小区plc照明控制系统设计大学论文.docx

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小区plc照明控制系统设计大学论文

2015届

　分类号：

TM923

　　　　　　　　　　　　　　　　　单位代码：

10452

毕业论文（设计）

教授花园PLC照明控制系统的设计

姓名　　　　刘俊良　　　　

　　　　　　学号　　201105820439

　　　　　　　年级　2011　　　

　　　　　　　专业　　电气工程及其自动化

　　　　　　　系　（院）　　汽车学院

　　　　　　　指导教师　王君普

2015年4月24日

摘要

在日益发展的当下，数字技术和网络技术都得到相当大的提升，公共区域照明数字化和网络化这种趋势已不能阻挡。

降低能源浪费、美化环境、延长灯具的使用寿命、照明管理水平更为有效化和人性化等，如今已经变成对公共照明最基本的要求。

本文主要介绍了PLC在教授花园小区照明中的应用。

通过可编程逻辑控制器（PLC）对教授花园小区道路、景观灯、活动区照明进行控制，采用分时分段控制，在结合当今技术已经成熟的自然光感应开光技术来完成对照明系统的智能控制，克服了灯具开启时间不合理、灯具寿命缩短和电能的浪费等问题。

关键词：

PLC；光感应开光；智能控制

Abstract

Growingatthemoment,digitaltechnologyandnetworktechnologyhadprettymuchimprovement,publicarealightingdigitizationandnetworkinghasbeenunabletostopthistrend.Reduceenergywaste,landscaping,extendlamplife,lightingmanagementmoreeffectiveandhumane,etc.,hasnowbecomeabasicrequirementforpubliclighting.

ThispaperdescribestheapplicationofPLCintheGardenDistrictprofessoroflighting.Byaprogrammablelogiccontroller（PLC）Professorgardendistrictroads,landscape,activityarealightingcontrol,theuseoftime-sharingsegmentcontrol,combinedwithtoday'stechnologyhasmaturedinnaturallightsensingtechnologytocompletetheopeningofintelligentcontrolsystemsforlightingtoovercometheunevenilluminationacrossthelights,cannotpointlightingandenergywasteandotherissues.

Keywords:

