基于PLC的教室照明自控系统设计.docx

基于PLC的教室照明自控系统设计.docx

《基于PLC的教室照明自控系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的教室照明自控系统设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的教室照明自控系统设计

泰山学院

本科毕业论文

基于PLC的教室照明自控系统设计

所在学院机械与工程学院

专业名称机械设计制造及其自动化

申请学士学位所属学科工学

年级二〇一一级（3+2）

学生姓名、学号丁晓忠70

指导教师姓名、职称陈宏圣副教授

完成日期二〇一三年五月三十日

摘要

本文的教室照明自动控制系统是利用红外感应接收器来准确感知每位同学在教室的位置，将采集的信号通过传输电路传输给PLC控制系统。

经过控制系统的分析处理以后，将控制信号输出给执行机构中的接触器。

通过控制接触器的接通与断开来控制教室中的每一盏照明灯的接通与断开。

从而使整个教室的照明实现智能控制。

避免了因不能及时关闭开关导致电能的大量浪费，达到节能的目的。

充分体现了当代的节能减排的创新理念。

该系统具有控制方便，可靠性高，专用性强，安全，节能等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：

红外感应，智能控制，PLC，节能

ABSTRACT

Thisclassroomlightingcontrolsystemistheuseofinfraredsensorstoaccuratelyperceivethereceivereachstudentintheclassroomlocation,thecollectedsignalstransmittedthroughthetransmissioncircuittothePLCcontrolsystem.Aftertheanalysisofthecontrolsystemaftertreatment,thecontrolsignalisoutputtotheactuatorofthecontactor.Bycontrollingthecontactorturnedonandofftocontroltheclassroomeachlamplightsturnedonandoff.Sothattheentireclassroomlightingintelligentcontrol.Avoidedbecausetheycannotturnoffswitchcauseswastingalotofenergytoachieveenergy-savingpurposes.Fullyembodiesthecontemporaryenergysavinginnovativeideas.

Thesystemiseasytocontrol,highreliability,dedicatedandstrong,safety,energyconservation,etc.,tomeetthevariouslarge,collegesclassroomlightingcontrolrequirements,toalargeextenttosaveenergy.

Keywords:

infraredsensors,intelligentcontrol,PLC,energy-saving

1引言

教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

随着国民经济的快速发展和社会进步，高等教育在全社会愈加被关注和重视，高校作为受教育者主要场合，数量在不断地增加规模也在不断扩大。

为了使师生有更加舒适的教学和学习环境，这就需要我们在力所能及的范围内对教室的面积、设施和照度等进行一系列的改进[1]。

然而，由于现在大学开放式的管理风格，节能意识十分淡薄，在教室内无人或人数很少的情况下，开启了教室中绝大部分的照明灯。

夜晚离开教室不关灯导致长明灯现象比比皆是。

这种有形和无形的浪费，大大增加了电力支出的负担。

以泰山学院为例，经初步统计我校教照明灯数量约6000余盏，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为50万度，学校在教室用电的经费上就得支出约为30万元人民币。

而以每天浪费2小时用电来计算，一年大约要浪费13万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。

依此计算，放眼我省，乃至全国，随着高校不断扩招，教室不断扩大，如果有更多的电力设备，虽然提高了课堂管理设备，然而用电负荷可想而知，更多的能源浪费不可估量[2-4]。

出于这些原因，提高教室电能利用率变得重要，学校节能措施也变得十分必要，因此PLC课堂教学为主的自动照明控制系统的设计无疑将成为研究的重要课题之一。

研究的内容及意义

此系统的工作原理是将采集的信号通过传输电路传输给PLC控制系统。

经过控制系统的分析处理以后，将控制信号输出给执行机构中的接触器。

通过控制接触器的接通与断开来控制教室中的每一盏照明灯的接通与断开。

该系统实现了对教室里每一盏照明灯的单一智能控制，从而实现了对教室里每一个地点的照明控制。

这样能更加合理的利用电能。

对教室照明系统实现智能控制后，当同学进入教室后照明灯会自动开启。

同学不会再因为晚上看不见照明开关而烦恼，同时当同学离开教室的时候也不会因为忘记关灯而发生教室一整晚上都亮着灯的事件。

从而方便了同学们进入教室，同时此设计增加了控制的安全性，节约了电能。

本课题需要解决的问题

本课题通过各种试验来研究教室灯光的各种控制，主要解决如下关键问题:

1.环境光感采集问题

2.红外传感器采集以及辐射区域的问题

3.传感器与教室照明灯的合理安装问题

4.控制系统总图以及程序的设定

2教室照明控制器简介

系统控制器简介

教室照明控制器可实现教室灯光智能控制。

其输入参数主要是人体发出的红外信号和环境光信号等，当周围环境光的强度达到一定值时灯不亮，当环境光强度在指定值以下且有人存在时开灯，经试验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。

