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图书馆照明控制系统设计论文

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2013届本科生毕业设计

题目:

图书馆照明控制系统设计

作者姓名：

孟晓伟

系（院）：

机械与电子工程学院

专业：

自动化

指导教师姓名：

郑伟李军

指导教师职称：

讲师工程师

2012年12月25日

摘要

本文主要介绍了PLC在图书馆照明中的应用。

该图书馆属于小型图书馆，其主要功能有自习室、阅览室、办公室、书库等。

通过对这些地方的灯光的具体控制，对比突出了PLC在智能建筑照明中的优势。

在以PLC为主的照明控制系统中，通过各类传感器的铺设、PLC的信号分析、总线的通信和组态的控制等对其进行智能灯光控制，从而进一步说明了基于PLC的智能照明的综合优势。

关键词：

智能照明；控制系统；PLC

Abstract

ThispaperintroducesthePLCinthelibraryofintelligentlightingapplications.Thelibraryisasmalllibrary,anditsmainfunctionhasstudyroom,readingroom,offices,stacksetc.Bymeansofspecificcontrolsoftheseplaceslight,thecontrasthighlightstheadvantagesofthePLCintheintelligentbuildinglighting.InthePLC-basedlightingcontrolsystem,bythelayingofthevarioustypesofsensors,signalanalysisofthePLC,thebuscommunicationandconfigurationcontroltoitsintelligentlightingcontrols,whichfurtherillustratestheintegratedPLCbasedintelligentlightingadvantage.

Keywords：

IntelligentLighting；Controlsystem；PLC

目录

引言1

1控制系统结构及方案设计2

1.1设计方案的提出2

1.1.1自习室设计方案2

1.1.2办公室设计方案2

1.1.3阅览室设计方案2

1.1.4公共区域设计方案2

1.2图书馆照明系统设计的基本方法2

1.2.1自习室照明系统设计2

1.2.2办公室、阅览室照明系统设计3

1.2.3公共区域照明系统设计3

1.3照度的计算3

2硬件电路设计5

2.1系统硬件的选型5

2.1.1PLC模块的选型5

2.1.2传感器的选型5

2.2系统各部分模块的连接方式6

2.2.1整体结构6

2.2.2PLC模块与各传感器的连接7

2.2.3PLC与总线之间的连接8

2.3电源模块9

2.4自习室灯光控制10

3软件设计12

3.1主程序流程12

3.2地址的分配12

3.3自习室灯光控制流程13

3.4系统组态14

结束语17

参考文献18

附录119

附录222

致谢23

引言

随着科技的发展，照明系统也发生了巨大的变化。

由以前的传统的开关单一控制转为现在的智能的网络化、系统化控制。

目前主流的设计方法是通过对C-Bus智能控制系统、安防控制系统、无线网络技术等的结合，实现了灯光控制、家电控制。

进入21世纪后，大量的新产品、新设备、新技术的出现，使智能照明技术向着系统一体化集成的方向发展。

例如：

各种智能化断路器将微电子技术、传感技术、控制技术、电力电子技术等新技术结合起来，实现了功能多样化、结构模块化，使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能，工作更可靠，性能更安全。

另一方面，网络技术的渗透使不同控制方式的系统之间相互结合，实现了资源共享、远程监视、设定、控制及对系统异常信息进行一体化管理[1]。

控制技术的发展使许多控制功能从由较高层的控制室移至现场的低层设备，使信号的采集和处理更加快捷便利，而且工程技术人员还开发了一些控制管理软件，用户只要通过界面上各个控制键，就可以实现对各种照明设备的监视和控制，操作更加简单、直观。

