PLC校园智能照明系统设计

1、摘 要随着国家提倡低碳经济的发展，公共场所照明系统的改进显得尤为重要。本设计的校园照明系统通过PLC控制技术、动态传感器、光电耦合器等使得教室、校园的照明变得更加智能、人性化：有效节省了电费与管理费用，响应了国家的绿色经济发展战略：新校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼字自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防消防、闭路监控等子系统。但近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也应意识到智能照明的重要性。相对商业楼字而言，校园里的大功率动力和

2、制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平。本文阐述了学校照明控制系统设计方案。关键词：校园照明；智能控制；ABSTRACTAlong with the country to promote the development of low carbon economy, public lighting system improvement is particularly important. The design of campus lighting system through the PLC control techn

3、ology, the dynamic sensor, photosensitive sensor makes the classroom, campus lighting becomes more intelligent, humane: save electricity and management costs, in response to the country's green economy development strategy:The new campus construction to adapt to the development of the Internet a

4、ge, we should introduce the concept of intelligent. In the tradition of building automation system, generally only includes the integrated wiring, computer network, security, fire, closed circuit monitoring system. But in recent years, with the progress of science and technology, people on the light

5、ing energy conservation and scientific management has put forward higher requirements, so that the lighting control in the field of intelligence is more and more important. But in the new campus construction boom, major colleges and universities and their builders should also be aware of the importa

6、nce of intelligent lighting. Relative commercial building, the campus of the large power and refrigeration equipment small proportion, lighting is more relative proportion. The use of lighting control system, to better reflect its in energy conservation and management advantages, improve the scienti

7、fic management level of school. This paper expounds the design scheme of the control system of school lighting.Key words: Campus Lighting; intelligent control; PLC;目 录 绪论11 控制系统的优势及特点21.1 智能照明控制系统的优越性21.2 改善工作环境，提高工作效率21.3 实现多种的照明效果21.4 提高管理水平31.5 较好的投资收益效果.31.6 课题的提出及研究的意义.31.7 校园照明控制的特点.32 控制任务及设计

8、要求42.1 本系统的设计思路及预期结果.42.2 分时控制方案构想.52.3 预期结果.53 PLC的简介与选择.63.1 PLC的过内外状况.63.2 PLC未来展望.73.3 PLC的分类及特点.7 3.3.1 PLC的分类.7 3.3.2 PLC的特点.83.4 PLC的应用领域.9 3.4.1 开关量的逻辑控制.10 3.4.2 模拟量控制.10 3.4.3 运动控制.10 3.4.4 过程控制.10 3.4.5 数据处理.10 3.4.6 通信及联网.113.5 PLC的结构与工作原理.11 3.5.1 PLC的结构.11 3.5.2 PLC的工作原理.123.6 PLC的梯形图概

9、述.134 PLC的硬件设计63.1 灯具布置方案63.2 供电系统及控制原理设计63.3 教学楼照明智能系统硬件设计73.3.1 控制模块电路设计83.3.2 照度传感器控制电路设计94 PLC的软件设计及要求134.1 分时智能控制程序编制134.2 寒暑假控制程序134.3 功能顺序图144.4 程序设计155 模拟调试的过程和出现的问题分析175.1 电路的调试175.1.1 调试方法175.1.2 调试步骤175.1.3 故障查询185.2 系统测试结果185.3 系统完成19总结20参考文献21绪论随着社会经济和科学技术的发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱

10、增的能源需求和有限的资源数量形成了巨大的矛盾,能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求。英国城市大型彻夜灯光照明现象很少见，无论公司和政府部门，都没有虚浮华丽的所谓“照明工程”14。夜晚漫步在伦敦街头，看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观，所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。许多店铺橱窗的灯光在打烊后会全部关闭，有些店铺还采用定时关灯装置。在政府住宅楼和公寓楼内，楼道里的公用灯也大多采用自动断电装置。作为提高能源使用效率最重要的途径之一，德国政府努力推动能源公司实施“供热供电结

