[工學(xué)]基于PLC的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

* * * 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué)院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2012 年 5 月 *學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Intelligent Control of Campus Lighting Based on Programmable Logical Controller 總 計(jì)： 27 頁 表 格： 2 個(gè) 插 圖： 15 幅 * 學(xué)學(xué) 院院 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文） 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Intelligent Control of Campus Lighting Based on Programmable Logical Controller 學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 104091120032 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： *學(xué)院 Nan yang Institute of Technology 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動(dòng)化* * * 摘 要目前，大多數(shù)校園照明系統(tǒng)仍然使用人工控制，其缺點(diǎn)是控制復(fù)雜、修 理困難、容易發(fā)生誤動(dòng)作。針對(duì)這種情況，本設(shè)計(jì)使用西門子 S7-200PLC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 人工控制校園照明系統(tǒng)。采用了 PLC 智能控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，完全滿足學(xué)校的照明 要求，校園照明系統(tǒng)主要有道路控制輸出信號(hào)、景觀燈輸出信號(hào)、公共綠地輸出信號(hào)， 根據(jù) PLC 控制原理對(duì)其進(jìn)行 I/0 分配和繪制照明系統(tǒng)流程圖及編寫校園照明智能控制 系統(tǒng)梯形圖控制程序。最后經(jīng)過模擬仿真運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或出現(xiàn)某些 不正常運(yùn)行情況時(shí)，由自動(dòng)控制變換人工控制，在排除故障后再次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制滿足 照明智能控制系統(tǒng)的要求。 關(guān)鍵詞照明系統(tǒng)；西門子 S7-200；輸出信號(hào)；智能控制 Intelligent Control of Campus Lighting Based on Programmable Logical Controller Electrical Engineering And Automation Specialty * * * Abstract: At present the illumination system of the majority of our campus is still using the traditional manual control system, whose disadvantages are complex control, difficult to repair, prone to malfunction. For this situation, this paper uses the Siemens S7-200 and designs the system to control the campus lighting system instead of traditional artificial control，Programmable Logical Controller intelligent control system was adopted on the new campus, the control system is reliable enough to meet the requirement of campus lighting, The system mainly includes incident the output signal of the road、the decorative lights and the green fields. Which composes the I/0 allocation tables and flowing diagram and the ladder diagram control programs of the illumination system of the campus. Through the simulation, it is able to turn to manual control from the automatic system when the facilities generate the phenomenon of the malfunction and abnormal,the automatic system turn on after people to find and orderly deal with the malfunction ,and fulfills the requirements of the system of the intelligent control. Key words: The illumination system; Siemens S7-200; the output signal; intelligent control 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) II 目 錄 1 引 言 .3 1.1 選題背景和意義 3 1.2 PLC 在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r .2 1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及技術(shù)要求 2 1.3.1 主要內(nèi)容.2 1.3.2 具體技術(shù)要求.2 2 智能照明控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 3 2.1 照明系統(tǒng)的功能需求分析 3 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟及功能組成 3 2.2.1 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程簡述.3 2.2.2 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本步驟和方法.4 2.2.3 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能組成.4 3 硬件設(shè)計(jì) 5 3.1 線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 3.1.1 控制線路設(shè)計(jì).5 3.1.2 控制器件的選型.6 3.2 PLC 的設(shè)計(jì) .7 3.2.1 PLC 在控制系統(tǒng)中的要求 .7 3.2.2 PLC 選型 .8 3.2.3 S7-200 系列 PLC.9 3.2.4 I/O 地址分配 .9 4.