基于PLC的智能照明控制系统研究教程文件

1、基于PLC的智能照明控制系统研究2州学优本科毕业论文（设计）（2016 届）B：基于PLC的智能照明控制系统研究系（部）:机电工程学院专 业：电气工程及其白动化 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：完成年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

2、背景及意义4L2 PLC在国内外的研究现状 51.3设计的主耍内容和技术要求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 141.1 .1软件介绍 141.2 . 2软件界面 151.3 I/O地址分配 164. 4梯形图程序174. 5程序清单19致谢

3、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

4、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 ofsociety, power is also excessive consumption,electric energy waste phenomenon is serious, thepower resource has already become scarce resources.The waste phenomenon also exists in a universityclas

5、sroom lighting control system. In view of thissituation, from the perspective of saving energy of,it is expounded in this article a based on S7-200PLC to replace the manual control of the unmannedmanagement of traditional classroom lighting system.PLC is a new general automatic control device, hasst

6、rong control function, high reliability,convenient and flexible to use, easy to extend theadvantages, fully meet the requirement of schoolclassroom lighting. This paper focuses on twoaspects: the hardware design and software design ofthe lighting system and its basic principle is toS7-200 PLC as the

7、 core control unit, a human bodyinduction in the presence of heat release infraredsensor and ambient light sensing circuit composedof intelligent lighting control system, can avoidthe classroom with a large number of waste ofelectricity, so as to achieve energy-saving purpose.Finally, gives the syst

8、em the ladder diagram program.Keywords： classroom lighting system; S7-200PLC; intelligent control; energy saving1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

9、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%。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

10、，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960KW - h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

11、，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PL

12、C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。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

13、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

14、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。3 .3设计的

15、主要内容和技术要求4 .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。5 .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此因 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5.1 系统控制方案分析智能照

16、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

17、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

18、，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6-23 点智能控制系统处于工作状态，而23-6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：系统

19、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。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。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

20、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3096以上。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。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。3系统的硬件设计3

21、. 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。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

22、模块等。S7-200的CPU 共有两个系列：CPU21X和CPU22X。CPU21X是S7-200的 第一代产品，CPU22X 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。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。日光灯N日光灯1PLC 及U0扩展量多路开关控制按钮红外探测器光照度探测 器投影仪开关图2控制系统框图3.2 数据采集电路教室里的光照

23、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 替 日 °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

24、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

25、应信号。4,触发方式：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

26、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。R20大D1山曲iju)T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

27、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。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10四左右波长的红外线。 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

28、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的）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3. 5 PLC的外部接线图AC22OVT启动开关SB 1多一TO. 0CPIJ224x停止开美SB29一：I0. 1QO.O :灯LI投影开关洸3国一10.2光电传感器1越1: 10.3口任一灯L2光口传感器2的一.TO. 4光电传需倦3旬一TO. 5Q0,2 :6"<3 灯L3光电传感需4骸一10.6光电传盛器5怒IQ0.3 ：T0,7灯L4人体传感器1

29、电一TLO人体传感器2卷一：Q0.4 ：11. 1灯L5人体传感落：3电n.2人体传都器4场一ri.a,人体传感器5出一ri.4LU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。支持梯形图（LAD）、指令表（S

30、TL）和功能图（FBD） 3种 编程语言，可在三者之间随时切换。 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。 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-Mi

31、cro/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10.0、停止开关10.1、 投影仪开关10.2、光照探测器10.3-10.7、红外探测器 II. 0-11. 4o 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I 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10.0讲台区域灯Q0. 0停止开关10. 1区域1灯Q0. 1投

32、影开关10.2区域2灯Q0. 2光照探测器10.3-10. 7区域3灯Q0. 3红外探测器11. 011.4区域4灯Q0. 44.4梯形图程序LD10.00M0.0AN10. 1二M0.0LDNT37AM0.0TON T37, 3000LDT37LDClCTUCl, 288LDW>=Cl, 0AW<Cl, 144二MO. 1LDW>= Cl, 144AW二 Cl, 192二 MO. 2LDW>= Cl, 192AW<= Cl, 288二 MO. 3LDN A LPS LD A 0 ALD A ANLRD LD A 0 ALD ALRD LD A 0 ALD ALP

33、P LD A 0MO. 3MO. 010.3 MO. 1 MO. 211.0T38 QO. 010.4 MO. 1 MO. 2II. 1QO. 110. 5 MO. 1 MO. 211.2QO. 210.6 MO. 1 MO. 2ALDA11.3二QO. 3LPPLDIO. 7AMO. 10MO. 2ALDA11.4二QO. 4LDMO. 0AIO. 2TONT38,6004. 5程序清单m 4旧大于04、，于13代表在法刑的T12小叼向，M0.1都闭台J >。1在程序中代布际区段6.0018而ClIMO.BCl192ClM0.10ClMO.UC1<l 192同络5M0.求表时间段

34、丽丽,00网络6M0 .玳表时间段M0.3T 38QQ.12oo.z< )00.300.400.0网络1 ：当启动开关10.0闭合，中间继电器M0. 0即 通电并自锁，只有按下停止开关10.1后，M0.0才断开。网络2和网络3： M0. 0在通电状态时，计时器T37计 时3000*100ms=5分钟后，T37常开触点闭合，计数器C1计 数一次，网络2中计时器T37常闭触点断开，等到T37常 闭触点重新闭合后，T37又重新计时，重复此过程，当计数 器 Cl 计满 288 次，288*5min=1440min=24h,计数器 Cl 复 位并重新开始计数。网络4、5、6：为分时控制梯形图程序，

35、在系统仿真运 行时，设定初始时间为6:00,即Cl>=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MO. 1都在处于导通状态。另外，M0.2代表在 18. 00 23. 00的时间段内保持导通状态，M0. 3代表在 23. 00-6. 00时间段保持导通。但是要保证的是，在 MO. K 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，IL0至II. 4为 红外探测器的控制触点，10. 3至10. 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Q0.4o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MO. 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11.0 至11.4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10.3至10.7处于断开状态，相反，如果 光线不充足，光照探测器会使10.3至10.7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