11、合”，鼓励能源公司将发电的余热尽可能用于供暖。2002年，德国颁布了促进“供热供电结合”的法规，根据这一法规，政府向实施该措施的能源公司，尤其是小型能源公司提供补助，帮助他们置办相应设备。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了不少景观照明工程，美化城市的夜景，但同时也带来了能耗的极大浪费。据统计2005年，我国全社会的总用电量约为24000 亿kW·h，照明用电量约为3000 亿kW·h，且每年以13% 14%的速度递增，预计到2010 年，照明用电量将超过50

12、00 亿kW·h，新增照明用电2000 亿kW·h1。对高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的40% 左右，可见在保证照明质量的前提下，对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相当可观的10。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但针对教室灯光的控制智能系统还不是很完善，依然是人工管理占主导地位。现在伴随各类大、中专院校的扩招，教学楼不断扩建，教室用电负荷不断加大，教室用电系统管理不善，造成学校资源的浪费与经济损失，这种做法显然与当今节约能源的理念相违背。根据调查，有很多学校晚上23：00过后校园里就几乎没有行人来往了，然而较园路灯却是“通宵达旦”。为了

13、避免出现这种不合理的用电现象，我们提出了这么一个设想作为论文的研究课题，这具有很积极的意义。设计电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应和通过照明灯开关对声强的感应设置两级开关，控制照明灯的亮灭。能够实现有光线时灭，无光线时有声亮，并且照明灯点亮一段后自动关断。PLC智能照明作为一种新型的绿色照明产品，具有节能环保的优势、易于控制、便于集成的特点，必然是未来普通照明的发展趋势。PLC照明智能控制方案道路照明的主要作用是保证行人安全和方便，绿地和景观照明主要是给人们营造温馨、和谐、美丽的环境既要满足照明的主要功能，又要尽量节约能源，只能是采用科学的管理和控制，使两者完美统一学生是一个特殊群体，活动

14、的时间性、规律性非常突出，因此决定对道路和其他公共照明实行智能分时控制 1 控制系统的优势及特点1.1 智能照明控制系统的优越性达到良好的节能效果，延长灯具寿命。节能是照明控制系统的最大优势。传统的楼字公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时。有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。1.2 改善工作环境，提高工作效率。

15、良好的工作环境是提高工作效率的个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段和人们的不同需要，自动调节照度。1.3 实现多种的照明效果多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉匕的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。建筑物中，室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化，周末节假日场景，大型庆典场景；会客厅、会议

16、室等可以预设会议、投影、会问休息等不同场景。在传统的人工控制方式下，难以实现如此多种多样的照明效果。1.4 提高管理水平智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能。既大大减少了管理人员的数量，也排除了由予人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。1.5 较好的投资收益效果智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看。节能效果能达到以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到一；学校在这方面还没有具体的统计数据，但根据分析，效果

17、还是令人满意的1.6 课题的提出及研究的意义随着现代化建设的发展，校园路灯及城市照明建设越来越注重于它的形象，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加，今后照明管理部门除了管理校园道路照明外，还将参与校园景观灯的美化，很明显这将代表一个学校的形象。因此校方及师生对校园的建设、道路照明和景观照明提出了更高的要求。希望实现校园照明现代化、美化校园、节约能源等目的，使校园路灯控制系统真正达到智能化走在科技前沿。正目前,学校路灯有些是全夜灯也有些是后夜灯，基本上是人工控制，劳动强度很大，繁琐，由于工作人员开启或关闭路灯不及时，造成不方便路人与浪费用电的现象时有发生，于是，设计并研制性能价格比较高的校园智

