基于PLC的校园照明智能控制系统设计说明书Word文档下载推荐.docx

基于PLC的校园照明智能控制系统设计说明书Word文档下载推荐.docx

《基于PLC的校园照明智能控制系统设计说明书Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的校园照明智能控制系统设计说明书Word文档下载推荐.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

学院（系）：

专业：

学生姓名：

学号：

104091120032

指导教师（职称）：

评阅教师：

完成日期：

****学院

NanyangInstituteofTechnology

电气工程及其自动化***

［摘要］目前，大多数校园照明系统仍然使用人工控制，其缺点是控制复杂、修理困难、容易发生误动作。

针对这种情况，本设计使用西门子S7-200PLC代替传统的人工控制校园照明系统。

采用了PLC智能控制，系统稳定可靠，完全满足学校的照明要求，校园照明系统主要有道路控制输出信号、景观灯输出信号、公共绿地输出信号，根据PLC控制原理对其进行I/0分配和绘制照明系统流程图及编写校园照明智能控制系统梯形图控制程序。

最后经过模拟仿真运行，能够实现当设备发生故障或出现某些不正常运行情况时，由自动控制变换人工控制，在排除故障后再次实现自动控制满足照明智能控制系统的要求。

［关键词］照明系统；

西门子S7-200；

输出信号；

智能控制

IntelligentControlofCampusLightingBasedon

ElectricalEngineeringAndAutomationSpecialty　***

Abstract:

Atpresenttheilluminationsystemofthemajorityofourcampusisstillusingthetraditionalmanualcontrolsystem,whosedisadvantagesarecomplexcontrol,difficulttorepair,pronetomalfunction.Forthissituation,thispaperusestheSiemensS7-200anddesignsthesystemtocontrolthecampuslightingsysteminsteadoftraditionalartificialcontrol，ProgrammableLogicalControllerintelligentcontrolsystemwasadoptedonthenewcampus,thecontrolsystemisreliableenoughtomeettherequirementofcampuslighting,Thesystemmainlyincludesincidenttheoutputsignaloftheroad、thedecorativelightsandthegreenfields.WhichcomposestheI/0allocationtablesandflowingdiagramandtheladderdiagramcontrolprogramsoftheilluminationsystemofthecampus.Throughthesimulation,itisabletoturntomanualcontrolfromtheautomaticsystemwhenthefacilitiesgeneratethephenomenonofthemalfunctionandabnormal,theautomaticsystemturnonafterpeopletofindandorderlydealwiththemalfunction,andfulfillstherequirementsofthesystemoftheintelligentcontrol.

Keywords:

Theilluminationsystem;

SiemensS7-200;

theoutputsignal;

intelligentcontrol

1引言

1.1选题背景和意义

随着工业化高速发展，能源问题成为人们关注的焦点，因为能源的消耗除了其直接的经济损失外，还会带来碳排放量的增加，恶化环境，所以节约能源一直是生活、生产中的一个主题。

提到节能人们往往忽视了照明用电，因为它单体容量较小，安装比较分散，所以，看起来无关紧要，其实照明用具数量最多，分布最广，随着城市的扩张和道路的延伸，无论是单体容量还是总容量都在大幅增加，美化环境的长明灯更是越来越耀眼。

现在很多大学都坐落在郊区，建筑容积率较低，因此，诸如道路、广场、景观等公共照明占的比重相当高，且路灯和景观灯的单体容量大，工作时间长，绝对是学校能源消耗的主体。

要说学校节能，只要把这些公共照明控制得当即可。

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[1]。

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。

而可编程控制器（ProgrammableLogicalController，简称PLC）作为自动控制的重要组成部分，已成为大多数自动化系统的设备基础。

可编程控制器是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门都有广泛应用。

它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入/输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现对系统过程的自动控制。

而校园具有现代化气息，道路宽且长，绿地和景观用地也有相当的比例。

在进行道路和景观绿地照明设计时，在节能和延长光源寿命方面取得了明显的效果。

本设计研究项目属于采用西门子S7-200PLC代替传统的人工控制照明系统，在校园智能照明系统中装置PLC，可以达到线路简单、易于安装、便于维护、编程简单、工作可靠、抗干扰能力强，实现对照明系统的综合自动化控制[2]。

