基于plc校园照明控制系统设计.docx

基于plc校园照明控制系统设计.docx

《基于plc校园照明控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于plc校园照明控制系统设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于plc校园照明控制系统设计

Abstract

Lightingcontrolismoreandmorewidelyappliedinthefieldofintelligentbuilding,intelligentlightingcontrolsystemandthecharacteristicsofcampusdesignideaoflightingcontrolsystemisbecomingmoreandmoremature.Inintelligentcontrol,PLCcontroldevelopmentinthemostrapidly,andPLCcontrolissimpleandeffective,itspowerfulfunction,highcostperformance,applicationrangeiswide,itprovidesasafeandreliableforautomationapplicationsandmoreperfectsolutions,moreandmoreapplicationintheintelligentbuildingcontrol.Ofcourselightwithoutelectricity,electricitysafetyistheprimarytask,sohowtopowersupplyistohavestrictrequirements,howtosafeandreliable,economicandreasonable,qualityassurance,tothecampusteachingtoensurethenormalpowersupplyanddistributionsystemofthecampus,whichisdependentontheintelligentcontrol.Insomeplaces,notoftenartificiallytoopentoturnoffthelights,andinordertosaveelectricity,weshouldthroughthesensortechnology,throughthesensor,thePLCcanthedesiredeffect.Campusingeneralisarelativelydenselypopulatedplace,lightingrequireshighbottoms,campuspowerbelongstoanindependentgroup,nowit'stimetostudythecampusdesignoflightingcontrolsystem.

Keywords：

Lightingoncampus、PLCcontrol、powersupply、sensor

第一章绪论

第一节课题设计的目的及意义

学校的用电主要有以下几个方面:

学校的教室，灯光照度设计标准一般为室内平均照度300lux，讲台点照度500lux，如此高的照度要求，如果没有合理控制方案，能源上将造成巨大的浪费。

因此，智能照明控制系统，不但用于控制公共楼道的灯光，普通教室、阶梯教室、投影室的应用也具有相当的实际意义。

对于学校而言，使用调光控制显然造价过高，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，开关控制是主要的控制方式。

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。

显然这种照明方式,从照明的角度上来说是非节能的从人的角度上来说,是不能满足人的基本要求的从管理的角度上来说,是繁琐且很不方便的。

所以我们要充分考虑到人的需要~在有人的地方必须有足够的照度,不论是日光照明还是人工照明,没人的区域应该熄灭灯光,以节约能源，还要能够实现智能控制,从而达到节能、舒适、方便的效

体育馆照明控制的主要目的不在于节能，而在于有效管理场馆内的所有灯具，配合多种比赛的需要，实现自动控制。

比赛场馆灯具选用斜照型和深照型灯具，考虑到灯具的功率都较大（一般在500W至2000W左右），照明控制设计上采用一回路控制一个灯位的方式，一个控制回路的容量为4400W，确保了有足够的余量。

控制回路一般采用开关控制方式，部分采用调光。

控制回路的组合联动根据比赛项目、比赛场地大小和灯位的情况来设定。

采用逻辑控制方式，通过编程设置篮球、排球等各种比赛模式，各种模式的开启和切换均由一键完成。

同时，照明控制系统应该与音响控制系统和消防系统联动。

当现场音乐响起，灯光马上会出现一些变化效果作为配合。

如开球、进球得分都会由不同的场景。

消防联动的作用是确保火警时应急照明启动，方便人员的疏散。

除了各种建筑物以外，学校户外的景观照明也是整个校园照明控制系统的重要部分。

景观照明的目的不光是夜间道路照明，也是美化学校环境，为各种节日和庆典活动增添色彩的需要。

利用日志编程和特殊日设置的功能，可在一年内设置不同季节，不同月份，某个节日的照明效果。

另外，由于一年四季有不同的日照时间，系统将具备自动识别功能。

其识别功能通过传感器和软件两种手段实现。

照度传感器可自动感应户外光线，为控制器提供开关信号。

但为了避免一些外界因素的影响，如阴雨天气，或是传感器的探头被灰尘覆盖，不能正确识别光强度等，系统软件能根据当地的日出日落资料数据，自动调整开关时间。

两种形式相结合，达到了最佳的节能效果。

新时代告诉我们要节约能源，由于人为的控制有时会造成不必要的用电浪费，于是就提出了智能控制，通过智能控制来达到节约用电的效果。

第二节系统设计的主要研究内容及安排

照明控制在楼宇自控、景观照明领域已经国内外有许多的工程实践。

大学城的设计也参考了原来楼宇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、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。

