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PLC的校园智能照明系统设计
摘要
大学的电能消耗中,照明用电占了绝大部分,其中道路和景观照明容量大,工作时间长,且常采用手动控制方法,造成了浪费.为此,针对学生的活动规律,在新校区道路和景观照明设计时,采用了PLC智能控制.学生公寓熄灯之前一段时间,道路照明和景观灯全部开启;之后的时间,适当降低道路照度要求,一部分景观灯关闭;另外,寒暑假期间,也采用了不同的时段控制方式.该照明智能控制系统运行以来,通过测算,每年节约电能达25%以上,灯具的使用寿命也有所提高,系统稳定可靠,完全满足了学校的照明要求,达到了预想的结果.
关键词:
校园照明;智能控制;PLC;节能
Abstract
Universityofpowerconsumptioninthe,lightingelectricityaccountedforhasmost,whichroadandlandscapelightingcapacitylarge,worktimelong,andoftenusedmanuallycontrolmethod,causedhaswaste.forthis,forstudentsofactivitieslaw,innewcampusroadandlandscapelightingdesignShi,usedhasPLCintelligentcontrol.studentsapartmentlightszhiqianatime,roadlightingandlandscapelampallopened;zhihouoftime,appropriatereducedroadaccordingtoofrequirements,partlandscapelampclose;also,winterduring,Alsouseddifferentcontrolmeans.Sincetheoperationofintelligentlightingcontrolsystem,bycalculatingannualpowersavingsofmorethan25%,theservicelifeoflampshasbeenupgraded,thesystemisstableandreliable,fullymeetthelightingrequirementsoftheschool,achievedtheexpectedresults.
Keywords:
Campuslighting;intelligentcontrol;PLC;energysaving
目录
1绪论1
1.1PLC简介1
1.2PLC的国内外状况2
1.3PLC未来展望4
1.4课题意义4
2总体设计5
2.1灯具布置方案5
2.1.1路灯5
2.1.2景观灯6
2.2硬件设计6
2.3软件设计6
3系统的硬件设计7
3.1供电系统及控制原理图7
3.2I/O分配表8
3.3PLC接线图9
图3-2是PLC接线图9
4系统的软件设计10
4.1照明智能控制方案10
4.2分时智能控制方案10
4.2.1三时段控制程序[4]10
4.2.2季节自动选择程序[5]12
4.3寒暑假控制方案13
4.4节能计算13
5实行分时控制的优越性14
5.1达到良好的节能效果，延长灯具寿命14
5.2改善工作环境，提高工作率15
5.3实现多中的照明效果15
5.4提高管理水平15
总结15
参考文献16
致谢17
1绪论
1.1PLC简介
可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。
目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。
对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。
而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。
如使用单片机控制，则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。
采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，技能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术（Computer,Control,Communication）相结合，不断发展完善的。
目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大下面就其在公路交通领域的应用做一简单介绍：
PLC型交通灯控制器：
将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。
目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。
由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。
美国罗克韦尔自动化公司生产的Micrologix1000系列微型可编程控制器具有体积小、使用简单、通用性强、快速高效等特点。
它是一种集成式控制器，集成了电源、输入模块、输出模块和处理器于一身，输入输出状态由LED指示，内装RS-232通讯接口，可连接手持编程器输入指令程序或连接计算机直接编制梯形图程序，并且通过1761-NET-AIC通讯模块可联成DH-485网络，网络长度1200m,波特率为32.5Kbps。
1.2PLC的国内外状况
照明控制多路开关作为一种电子产品，早已广泛应用于各种建筑装饰灯具的
控制中，但目前所用的照明控制多路开关有的电路比较复杂并且很多都是用的多个开关对灯组的亮灭进行控制的，这样既麻烦又浪费材料并且不美观。
随着电子技术的发展，应用系统向小型化，快速化，大容量，重量轻，简约化的方向发展。
而PLC具有通用性强，使用方便，适应面广，可靠性高，抗干扰性强，编程简单等特点，并以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和网络通信技术等现代科技技术而发展起来的一种新型工业制动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。
目前市场上有很多类型的照明控制多路开关，但大多数都是早期设计的，采用模拟电路，数字电路或者模数混合电路的产品。
这些多路开关随着功能的增多，电路也越复杂并且需要用到的开关数量也越多，这样既不便于功能的换代也非常影响美观。
随着我国经济和文化的发展，在很多有灯管用具的场合，都要求多组灯组组合发光。
由于PLC具有的有点和特点我们编程灵活，系统的安装和维修比较简单，使我们更加方便的用一个开关控制各个灯组的亮灭，给我们的生活带来更缤纷的色彩。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable,是世界上公认的第一台PLC。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
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。
1.3PLC未来展望
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的
通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.4课题意义
照明控制多路开关已经广泛应用于我们的学习生活工作娱乐当中，例如我们在教室中可以利用照明控制多路开关来控制教师灯管点亮的组数从而调节教师的亮度，这样就可以很好的保护我们的眼睛，让灯光不至于太暗也不至于太亮。
随着电子技术的迅速发展，多个开关控制多组灯组的亮灭的方法已经逐渐开始被先进的电子产品所取代。
现在的照明控制多路开关可以实现一个按钮控制多组灯组的亮灭，实现一个循环控制的要求。
2总体设计
利用PLC实现校园路灯控制，如何才能达到节能环保的功能是本论文需要研究的主要问题。
校园内照明设施都是公共的，要营造一个完美的环境需要靠大家的努力，校园道路照明具有特殊性，不像办公楼、教室、寝室照明那般可由人随意开关，校园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。
学生是一个特殊群体，活动的时间性、规律性非常突出，因此决定对道路和其他公共照明实行智能分时控制。
2.1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.在设计时采用了高于一般居住区而低于商业区的标准,正常情况保持路面照度不小于15lx.为了便于分时控制,在灯具布置时采用了双侧交错布置,杆距定为25m[1],较标准杆距略小,有利于分时控制时减少灯光死角.根据这些数据,就可以计算光通量和光源功率了.光通量计算可根据
（1）式进行[2]:
=EKBDUN,
（1）其中:
E为道路照度,取15lx;
N为双侧交错布置,取1;
U为利用系数,取0.8;
K为沥青路面,取2;
B为路面宽度,取10m;
D为电杆间距,取25m.
