基于PLC的智能照明控制系统研究.doc

本科毕业论文（设计）( 2016 届 ) 题 目： 基于PLC的智能照明控制系统研究 系 （部）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 潘倩 学号： 120815169 指导教师： 刘传洋 职称（学位）： 合作导师： 职称（学位）： 完成时间： 2016年 3月7日 池州学院教务处制 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文，是在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人（签名）：潘倩2016年 3 月 7 日 目 录 摘 要2Abstract 31 引言41.1选题的研究背景及意义41.2 PLC在国内外的研究现状51.3设计的主要内容和技术要求52 智能照明控制系统方案设计62.1系统控制方案分析62.2分区和分时控制方案的构想62.3智能照明控制系统的功能组成73 系统的硬件设计83.1 PLC的选型83.2 数据采集电路113.3 环境光采集电路113.4 人体存在传感器的工作原理123.5 PLC的外部接线图134 系统的软件设计134.1主程序流程图134.2 STEP7-Micro/WIN V 4.0编程软件144.2.1 软件介绍144.2.2软件界面154.3 I/O地址分配164.4梯形图程序174.5 程序清单19致谢21 摘 要 随着社会的不断发展进步，电力也被过度消耗，电能浪费现象严重，电力资源已然成为紧缺资源。该浪费现象也存在大学教室照明控制系统中。针对这种情况，从节约电能的角度出发，本文阐述了一种基于S7-200PLC代替传统的无人管理的手动控制的教室照明系统。 PLC是一种新型的通用自动化控制装置，具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点，完全满足学校教室的照明要求。本文将重点介绍照明系统的硬件设计和软件设计两个方面，其基本原理是以S7-200PLC为核心控制部件，由能感应人体存在的热释红外传感器和环境光检测电路组成的智能照明控制系统，能避免教室用电的大量浪费，从而达到节能的目的。最后，给出系统的的梯形图程序。关键词：教室照明系统；S7-200PLC；智能控制；节能 AbstractWith the continuous development and progress of society, power is also excessive consumption, electric energy waste phenomenon is serious, the power resource has already become scarce resources. The waste phenomenon also exists in a university classroom lighting control system. In view of this situation, from the perspective of saving energy of, it is expounded in this article a based on S7-200 PLC to replace the manual control of the unmanned management of traditional classroom lighting system.PLC is a new general automatic control device, has strong control function, high reliability, convenient and flexible to use, easy to extend the advantages, fully meet the requirement of school classroom lighting. This paper focuses on two