮阳设备包括室内遮阳百叶、室外遮阳蓬、室外遮阳板等形式，有固定安装、人工控制、借助电动装置人工操作等几种控制方式。

目前，多数建筑遮阳时遮阳角度由管理人员自行控制，如室内达不到预期的舒适度时，立刻采取相应的措施，这种人为的控制办法，存在着管理人员工作强度大，同时不能实时监控具体环境条件的数值，进而不能立刻采取相应的措施，例如下雨时不能及时关闭遮阳板、阴天时不能及时开启遮阳板等等，这些都会间接影响建筑内部人员的工作与生活环境。

因此这些控制方式主要有如下缺陷：(1)自动化水平不高，降低了人们的生活质量；(2)不能与楼宇其它系统联动，不能实现网络化控制；(3)对入射的太阳光没有良好的控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统。PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，是一种取代传统继电器控制装置专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点，但目前还未见基于PLC的遮阳板角度自动控制的相关技术。

技术方案：本发明的一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，包括电动遮阳板、PLC控制器、传感器组件以及A/D转换器，所述传感器组件实时采集位置信号、光信号、风信号和雨雪信号后通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后传输入PLC控制器，PLC控制器根据遮阳板所在纬度太阳高度角与方位角的变化设置电动遮阳板的转动轨迹，同时，PLC控制器根据接收到的实时传感器信号进行逻辑信号处理，将控制指令通过输出端传入电动机，电动机根据PLC控制器的输出信号转动，从而驱动轮轴与拉绳控制电动遮阳板角度的变化；其中，所述传感器组件包括光传感器、位置传感器、雨雪传感器和风速传感器。

进一步的，所述电动遮阳板安装于窗户上方的墙壁上，墙壁顶端的横梁内设置有轮轴，轮轴内设有连动杆，轮轴上套有与电动遮阳板相连接的拉绳，正反电极驱动连动杆从而带动轮轴的正反转动，同时驱使拉绳的伸缩，最终实现调整电动遮阳板的开/闭。

进一步的，所述拉绳的顶点与墙壁的接触处安装有位置传感器，电动遮阳板上远离墙壁的一端设有风速传感器，电动遮阳板上面朝室外的一面安装有光传感器；窗户的底部安装有雨雪传感器。

进一步的，所述PLC控制器通过TCP/IP协议与分布在遮阳板附近的手动控制器通讯。

进一步的，所述位置传感器、光传感器、风速传感器以及雨雪传感器均与PLC控制器的输入端连接，而PLC控制器的输出端通过开关控制器连接于电动机。其中，电机为螺旋线型驱动装置，使用三相电源380V，与电源箱可安装在遮阳板附近。

进一步的，所述光传感器设定强度，当日照光低于设定值时，代表当日为阴天；所述风速传感器根据遮阳板的机械强度设定风速等级，当风力超过设定极限值时，代表当日风力对遮阳板有害，应该闭合遮阳板保护其不受损伤；所述雨雪传感器能测定是否有室外的雨雪进入室内，如果有，则代表当日雨雪已经影响到室内，应该闭合遮阳板防止雨水进入室内。这三种传感器的相应动作能够自动进行，可以在恶劣的气候条件下保证遮阳板的安全使用。

有益效果：本发明将PLC应用于电动遮阳板角度的自动调控系统中，根据建筑本身的结构特点、性质以及当地的日照情况通过PLC内部程序的编写设定根据时间变化的遮阳板角度自动调控功能，无需人工调节；另外本发明通过安装在不同位置的传感器解决现有建筑遮阳系统中因没有能实时监控具体气候环境的系统设备，无法实时检测气候条件从而导致不能及时采取应对措施的问题。

综上所述，本发明中的遮阳角度PLC自动控制系统与建筑水平遮阳板的配合使用，该系统是由中央处理器、A/D转换器、液晶显示屏组成的中央处理单元组成，主要放置在建筑内部的监控室或者管理运行部门。本发明实现以时间设定为原则进行遮阳角度调控，同时自动实时监测风速、雨雪程度与光度，有效提高调控遮阳板角度的准确性；同时减少遮阳板角度调控所需的人工，降低了人力成本。