軟件設(shè)計(jì) .10 4.1 程序流程 .10 4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件 .11 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成 .12 4.2.2 梯形圖的編寫12 4.2.3 時(shí)鐘設(shè)置及讀寫13 4.3 系統(tǒng)的控制程序 .15 4.3.1 分時(shí)控制方案15 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) III 4.3.2 分時(shí)智能控制程序編制15 4.3.3 三時(shí)段控制程序15 4.3.4 季節(jié)自動(dòng)選擇程序16 5 控制程序的調(diào)試與仿真 .16 5.1 程序調(diào)試 .16 5.2 系統(tǒng)仿真 .17 結(jié)束語 .21 參考文獻(xiàn) .22 附錄 .23 致謝 .28 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 引 言 1.1 選題背景和意義 隨著工業(yè)化高速發(fā)展，能源問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)槟茉吹南某似渲?接的經(jīng)濟(jì)損失外，還會(huì)帶來碳排放量的增加，惡化環(huán)境，所以節(jié)約能源一直是生活、 生產(chǎn)中的一個(gè)主題。提到節(jié)能人們往往忽視了照明用電，因?yàn)樗鼏误w容量較小，安裝 比較分散，所以，看起來無關(guān)緊要，其實(shí)照明用具數(shù)量最多，分布最廣，隨著城市的 擴(kuò)張和道路的延伸，無論是單體容量還是總?cè)萘慷荚诖蠓黾?，美化環(huán)境的長明燈更 是越來越耀眼。現(xiàn)在很多大學(xué)都坐落在郊區(qū)，建筑容積率較低，因此，諸如道路、廣 場、景觀等公共照明占的比重相當(dāng)高，且路燈和景觀燈的單體容量大，工作時(shí)間長， 絕對(duì)是學(xué)校能源消耗的主體。要說學(xué)校節(jié)能，只要把這些公共照明控制得當(dāng)即可。 校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓字自控系 統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近 年來，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)化管理提出了更高的要求，使得 照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要1。在新校區(qū)的建設(shè)熱潮中，各大高校和他 們的建設(shè)者也應(yīng)意識(shí)到智能照明的重要性。相對(duì)商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動(dòng)力 和制冷設(shè)備比重較少，照明燈具則相對(duì)比重更多。使用照明控制系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在 節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平。而可編程控制器（Programmable Logical Controller，簡稱 PLC）作為自動(dòng)控制的重要組成部分，已成為大多數(shù)自動(dòng) 化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)?？删幊炭刂破魇且环N以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自 動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)而發(fā)展起來的新型工業(yè)控制裝置，具有編程 容易、體積小、使用靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，其功能越來 越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍越來越廣闊，如冶金、機(jī)械、電力、石油、煤炭、化工、輕紡、交 通、食品、環(huán)保、輕工、建材等工業(yè)部門都有廣泛應(yīng)用。它不但可以很容易地完成順 序邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通 過輸入/輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)過程 的自動(dòng)控制。而校園具有現(xiàn)代化氣息，道路寬且長，綠地和景觀用地也有相當(dāng)?shù)谋壤?在進(jìn)行道路和景觀綠地照明設(shè)計(jì)時(shí)，在節(jié)能和延長光源壽命方面取得了明顯的效果。 本設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目屬于采用西門子 S7-200PLC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工控制照明系統(tǒng)，在校 園智能照明系統(tǒng)中裝置 PLC，可以達(dá)到線路簡單、易于安裝、便于維護(hù)、編程簡單、 工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化控制2。 1.2 PLC 在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 可編程控制器是六十年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制裝置，是一種嵌入式的工控機(jī)， 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 它以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算 功能，既能進(jìn)行開關(guān)量控制，又能進(jìn)行模擬量控制，還具有通信功能。而新校園的建 設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓字自控系統(tǒng)中，一般只 包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著科 技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智 能化領(lǐng)域的地位越來越重要。而在新校區(qū)的建設(shè)熱潮中，各大高校和他們的建設(shè)者也 應(yīng)意識(shí)到智能照明的重要性。