aspects: the hardware design and software design of the lighting system and its basic principle is to S7-200 PLC as the core control unit, a human body induction in the presence of heat release infrared sensor and ambient light sensing circuit composed of intelligent lighting control system, can avoid the classroom with a large number of waste of electricity, so as to achieve energy-saving purpose. Finally, gives the system the ladder diagram program.Keywords: classroom lighting system; S7-200PLC; intelligent control; energy saving 1 引言 1.1 选题的研究背景及意义 如今，科学技术愈来愈发展，现代化程度也日益提高，随之而来的温室气体的加剧了全球气候变暖，资源也越来越枯竭，全球掀起了节能减排的浪潮，引起了世界和中国的政府的高度关注。能源，是国民经济发展的基础资源，中国政府高度重视能源的开发、利用和节约的工作。众所周知，电能是一种基本并且高效的能源，具有经济、简单、易于运输、无污染的的特点。电能通过转换装置高效的将电能转换成光能，热能、动能、化学能等多种形式，极大地便利了我们的生活。但是，电能浪费问题也很突出。因此，提高电力管理水平是节能的关键。 根据相关资料，在我国的整体用电中,照明的耗电量占有很大的比例，约为年发电总量的10%(超过100亿千瓦时)，而在学校，不仅照明时间较长而且照明场所也多, 照明用电超过本单位所有耗电的40%1。目前我们对教室照明的控制，基本上都是采用的最传统的手动控制方式，该方法是最为常用的，同时也是最为浪费的。教室是一个开放的地方，往往因为管理不到位，无人的时候教室里还是灯火明亮造成所谓的长明灯的现象。就一间教室来说，照明灯的能量消耗并不大，但从整个学校看，却不是一个小数目。以某所大学为例:教学楼照明负荷总量约480kw（不含线损），若按照照明灯每天工作2小时计算（这是一个保守的估计），1天是960KWh的电力浪费，按照电费0.6元/千瓦时计算，每天电费为576元。一年12个月，除去寒暑假三个月，还剩下九个月，一年浪费的电力大约为259200度，合计电费155520元。如果再加上线路损耗和灯具使用时间较长而造成的灯具损坏，其成本比现在还要高得多。这种照明方式引起的电能浪费和高校后勤费用的增加是显而易见的。我国能源短缺问题非常严重，尤其是电力资源。现在石油和燃煤的价格节节攀升，必然会导致发电成本的增加，从而节省电能不仅是有益于社会，而且也有利于学校自身。放眼于整个学校的大局和全社会能源短缺的大环境, 开发简单实用的教室智能照明系统势在必行。智能照明控制系统，无论是在国内还是在国外已经使用，但国内的智能照明技术还存在相当多的不足之处。在大学教育普及化程度越来越高的今天，随处可见各大高校增加校区和扩大生源，从而带来了教室的电能浪费和经济损失等问题，违背了当今的节能理念。但是，如今不断提高的自动化程度、越来越普及的计算机技术使得我们对于照明系统的管理迈向自动化和智能化的方向。 1.2 PLC在国内外的研究现状 随着计算机技术、容错技术网络、微电子技术和通信技术等的高速发展，使得PLC的控制和网络通信功能逐渐增强、处理速度和可靠性不断提高、成本在不断下降、编程和故障检测更加方便快捷。为了适应各大中小型企业的发展需要，需要进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围2。虽然问世时间并不长，但PLC无论在国内还是在国外，发展都相当的迅猛，有强大的生命力和高速的增长模式，成为当今占据第一位的自动化装置。 