18、能路灯控制系统很有必要。再有，路灯之类的设施实施节能改进，不仅可以降低能耗成本,而且有助于缓解政府能源供应和建设压力，对减少废气污染保护环境也有巨大的现实意义，我们要努力落实以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观，减轻环境污染，实现人与自然和谐发展的重要举措。这在一定程度上提高了人们的生活水平。校园路灯稳定可靠的工作是关系到校园全体师生的大事，事关人身安全与财产安全，科学合理的设计出这么一个控制系统具有很重要的社会意义。1.7 校园照明控制的特点照明控制在楼宇自控、景观照明领域已经在国内外有许多工程实践。本设计也参考了原来楼字自控的设计原则和设计思路。设计的目标还是要突出照明控制系统智能化、

19、科学管理和节省能源、节省运营费用的特点。合理细分控制回路，合理设置回路的控制方式和系统的运行方案。2 控制任务及设计要求2.1 本系统的设计思路及预期结果下图为教学楼设计的电路原理框图：图2-1 教学楼设计电路原理框图设计的这一控制系统有感光传感器，它负责接收声音信号然后转换成电信号，又因为要加个放大器放大该信号，因而要后面加电子开关放大器放大该信号。后面有个倍压整流电路，它是把声音信号变成直流控制电压。接下来加入的是本电路当中重要的元件光敏电阻，它通过对光线变化的大小自动改变阻值进而改变电路电压信号的强弱，光线强时，光敏电阻的阻值变小；光线弱时，光敏电阻的阻值变大。当电压信号达到预设值时电子

20、开关闭合，当电压信号小于该值时电子开关关断。后面再加一个交流开关对电路进行接下来的控制作用。下图为校园路灯设计的电路原理框图：图2-2 校园路灯设计的电路原理框图设计校园路灯采用PLC分时控制，当到达设计规定时间时PLC的输出端口为高电平或由高电平变为低电平。高电平时开光闭合灯亮，低电平时开光断开灯熄。由于路灯灯具容量较大，采用了两级母线供电方式，每段小母线为一部分路灯供电采用两级母线制比较灵活，同时也降低了母线和开关的容量，便于安装和维护每个回路由一个接触器控制，接触器的动作受控于PLC的程序 2.2 分时控制方案构想在设计前，对大学生的活动规律、道路照明的亮度进行了统计和测量，掌握了一手资

21、料大部分学生在21点钟之前回到寝室，21点至23点之间只有少量学生在室外活动，23点钟之后基本上没有学生活动，学校进入安静状态根据这个特点把控制分为3个时段：第1个时段为21点之前，所有灯具全部开启；第2时段为21点至23点，活动人员较少，可以关闭12的灯具；而到23点之后为第3时段，只要留有14的灯具工作，路面照度达3 lx以上，高于道路照明的最低要求为了最大限度地节能，设计时还考虑了季节的因素：夏季夜短昼长，开灯晚，熄灯早；冬季则相对开灯较早，熄灯则相对较晚景观和公共绿地照明采用第1、第2时段全开，第3时段全熄的控制方式，控制简单易行，节能效果显著节假日多也是学校的特点之一，寒暑假加在一起

22、有3个月左右制定的控制方案是：寒暑假期间景观灯手动控制，根据需要临时或少量开启；而路灯每天只开启14，满足最低照明要求为了保证PLC事故情况下的道路照明，在设计时还考虑了手动和自动两种工作制，手动时可以人为开启或关闭任何一路照明，保证了校区的安全为了节省篇幅，手动自动选择.2.3 预期结果预期通过感应外界环境的光照强弱变化来控制教学楼灯的开关与强弱的调节，这两种控制同时作用，灯的光亮分为两个调档。首先由光敏元件感应外界的光亮，当亮度没能达到某一个值时开启电灯开关。然后是进一步控制，当光亮低于某一定值时，工作进入二档模式或一档模式，路灯设计四档模式，以档位递减方式进行工作。所设计出的控制电路系统

23、要做到电路能够实现有光线时灭，无光线时有红外热源亮，并且楼梯照明灯点亮一段后自动关断。并且在点亮期间又有新的红外热源出现时路灯又重新开启。3 PLC的简介与选择3.1 PLC的国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继