各类智能照明产品的生产和技术实现也随着行业标准及规范的制定和逐步的完善进入成熟、实用、可靠阶段。

本设计针对小型图书馆，其控制对象主要是自习室、办公室、阅览室、书库等的灯的亮度和开关的状态。

在整体要求上要实现智能控制，即可以根据外界光线的变化来调节室内灯光的亮度；能根据该区域是否有人来控制灯的开关，并能通过监控上位机控制整座楼的灯光状态。

另外，为实现智能化控制，要求用四个PLC分别控制不同楼层的自习室、办公室、阅览室、其他公共区域这四个地方。

PLC与上位机可以实现时时通信，以太网实现PLC的信息传递，组态王实现楼层的时时监控等。

进而达到节约电能，美化学习环境，降低控制成本等要求。

1控制系统结构及方案设计

1.1设计方案的提出

图书馆的阅览室、办公室、自习室以及书库等地是出入人数较多的地方。

因此，这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些地方是否有人，有多少人，当日照满足照度要求时，把灯熄灭，一旦自然光难以满足人的需求时，不能及时打开灯光，给人的视力带来损害。

1.1.1自习室设计方案

自习室是学生学习的主要场所，对灯光的要求应该很高，必须提供足够的亮度，以保护学生的眼睛和给学生们营造一个明亮的学习环境。

这里根据自习室的大小，在自习室的不同地方分别装上照度传感器和双鉴传感器，通过它们感知外界环境变化，来控制室内灯光的变化。

1.1.2办公室设计方案

在办公室的设计方案中，也要重点考虑光线是否充足。

在对办公室的灯光控制中，我们要营造一个有艺术氛围的环境，用灯光来改变人们的心情，因此，智能化的灯光控制是必须的。

它不仅能节约能源，还能提高人们的工作效率，实现金钱和好心情的双丰收。

1.1.3阅览室设计方案

阅览室也是图书馆人流量比较大的地方，对于光亮度的要求同样很高。

此区域的人员比较集中，我们可以重点控制人员集中的地方，给这些地方营造一个良好的看书环境。

在人员集中的地方我们安装照度传感器和双鉴传感器，用它们来感知外界光线的变化，然后再通过PLC的控制，实现灯光的智能控制。

1.1.4公共区域设计方案

对于这些区域，灯光控制要求不是太高，像卫生间、走廊、楼梯等，在有人的时候灯亮一段时间，没人后灯自动灭掉。

对于灯光的亮度也要求不高，一般的设计都可以达到标准。

1.2图书馆照明系统设计的基本方法

1.2.1自习室照明系统设计

由于是小型图书，这里只有三个自习室，对应编号为1.0、1.1、1.2。

采用一个PLC对这些区域实行集中控制，找到输入输出点。

每个自习室根据灯光照度的要求分别装了三个双鉴传感器和两个照度传感器[2]。

双鉴传感器分布在房间的前中后区域内，分别控制该区域的灯的开关；而照度传感器装在向阳的窗户上，用来感知外界光线的变化来控制室内灯光的亮度。

当外界光线变弱时，照度传感器的输出端口输出一个为1的开关量，该开关量可以直接接在PLC的I/O口上，在PLC的输出端口向四路调光器输出一个为1的开关量，调光器接收到这个信号后提高对其控制的灯的电能的供给，进而调亮灯的亮度；当外界光线变亮时，照度传感器的输出端口输出一个为0的开关量，该开关量经PLC后传递给四路调光器，调光器接收到这个信号后降低对其控制区域内灯的电能的供给，进而调暗等的亮度。

双鉴传感器当感知到该区域有人时向PLC发送一个为1的开关量，该开关量可以直接接在PLC的I/O口上，而PLC的继电器输出的电压可以满足荧光灯的额定电压，进而在该双鉴传感器控制下的灯亮；当双鉴传感器感知到该区域没人时，向PLC发送一个为0的开关量，PLC的输出端口向继电器输出连接点送0，该区域控制下的灯灭掉。