相對(duì)商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動(dòng)力和制冷設(shè)備比 重較少，照明燈具則相對(duì)比重更多3。使用照明控制系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理 方面的優(yōu)勢，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平。 針對(duì)節(jié)約電能、保護(hù)全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求，美國環(huán)保署于1991年1月提出 “綠色照明”概念，引起了其他國家的重視。我國也于1993年11月啟動(dòng)“中國綠色照 明工程”，并于1996年正式列入國家計(jì)劃4。但是我國智能化照明技術(shù)的應(yīng)用還不廣 泛,大多數(shù)校園仍然使用傳統(tǒng)的照明控制方式。 因此完善校園路燈智能化監(jiān)控建設(shè)， 進(jìn)一步擴(kuò)大監(jiān)控系統(tǒng)點(diǎn)位，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制校園照明設(shè)施的開關(guān)燈，合理控 制道路照明和景觀燈的運(yùn)行和停止具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化 進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及技術(shù)要求 1.3.1 主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)采用 S7-200 控制器控制照明系統(tǒng)，根據(jù)校園照明系統(tǒng)的工作特點(diǎn),采用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的控制，總體設(shè)計(jì)主要包括硬件線路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。硬件線路 設(shè)計(jì)主要包括線路圖設(shè)計(jì)和排線布線設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)控制的要求，對(duì)事道路、宿 舍、公共綠地、景觀燈等進(jìn)行 I/0 分配，同時(shí)編制了系統(tǒng)梯形圖控制程序，最后進(jìn)行 仿真與調(diào)試，達(dá)到校園照明系統(tǒng)的要求。 1.3.2 具體技術(shù)要求 （1）學(xué)生是一個(gè)特殊群體，活動(dòng)的時(shí)間性、規(guī)律性非常突出，因此對(duì)道路和其他 公共照明實(shí)行智能分時(shí)控制。 （2）寒暑假期間景觀燈手動(dòng)控制，根據(jù)需要臨時(shí)或少量開啟；而路燈每天只開啟 1/4，滿足最低照明要求。 （3）景觀和公共綠地照明采用第1、第2時(shí)段全開,第3時(shí)段全熄的控制方式。 （4）為了保證PLC事故情況下的道路照明，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作制， 手動(dòng)時(shí)可以人為開啟或關(guān)閉任何一路照明。 （5）在設(shè)計(jì)時(shí)考慮夏、秋時(shí)制和冬、春時(shí)制的識(shí)別。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 2 智能照明控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 智能照明控制系統(tǒng)由可編程控制器、中間繼電器、各種照明燈和刀開關(guān)組成。通 過軟件編程軟件編寫分時(shí)段程序控制校園道路、公共綠地和景觀燈等照明設(shè)備，使各 照明設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間工作。道路照明的主要作用是保證行人安全和方便，綠地和景 觀照明主要是給人們營造溫馨、和諧、美麗的環(huán)境。既要滿足照明的主要功能，又要 盡量節(jié)約能源，只能是采用科學(xué)的管理和控制，使兩者完美統(tǒng)一。 2.1 照明系統(tǒng)的功能需求分析 （1）節(jié)能 據(jù)專業(yè)資料統(tǒng)計(jì)，智能建筑的照明用電占整個(gè)校園用電的 85%左右。 其實(shí)在大多數(shù)情況下很多區(qū)域并不需要把燈全部打開或者開到最亮，過度的照明不僅 形成光污染還會(huì)造成能源浪費(fèi)。在當(dāng)今能源緊張、國家大力倡導(dǎo)節(jié)能的形勢下，使用 智能照明管理系統(tǒng)最大程度地節(jié)能具有非常實(shí)際的意義。校園照明回路數(shù)量較多，容 量較大，如何在保證所需照度的前提下，綜合運(yùn)用多種控制手段，減少不必要的電能 浪費(fèi)，是個(gè)極其重要的問題。 （2）高效管理 如何提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，使控制和操作更加簡單、方便、 靈活，使管理更加自動(dòng)化、高效化，減少大量簡單重復(fù)的勞動(dòng)，是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)考慮 的重點(diǎn)。我們根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保使用方便靈活，管理高效。智能照 明控制系統(tǒng)將普通照明人為的開與關(guān)轉(zhuǎn)換成了智能化管理，不僅使管理者能將其高素 質(zhì)的管理意識(shí)運(yùn)用于照明控制系統(tǒng)中去，而且將大大減少照明系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用， 并帶來較大的投資回報(bào)5。 （3）人性化 使用智能照明管理系統(tǒng)，不僅要實(shí)現(xiàn)基本的燈光控制，還應(yīng)通過場 景、自動(dòng)控制等手段，努力提高照明環(huán)境的品質(zhì)，使人們?cè)谝粋€(gè)舒適溫馨、高品質(zhì)的 光環(huán)境中愉快高效地工作和學(xué)習(xí)，真正做到“科技以人為本” 。 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟及功能組成 2.2.1 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程簡述 校園照明控制系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)一般都在控制時(shí)間和照明電氣部份設(shè)計(jì)之后進(jìn)行的， 根據(jù)校園的照明要求結(jié)合電氣設(shè)計(jì)圖進(jìn)行系統(tǒng)配置。首先根據(jù)校園道路、景觀燈等照 明的分布情況，設(shè)計(jì)硬件線路；其次依據(jù)照明燈具的大小、數(shù)量計(jì)算出總的電壓、電 流等電氣參數(shù)，通過計(jì)算出的參數(shù)進(jìn)行電器元件的選型；再此就是軟件編程，根據(jù)設(shè) 計(jì)要求編寫軟件程序；最后通過仿真調(diào)試不斷修改設(shè)計(jì)，直至滿足校園照明智能控制 要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，也可依據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。 