PLC;Lightsensoropening;Intelligentcontrol

目录

1绪论1

1.1智能照明控制技术的研究现状1

1.2PLC在现代照明控制中的应用4

1.3设计背景4

1.4设计的主要内容5

2PLC的工作原理5

2.1PLC的简介5

2.2PLC的编程语言5

2.3PLC的结构6

2.4PLC的工作原理7

3小区照明控制系统设计方案8

3.1方案论证8

3.2设计方案及结构框图9

4小区照明控制系统的硬件设计10

4.1PLC的选择10

4.2照明灯具与接触器的选择11

4.3光控感应开关12

4.4基于PLC的硬件接线图的设计13

5小区照明控制系统程序设计15

5.1GXDeveloper编程软件介绍15

5.2控制系统的梯形图程序16

结论19

参考文献20

谢辞21

1绪论

1.1智能照明控制技术的研究现状

1.1.1照明的控制方式

人类需要照明的重要性一目了然，但是目前人类面临更大困难是日益渐少的能源，以及发电和生产过程中产生对环境的破坏，使用合适照明控制方式显得极为重要。

利用恰当的照明控制，是节约能源，保护环境的强有力措施。

跷板开关控制。

门上的翘板开关的设置，适用于占地面大、照明灯多的居室。

通过使用双联、三联、多联开关控制。

空气开关控制。

空气开关控制，在其本质上，与摇杆开关控制相同，主要用于室外环境，例如停车场、大教室、街道照明、公共活动区照明等更大数目的照明。

定时开关、声光控开关等节能型开关控制。

在公共区域加适量使用红外运动检测光控开关，通过红外线探测控制。

声控开关是通过传感器将声音信号转化为电信号，然后来控制灯光的开启

手动遥控控制。

通过使用红外线遥控器，使得多个区域内的灯具，能在正常情况下，实行手动控制。

动静探测控制。

在场所和楼宇之中，可以通过是否有人走动来达到灯具的控制。

还可以加上调光和动静探测模块达到灯具的开关控制。

恒照度控制。

照明场所的开关是通过调光模块以及亮度检测元件来实现，使得场景的照明强度不会由自然光以及其他外在因素影响，始终维持恒定值。

1.1.2现代照明控制技术

现代照明的控制方式最为常见的是开关控制和调光控制两种方式，实际上开关控制是调光控制的极端，它实现的灯具全灭和全亮，这样看来开关控制与调光的控制有相同之处。

而调光控制具有很多优点，灯具的亮度可以由调光控制决定，可节约电能。

其限制电压的技术可以使灯具避免电压冲击，可以使灯具的寿命达到延长。

根据常见发光的原理，照明灯具光源最常见的为气体放电光源。

另外热辐射光源也是在日常生活中较为常见的光源。

对于气体放电光源，仅需要修改加在光源上的电压，以改变输出的光照量；而热辐射光源的调光控制不是这么简单，不是简单地通过控制电源电压的调光。

因为这样的光源具有电子镇流器，控制电子镇流器的电压的频率和电压的振幅来调整光源的亮度。

在各种类型的微处理器控制的发展，越来越多的微处理器已投身于现代照明控制。

目前，很多场合都是利用微处理器调节正弦波电压来调节光的强度。

最初的剧场的舞台灯光调光是利用可变电阻来实现的，这种传统的照明控制技术，使操作控制显得极为繁琐。

早在1964年英国开始SCR调节光照，这是在对调光的一大突破，本身SCR体积小，也易于控制，目前为止也被很多厂商使用。

后来为了处理关于含有容抗的照明灯的调节照度的问题，便使用的MOS晶体管沿着相位控制调光的调光器，该种调光器的电压下降时间可以通过修改相应电路增加，从而减少了电磁干扰和噪音。

但是，以往的两相的方式调光总是不能解决正弦波被破坏，并产生了高次谐波的干扰的问题，并且由于跨越正弦电流的分阶段工作以及装置的循环控制，从而降低能量使用效率。

邦奇电子公司已掌握新的调光方法，该种方法通过正弦电压调节，并且在功能上等同的输出电压可被调节为RMS变压器输出电压的波形，对电网不造成影响，转换效率高。

这样可使各种类型的照明灯具可以调整。

正弦波调光装置在采用脉冲宽度调制（PWM）中，通过调节频率来改变其输出。

这样能使输出功率得到相应变化，使得调光的效率得到提升，电流控制的误差也大大减小。

可调光电子镇流器减少了LED的光输出，同时保持控制器能够有效地工作，并提供了相对稳定的颜色输出。

1.1.3现代照明系统控制技术

当今照明控制系统往往把节能效果放在首要位置。

通过照明控制，延迟照明灯具寿命，减少工人维护，提高照明效率，还可实现各种照明效果。

（1）传统照明控制系统

常见的传统照明系统可主要为普通点灯照明。

比如在照明输送电路回路中，设置开关器件关闭，以此来达到开关控制的目的；同时可利用限制部件手动控制照明输送电路，来调节所述分配电路电气参数，用以实现调节光照强度的控制。

传统的照明控制方式的特点有，功能简单、简洁和成本低。

但在使用中，开关控制器的数量多，灯具电路布线的复杂性增加，电源线的需求少；除此之外，使用机械开关来实现电源的接通，系统一旦固定将不能修改，系统的扩展和维护都较为困难。