1.2PLC在国内外的发展状况

可编程控制器是六十年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。

而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。

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制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多[3]。

针对节约电能、保护全球环境的可持续发展的要求，美国环保署于1991年1月提出“绿色照明”概念，引起了其他国家的重视。

我国也于1993年11月启动“中国绿色照明工程”，并于1996年正式列入国家计划[4]。

但是我国智能化照明技术的应用还不广泛,大多数校园仍然使用传统的照明控制方式。

因此完善校园路灯智能化监控建设，进一步扩大监控系统点位，自动实时监控和远程控制校园照明设施的开关灯，合理控制道路照明和景观灯的运行和停止具有重要的现实意义。

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。

1.3设计的主要内容及技术要求

1.3.1主要内容

本设计采用S7-200控制器控制照明系统，根据校园照明系统的工作特点,采用PLC实现对照明系统的控制，总体设计主要包括硬件线路的设计和软件的设计。

硬件线路设计主要包括线路图设计和排线布线设计。

软件设计根据控制的要求，对事道路、宿舍、公共绿地、景观灯等进行I/0分配，同时编制了系统梯形图控制程序，最后进行仿真与调试，达到校园照明系统的要求。

1.3.2具体技术要求

（1）学生是一个特殊群体，活动的时间性、规律性非常突出，因此对道路和其他公共照明实行智能分时控制。

（2）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1/4，满足最低照明要求。

（3）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。

（4）为了保证PLC事故情况下的道路照明，在设计时考虑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。

（5）在设计时考虑夏、秋时制和冬、春时制的识别。

2智能照明控制系统总体方案设计

智能照明控制系统由可编程控制器、中间继电器、各种照明灯和刀开关组成。

通过软件编程软件编写分时段程序控制校园道路、公共绿地和景观灯等照明设备，使各照明设备在规定的时间工作。

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。

2.1照明系统的功能需求分析

（1）节能据专业资料统计，智能建筑的照明用电占整个校园用电的85%左右。

其实在大多数情况下很多区域并不需要把灯全部打开或者开到最亮，过度的照明不仅形成光污染还会造成能源浪费。

在当今能源紧张、国家大力倡导节能的形势下，使用智能照明管理系统最大程度地节能具有非常实际的意义。

校园照明回路数量较多，容量较大，如何在保证所需照度的前提下，综合运用多种控制手段，减少不必要的电能浪费，是个极其重要的问题。

（2）高效管理如何提高运行的稳定性和可靠性，使控制和操作更加简单、方便、灵活，使管理更加自动化、高效化，减少大量简单重复的劳动，是我们在设计时考虑的重点。

我们根据不同区域的特点进行设计，确保使用方便灵活，管理高效。

智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少照明系统的运行维护费用，并带来较大的投资回报[5]。

（3）人性化使用智能照明管理系统，不仅要实现基本的灯光控制，还应通过场景、自动控制等手段，努力提高照明环境的品质，使人们在一个舒适温馨、高品质的光环境中愉快高效地工作和学习，真正做到“科技以人为本”。