另外可以添加以太网通信，用组态软件监控该区域灯的状态，进一步实现灯光的智能控制。

1.2.2办公室、阅览室照明系统设计

办公室、阅览室照明设计的基本方法与自习室基本相同，四个办公室采用一个PLC控制，四个办公室分别编号为2.0、2.1、2.3、2.4。

三个阅览室采用一个PLC控制，三个阅览室分别编号为3.0、3.1、3.2。

它们的具体设计方法参照自习室。

1.2.3公共区域照明系统设计

对于楼梯、走廊、卫生间等公共区域，我们采用声光控制就行了，声光控制电路图如下图所示。

其控制原理：

在白天，光敏二极管受光照呈低阻态，引脚13为低电平，不受白天楼梯内声音的控制，引脚8也为低电平，灯泡不亮。

在晚上，光敏二极管在无光照时呈高阻态，13仍为低电平，但只要有声音后，压电陶瓷片HTD拾取的微弱声音经引脚1、2反相器作线性放大，引脚10为高电平[1]，二极管IN4148给电容充电，引脚6为0，引脚8为1，可控硅有触发电压导通，灯泡点亮。

一段时间后灯泡自动熄灭。

图1-1声光控制电路

1.3照度的计算

照度计算时，可采用单位容量法。

单位容量法适用于均匀的一般照度计算，它主要计算每单位被照面积所需灯具安装功率：

W=P/S（P为全部灯具安装功率，单位：

瓦；S为被照面积，单位：

平方米）。

具体计算方法如下：

一层库房为单独一回路，面积S=9.9×8.4=83.16㎡，查表得照明功率密度ρ=5W/㎡，因此该库房总功率P=83.16×5=415.8W，若选择100W的双管荧光灯，则灯数N=P/S=415.8/100=4.158，即选用4盏100W的灯，考虑节能的问题，选用100W节能荧光灯（计算中都用此方法）。

图书馆中所用灯具数量如下表所示[3]。

表1-1灯具统计

灯具名称功率（W）数量（盏）

单管荧光灯5090

单管荧光灯100127

双管荧光灯8060

双管荧光灯10042

球星节能灯8018

防水防尘吊灯8035

2硬件电路设计

2.1系统硬件的选型

2.1.1PLC模块的选型

（1）CPU模块的选型

在该系统中，分区域控制，图书馆里的自习室、阅览室、办公室这三个地方分别用一个PLC控制，而会议室、书库等其他地方用一个PLC控制，由于处理点数较多，又涉及到PLC与上位机的通信，所以应选择一个有利于扩展I/O输入，且具备较强通信功能（比如自由端口通信）的CPU模块。

在该系统中选择西门子的CPU224CN作为CPU模块，本身提供24VDC电源，这个模块具备14个数字输入点，10个数字输出点，一个RS485串行通信接口。

（2）输入输出点的计算与I/O模块的选型

该图书馆是小型图书馆，本设计主要针对了图书馆的主要活动场所：

自习室、阅览室、会议室、办公室、书库等。

会议室两个，每个会议室装有两个照度传感器。

办公室四个，每个办公室装有两个照度传感器和三个双鉴传感器。

自习室有三个，每个自习室装有两个照度传感器和三个双鉴传感器。

阅览室有三个，每个阅览室装有两个照度传感器和四个双鉴传感器。

书库两个，每个装有两个双鉴传感器。

以办公室为例，而自习室、阅览室、会议室、书库等大都如这样分布传感器的。

另外，系统加一个七天定时器和四个四路数字调光器。

统计得输入点62个，输出点49个。

而四个PLC中，只有前三个PLC的输入输出点不够用，而前三个的输入点为53个，输出点为43个。

这里根据要求选择一个16DI的EM221和两个8DO的EM222。

额定电压24VDC，输入“1”时，对应电压为15～30VDC；输入“0”时，对应电压为0～5VDC。

输出特性：

额定负载电压为24～230VAC，“1”信号时，额定电流2A，“0”信号时，额定电流0A[4]。

（3）通信模块的选择

在该系统中选择CP243-1以太网通信模块。

该模块支持S7-200PLC与上位机进行以太网通信。

2.1.2传感器的选型

（1）照度传感器的选型

GZD系统光照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器，具有测量范围宽、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，适用于各种场所，尤其适用于室内灯光。