把数据代入上式,得
通过查阅光源手册可知,应选用150W的金属卤化物灯具.
2.1.1路灯
校园照明主要是智能控制道路照明，而教室、寝室则采用开关人工控制，随需而控。
洗手间，走廊则采用传感器控制，夜晚当有人经过则亮，人走开后30秒熄灭。
道路照明的主要作用是保证行人安全和方便,使两者完美统一.学生是一个特殊群体,活动的时间性、规律性非常突出,因此决定对道路和其他公共照明实行智能分时控制.
2.1.2景观灯
景观艺术灯是现代景观中不可缺少的部分。
它不仅自身具有较高的观赏性，还强调艺术灯的景观与景区历史文化、周围环境的协调统一。
景观艺术灯利用不同的造型、相异的光色与亮度来造景。
例如红色光的灯笼造型景观灯为广场带来一片喜庆气氛，绿色椰树灯在池边立出一派热带风情。
景观灯适用于广场、居住区、公共绿地等景观场所。
使用中要注意不要过多过杂，以免喧宾夺主，使景观显得杂乱浮华。
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。
2.2硬件设计
PLC硬件设计包括：
PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。
选定PLC的机型和分配I/O点后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统的原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。
电气控制系统的原理图包括主电路和控制电路。
控制电路中包括PLC的I/O接线和自动、手动部分的详细连接等。
电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯、电磁阀等。
2.3软件设计
基于PLC校园照明智能控制系统，型号选用为FX2N-48MR。
软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计，小型开关量控制一般只有主程序。
首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构，画出控制流程图或功能流程图，简单的可以用经验法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。
3系统的硬件设计
3.1供电系统及控制原理图
供电系统及控制原理设计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，最低照度点也可以在5lx以上。
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。
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条道路和1个景观区域的供电系统图，其实全校的照明共有8段小母线，30个回路。
为了保证PLC事故情况下的道路照明，在设计时还考虑了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，保证了校区的安全。
下图3-1为供电系统及控制原理设计图。
图3-1控制系统及控制原理设计图
3.2I/O分配表
表3-1输入输出分配表
类别
元件
端子号
作用
输入
SB1
X0
启动按钮
输出
KM11
Y0
左侧单数灯输出
KM12
Y1
左侧双数灯输出
KM13
Y2
右侧双数灯输出
KM14
Y3
右侧单数灯输出
KM21
Y4
校训石刻灯输出
KM22
Y5
花坛灯输出
KM23
Y6
花坛灯输出
KM24
Y7
拱桥灯输出
根据供电系统图所示，写出输入输出分配表，其中启动开关为X0，虽然PLC为智能控制，但是还是会需要一个启动按钮，来开启整个系统的运行。
一个输入端，八个输出端。
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，故Y0为左侧单数灯输出，Y1为左侧双数灯输出Y2为右侧单数灯输出Y3为右侧双数灯输出。
当然校园内除了路灯照明，还包括了景观灯照明，所以在画系统图时也要考虑到景观灯的照明，所以Y4为校园内校训石刻灯输出，因为考虑到校园内花坛景观占大多数，所以把花坛的景观灯分为两个两个回路，故Y5为花坛灯输出，Y6为另一个花坛灯的输出，Y7为拱桥灯输出。
3.3PLC接线图
图3-2是PLC接线图
220V
图3-2PLC接线图
4系统的软件设计
4.1照明智能控制方案
现有的路灯控制大部分采用人工控制，需要专门人员定时停送电，消耗大量人力成本。
有的采用定时器控制，但是随着天气长短的变化，需要不断的调节定时器的时间，十分不便。