教室照明控制器尽可能安装在教室内避开照明灯直射的位置，且红外传感器安置时应使人体活动方向与传感器中两个热释电元连线方向互相垂直，这样可以更好地采集信号，使控制变得更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感，达到预期的控制结果[5]。

控制方案分析

控制器以自然光强度和人体存在作为主要的输入参数。

来实现自动与手动控制相兼容。

当自然光线较强时，无论人是否存在，都不开灯;当自然环境光较弱时，有人存在且停留时间超过一定值时，控制器自动打开照明灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯，而针对需要开启照明灯的数目，本课题提出了一种结合了人体红外感应传感器探测器和人数探测模型的综合判断的方法。

本文所研究的教室照明控制器主要由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个控制系统执行的基础，它为软件程序运行提供了平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制教室照明的效果。

3照明系统控制模块的硬件设计

该控制系统是以PLC主控模块为核心的，由控制按钮、人体红外感应传感器、

PLC控制器、光敏传感器、投影仪开启信号等组成。

控制框图如下：

图1系统控制图

控制按钮

控制按钮是一种结构简单、应用广泛的。

主要功用：

白天当我们在教室需要使用投影仪时，我们拉上窗帘时，教室内的光线会立刻变暗，达到照明灯自动开启的亮度，该按钮主要用于控制此时此刻照明灯的开启与关闭。

人体红外传感器

3.2.1人体红外传感器简介

人体红外传感器又称红外传感器，它是一种利用探测生物体发射出来的红外线，而输出电信号的传感器。

在上世纪四十年代，曾经有人提出利用热释电效应探测红外辐射，但没有引起各界的高度重视，直到上世纪六七十年代，随着激光，红外技术的迅速发展，它们也可以有效的促进热释电效应，热释电晶体的研发和应用。

热释电晶体已被广泛用于红外光谱仪等设备，红外遥感和热辐射探测器，它可以作为一个理想的红外激光探测器。

它作为应用目标，正被广泛地应用到各种自动化控制装置。

除了在我们熟知的居民楼防盗报警以及教室楼道自动开关等场合上得到应用外，在更多的领域当中应用前景亦被看好。

比如：

在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机等。

电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。

开启监视器或自动门铃上等应用[6-7]。

目前，红外传感器可以分为主动红外传感器和被动红外传感器。

此设计我们选用主动红外传感器。

3.2.2主动红外传感器工作原理

主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。

当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，它经放大与信号处理后，即控制发出报警信号。

主动红外的发射光源，通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。

还有一些半导体激光器，如砷鎵铝双异质结半导体激光器等，也工作在红外波段，因而也是一种主动红外传感器。

主动红外传感器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形，其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射出红外脉冲调制光谱。

这样，就降低了电源的功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光的干扰能力。

对光束遮挡型的探测器，要适当选取有效的报警最短遮光时间。

因为遮光时间选得太短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。

因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短遮光时间。

如人的最小宽度为20cm，则最短遮断时间为20cm/（10m/s）=20ms。

所以，最短遮光时间大于20ms，系统报警；遮光时间小于20ms，则不报警。

3.2.3主动人体红外传感器功能特点：

主动红外传感器多采用双光路，可提高其抗干扰、防误报的能力。

这种主动红外传感器寿命长、价格低、易调整，因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。

当主动红外传感器用在室外自然环境时，比如无星光和月亮的夜晚，以及夏日中午阳光的背景辐射的强度比可超过100dB时，这就使接收机的光电传感器工作环境相差太大。

通常采用截止滤光片，滤去背景光中的极大部分能量（主要滤去可见光的能量），使接收机的光电传感器在各种户外光照条件下的使用条件基本相似。

此外，大雾还会引起传输中红外光的散射，缩短主动红外探测器的有效探测距离，在安防工程中必须考虑。

如实测某红外传感器：

在无雾时有效探测距离7km；浅雾时有效探测距离；轻雾时有效探测距离1km；中雾时有效探测距离；重雾时有效探测距离。

激光与一般光源相比，有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，所以当要求距离远时，可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。