其输出是开关量，可以和PLC直接连接。

通过感知外界光线与内部设定值比较，调整光源的亮度与分布。

亮度感知范围：

20～3000Lux；亮度控制范围：

40～1600Lux；感测角180°；供电电压：

12VDC～20VDC，建议工作在12V

（2）双鉴传感器

双鉴传感器选用微波加红外的DT6360STC吸顶式双鉴传感器，微波视区可调、抗辐射干扰、自动温度补偿、360°探测范围、探测直径10米。

工作电压是12VDC。

输出继电器开关量，可以直接连接PLC。

（3）七天定时器

ETC-12A七天定时器可以设定一周的时间状态即工作段的时间早八点到中午十二点下午两点到晚上九点的时间。

有手动控制按钮，可以调整一天中时间的设定段，也可以通过程序控制时间段的设定。

本身就是一个智能的模块，有自己的处理器和存储器，可以手动复位置位，有两路RS232通讯端口，可以与PLC通信，工作电压12VDC。

（4）四路数字调光器

ITLC4-四路调光器是一款大功率白炽灯调光设备，支持RS-232通讯方式，支持与可编程控制主机及第三方可编程控制主机配套使用。

支持4路白炽灯亮度同时或分开调节，支持环境照度预设，系统应用中常用与完成环境照度场景的存储于调用。

电源：

220V、50Hz，载入容量：

单路功率≤1200W，总功率4000W，接线端口如下图2-1所示[5]。

图2-1四路调光器接线端口

2.2系统各部分模块的连接方式

2.2.1整体结构

这里以自习室、阅览室、办公室为主要设计对象，楼梯、走廊、卫生间为次要对象，其设计简单，用声控开关控制灯的状态。

如2-2所示，七天定时器控制自习室、办公室、阅览室等其他区域在整体时间上的灯的状态即工作日的灯光时间控制可以手动修改时间设置，也可以通过程序设置时间，在工作时间内，灯的总状态是开，而每个房间里的灯的状态则是由房间里的传感器决定的。

由图2-2可知，A号PLC控制整个图书馆的办公室，B号PLC控制整个图书馆的自习室，C号PLC控制整个图书馆的阅览室，而D号PLC则主要控制会议室、书库等其他区域。

以办公室举例来说，首先照度传感器感知外界光线的强弱，当外界光线弱时，传感器的开关动作，对应的输入端给PLC一个标准高电压信号，信号给PLC后经总线、以太网传送给上位监控机，上位机通过程序对四路调光器进行控制，调大该区域灯光的亮度；当外界光线亮时，传感器的开关动作，对应的输入端给PLC一个标准低电压信号，信号给PLC后经总线、以太网传送给上位监控机，上位机通过程序使对四路调光器进行控制，调小该区域灯的亮度。

图2-2系统结构图

2.2.2PLC模块与各传感器的连接

PLC一般接收行程开关、限位开关等输入的开关量信号。

CPU224CN提供24VDC电源，可连接各传感器的继电器开关，作为继电器开关量输入，而各传感器的输出信号都能满足这个电压范围[10]。

所以可将各传感器继电器开关直接连接到PLCI/O模块的输入端。

如图2-3到图2-4，分别为探测器与PLC的接线图。

由于输入接线过长会导致输入PLC的信号失真，所以输入接线最好不要超过30m，在干扰较小，电压降不大时，输入接线可是当长一些。

因此，为了保证各报警信号不失真，宜将PLC各模块安装在中间楼层的位置[7]。

图2-3EM221与传感器的连接图

图2-4CPU224CN与传感器的连接图

2.2.3PLC与总线之间的连接

四个PLC通过自带的RS-485总线与以太网连接，以太网是RS-232总线，需要一个RS232/485转换模块。

转换模块见图2-6所示。

本产品为非隔离型RS232-RS485/422转换接口装置，可完成RS232-RS422数据通讯接口信号的转换，或用来实现RS232-RS485数据通讯接口信号的转换。