2.2系统设计的基本步骤及功能组成

2.2.1智能照明控制系统设计过程简述

校园照明控制系统配置设计一般都在控制时间和照明电气部份设计之后进行的，根据校园的照明要求结合电气设计图进行系统配置。

首先根据校园道路、景观灯等照明的分布情况，设计硬件线路；

其次依据照明灯具的大小、数量计算出总的电压、电流等电气参数，通过计算出的参数进行电器元件的选型；

再此就是软件编程，根据设计要求编写软件程序；

最后通过仿真调试不断修改设计，直至满足校园照明智能控制要求。

在实际设计过程中，也可依据实际情况对设计方案进行修改。

2.2.2智能照明控制系统设计基本步骤和方法

第一步编制照明回路负载清单，核对照明回路中的灯具和光源性质，进行整理[6]。

（1）每条照明回路上的光源应当是同一类型的光源，不要将不同类型的光源如白炽灯，日光灯，景观灯混在一个回路内。

（2）分清照明回路性质是普通供电还是节能供电。

（3）每条照明回路的最大负载功率应符合开关控制器允许的额定负载容量，不应超过额定负载容量运行。

（4）根据灯光设计师对照明场景的要求，对照明回路划分进行审核，如不符合照明场景所要求的回路划分。

可作些适当回路调整，使照明回路的划分能适应灯光场景效果的需要，能达到灯光与室内装璜在空间层次，光照效果和视觉表现力上的亲密融合，从而使各路灯光组合构成一个优美的照明艺术环境。

第二步根据照明控制要求选择控制面板和其它控制部件

控制面板是控制照明系统的主要部件，也是操作者直接操作使用的界面，选择不同功能的控制面板应满足操作者对控制的要求[7]，控制系统一般有以下几种控制输入方式：

（1）采用时间管理器控制方式，根据不同时间自动控制。

（2）采用按键式手动控制面板，随时对照明进行调节控制。

（3）采用电脑集中进行控制。

（4）采用PLC实时时钟进行不同时段分时控制。

第三步选择附件及集成方式

控制系统如需与其它相关智能系统集成，可选用相应的附件。

第四步施工图纸设计及设备配置清单编制

（1）施工图纸设计，该部分内容可见智能照明系统电气设计相关教程。

（2）编制系统配置清单，如系统中各产品型号、数量、使用区域、备注等相关信息。

2.2.3智能照明控制系统设计的功能组成

（1）智能照明控制系统的结构和组成

一般智能照明控制系统都为数字式照明管理系统，它由系统单元，输入单元和输出单元三部分组成。

除电源设备外，每一单元设置唯一的单元地址，并用软件设定其功能。

通过输出单元来控制各负载回路，各种形式的单元简述如下：

●系统单元：

主系统对各区域实施相同的控制和信号采样的网络，子系统则对各分区实施不同具体控制的网络。

主系统和子系统之间通过信息等元件连接，实现数据传输。

●输入单元：

用于将外部控制信号变换成控制系统上传输的信号，如可编程的多功能（开/关、调光、定时、软启动/软关断等）输入开关、红外线接收开关及红外线遥控器（实现灯光调光或开/关功能）。

各种型式及多功能的控制板，可进行多点控制、时序控制等，调整照明，以达到使周围环境保持适宜的照度，节约电能[8]。

●输出单元：

智能控制系统的输出单元是用于接受来自控制器的定时信号，控制相应回路的输出以实现实时控制。

输出单元有各种型式的继电器。

系统一般采用集中控制和管理、分散执行的方式，亦即配置智能控制照明柜，智能控制柜内装有可编程控制器的有关自动及手动控制开关，空中灯具开/关状态，手动控制开关可在异常情况下采取处理措施。

（2）采用智能照明控制系统的优越性

●良好的节能效果采用智能照明控制系统的主要目的是节约能源，智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。

利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。

●延长光源的寿命延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，降低了照明系统的运行费用，管理维护也变得简单了。

●改善工作环境，提高工作效率良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。

良好的设计，合理地选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量[9]。

●实现多种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上的明暗效果，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。

以某工程为例，建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同的效果，采用相应的预设置场景进行控制，可以达到丰富的艺术效果。

3硬件设计

3.1线路结构设计

3.1.1控制线路设计

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，可以说是人车混合的道路。

在设计时采用高于一般居住区而低于商业区的标准。

为了便于分时控制，在灯具布置时采用双侧交错布置，杆距定为25m，较标准杆距略小，有利于分时控制时减少灯光死角。

路灯采用双侧交错布置，每一侧的路灯由2个单独的控制回路进行间隔控制，如：

1#回路控制左侧的单编号灯具，2#回路控制同一侧的双编号灯具。

3#、4#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1/2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，满足最低照明需求即可。

当进入第3时段时，4个回路中3个回路分断，也就是只有1/4的灯具点亮，对于学校内部道路而言，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[10]。