由于能量集中，可以在光路上加反射镜，反射激光，围成光墙。

从而用一套激光探测器可以封锁一个场地的四周，或封锁几个主要的通道路口[8]。

3.2.4主动红外探测器的安装使用要点：

1.按方向安装在稳固的物体上，并使发射与接收器在同一高度上。

首先，根据所需布防的距离与方向，一定要安装在稳固的物体上。

因为发射器与接收器距离较远时，轻微的晃动就会引起误报警。

并且，还要使发射器与接收器尽可能地安装在同一高度上，以方便光束对准调试。

2.要避开树叶摇晃及晾晒衣物等的影响。

主动红外传感器是防备人的非法通行，中间要严格防止树叶摇晃及晾晒衣物等，对红外光束的遮挡引起的误报。

3.避免红外光束的交叉误射。

当使用多对主动红外传感器，用来组成警戒封锁区或警戒封锁网，乃至组成立体警戒封锁区时，千方要各对主动红外传感器使用不同的频率，要尽量避免红外光束的交叉误射。

否则，容易引起失误。

4.线路不能明敷，要穿管暗设。

为防止主动红外传感器的供电线路被人破坏，不能明敷，必须穿管暗设。

5.安装位置要能防宠物与小动物等引起的误报。

一般设置在通道上的主动红外探测器，探头的位置一般应距离地面50cm以上；栅栏与围墙顶上安装的红外传感器，其探头位置应高出栅栏与围墙顶25cm，以防小猫小鸟等引起误报。

如果是在栅栏与围墙靠近顶部的侧面作墙壁式安装，可避开小猫小鸟等的活动干扰[9-11]。

下图为主动人体红外传感器：

图2红外传感器

光敏传感器

光敏传感器是利用的制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。

传感器图如下：

图3光敏传感器

3.3.1光敏电阻工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加，也加。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

图4工作原理图

3.3.2光敏电阻的主要功用

按照国家的有关标准，学校教室的平均照度值最低一般在300Lx。

工作电压一般在DC9-16V,工作电流一般在2mA左右，工作温度一般在0-45℃，光感的范围一般在5Lx-500Lx，光感的复位一般控制在30s左右。

光敏电阻主要用于检测教室的照明度，决定照明控制系统是否正常开启。

在实际中，我们还必须考虑检测装置实际安装位置的问题，该系统中光敏传感器的安装要考虑到教室中光照的角度的问题，以及在不同位置所感应光照的程度。

为了能确保设备运行的准确性，安装照度计时最好选择安装在灯光和自然灯都照不到的位置，一般选择安装在教室的背光面。

S7-200plc概况

3.4.1PLC的定义

根据国际电工委员会1987年对PLC作了如下定义:

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子设备。

可以编制程序的存储器，用来在其内部存储器，执行逻辑运算，顺序操作，计算，操作指令，并且可以是数字或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器实际上就是一种工业控制类的计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统的结构基本上非常相似。

可编程序控制器主要由中央处理单元、存储器、输入/输出模块、编程器和电源五大部分组成。

近年来发展的速度非常快，已经成为了应用极为广泛的工业控制类装置。

它按照成熟的继电器控制设计理念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，已经形成了适应各种应用场合的各种系列产品[12]。

SIMATICS7-200系列PLC发展至今，大致经历了两代：

第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216.

第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。

它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

下图为S7-200PLC图：

图5S7-200PLC

3.4.2S7-200PLC的特点

可编程控制器PLC对用户来说，是一种无触点的设备，改变程序即可改变生产工艺。

目前，可编程控制器已经成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。

1.可靠性高，抗干扰的能力强

PLC因为采用现代较先进的大规模集成电路技术，制造时运用严格的先进的生产过程和工艺步骤，由于内部的设计电路电路采用了较为先进的抗干扰技术，使其具有了较高可靠性。

PLC以外的电路，在构成控制系统中，继电器系统和PLC同等规模相比，开关接点及电气接线已大大较小。

除此之外，PLC还具有故障自我检测等功能，出现故障时PLC会及时发出警报信息，作为提示。

应用者还可以将自行编好的外围器件的故障诊断程序输入到所使用应用软件中。

这样，整个系统具有极高的可靠性。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

多数PLC具有完善的数据运算能力，可用于控制数字领域。

可用于各种规模的工业控制应用。

近年来PLC的功能单元也大量涌现，从而使PLC渗透到了温度实时控制、位置精确控制、CNC等各种工业控制中。

再加上增强的通信能力的PLC和人机界面技术，采用PLC控制系统组成多种变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术设计人员欢迎

PLC工业控制仪表是面向工矿企业。

PLC接口容易，工程技术人员是很容易接受它的编程语言。

梯形图的图形符号及表达和继电器电路非常相似，只有少量的开关，PLC逻辑控制指令可以方便地实现继电器电路。

不熟悉电子电路，计算机原理和汇编语言的人使用工业控制计算机，打开了方便之门。

4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了外部接线的控制装置，控制系统的设计和施工周期短得多，但它变得容易维护。

更重要的是，在同一台设备后，改变程序改变生产过程中尽可能。

它非常适合于多品种，小批量的生产应用。

5.体积小，重量轻，能耗低

比如以超小型为例，现在推出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。

由于体积小，很容易装入到机械的内部，是实现一体化的理想控制设备[13]。

3.4.3PLC的基本组成及各部分作用

PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。

如下图所示。

图6PLC硬件系统的基本组成图

按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

下面针对PLC的组成部分进行简单的介绍：

1.中央处理单元（CPU）：

CPU在PLC中的作用就相当于人体的大脑神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。

它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:

（1）接收并存储从编程器输入的各种用户程序和数据；

（2）可以诊断出PLC内部电路的工作状态和程序的语法是否正确；

（3）用扫描的方式输入外部输入信号，送入PLC的数据寄存器并保存起来；

2.存储器

存储器按照在系统中发挥的作用可分以下几种:

（1）系统程序存储器:

PLC也有它自己固定的解释程序和监控程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序存储器。

（2）用户程序存储器:

用户控制功能，根据应用程序的要求。

用户程序存储在用户的程序存储器中。

因为用户经常需要调试和程序的变化，所以用户可以随时程序存储器读，写更多的RAM。

因为断电后，RAM中的数据将会丢失，所以这个时候应该有备用电池，防止失去用户程序的风险。

当用户程序调试修改完成后，不希望被任意地改变，用户程序可以被写入到EPROM的。

（3）数据存储器:

工作数据是经常存取、经常变化的一些数据。

这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。

数据表可以存放我们需要的数据，它主要存储一些用户程序执行时的可变参数值，比如计数器的当前值和设定值。

还可以用来储存输入模块转换后得到的数学运算后的结果等。

为了满足需要，利用后备电池部分数据在停电时可以维持其当前值。

0单元

PLC与工业的生产过程的联系是通过I/0单元模块。

输入单元接收如限位开关，选择开关，限位开关等各种控制信号。

4.电源部分

PLC一般使用的电源为交流220V，中央处理器、存储器等电路所需要的电由内部的开关电源提供5V、+12V、+24V的直流电源，这样PLC就能够正常工作。

电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部。

5.编程器

编程器的作用是为用户进行编辑、编制、监视和调试程序。

3.4.4S7-200PLC的工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。

每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

PLC有RUN与STOP两种基本工作模式，在运行模式，PLC通过反复执行用户的程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地反复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。

PLC的工作过程大致上可以分为三个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成这三个阶段称为完成一个扫描周期。

整个操作过程中，PLC的CPU以恒定的扫描速度重复上述的三个阶段。

1.输入采样阶段

在输入采样阶段中，PLC顺序扫描读取所有输入状态和数据，并将其存储在I/O映象区相应的单元。

输入采样结束后，用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入数据的变化状态，I/O映象区中的单元格对应的状态和数据不会改变。

因此，如果输入的是一个脉冲信号，该信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期中，为了确保在任何情况下，可以读取输入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC用户程序总是自上而下顺序扫描的（阶梯）。

在扫描每一个阶梯时，总是扫描梯子的左侧的控制电路的联系信息，根据第一个左和右，第一下列构成的顺序控制电路的触点的逻辑运算，逻辑运算处理的结果RAM刷新线圈系统逻辑记忆状态的相应位，刷新输出线圈，或I/O映象区中的相应位状态，或确定是否执行所需命令的特殊功能的阶梯。

换句话说，用户程序执行，只有进入I/O状态和图像区域的数据不会改变，而其他输出设备和软件的I/O映象区或系统RAM的内存区域的状态和数据可能会改变，来到在梯子的顶部，程序执行的结果将在下面的梯形线圈或工作中使用这些数据，与此相反，排在下面的入水口，刷新逻辑的线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期的应用上线。

在程序执行过程中，如果你使用立即I/O指令，你可以直接访问I/O点。

使用I/O指令，然后输入过程映像寄存器的值是不更新，程序直接从I/O模块值，输出过程映像寄存器将被立即更新，立即输入一定的差异。

3.输出刷新阶段

当PLC用户程序的扫描结束后，进入输出刷新阶段。

在此期间，依照CPU的I/O相对应的图像区域的状态和数据刷新所有的输出锁存器电路，然后输出电路的驱动器，最后输出到相应的外部设备。

这时，才是PLC的真正输出[14-16]。

4照明系统控制模块的程序设计

教室照明系统在上述原有硬件的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个比较完善的照明系统。

用户系统的硬件与软件有着密切的关系。

在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发、运用。

在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。

在本系统的设计主要应用的编程语言有顺序功能图语言、梯形图语言、功能块语言、语句表等各种语言之间可以通过软件进行相互转化。

控制系统的设计程序如下：

图7系统控制图

表1输入I/O地址分配

信号名称

I/O地址

照度计

首排按钮

中排按钮

后排按钮

红外探测仪1

红外探测仪2

红外探测仪3

红外探测仪4

红外探测仪5

红外探测仪6

投影仪信号

手动/自动按钮

表2输出I/O地址分配

信号名称

I/O地址

K