1. 国外PLC发展状况 PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、日、德等工业发达的国家已经成为重要的产业之一。PLC的世界总销售额在不断上升、品种不断翻新、生产厂商不断涌现，产值产量大幅度上升而价格在下降。目前，世界上有200多个产商生产PLC，按型号划分更是有几千种产品。在全世界范围内按地域划分主要有三大产品，这三大PLC产品为美国产品，欧洲产品以及日本产品。如今在PLC发展领域比较有名的公司有德国的西门子公司；美国的AB公司；法国的施耐德TE公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工公司等；韩国的三星、LG公司等。美国和欧洲的PLC产品主要应用于大型、中型PLC领域中，而日本、韩国的PLC产品则在小型PLC领域中具有广泛应用。 2. 国内PLC发展状况我国目前的工业自动化技术普遍比较落后，PLC技术同发达国家相比较，远落后于发达国家，现在工业中应用的PLC产品绝大部分是国外产品，如西门子、三菱、欧姆龙，是中国工业市场上的传统供应商。国产PLC产品在整个工业市场中只占据很小的份额，没有名牌产品和集中化的生产链，无法形成系统化、专业化的工业规模，这对我国的经济发展是极其不利的。为了改善我国的工业结构和追赶发达国家。近些年来，我国的PLC研制，生产、应用发展也相当的快，同国外的差距也在逐渐缩小。国内市场对PLC产品需求量大，为PLC业务发展提供了绝佳的机会。尤其在应用方面，引进了大量的PLC产品，并且在我国自己生产制造的设备上采用了PLC控制。另外，应用PLC对老设备进行改造，可以在资金投入较少的条件下实现产品的升级换代。总之，我国的PLC技术的应用已获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。 1.3 设计的主要内容和技术要求 1. 主要内容该研究主要是根据学校教室照明的特点，利用PLC来实现对照明的智能控制，达到节能的目的。分为硬件电路设计和软件系统设计两大部分。硬件电路设计主要包括PLC的选型、内部电路图设计和PLC外部接线设计。软件设计主要是对教室划分区域以及实现对光电传感器、人体存在传感器的I/O分配。2. 技术要求1） 学生属于特殊人群，他们的活动时间及规律非常突出,因此在教室实行分时和分区的智能控制。2） 利用红外传感器来检测是否有人体存在，实现智能控制。3） 针对光照是否充足的问题，利用光照传感器来实现对照明用具的开和关。 2 智能照明控制系统方案设计 2.1 系统控制方案分析智能照明控制系统的主要组成部件有PLC、中间继电器、照明灯和刀开关。并以人体和自然光强度作为控制器的主要输入参数，从而达到手动与自动控制相兼容。当教室无人存在时，教室里所有的灯都能够自动关闭；当光照达不到相应要求并且教室有人存在超过一定时间时，灯都能自动打开，直到人离开一段时间后，灯能做到自动关闭；当光照达到了设定要求且教室有人时，灯能够自动关闭。同时，学生的作息时间也是一个重要考虑因素。在某些特殊情况下，例如晚上11点后教室里还有人，这时智能照明系统就会采用手动控制，关闭自动控制器，比较人性化。 2.2 分区和分时控制方案的构想在设计前，对教室的使用情况以及教室的采光系统进行实地调查和分析，掌握可靠资料。仅以池州学院博文楼三楼303教室为例进行分析。因为该教室为单面采光，所以教室中各区域的光照强度会有明显差异，而且基于学生的流动性大以及就坐位置的不可预测等特点的原因，可将教室分为五个不同的区域，利用光照传感器和红外探测器对整个教室进行分区控制。如图1教室分区控制方图如图1所示。 讲台区域区域1（前排左）区域2(前排右)区域3（后排左）区域4（后排右） 图1 传感器在教室的分区控制图 将红外传感器分别安装在上述五个区域的上方，即可以有效地覆盖该区域的检测范围，该区域的光传感器被安装在每一个区域的光照强度较暗的地方。对于有时需要使用多媒体课堂教学时，可在讲台上安装手动按钮，在影片播放时给PLC提供信号来关闭教室灯光，播放结束后，再打开教室灯光。此外，还需要在上述五个区域内分别安装一个光照传感器，设置相应动作。