而且现有路灯大部分采用一个接触器控制所有路灯，不能随着实际需要改变照度，浪费大量能源。
为了深入贯彻落实现代照明低碳环保的要求，我们设计利用PLC对路灯进行控制，充分利用PLC的方便灵活成本低廉的优点，实现全年智能控制路灯，省去了大量的人力成本。
4.2分时智能控制方案
如前面所述，每天的照明控制分3个时段，为了最大限度地节约能源，在具体编制程序时还考虑了不同季节的因素，一般在冬、春季，天黑得较早，17点左右自然光线就很弱了，而在夏天阳光可以维持到18点。
因此，把一年四季分为2个区间，在设计时考虑了夏、秋时制和冬、春时制的识别，使节能效果更加明显。
4.2.1三时段控制程序
在编制时段程序时，用了数据比较功能指令，相对普通指令而言，程序较短，使程序大为简化。
把5月1日至10月30日定义为夏、秋时制，它的3个时段划分为：
18点至21点、2l点至23点、23点至凌晨5点。
把11月1日至来年4月30日定义为冬、春时制，它的3个时段划分为：
17点至21点、21点到23点、23点至凌晨6点。
道路照明的PLC程序就是要实现这些不同季节的时段控制要求。
道路照明的程序梯形图如图4-1所示。
在此需要说明的是，根据学校供电质量好、少停电的特点，下面的程序中没有编制时间自动校正程序，因此，第1次投入运行的时刻必须是中午12点，之后就会自动控制照明，不需要人工干预。
图4-1中X0为启动开关的信号，当选择到自动工作制时，X0就处于使能状态，使PLC投入程序运行，X0闭合以后，计数器CO开始计数。
M100是不同时制的识别控制信号，当M100为高电平时程序进人夏、秋时制工作状态，M100为低电平时程序进入冬、春季节的工作状态．YO，Y1，Y2，Y3分别控制道路两侧的灯具。
从程序中可以看出：
第1时段Y0，Y1，Y2，Y3全部为“1”，灯具全部点亮；第2时段Yo，Y2被复位为“0”，道路的两侧各有1／2灯具点亮；第3时段就只有Y1控制的回路工作了。
M200是寒暑假控制接点，当进入寒暑假期间，M200断开，Yo，Y2，Y3不能得电。
图4-1时段控制程序
4.2.2季节自动选择程序
为了最大限度地节能，不同季节亮灯的时间有所不同，季节选择程序主要是为夏、秋季和冬、春季节的不同时段控制而设置的。
PLC有日期设定与识别功能，利用它可以完成季节的转换控制，实现不同季节的不同时段控制方案．程序中的M100是控制季节程序转换的信号，当M100使能时程序进入冬、春季控制，反之，程序为夏、秋时制控制方式。
湖南电气职业技术学院地处湘潭，属亚热带气候，所以夏、秋时制的时间定为每年的6月30日0点至10月30日的24点，不同地区应适当调整．该程序是按2009年投入运行而编制的，在今后的运行中，每年必须对日期的设定调试一次，以保证运行无误．季节控制程序如图3-2所示。
图3-2季节控制程序
4.3寒暑假控制方案
学校的寒假一般是1月中旬到2月中旬，暑假一般是7月初到9月初，共计约3个月的时间。
当日期到达寒暑假开始日期时，图4-1中M200接点断开，使Y0，Y2，Y3都不能得电，这样整个夜间就只有1／4的照度。
当寒暑假结束时，M200接点闭合，程序进入正常运行状态，按3个时段运行。
寒暑假控制程序的编制方法与季节控制程序完全一样，也是一个日期识别程序。
4.4节能计算
所谓节能是针对全时段、全负荷运行而言的，所以计算节能时，主要有三部分：
一是夏、秋季节的晚开灯和早熄灯各1h，大约有3个月的时。
二是一年之中，每天第2、第3时段减少照度的节能；三是寒暑假时间的节能，暑假50d，每天11h，寒假30d，每天13h，均为1/4负荷运行。
详细计算如下：
1）夏、秋季节能计算。
夏、秋季共计90d，每天晚开1h按全负荷计算，早熄灯1h按1/4负荷计算，即夏、秋季节能为：
（520×150）×（1+3/4）×90一12285kw·h
2）每年第2、第3时段节能计算.每天第2时段是3h，为1/2负荷运行，第3时段是6h，为1／4负荷运行．除去寒暑假，约有9个月，共270d，即第2时段节能为:
[（520×150）×1/2]×3×270=31590kW·h．
第3时段节能为
[（520×150）×3/4]×6×270=94770kW·h．
3）寒暑假节能计算。
寒暑假期间，每天均为1/4负荷运行，只是工作时间有所不同，故寒暑假节能为
（520×150）（50×11+30×13）×3/4=54990kW·h
4）总节能计算。
总节能数量为以上各项节能的总和，即：
12285+31590+94770+54990=193635kW·h．
5实行分时控制的优
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