24、电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器

25、已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自

26、己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。3.2 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从

27、产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用

28、。3.3 PLC的分类及特点可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。3.3.1 PLC

29、的分类按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等；韩台系列具有代表性的为LG、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等；按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般I/O点数>2048点；具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量816K，具有代表性的为西门子S7400系列、通用公司的GE系列等；中型机一般I/O点数为2562048点；单/双CPU，用户存储器容量28K，具有代表性的为西门子S7300系列、三菱Q系列等；小型机一般I/O点数<256点，

30、单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下，具有代表性的为西门子S7-200系列、三菱FX系列等；按结构分，可分为整体式和模块式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型PLC一般采用这种整体式结构。模块式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等；扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元

31、等，使其功能得以扩展。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能；有些还可增设

32、中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等；高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 3.3.2 PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器

33、系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PL

34、C通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经

35、过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.4 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。3.4.1 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订

36、书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。3.4.2 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.4.3 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都

37、有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.4.4 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.4.5 数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中

38、的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3.4.6 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.5 PLC的结构与工作原理3.5.1 PLC的结构PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接

39、口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。输入/输出（I

40、/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。电源图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程

41、序或监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。3.5.2 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，

42、开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器

43、、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。3.6 PLC梯形图概述梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开

44、，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)，。在分析梯

45、形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输

46、入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按其精度可分为12bit、14bit、16bit等；按信号类型可分为电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。4 PLC的硬件设计4.1 灯具布置方案学校的道路是以步行者为多，人员比较密集，当然也有少量车辆通过，可以

47、说是人车混合的道路在设计时采用了高于一般居住区而低于商业区的标准，正常情况保持路面照度不小于15 lx为了便于分时控制，在灯具布置时采用了双侧交错布置，杆距定为25 m，较标准杆距略小，有利于分时控制时减少灯光死角根据这些数据，就可以计算光通量和光源功率了光通量垂计算可根据(1)式进行S=ekbd/un （1）其中：e为道路照度，取20 lx；n为双侧交错布置，取1；u为利用系数，取08；k为沥青路面，取2；b为路面宽度，取10 m；d为电杆间距，取25 m把数据代人上式（1）得S=ekbd/un=20*2*10*25/0.8=12.49lm通过查阅光源手册可知，应选用150 W的高压钠灯灯具

48、。某学院占地一期为6×105 m2，全校主要道路长13 km，因此，需要安装150 W的路灯520盏，用电容量为78 kW其次景观和其他公共场地照明的用电容量约为15 kW。4.2 供电系统及控制原理设计路灯采用以双侧交错布置，每一侧的路灯由2个单独的控制回路进行间隔控制为单元，如图3-1所示L1回路控制左侧的单编号灯具，L2回路控制同一侧的双编号灯具。L3、L4回路则分别控制右侧的单、双编号灯具当进入第2时段后，每侧关闭1个回路，也就是12的灯具熄灭，由于灯的杆距不是很大，且学校道路不是很宽，灯光可以全覆盖当进入第3时段时，4个回路中3个回路分断，也就是只有14的灯具点亮，对于学校

49、内部道路而言，完全可以满足要求由于灯具容量较大，采用了两级母线供电方式，每段小母线为一部分路灯供电采用两级母线制比较灵活，同时也降低了母线和开关的容量，便于安装和维护每个回路由一个接触器控制，接触器的动作受控于PLC的程序供电系统示意图如图1所示图中仅画出了1条道路和1个景观区域的供电系统图，其实全校的照明共有8段小母线，30个回路。图3-1 道路两侧供电系统示意图为了保证PLC事故情况下的道路照明，在设计时还考虑了手动和自动两种工作制，手动时可以人为开启或关闭任何一路照明，保证了校区的安全为了节省篇幅，手动自动选择、接触器动作控制原理图和PLC接线图没有画出。4.3 教学楼照明智能系统硬件设