安装在每个区域的红外探测器和光照传感器都是独立工作的，不影响对方工作状态。对教室照明的智能控制，还需要分时控制。比如623点智能控制系统处于工作状态，而236点系统自动关闭，真正实现高效的节能。 2.3 智能照明控制系统的功能组成(1)智能照明控制系统的结构和组成智能照明控制系统由系统单元，输入单元和输出单元三部分构成。除电源设备外，每个单元都有对应的唯一单元地址，并利用软件设定其功能。各种形式的单元简述如下：l 系统单元：系统主要对上述区域进行相同的控制和信号采样，子系统则对各区域分别实施具体的控制，从而实现信息连接。l 输入单元：用于将外部控制信号转变成控制系统上数字信号，如可编程的多功能输入开关、红外线接收开关及红外线遥控器等。调整照明，使亮度与周围环境达到适宜的状态，从而节约电能3。 l 输出单元：将控制器输出的信号用来控制对应回路灯的亮灭，并且采用集中控制、分散执行的方式，通过配置智能控制照明柜，安装好自动和手动的切换开关，防止意外情况的发生。 (2)采用智能照明控制系统的优点l 节能效果较好：系统采用个性化的分时和分区控制，利用各种不同的预设置控制方式和控制元件，对于在不同环境下不同时间段内的光照度进行精确设置，实现科学化和效率化管理教室灯光，从而达到节约能源的目的。该系统可利用最少的能源满足所有教室的灯光照明需求，最大程度的节省电能。据有关数据统计，可节约学校所有照明用电的30%以上。l 增加照明用具的寿命： 通过采用智能照明控制系统来延长灯具寿命，不仅节约了大量的更换灯具的资金，而且减少了电灯的损坏老化而产生的人工维修费用，降低了运行成本，管理和维护变得更加简单。l 提高工作效率，改善工作环境：智能照明控制系统能给工作者提供一个良好的工作环境，提高工作人员的工作效率。所以，我们更应该合理地选择照明灯具、光源以及采用良好的照明控制系统，提高照明质量4。 3 系统的硬件设计 3.1 PLC的选型 由于S7-200系列PLC设计紧凑、扩展能力丰富、可靠性高、操作便捷且具有强大的指令系统和低廉的价格，能够很好地满足小规模的控制要求，覆盖所有与自动检测相关的工业及民用领域，包括各种机床、电力设施、环境保护等。S7-200系列PLC强大功能能使其无论在独立运行中还是相连网络中，皆能实现复杂的控制功能5。采用西门子S7-200系列的PLC作为控制器，输入信号主要来自以下五方面：启动开关、停止开关、投影开关、红外探测器和光电传感器，输出信号主要来自教室各个区域的灯具。S7-200系列PLC的硬件包括S7-200CPU模块、数字量I/O模块、模拟量I/O模块和通信模块等6。S7-200的CPU共有两个系列：CPU21和CPU22。CPU21是S7-200的第一代产品，CPU22系列包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等。本文采用CPU224，此模块有14个输入，10个输出。I/O端子排可容易地整体拆卸7。在较高要求的控制系统中，输入/输出点更多，运行速度更快，可完美地适应于复杂的中小型控制系统。红外探测器和光照传感器检测信号并输入PLC中。图2为控制系统框图。 图2控制系统框图 3.2 数据采集电路 教室里的光照情况以及教室里是否有相关人员的存在是数据采集系统的主要对象，同时也是控制系统的主要输入参数。在我们生活中，光敏二极管和光敏三极管是比较常见的环境光采集器件，由于光敏三极管具有高灵敏度的优点，而且光敏三极管同时还具光敏二极管的输出特性有，所以，根据照明需求，系统采用高灵敏度的光敏三极管8。基于热释电效应的人体存在传感器灵敏度较高且可靠性强，本文的控制系统采用的人体存在传感器为低电平输出的HP-208型号的。HP-208-N-L人体存在感应模块(低电平输出)是基于红外线技术的自动控制产品, 具有高灵敏度以及可靠性较强等优点，广泛应用于自动门、自动感应烘干机、感应冲水器、自动感应垃圾桶以及其他自动感应电器设备中。HP-208-N-L主要功能描述如下: 1.全自动感应:在其所能感应的范围内， 若有相关人员进入，此时会输出低电平。当相关人员远离其感应范围时，此时会自动延时关闭低电平，输出高电平，保持待机状态。 