本发明将PLC控制方式成功地引入遮阳控制系统领域，丰富建筑遮阳的智能控制技术，实现节能的目的，也为今后遮阳自动化技术的发展探索了一条行之有效的道路，具有广阔的发展空间。本发明在智能遮阳控制领域具有很好的应用前景和实用价值。同时在世界能源日趋紧张的今天，本发明将为遮阳产品的开发与发展提供新的思路，有益于遮阳产品多样化的开发。本发明的成果进一步推广应用，将推动建筑节能领域新技术、新产品的快速发展，有效地降低建筑的能耗，减轻建筑本身对于环境的负面影响。并且可带动相关产业在江苏乃至全国的进步与发展，同时将带来巨大的经济社会效益，对贯彻落实国家关于“资源节约型、环境友好型”两型社会发展的指导方针具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为本发明的安装示意图；

图3为整体结构示意图；

图4为实施例1中PLC控制器与其他硬件之间的连接示意图；

图5为实施例1中基于建筑节能的外遮阳系数在冬夏季的变化规律计算结果示意图；

图6为实施例1中3月1日基于遮阳效果的遮阳系数示意图；

图7为实施例1中各个信号传感器的信号传输示意图；

图8为实施例1中PLC控制器中对时程序示意图；

图9为实施例1中遮阳板的转动程序示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1至图3所示，本发明的一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，包括电动遮阳板、PLC控制器10、传感器组件以及A/D转转器12，所述传感器组件实时采集位置信号、光信号、风信号和雨雪信号后通过A/D转转器12将模拟信号转换为数字信号，然后传输入PLC控制器10，PLC控制器10根据遮阳板所在纬度太阳的高度角与方位角变化设置电动遮阳板的转动轨迹(不同地区的太阳高度角与方位角是根据遮阳板所在地区的赤纬、时角与地理纬度通过公式计算所得，有关数据可以通过文献资料查找，比如刘琦、王德华主编的《建筑日照设计》，也可以直接查询有关日照设计的软件，比如太阳测量师等)，同时，PLC控制器10根据接收到的实时传感器信号进行逻辑信号处理，将控制指令通过输出端传入电动机9，电动机9根据PLC控制器10的输出信号转动，从而驱动轮轴5与拉绳3控制电动遮阳板角度的变化；其中，所述传感器组件包括光传感器13、位置传感器4、雨雪传感器7和风速传感器。

光传感器13是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长，可采用ROHM光亮度传感器LSI(BH1600FVC)。

位置传感器4是能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器。它能感受被测物的位置并转换成可用输出信号的传感器，可采用OMRON光纤型号E32-T11R传感器。

雨雪传感器7是利用雨水的导电特性检测有无降雨；对于降雪，则先借助电加热融化雪为水，然后检测，本发明中可采用华控兴业的KY-YX型雨雪传感器7。

风速传感器是用于测量空气流动速度或者风量的传感器，利用传感器的自身发热，而风的速度与传感器的发热量成正比，通过这种方法将风速变换为电压，本发明采用YGS-FS风速传感器。

具体来说，PLC控制器10收到A/D转转器12转换后的数字信号后，根据PLC控制器10内部预先设定的角度调整方案控制电机的正反转动以及正反转动的角度，由此带动连动杆6和轮轴5的运转，从而驱动轮轴5与拉绳3控制电动遮阳板角度的变化。其中，轮轴5正转驱使拉绳3拉伸，使遮阳板闭合，与窗户1角度变小；轮轴5反转驱使拉绳3缩短，使遮阳板张合，与窗户1角度变大。在整个上述控制过程中，PLC控制器10通过TCP/IP协议与分布在遮阳板附近的开关控制器11通讯