（2）自动照明控制系统

照明技术的迅速发展，一些建筑物结构的布局也时刻发生变化。

照明控制为了适应和满足当前发展，假若继续采用以前的传统照明控制方式，它只能被放置各种机械开关，不漂亮，也较为繁琐。

随着电子技术的飞速发展，照明控制的方式已实现自动控制，采用数字电子技术来实现各种灯具的控制。

通常是由控制中心发出指令，通过然后数字电子技术来控制电路中接触器闭合，便可实现照明灯的开关控制。

采用自动照明控制技术，解决了控制不集中的问题。

另外在控制的方式和灯具点亮的时间选择上，自动化的程度也大为提高。

然而，由于对DDC系统所具有的技术特性，让该系统也具有缺陷：

照明灯具的调光控制不能实现，也难以实现；预设的照明场景和场景管理功能也存在许多不足。

（3）智能照明控制系统

现代的智能照明控制系统是通过使用微型的现代计算机技术，并通过该技术主动收集各种信息，收集后的信息将被进行对应的逻辑处理，判断、运行、显示、输送和反馈调节控制等其他的特定形式处理，以便其结果能达到最满意的状态。

目前DSC的分线技术使用，在照明控制系统中最为常见，具有结构化递进式控制的特点。

智能照明技术已经可以随处可见，它的应用也越来越普遍，与智能照明技术相关的产品的需求量也会增多，另外一些厂商开始着手设计新的照明网络的新型系统架构，用来满足某些特定场景的标准。

现有的智能照明控制标准，可以根据其本身的发展背景进行分类。

在智能家居协议中，其灯光的控制更多的依赖于建筑设备管理系统。

以下是一些最为常见的协议。

（1）X-10

X-10是国际协议的电力线载波，其信号频率120赫兹到60赫兹（我国为50Hz），发射机将是一系列的X-10信号（操作码和地址码）播出并发送到网络，则该网络中的每个接收器可以接收的X-10信号，第一步是识别地址代码，如果地址码后面的操作码匹配，则该信号将被执行。