内部数据方向侦查控制电路使得RS232-RS485转换模式时不需要RS232侧提供流量控制信号。

即可实现3线制得RS232接口与RS485接口的转换。

驱动能力强，传输距离远。

波特率传播速度从110bps到57.6bps自适应[6]。

图2-5PLC与总线的连接

图2-6RS232/485转换

2.3电源模块

在该系统中所选传感器的电源供给都有在9V～15V之间的直流电源，可选12V直流电源。

但S7-200PLC的CPU模块能提供的是24VDC电源，所以要添加一个24VDC/12VDC的电源降压器。

在该设计中选择的电源降压器的最大输出功率为60W。

该转换器的内部原理为自藕变压器工作原理，自藕变压器利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件。

12VDC电源的出线端如2-7所示。

图2-7电源模块

2.4自习室灯光控制

图书馆的灯光控制以自习室的灯光控制为例。

由图2-8可知，在自习室的灯光控制中PLC的应用。

自习室的灯具布置采用混合式布置，此方法有利于灯光的调节。

不同的灯具提供不同亮度的灯光，可以实现阶梯式的调控。

自习室的传感器有照度和双鉴传感器，照度传感器感知外界光线的变换，当外界光线暗时，向PLC输出1，PLC向监控主机发出信号，监控主机通过对应的通道开起对应区域的灯具；光线亮时，关闭对应区域的灯具。

由于后面用到组态，可以对自习室的双鉴传感器编号，一个双鉴传感器可以控制一定区域的灯具，一个房间有三个双鉴传感器，分别控制房间前、中、后区域的灯具。

而对于不同楼层上的自习室也可以编号，设自习室为编号1，三个自习室分别编为1.0、1.1、1.2，而对于1.0里的三个双鉴传感器可以编号为1.0.0、1.0.1、1.0.2。

在监控主机里利用组态王对系统进行组态。

当PLC接收到1.0.0的信号后，PLC通过总线把信号发送给组态王，组态王在设定好的程序下，改变1.0.0感应区域内的灯具状态。

比如说，当1.0.0感应到有人在此区域时，向PLC发送高电平，PLC处理信号后，发送信号给组态王，组态王给1.0.0感应区域内的灯具送1，灯亮；当1.0.0感应到区域内无人时，向PLC发送低电平，PLC处理信号后，发送信号给组态王，组态王给1.0.0感应区域内灯具送0，灯灭。

阅览室编号为2，办公室编号为3，室内的传感器也像上述自习室内的传感器那样编号，在组态王中有对应的控制程序，可以实现对这些区域内灯具的智能控制[8]。

图2-8自习室灯光控制简图

3软件设计

由于图书馆的房间功能大致相像，在设计程序时，不用设计出整个图书馆的程序。

这里我们以自习室为例。

在对自习室编程的过程中，一个房间里有5个输入点即三个双鉴传感器和两个照度传感器，输出点有4个。

在自习室编号后，对编号1.0的自习室编程。

3.1主程序流程

图3-1主程序流程图

图中，I8.4是七天定时器的I/O输入端，七天定时器为“1”时，整个系统才能工作，各传感器的开关量输出直接接PLC的I/O口，为“1”、“0”时实现的功能由图可以看出。