2.光敏电阻控制：在某些特殊情况下，例如在白天或者光照很强烈时，通过设置光敏电阻，传感器不会发生相应动作。 3.具有感应封锁时间：当有关人员进入其感应区域内并产生低电平输出，再经过一段延时时间，延时结束后，为了使在此后的一段时间内传感器的感应器不会对任何感应信号产生反应，传感器的感应模块会设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号9。4.触发方式：a.可重复触发方式：当相关人员进入其感应范围内有低电平输出后，如果还有人在此后的延时时间段内继续活动，则其输出将一直保持低电平，等全部人员离开感应区域以后，低电平输出才会转变为高电平输出；b.不可重复触发方式:当相关人员进入其感应范围内有低电平输出后，延时时间段一结束，低电平输出状态会转而变成高电平输出状态。 3.3 环境光采集电路 如图所示，图3为环境光采集电路原理图。当环境光强度大于规定程度时，光敏三极管D1呈现低阻态状态即小于1K欧，NPN型三极管Q1的基极电压升高，三极管Q1达到饱和状态并导通，集电极一侧输出低电平。当光强小于规定程度时，光敏三极管D1呈现高阻态状态即100k欧，此时三极管Q1为截止状态，集电极一侧输出高电平。可变电阻R1大小可调节，通过调节R1的阻值，可使三极管Q1受环境光的影响在适合的亮度下导通。 图3环境光采集电路原理图 3.4 人体存在传感器的工作原理红外线广泛存在于我们的日常生活中，如自然界中的各种物体，像人体、火焰和冰等都会发出各种不同波长的红外线，若要对其进行检测，可通过红外传感器。根据工作原理，红外传感器通常可分为两种类型：热型和量子型。热型传感器也可称为热释电红外传感器。相对于量子型红外传感器来说，热型红外传感器更加符合硬件系统的要求。热型红外传感器不仅具有响应的红外线波长范围宽和可工作于常温下等优点，而且价格经济实惠，是最佳选择。本控制系统采用的是热释电红外传感器，热释电红外传感器是一种能检测人体发出的特定波长红外线的敏感元件，由它构成的探测装置一般在615米的距离之内能准确感测运动人体的存在10。热释电红外传感器能以非接触形式检测人体辐射的红外线，并将其转变为电信号，其具体工作原理如下：人体的温度一般在37左右，会发出10左右波长的红外线。在红外探测器的警戒区内，当有人体移动时，热释电人体红外传感器感应到人体温度与背景温度的差异信号，产生输出信号。热释电红外传感器主要组成结构为外壳、滤光片、电阻、结型场效应管、热释电元件等，其中滤光片设置在窗口的目的是为了滤去无用的红外线，转而让有用的红外线进入窗口。热释电人体红外线传感器的结构和滤光窗的波长通带范围（814）决定了它可以抵抗可见光和大部分红外线、环境及自身温度变化的干扰，只对移动的人体敏感11。 3.5 PLC的外部接线图 图4 PLC外部接线图 4 系统的软件设计 4.1主程序流程图 根据上述控制要求，图5给出了教室智能照明控制系统在运行时的主程序框图。 图5 主程序框图 4.2 STEP7-Micro/WIN V 4.0编程软件4.2.1 软件介绍 STEP7-Micro/WIN作为S7-200系列PLC的专用编程软件，功能强大、操作方便，而且支持全中文编程操作。STEP-Micro/WIN作为Windows平台下的用户编程软件，主要具有以下功能。（1） 支持梯形图（LAD)、指令表（STL)和功能图(FBD)3种编程语言，可在三者之间随时切换。（2） 在离线方式下（计算机不与PLC连接），可以对程序进行创建、编辑、编译和系统组态等工作。（3） 在在线方式下（计算机与PLC连接），可以上传及下载用户程序、数据和系统组态等工作。（4） 具有密码保护功能，可以为CPU、用户程序和项目文件设置密码，以保护程序开发者的知识产权，防止未经授权的操作。（5）指令导向功能，可以用指令向导完成PID自整定、高速计数、脉冲输出、以太网和数据记录等功能。（6） 在编程之前进行反复练习，防止在编程的整个过程当中出现不必要的错误，比如语法，数据以及其他类型的错误。 4.2.2 软件界面STEP7-Micro/WIN的软件界面由浏览条、菜单栏、指令树、工具栏、局部变量表输出窗口、状态栏和程序编辑器组成，如图6所示。 