电线将电能输送到各种电器设备，与此同时将照明灯具，控制设备连接成了网络。

X-10是世界上最早，最简单的家庭自动化网络系统。

这种协议能合理的将电线上的电能资源分配，另外排除了其他电流电线在电能上的分配效果。

这样能使开槽线的成本会显著下降，这是X-10系统较为明显的特点。

智能家居的发展也有近二十年左右，X-10系统无疑成为最受欢迎的系统，对其照明灯具的控制为其最明显的一面。

（2）CEBus

CEBus是消费电子总线的简称，其发展可以追溯到1984年，到1992年，所有的CEBus的规格标准得以解释。

特别是电源线，通过利用现有的家庭布线的优点，不需要额外的布线，这使得对现有的房屋改造它很极为方便，另外不同的传输设备可以满足电器接收不同的通信信息。

CEBus在对了以往X-10的缺陷都进行了完善，CEBus的物质层能确定全部输送介质，且寻址能力得到不小提升。

（3）EIB

EIB是欧洲的安装总线简称，早在1992年，欧洲最大的电气制造商制定了EIB协议标准。

EIB虽出现在公众的视野比较晚，但它的发展却毫不逊色，全球已经有110多家厂商。

和CEBus同样，EIB网络是一个完全分布式的对等网络。

网络上的每个设备都具有同等的地位。

EIB每个域名最多可以有15个域（区），每个域最多可以有15条线路，并在每行线路可容纳多达255个设备。

EIB组件由元件模块构成，传感器和致动器被分为两种类型，能安装在不同建筑物的不同区域，通过总线将其连接。

每个传感器和致动器都包含内置的微处理器和存储器，使得这些组件可被操作并且各自独立，从而若一个元件的损坏不影响操作系统控制其他部分。

1.2PLC在现代照明控制中的应用

PLC即可编程序控制器，从1969年出现以来一直都应用于各种工业上的控制，伴随各种微型计算机技术的发展，性能不断地加强。

如今的PLC，若考虑到控制就要考虑到PLC。

PLC应用在照明控制上主要是一些大型写字楼、高层楼宇、体育馆等。

另外也可应用在舞台灯光、娱乐场所和大型景观区的照明控制。

利用可编程控制器控制（PLC）照明不仅可以节约电能，还可以保证保照明的舒适，比较常见的照明控制方案有以下几种：

（1）适时照明控制。

利用时间程序对其控制。

大型办公楼、某些工厂、游乐场、大超市等根据特定工作时间和营业、上班时、来划分照明的不同级别。

根据时间对所述照明场景的灯具多少点亮和照明亮度大小等来用PLC控制，从而达到省电的效果。

（2）有窗户协助照明的场所，根据自然光的亮度实现对灯具数和其照明的亮度大小的控制。

自然光通过窗户投射进居室，此时应当减少灯光的照明，通常使用感光控制来控制照明，当检测照明亮度的值等于早已设定在检测装置内的数值时，自动调节照度，以节约用电。

（3）同时也要设置手动开关，来予以配合临时性和其他检修应用照明。

倘若仅利用时间程序和自然光亮度检测装置来控制，而在某些特殊的现场工作，需要通过手动的控制开光来满足现场工作的要求。

（4）照明的控制通过接收的照度值，但在接收过程中会耗费一段时间。

此外灯具的污染，照明的亮度会变低，通过人工清扫后亮度又会提高。

因此需要适当的开启关闭输送的电源，维持一定的照度值以节省电能。

1.3设计背景

教授花园小区照明主要存在如下主要问题：

（1）小区的公共照明采用控制方法主要为分散的时控方式，也就是在照明的配电箱中装配定时器，定时器中早已预定的时间来达到自动开启或关闭照明。

目前所使用方法不能有效调节灯光的开关以及闭合时间，照明设备的运行情况也得不到体现，出现故障的概率也较大，维修难。

（2）开关的时间控制比较随意，如果过早就造成电能的浪费，过迟的话就影响行车与行人。

（3）小区公共照明基本上是同一时间段打开，对电网的稳定会产生影响。

（4）照明控制方式简单，易造成造成对资源的浪费，系统消耗电能过大；照明灯具也容易烧坏。

1.4设计的主要内容

教授花园的照明控制最主要的就是控制路灯照明、景观灯、活动区照明。

将路灯照明、景观灯、活动区照明通过PLC控制，将三个区域照明延时启动以维护电网的稳定。

另外对三个区域照明都用“光控”和“钟控”来予以控制，来达到节能作用；同时对路灯照明、景观灯、活动区照明接入手动控制，方便维修人员检修和特殊照明。

其设计的框图如下：

图1控制系统组成

2PLC的工作原理

2.1PLC的简介

可编程序控制器，简称PLC。

它是在20世纪70年代以来，在微型电路、微机技术上共同发展起来的新型控制设备。

PLC能够成为工业自动化的中坚力量，主要是因为有这些优点：

可靠性和使用性的人性化、体积小、质量小、使用简单等。

这些也使得它的身影在工业自动化随处可见。

1987年2月，全球的电子委员会拟出一个PLC的定义：

“可编程逻辑控制器（PLC）在控制环境中使用计算运算操作的设计，它采用了可编程内存，其内部的存储含有基本的运算、时制、计数和程序运算等执行命令，可以实现各种类型机械的控制。