实施例1：

本实施例中的遮阳调控系统设计以南京地区典型气象年气象为依据，对该地区居住建筑南向外墙遮阳板的构造进行建模分析，根据遮阳板在不同遮阳角度下的遮阳系数进行分析比较，探索适应南京地区建筑南墙外窗活动水平外遮阳的调控策略。

南京属于典型的北回归线以北的夏热冬冷型城市，应采用水平式外遮阳，方可达到最佳遮阳效果。而冬季寒冷、夏季湿热的气候特点决定了南京地区住宅建筑节能必须兼顾冬夏两季。住宅建筑外窗需要采用随太阳高度角和方位角进行调节的可调控式遮阳，以满足对遮阳效果的要求。

本实施例中，朝阳的窗户1取长为1.5米，宽1.5米，遮阳板长度宜取0.4米，遮阳板距窗户1上沿的距离宜取0.4米。因此，窗户1的高度为h,取1.5m；窗户1上沿与遮阳板的距离为d，取0.4m；遮阳板与建筑窗户1的角度为φ；遮阳板的长度为W，取0.4m；遮阳板与拉绳3顶端的距离为a，取0.2m；拉绳3底点与建筑外墙之间的遮阳板长度为b，取0.2m；拉绳3底点与拉绳3顶点之间的拉绳3长度为c，

其中，位置信号由位置传感器4传出，安装在拉绳3顶点与墙壁2的接触处，同时在拉绳3中不同的长度位置安装芯片，当拉绳3中的芯片与位置传感器4相接触时，向PLC控制器10发出位置信号。比如，当遮阳板与窗户1的角度是90度时，拉绳3的长度c大约为0.566m，那么以拉绳3与遮阳板的接触点为起始点，在拉绳3的0.566m处放置内芯，当此内芯接触到位置传感器4时，PLC控制器10便接收到位置信号。在本实施例的内芯位置设置中，将电动遮阳板角度调整的精度设定为10度。芯片的放置位置如表1所示：

表1芯片位置表

遮阳板角度	芯片位置
		0度	0.8m
10度	0.796m
		20度	0.788m
30度	0.773m
		40度	0.752m
50度	0.725m
		60度	0.693m
70度	0.655m
		80度	0.613m
90度	0.566m

而另外三种气象传感器：光传感器13设定强度，当日照光低于设定值时，代表当日为阴天；风传感器根据遮阳板的机械强度设定风速等级，当风力超过设定极限值时，代表当日风力对遮阳板有害，应该闭合遮阳板保护其不受损伤；雨传感器能测定是否有室外的雨水进入室内，如果有，代表当日雨水已经影响到室内，应该闭合遮阳板防止雨水进入室内。

PLC控制器10采用TCP/IP协议与分布在遮阳板附近的现场控制器通讯，主要用于传达控制主机的控制指令和反馈遮阳板状态。本实施例中，通过RS232接口与三菱FX2N-32MR进行通讯，并对整个控制系统进行在线监控，其硬件连接如图4所示。

在本实施例中，遮阳板角度调控的确定原则如下：

(1)建筑外窗遮阳措施的另一个重要功能是阻断直射阳光透过玻璃进入室内降低室内温度和空调负荷，从而降低建筑能耗，达到节能效果。因此遮阳板角度也应参考基于建筑节能因素的遮阳系数进行确定，其定义是采用外遮阳措施后建筑外窗太阳辐射引起的全年建筑能耗与无遮阳时，建筑外窗太阳辐射的外遮阳系数引起的全年建筑能耗的比值，表达公式如下：

$SD=\frac{q_2-q_3}{q_1-q_3}$ (式1)

式中q₁为建筑模型无遮阳情况下，模拟得到的建筑能耗；q₂为对外窗设定遮阳板后，模拟得到的建筑能耗；q₃为对外窗设定窗玻璃遮阳系数为零，但外窗不设遮阳措施，模拟得到的建筑能耗。

而计算公式如下：

夏季：SD_C＝a_cPF²+b_cPF+1(式2)

冬季：SD_H＝a_HPF²+b_HPF+1(式3)