图6 STEP7-Micro/WIN软件界面 4.3 I/O地址分配系统输入点及地址：启动开关I0.0、停止开关I0.1、投影仪开关I0.2、光照探测器I0.3I0.7、红外探测器I1.0I1.4。T37和T38作为定时器。为了减少输出点数，一个区域作为一个输出点，其地址为Q0.0Q0.4。表1为I/O地址分配表。 表1 I/O地址分配表输入点输出点元件名称地址编码元件名称地址编码启动开关I0.0讲台区域灯Q0.0停止开关I0.1区域1灯Q0.1投影开关I0.2区域2灯Q0.2光照探测器I0.3I0.7区域3灯Q0.3红外探测器I1.0I1.4区域4灯Q0.4 4.4 梯形图程序 LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0LDN T37A M0.0TON T37, 3000 LD T37LD C1CTU C1, 288LDW= C1, 0AW= C1, 144AW= C1, 192AW=0时，当计数器C1计数数值在0144之间，即从6：0018:00的时间段内，中间继电器M0.1都在处于导通状态。另外，M0.2代表在18.0023.00的时间段内保持导通状态，M0.3代表在23.006.00时间段保持导通。但是要保证的是，在M0.1、M0.2、M0.3这3个时间段的继电器之中，在任何时候只能有一个继电器是导通状态。网络7：为本系统的输出梯形图程序，I1.0至I1.4为红外探测器的控制触点，I0.3至I0.7为光照探测器的控制触点，教室5个区域的灯的控制触点为Q0.0至Q0.4。本程序设计的工作过程和基本原理描述如下： 1）在6.0018.00时间段内，常开触点M0.1保持导通，若此时教室中的5个区域范围内都存在人体，则各个区域的红外探测器即会感应到相应区域内的人体，并使常开触点I1.0至I1.4闭合，若教室中的五个区域光线较充足，光照探测器会让常开触点I0.3至I0.7处于断开状态，相反，如果光线不充足，光照探测器会使I0.3至I0.7闭合，所有回路也会因为光照的改变从而导通，在每个相对应区域上的灯也会因为常开触点的闭合而引起连锁反应，从而点亮。当某个区域的人员全部离开，该区域的红外探测器会感应到此刻的状态，将信息发送回主控制器中处理，控制器控制常开触点从而控制教室灯的开和灭。此外，还存在一种特殊情况，当网络8中投影仪开关I0.2闭合后，定时器T38开始计时，当计时到600*100ms即60s时，处于网络7中的T38的常闭触点会断开，讲台区域的灯会立即关闭。从而使同学们能看到更好的多媒体投影效果，而不需要手动关闭开关。 2）在18.0023.00时间段内，中间继电器M0.2一直处于导通状态，由于这个时间段处在夜晚，室内光线非常弱，这时光照探测器达不到工作条件，我们可以利用红外线探测器来监测是否有人员的存在，从而控制教室里面的灯的开关的通断。 3）在23.006.00时间段内，老师和学生一般都不会在教室里了，此时M0.3的常闭触点会自动断开，不管是光照探测器还是红外探测器，都不再工作，只能人工控制灯光的开与关了 。最后，再选择CPU224模块对系统进行仿真即可。 致谢论文即将完成，感悟良多。从一开始确定题目到查阅资料，查看参考文献，虽然花费了大量的时间和精力，但是在准备论文收集资料的过程中，我学到了此前从未学过的知识，收获颇多。在论文完成之际，我要感谢我的指导老师，刘传洋老师，从设计开始到给我搜集各种我急需的资料，推荐我需要的书籍，给我提出很多好的意见，到设计中我的每一个问题都认真仔细的解答，再到设计完成时，对设计中的错误和不妥之处给予指正和宝贵的意见。不仅教会了我书本上的知识，还有实践的经验，最重要的是教会了我严谨，认真严谨的工作态度。虽然大学生活结束了，但是学习是永无止境的，在以后的日子里，我会继续拼搏努力，不断进步！最后，再次对给过我关心、帮助的老师和同学们表示衷心地感谢，谢谢你们！ 参考文献1 刘灿高. 浅谈PLC控制的照明智能控制系统设计J. 科技经济市场，20072 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