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1个景观区域和1个公共绿地的供电系统图。

图1供电系统示意图

3.1.2控制器件的选型

在校园智能照明系统中由人工和自动两种控制方式，人工控制需要能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流的开关装置即断路器。

自动控制因学校照明电路多总功率较大，因此自动控制开关器件选用接触器。

目前PLC的输出有2种型号：

晶体管和继电器。

继电器能够支持AC220V的电压。

也就是说继电器的型号能够控制AC220V的回路，但并不推荐直接用于AC220V的回路中，尤其是频繁动作的回路中，故此在设计过程中增加中间继电器来实现[11]。

本设计所选用的断路器用照明保护用，选用DZ47-63小型断路器DZ47-63/3C型DZ47-63高分断小型断路器是一种具有过载与短路保护的限流型断路器，适用于交流50Hz，单极电压230V及以下，二、三、四极电压400V及以下的工业和商业照明配电系统的过地短路保护，亦可在正常情况下作线路的不频繁通断转换之用。

该断路器外型美观，体积小，重量轻，分断能力高，脱扣迅速，导轨安装，壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料，性能优良可靠。

接触器（Contactor）在工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器分为交流接触器和直流接触器，交流接触器又可分为电磁式和真空式两种。

交流接触器的选择：

（1）持续运行的设备。

接触器按67～75%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67～75A以下的设备。

（2）间断运行的设备。

接触器按80%算。

即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。

（3）反复短时工作的设备。

接触器按116～120%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116～120A以下的设备[12]。

中间继电器（intermediaterelay）的工作原理和交流接触器一样，都是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。

线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；

线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位。

JZ-21H、22H系列断电延时中间继电器（以下简称继电器）,用于交、直流操作的各种保护或自动控制回路中[13]。

JZ-2IH为单路延时继电器，JZ-22H为双路延时继电器。

3.2PLC的设计

3.2.1PLC在控制系统中的要求

（1）用PLC进行照明控制系统改造时遵循原则

●完备性:

包括了常规的照明系统的全部功能，同时还考虑了校园综合自动化改造后对照明系统信息量、信息格式的要求。

●可靠性:

在满足完备性的前提下，尽量简化附加的前后向通道。

通过自动和和人工两种控制方式，使照明系统在发生故障时可以灵活控制照明系统。

●适应性:

系统脉冲起动电流可调，以适应老式的白炽灯和新型的发光二极管脉冲电流的不同特点。

（2）PLC控制的优点

●前后向通道简单。

前向通道除脉冲形成回路稍许复杂外，其他都是简单的光耦电路;

后向通道更加简单，直接由PLC输出。

●抗干扰性能好。

除PLC的I/O本身进行隔离外，对前向通道又进行隔离，有效地抑制了共模干扰。

同时系统的功能全部由PLC按照预定的程序完成，避免了由于某个继电器损坏造成的误动或拒动。

●灵敏度高，过载能力强。

PLC控制照明系统的脉冲形成和响应在物理上是独立的，能够做到具有很高的灵敏度和承受较大的过负荷能力。

●维护简单。

PLC程序采用继电保护人员熟悉的梯形图编制，直观明了。

可直接利用PLC编程器对自动复归时间等定值进行修改。

同时由于PLC的高可靠性，基本上可做到免维护。

3.2.2PLC选型

在PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的PLC以达到真正需要，而又能符合经济效益，是一个重要问题。

PLC本身的特点是：

体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。

针对上述说明，选择符合功能需求与经济效益的PLC是十分必要的。

一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。

机型的选择可以从以下几个方面来考虑：

（1）对输入/输出点数的选择

要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。

（2）对存储容量的选择

PLC存储器容量的估算方法：

对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入与输出点数之和乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）。

（3）对I/O响应时间的选择

PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。

对开关量控制的系统，PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。

但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。

（4）根据是否联网通信选型

若PLC控制的系统需要联入校园自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。

大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

（5）对PLC结构形式的选择

在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。

但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。

目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。

经过反复比较及对系统控制规模和控制要求的分析，选用了目前较流行的、有较高性价比的西门子S7-200系列小型PLC。

该型