图书馆照明控制系统设计论文Word文档格式.docx

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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；

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