50、计教室是学校照明用电的主要部分。教室灯光照度设计标准为室内平均照度300 lx，这样高的照度要求，如果没有合理控制方案，能源上将造成巨大的浪费。因此将智能照明控制系统应用于普通教室、阶梯教室具有相当的实际意义。对于学校而言，使用调光控制方式显然造价过高，难以接受，而且教学楼的灯具大多选择了日光灯，调光控制需要专用的调光镇流器，比较烦琐。因此，开关控制是学校教室照明主要的控制方式。根据学校实际一般教室有两组照明电路，可划分为亮区暗区两个区域，分别在亮区暗区安装照度传感器，照度传感器与发送控制模块连接，可根据传感器状态发送不同指令，控制教室两个区的照明电路灯光开闭。每个教室可在配电箱或墙壁开关内安

51、装照明接收器，每个接收器可控制两个回路灯光，每个回路允许的最大电流2.5A 6A ( 如接入继电器可控制更大电流)。多个教室可以为一个区， 同一区发射器和接收器使用同一个用户码，接收器指令只接收同一用户码的发射器指令。教室内的墙壁开关可安装在接收器之后， 在接收器开始供电后，墙壁开关控制室内灯光打开关闭。对于教学楼楼梯，可安装可墙壁开关，开光可安装人体热释红外传感器。利用菲涅尔透镜的特殊光学原理当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。它和放大电路整流电路相配合，可将信号放大70分贝以上直流电

52、，这样就可以测出1020米范围内人的行动。人体辐射的红外线中心波长为910-um，而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。由于同侧教室采光具有相同性，以任一个教室两个区采集的光照数据作为同侧教室照明电路的控制参数，控制同侧同区教室的灯光开闭。4.3.1 控制模块电路设计 PLC输入端口分别连接4 个开关，控制模块电路如图3-2示。D1，D2，K0，S0， 通过对PLC的预

53、设置可以使每个按钮发送不同的地址控制指令，例如设置D1 触发时PLC输出端口为高电平，可完成控制指令对被控模块设置功能。图3-2 控制模块电路4.3.2 照度传感器控制电路设计 照度传感器核心部件是光电耦合器，通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度，实现智能探测和智能调节的功能。照度传感器采用On9668，是一个可实现光控阀值可调的光电集成传感器。电路如图3-3，图3-4所示。控制模块电路中的为D1，D2，K0，S0任意开关，PLC的输出端口X1，X2， 管脚连接一个照度传感器,X3管脚连接一个人体热释电红外传感器，X4管脚连接一个按钮。当环境亮度达到照度传感器Uadj 设置值时，OU

54、T 管脚输出高电平或低电平，OUT 管脚连接单稳态触发器，这样从Q 端输出脉冲信号，输入到PLC 管脚X1,X2 端口，同样当环境亮度达到照度传感器Umin设置值时，OUT 管脚输出高电平或低电平，OUT 管脚连接单稳态触发器，这样从Q 端输出脉冲信号，输入到PLC 管脚X3端口， 相当于触发控制模块电路的任意按键，就可发出相应控制指令。图3-3 照度传感器控制电路图为环境照度大于设定值时，发送触发脉冲的电路，图3-3为环境照度低于设定值时发送触发脉冲的电路,图3-4为人体红外照度高于设定值时，发送触发脉冲的电路。图3-4 照度传感器控制电路图3-5 照度传感器控制电路传感器模块作为发射器使用，传感器模块连接两个亮度传感器。每个接收器有不同地址。假设暗区接收器地址为B1，亮区接收器为B2，也可将所有同侧教室的暗区接收器设为B1，亮区接收器设为B2，照度传感器检测到低于特定照度时，传感器模块就会触发系统发送B1 开指令， 所有地址为B1 的模块都会接收指令从而供电，教室暗区的灯就会打开; 当另一照度传感器检测到高于特定照度时，暗区传感器模块就会动作，发送B1 关指令，所有地址为B1 的模块都会接收指令断电，教室暗区的灯就会