照明控制系统可以与BA系统集成。

提供与BA系统连接的接口协议和软件协议，集成到BA系统中，便于楼宇智能化的集中管理和子系统间的联动。

照明控制系统也可以单独建立一个系统，使用专门的通讯装置和编程监控软件，以便设置更理想、更灵活的控制方案。

一般的商业楼宇，系统集成是一个不错的选择。

但对学校而言，把照明控制系统独立出来，一方面更便于整个校区各楼宇照明控制的通讯和统一管理；另一方面，控制系统也可以把一些小功率用电设备（如电扇、通风口等）的控制纳入其中，简化设计。

校园的照明系统分为很多种，教学楼的控制，宿舍楼的控制，图书馆的控制等，我们就不一一的设计了，我们以图书馆的控制系统为主来设计。

第三节采用PLC控制的优点

一．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。

传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天开灯，晚上关灯。

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。

二．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。

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，人们的不同需要，自动调节照度。

三．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。

一栋建筑物中，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、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。

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。

四．管理便捷

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，也排除了由于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。

五．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40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25%-30%；学校在这方面还没有得到具体的统计数据，但根据分析，效果还是令人满意的。

第二章系统控制方案的确定

第一节设计方案的提出

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。

显然这种照明方式,从照明的角度上来说是非节能的从人的角度上来说,是不能满足人的基本要求的从管理的角度上来说,是繁琐且很不方便的。

所以我们要充分考虑到人的需要~在有人的地方必须有足够的照度,不论是日光照明还是人工照明,没人的区域应该熄灭灯光,以节约能源还要能够实现智能控制,从而达到节能、舒适、方便的效

一．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。

进而实现自习室的灯光智能控制。

二．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。

现代的人们由于工作压力大,对外界环境的变化很敏感,不好的环境会影响人们的心情,进而影响正常的工作,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。

三．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。

但是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。

四．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,这里不再赘述。

第二节照明控制系统的基本组成部分

一．主控中心

系统使用通用计算机作为主控中心，通过RLINK通讯装置与网络实现通讯。

计算机上可直接实现编程，监控，故障报警等功能。

局域网上的计算机也可以通过主控中心实现监控功能。

二.RLINK通讯装置

主控中心与系统网络各单元的通讯枢纽，实现RS485/RS232信号转换，具备系统自诊断功能和自动故障报警功能。

三.照明控制器

智能照明控制系统的核心部分，由控制模块电路、驱动模块电路、照明专用自锁继电器组成。

每个照明控制器均可独立工作，也可以由计算机中心控制。

主控中心停止工作或通讯中断不影响控制器的正常运行。

控制器有多种规格，单个控制器最多可控制48个回路。

一个系统内最多可连接500个控制器。

四.可编程开关

智能的弱电开关，有1~8键等各种规格，开关本身使用24V安全电压，不会有漏电的危险，开关操作时也不会出现打火和拉弧，确保安全。

可编程开关上的每一个按键所控制的回路均由计算机编程设定，单键可控制多个回路，可根据情况变化随意更改组合，使用起来灵活、方便。

五.动态传感器

利用红外线或超声波的原理，自动识别房间内是否有人存在而给控制器发送信号，实现“人来灯亮，人走灯灭”的动态控制功能。

六.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。

七.电话通讯装置

电话控制所需的附加设备。

用户直接拨打电话，根据提示音操作，控制照明开关。

　　图2-1智能照明控制系统图

第三节图书馆照明系统设计的基本方法

一.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,对这三个自习室编号为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。

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。

二.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。

三．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2-1所示。

其控制原理,在白天,光敏二极管2CU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,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2-2声光控制电路

第三章系统硬件设计

第一节PLC模块的选型

一．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。

二．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。

（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。

第二节传感器的选型

一．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、线形度好、防水性能好、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、城市照明等场所。

根据不同的测量场所，配合不同的量程，线性度好、防水性能好、可靠性高、结构美观、安装使用方便、抗干扰能力强。

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,感测角为1800,供电电压：

12VDC;20VDC，建议工作在12V。

二．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。

三．七天定时器

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。

四.四路数字调光器

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3-1所示：

图3-1四路调光器接线端口

第三节系统各部分模块的连接方式

一．整体结构图

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，在这里不再赘述。

如4-3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4-3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3-2系统结构图

二．PLC模块与各传感器的连接图

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。

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3-3到图3-4，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。

图3-3EM221与传感器的连接图

图3-4CPU224CN与传感器的连接图

三．PLC与总线之间的连接图

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3-6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。

图3-5PLC与总线的连接

图3-6RS232/485转换模

四．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3-6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。

图3-7自习室灯光控制简图

第四节地址的分配

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