式中a、b为拟合系数，根据(式1)在能耗计算中按照二次回归拟合得到，针对本次研究对象，夏季a_c取值0.35、b_c取值-0.65；冬季a_H取值0.10，b_H取值-0.45。其中式中W为遮阳板长度；H为遮阳板到窗户1下沿的距离，H＝h+d＝1.5+0.4＝1.9m；θ为遮阳板与墙壁2外窗之间的角度。

南京地区南墙窗户1的水平遮阳板各段角度在冬夏季基于建筑节能的外遮阳系数在冬夏季的变化规律计算结果如下图5所示。

图5中横坐标为遮阳板与外窗形成的角度，纵坐标为遮阳板基于建筑节能因素计算出来的遮阳系数。如图5所示，当遮阳板在遮阳角度10度至60度调节时，遮阳系数是呈稳步下降的趋势；而当遮阳板的角度调节在60度与90度时，遮阳系数的计算值趋于稳定，并且冬季遮阳系数稳定于0.88，夏季遮阳系数稳定于0.9。因此，从遮阳系数可以看出，遮阳板在60度至90度调节时，遮阳系数处于稳定状态，节能效果基本一致。

(2)建筑遮阳应尽量采用自然光，同时保证建筑最大限度的自然通风与自然景观。因此遮阳板角度可采用基于遮阳板遮阳效果的遮阳系数进行确定。遮阳系数是指遮阳板在太阳光照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值，计算公式可表示为：

$K=\frac{W_{ime}}{H}=\frac{\frac{W\·sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{cosr}}_{s,w}\×{\coth }_s}+W\·cos\mathrm{\θ}}{H}$ (式4)

式4中，W_ime为遮阳板形成的阴影长度；H为遮阳板到窗户1下沿的距离，H＝h+d＝1.5+0.4＝1.9m；W为遮阳板长度；θ为遮阳板与墙壁2外窗之间的角度；r_s,w＝|A_s-A_w|，A_s为太阳方位角，A_w为墙面方位角；h_s为太阳高度角，sinh_s＝sinφsinδ+cosφcosδcosw，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬角，w为当时的太阳时角，w＝(t-12)×15°，时间在0～24时之间，每间隔1h相差15°。

以3月1日为例，各个时间段的基于遮阳效果的遮阳系数计算结果如图6所示。3月1日正是南京的春季，阳光明媚，因此室内应该尽量提高自然光的采光率与自然通风。通过上表可以发现，在3月1日的各个时间段，遮阳板的遮阳效果整体上并非是随着遮阳角度的增大而减小的。在遮阳角度在60度至70度时，遮阳系数的值达到峰值，然后才随着遮阳角度的减小而减小。因此，在遵循尽量提高自然光采光率的原则下，遮阳角度应该选择偏小的数值。

(3)因此，综合建筑节能与自然采光双重因素，3月1日遮阳角度的调控策略如表2所示：

表2遮阳角度调控策略

在本实施例1中，如图6所示，X5、X6、X7分别为风速传感器、雨传感器与光传感器13的输入信号，X0为遮阳角度为90度时的限位开关，X4为遮阳角度为0度时的限位开关，Y1为遮阳板闭合信号输出，当遮阳板上承受的风压超过设定值或当时为阴雨天气时，Y1便会有信号输出，使遮阳板闭合，直至遮阳角度为0度。

在PLC控制器10中，有7点实时时钟用的特殊辅助寄存器D8013～D8019，用于存放年、月、日、时、分、秒和星期。图8中的D8015为存放0～23h的实时时钟用特殊辅助寄存器。根据表2与表3设置，当D8015＝8(8点钟)时，M12设置为1；当D8015＝9至15(9点钟至15点钟)时，M11设置为1；当D8015＝16(16点钟)时，M12设置为1。