2.2PLC的编程语言

梯形图语言和指令表语言为可编程控制器最常见的编程语言

（1）梯形图语言

梯形图语言基于继电器梯形图、接触器的基础上演变而来。

最大的优点是直观，易于理解，易于使用。

而从各种电气方面的用语，通过梯形图术语更容易把握，这也是PLC的主要编程语言。

（2）指令表语言

指令表语言与我们常见的汇编语言有许多相似之处，指令表语言是通过使用字符来实现可编程控制器的操作从而达到控制的目的，用户掌握一定的编程基础将有利于使用PLC。

下面是使用用指令表语言编写的一个简单例子。

程序如下：

LDX000

ORM0

ANIX001

OUTM0

END

2.3PLC的结构

PLC本质上是专用计算机控制系统的一种，具有多个连接接口，是具有编程语言的控制要求的通用计算机。

其结构如下图2所示。

图2可编程序控制器的结构图

（1）中央处理单元CPU

PLC的CPU芯片实际上是一个微处理器，但它是专门用于PLC。

并且大多数的厂家，为实现最佳性能的PLC产品开发，通常自己研发CPU。

可编程控制器的CPU其主要功能是：

将现场场景状态送入PLC寄存器，收集的数据读取指令，完成各种操作和运行，将结果输出，响应外部连接设备的需求。

并检测PLC的电源，通过这种检测得知PLC内部电子电路和编程的状态是否有误。

（2）存储器

系统程序存储器（ROM），用于存储系统管理程序。

通常在可编程控制器（PLC）出厂之前，就已将其固定在存储器中。

用户无法更改他们的数据：

用户存储器（RAM），其中包括用户程序存储器和数据存储的工作，通常一般由常见低功率存储器的COMS-RAM的配置构成，其中内容可读并且可以修改。

（3）输入输出接口

不同的PLC其输入输出接口数是不同，I/O接口数的多少能一定反应出PLC的能力。

I/O部件是PLC的CPU的重要组成部分，用于与各种外部设备的连接，将其信号输出给外部设备。

I/O部件其中包括输入模块与输出模块，且与内部计算机电路通过光电耦合元件来将其隔离。

2.4PLC的工作原理

2.4.1PLC的工作方式

PLC是微处理器为核心的一种工业控制设备，它的功能特点与常见的计算机极为相似，但其工作原理却与这些计算机有很多不同。

常见的计算机一般使用指令和中止的运行方式，如扫描模式下，按下一个键或是输入输出接口的操作键，相应的子程序将被转移，而对应的中断服务程序也将会有子程序转入；无按下，则继续扫描等待。

可编程逻辑控制器的运行方式为不断重复、周期性的扫描，这种运行方式是通过软件予以实现。

PLC运行工作使时，其CPU按控制要求运行。

在其运行准备的过程中，如果没有指示指令，则需要从用户程序的第一条指令开始，按顺序的扫描用户的程序，当程序结束扫描将会结束。

PLC扫描的程序主要分为三个阶段：

（1）自诊断。

接通电源以后，在程序运行之前，都必须先运行自诊断程序。

诊断的内容主要具有I/O部分和CPU等，监察扫描时间与所要求时间，当发现异常，则停止扫描。

若自诊断正常，则继续向下扫描。

（2）通信服务。

使用PLC检验是否含有编程器和计算机通信要求，若含有则进行处理。

（3）执行用户程序。

具体包括：

输入输出处理和程序处理阶段。

2.4.2PLC对用户程序的执行过程

可编程控制器对用户程序的执行主要按三个扫描阶段进行：

（1）输入处理（也称为输入采样）。

PLC的输入处理阶段，从输入锁存器中的第一个扫描方式读取输入端数据的状态，并存储在“状态图像区域”的存储器。

在程序运行阶段中，虽然输入的状态不稳定，输出阶段的图像区域不会更改。

（2）程序执行。

可编程逻辑控制器在程序运行中，可根据已设定程序有序地扫描每个逻辑指令，读出从图像区域的输入端的输入信号，适当的操作处理后，可将得到结果写进“输出端的图像区域”。

（3）输出处理（又称输出刷新）。

所有程序运行时，当程序运行结束时，输出图像区域中的所有继电器被CPU通过输出寄存器集中控制。

PLC的在扫描阶段时，最先响应的是输入阶段，在程序运行的状态下，PLC的输出与输入值将被阻止。

这种方法被称为集中采样，集中输出。

2.4.3PLC的扫描周期

PLC完成一次完整扫描所用的时间即是PLC的扫描周期。

根据PLC工作的过程易知，完整循环的扫描周期T应为：

T=（读入一点时间×输入点数）十（运算速度×程序步数）十（输出一点时间×输出点数）十监视服务时间。

扫描周期的时间由三个因素决定：

首先，CPU的运行速度；第二是PLCJ接收指令的时间；第三是运行指令的数目。

若周期较长，对应的是系统反应较慢。

PLC现在的扫描周期，厂家通常设定为12毫秒。

这对于一般的开关是允许的，且满足抗干扰的能力且不会受到任何的影响。

其原因在于输入时即采样阶段，刷新PLC输入时，在大部分时间中与外围设备没有任何联系，并且由于系统响应缓慢，干扰出现的概率大大降低，从而抗干扰能力得到大幅度的提升。