3.2地址的分配

以自习室1.0为例，对照度传感器、双鉴传感器分配地址。

当外界光线暗时，照度传感器输出“1”，当外界光线亮时，照度传感器输出“0”；当有人时，双鉴传感器输出“1”，当没人时，双鉴传感器输出“0”。

表3-11.0自习室地址分配

标号

地址

标注

前厅双鉴1.0.0

I0.0

1时灯亮，0时灯灭

中厅双鉴1.0.1

I0.1

1时灯亮，0时灯灭

后厅双鉴1.0.2

I0.2

1时灯亮，0时灯灭

照度a1.0.3

I0.3

1时调亮，0时灯灭

照度b1.0.4

I0.4

1时调亮，0时灯灭

七天定时器

I8.4

1时正常工作，0时关灯

1.0区域灯1

Q0.0

1时灯亮，0时灯灭

1.0区域灯2

Q0.1

1时灯亮，0时灯灭

1.0区域灯3

Q0.2

1时灯亮，0时灯灭

四路调光器端口1

Q0.3

1时灯调亮，0时灯调暗

3.3自习室灯光控制流程

图3-2自习室子程序程序流图

3.4系统组态

传感器动作后，发出信号，由PLC接收，PLC通过RS-485，传输给C-BUS总线，而C-BUS总线是RS-232接口，通信可以通过一个485/232转换模块转换信号，然后C-BUS总线把信号传输给以太网，以太网通过CP241-3通信模块和监控主机通信。

PLC与以太网的通信连接如下：

PLC的IP地址设置，即在STEP7-Micro/Win编程软件中对以太网连接进行设置。

通过PC/PPI将S7-200PLC连接到装有STEP7Micro/WIN编程软件的电脑上。

打开STEP7Micro/WIN，新建项目，选择CPU的类型为CPU224CN。

通讯方式设置为“PC/PPI模式”。

然后打开“工具”点击“以态网向导”进行CP243-1的组态连接：

选择CP243-1模块的位置为0（位于CPU模块后的第一个位置）；设置CP243-1模板的IP地址为172.16.2.230（子网掩码为255.255.255.0），网络速度选择自适应；选择CP243-1的网络连接数目为1；新建PLC1、PLC2、PLC3、PLC4的地址分别为172.16.2.230、172.16.2.231、172.16.2.232、172.16.2.233。

信息的存储区。

生成的程序即可下载到对应的PLC内[9]。

（1）打开STEP7，打开“工具”点击“以态网向导”。

（2）选择模块位置为“0”，点击“下一步”。

（3）模块地址分配：

IP地址为172.16.2.230，子网掩码地址为255.255.255.0，网关地址为172.16.2.1。

模块连接类型为自动检测通信。

（4）点击“下一步”，确定模块命令字节QB为“2”，模块配置的连接数目为“1”。

（5）点击“下一步”，配置连接为“客户机连接”服务器IP地址为172.16.2.230。

点击“数据传输”，选择“新传输”添加一个新的数据传输。

（6）选择“将数据写入远程服务器”，数据为四个字节，依次建立四个PeerMessage连接配置。

（7）点击“确认”，选择“客户机连接”，选择IP地址为PLC1的地址，点击“确认”。

（8）点击“确认”默认设置，点击“下一步”

（9）点击“下一步—完成”，选择“是”。

到此，PLC与以太网的通信建立。

图3-3自习室、阅览室组态

图3-4办公室、书库组态

由组态控制画面可以看到，自习室、办公室、阅览室有三组灯光，分别为前、中、后区域。

而下面的对应有绿、红、黄三个按钮，分别控制前、中、后区域的灯的状态。

具体控制如下：

当PLC接收到传感器发出的信号时，PLC经总线、以太网，把控制信号发送给组态软件，通过前面的通信设置，把相应的PLC对应组态相应的地址，在接收到相应的信号后，组态通过动画定义，点击相应的按钮即可以控制该区域内灯的开关了。

而书库只有两组灯光和两个按钮，其控制方法和自习室等的一样。

通过组态的连接可以实现一个人控制整栋楼的灯的状态，方便了灯光控制，节省了人力、财力。

4结束语

从节能、环保、管理、运行、维护等方面考虑，本设计具有前瞻性，基于PLC的现代智能照明控制方式成为图书馆照明控制的主流。

综合分析，基于PLC的智能照明控制系统在现代智能建筑中的应用效果有以下几个方面