表3遮阳角度设定

遮阳角度	90度	80度	70度	60度	0度
						中间继电器	M14	M13	M12	M11	M10

如图9所示，当实时时钟用的秒钟寄存器D8013与分钟寄存器D8014为0时，即为整点时间时，M0发出一个脉冲信号。于是，MO常开开关闭合，编码指令ENCO将X0开始的寄存器8位中最高位的1进行编码，编码存放在D0寄存器的低3位中；同时将M10开始的寄存器8位中最高位的1进行编码，编码存放在D1寄存器的低3位中。M1线圈得电自锁，接通比较指令CMPD0D1YO，当D0>D1时，Y0＝1，轮轴5正转，遮阳角度开始缩小；当D0＝D1时，Y1＝1，轮轴5保持不动，遮阳角度不变；当D0<D1时。轮轴5反转，遮阳角度开始扩大。

假设遮阳板在夜间的遮阳角度为0度，当时间到达8点整时，控制系统开始运作。在8点前，遮阳板遮阳角度为0度，输入信号X0为1，D0的编码结果为1，到达8点时，D8015＝K8，M12为1，于是D1的编码结果为3.经过CMPD0D1Y0指令进行比较，得D0<D1，Y2＝1，遮阳板角度扩大，当遮阳板角度扩大至70度，输入信号X2为1，D0的译码结果为3.于是D0＝D1，Y1＝1，轮轴5停止转动，辅助继电器M9～M14复位。

通过上述实施例，可以看出本发明的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统可以使遮阳板在PLC的控制下进行整体收放，在可调节遮阳板整体关闭状态下，不仅可很好地起到防盗作用，还可在PLC控制下，根据天气情况调节遮阳板旋转角度，控制遮阳板的开闭程度，选择性地使室内保持较好的气密性和较高的建筑热工性能，使室内保持较好的通风透光效果。

另外，本发明中还采用RS-485串行异步通讯，具有远程通讯功能，有利于与楼宇自动化系统挂接，可以方便地进行集中分布管理。

Claims (6)

1.一种基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：包括电动遮阳板、PLC控制器、传感器组件以及A/D转换器，所述传感器组件实时采集位置信号、光信号、风信号和雨雪信号后通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后传输入PLC控制器，PLC控制器根据遮阳板所在纬度的太阳高度角与方位角的变化设置电动遮阳板的转动轨迹，同时，PLC控制器根据接收到的实时传感器信号进行逻辑信号处理，将控制指令通过输出端传入电动机，电动机根据PLC控制器的输出信号转动，从而驱动轮轴与拉绳控制电动遮阳板角度的变化；其中，所述传感器组件包括光传感器、位置传感器、雨雪传感器和风速传感器。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：所述电动遮阳板安装于窗户上方的墙壁上，墙壁顶端的横梁内设置有轮轴，轮轴内设有连动杆，轮轴上套有与电动遮阳板相连接的拉绳，正反电极驱动连动杆从而带动轮轴的正反转动，同时驱使拉绳的伸缩，最终实现调整电动遮阳板的开/闭。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：所述拉绳的顶点与墙壁的接触处安装有位置传感器，电动遮阳板上远离墙壁的一端设有风速传感器，电动遮阳板上面朝室外的一面安装有光传感器；窗户的底部安装有雨雪传感器。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：所述PLC控制器通过TCP/IP协议与分布在遮阳板附近的手动控制器通讯。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：所述位置传感器、光传感器、风速传感器以及雨雪传感器均与PLC控制器的输入端连接，而PLC控制器的输出端通过开关控制器连接于电动机。

6.根据权利要求5所述的基于PLC的建筑水平外遮阳角度调控系统，其特征在于：所述光传感器设定强度，当日照光低于设定值时，代表当日为阴天；

所述风速传感器根据遮阳板的机械强度设定风速等级，当风力超过设定极限值时，代表当日风力对遮阳板有害，应该闭合遮阳板保护其不受损伤；

所述雨雪传感器能测定是否有室外的雨雪进入室内，如果有，则代表当日雨雪已经影响到室内，应该闭合遮阳板防止雨水进入室内。