但对时间控制有特别要求、运行速度要求较高的控制系统，就需要认真编写所需要的程序来满足要求，可以运用某些设备的特有功能，如果需要的话，为了减少所造成的负面效果，可以选用高档次设备提高扫描周期。

3小区照明控制系统设计方案

3.1方案论证

目前小区公共照明主要采用的是定时控制，原理图如下：

图3常用定时器控制照明图

由图中可以得出：

其照明的控制方式使用的是定时器控制。

小区照明的停电送电，使用定时器控制其所有的照明，该控制方式虽可免去每天人工的控制，但是随着季节的变化或某天天黑比较早的特殊情况，则需要立马调节控制照明的定时器的定时时间，如此一来，大量的人力将会被耗费。

并且该控制只能全部打开或者全部关闭相应区域的照明，不能随着实际需要改变照度，浪费大量能源。

而本设计的小区照明控制系统，其研究的主要内容是通过PLC来实现小区照明自动控制，不仅能按照时间而且还可以根据自然光照度的差异来控制开、关灯；通过小区人流情况、车流和人们的活动情况，按照具体的时间来控制灯的开启熄灭，节约相应区域照明区域电能，同时延长灯具的使用寿命，减少维修工作量，也使照明控制更加人性化。

3.2设计方案及结构框图

照明控制的方法很多，都是为了控制方便，还有美化城市，节约电能，节约人力物力等成本资源。

本文主要针对小区路灯、景观灯、活动区照明。

在一年四季中难免有天黑得过早的时候，在这种特殊情况下，如果没有相应的应急措施，将会给交通，行人，小区人们活动带来不便。

可以再控制系统中设置一个亮度检测装置就能解决该问题。

另外根据小区实际情况，小区人们活动基本在晚间11点左右结束，小区的人流量和车流量在在12点过后明显降低。

结合此种情况，应对小区照明灯具进行相应的控制。

根据设计标准，此时应给予基本的照明以便维护小区的治安，若继续保持原有灯具的照明，将会照成电能的浪费。

同时再接入手动控制，方便维修人员检修和特殊照明。

基于此，先通过光控开光控制三个区域的照明，然后通过PLC设置，先后延迟三个区域的照明，来维护电网电压稳定。

当在晚间12点过后，景观灯和活动区照明通过PLC设置，全部关闭。

路灯照明通过PLC，开启三分之一，维持基本照度。

再结合教授花园小区的实际情况，其中活动区有两个，街道和景观区处于相互交织，下面的设计框图为一条街道，一个景观区和一个活动区的照明设计框图。

设计的结构框图如下：

图4照明控制系统框图

4小区照明控制系统的硬件设计

4.1PLC的选择

随着当今PLC技术飞速的发展，PLC产品也是日新月异。

不同类型的PLC，结构、尺寸、指令系统、程序写入模式、输入和输出点是不相同的，场景的应用也不尽相同。

因此，选择合理的PLC，对提升PLC控制效果和实际运用都有着重要的意义。

（1）PLC选型应最优先考虑功能是否满足要求，并确设备的可靠性，维修方便的前提下，尽量以得到最好的性价比。

主要考虑以下几种选择：

（1）安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。

分布式不需要设置I/O硬件，成本价格低廉，系统响应速度快；多台PLC联网的分布式在大型系统中最为常见，控制设备分布均匀，但连接线短，故需要增加电源；集中式常用在多个设备之间以及设备之间的控制是独立，但其场景需相互之间联系，可以考虑使用小型的PLC予以控制，根据要求添加相应的功能模块。

（2）相应的功能要求

一般低档PLC都具有逻辑计算与定时的功能，此类PLC能满足简单的