2.2.2 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本步驟和方法 第一步 編制照明回路負(fù)載清單，核對(duì)照明回路中的燈具和光源性質(zhì)，進(jìn)行整理6。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 (1)每條照明回路上的光源應(yīng)當(dāng)是同一類型的光源，不要將不同類型的光源如白熾 燈，日光燈，景觀燈混在一個(gè)回路內(nèi)。 (2)分清照明回路性質(zhì)是普通供電還是節(jié)能供電。 (3)每條照明回路的最大負(fù)載功率應(yīng)符合開關(guān)控制器允許的額定負(fù)載容量，不應(yīng)超 過額定負(fù)載容量運(yùn)行。 (4)根據(jù)燈光設(shè)計(jì)師對(duì)照明場景的要求，對(duì)照明回路劃分進(jìn)行審核，如不符合照明 場景所要求的回路劃分?？勺餍┻m當(dāng)回路調(diào)整，使照明回路的劃分能適應(yīng)燈光場景效 果的需要，能達(dá)到燈光與室內(nèi)裝璜在空間層次，光照效果和視覺表現(xiàn)力上的親密融合， 從而使各路燈光組合構(gòu)成一個(gè)優(yōu)美的照明藝術(shù)環(huán)境。 第二步 根據(jù)照明控制要求選擇控制面板和其它控制部件 控制面板是控制照明系統(tǒng)的主要部件，也是操作者直接操作使用的界面，選擇不 同功能的控制面板應(yīng)滿足操作者對(duì)控制的要求7，控制系統(tǒng)一般有以下幾種控制輸入 方式： (1)采用時(shí)間管理器控制方式，根據(jù)不同時(shí)間自動(dòng)控制。 (2)采用按鍵式手動(dòng)控制面板，隨時(shí)對(duì)照明進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 (3)采用電腦集中進(jìn)行控制。 (4)采用 PLC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行不同時(shí)段分時(shí)控制。 第三步 選擇附件及集成方式 控制系統(tǒng)如需與其它相關(guān)智能系統(tǒng)集成，可選用相應(yīng)的附件。 第四步 施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及設(shè)備配置清單編制 (1)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，該部分內(nèi)容可見智能照明系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)相關(guān)教程。 (2)編制系統(tǒng)配置清單，如系統(tǒng)中各產(chǎn)品型號(hào)、數(shù)量、使用區(qū)域、備注等相關(guān)信息。 2.2.3 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能組成 （1）智能照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成 一般智能照明控制系統(tǒng)都為數(shù)字式照明管理系統(tǒng)，它由系統(tǒng)單元，輸入單元和輸 出單元三部分組成。除電源設(shè)備外，每一單元設(shè)置唯一的單元地址，并用軟件設(shè)定其 功能。 通過輸出單元來控制各負(fù)載回路，各種形式的單元簡述如下： 系統(tǒng)單元：主系統(tǒng)對(duì)各區(qū)域?qū)嵤┫嗤目刂坪托盘?hào)采樣的網(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)則 對(duì)各分區(qū)實(shí)施不同具體控制的網(wǎng)絡(luò)。主系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間通過信息等元件連接， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 輸入單元：用于將外部控制信號(hào)變換成控制系統(tǒng)上傳輸?shù)男盘?hào)，如可編程 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 的多功能(開/關(guān)、調(diào)光、定時(shí)、軟啟動(dòng)/軟關(guān)斷等)輸入開關(guān)、紅外線接收開關(guān)及 紅外線遙控器(實(shí)現(xiàn)燈光調(diào)光或開/關(guān)功能)。各種型式及多功能的控制板，可進(jìn)行 多點(diǎn)控制、時(shí)序控制等，調(diào)整照明，以達(dá)到使周圍環(huán)境保持適宜的照度，節(jié)約電 能8。 輸出單元：智能控制系統(tǒng)的輸出單元是用于接受來自控制器的定時(shí)信號(hào)， 控制相應(yīng)回路的輸出以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。輸出單元有各種型式的繼電器。系統(tǒng)一般 采用集中控制和管理、分散執(zhí)行的方式，亦即配置智能控制照明柜，智能控制柜 內(nèi)裝有可編程控制器的有關(guān)自動(dòng)及手動(dòng)控制開關(guān)，空中燈具開/關(guān)狀態(tài)，手動(dòng)控制 開關(guān)可在異常情況下采取處理措施。 （2）采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性 良好的節(jié)能效果 采用智能照明控制系統(tǒng)的主要目的是節(jié)約能源，智能照明 控制系統(tǒng)借助各種不同的預(yù)設(shè)置控制方式和控制元件，對(duì)不同時(shí)間不同環(huán)境的光 照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。利用最少的能源保證所要求的照度水 平，節(jié)電效果十分明顯，一般可達(dá)30%以上。 延長光源的壽命 延長光源壽命不僅可以節(jié)省大量資金，而且大大減少更換 燈管的工作量，降低了照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，管理維護(hù)也變得簡單了。 改善工作環(huán)境，提高工作效率 良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個(gè)必要 條件。良好的設(shè)計(jì)，合理地選用光源、燈具及優(yōu)良的照明控制系統(tǒng)，都能提高照 明質(zhì)量9。 實(shí)現(xiàn)多種照明效果 多種照明控制方式，可以使同一建筑物具備多種藝術(shù)效 果，為建筑增色不少?，F(xiàn)代建筑物中，照明不單純地為滿足人們視覺上的明暗效 果，更應(yīng)具備多種的控制方案，使建筑物更加生動(dòng)，藝術(shù)性更強(qiáng)，給人豐富的視 覺效果和美感。以某工程為例，建筑物內(nèi)的展廳、報(bào)告廳、大堂、中庭等，如果 配以智能照明控制系統(tǒng)，按其不同時(shí)間、不同用途、不同的效果，采用相應(yīng)的預(yù) 設(shè)置場景進(jìn)行控制，可以達(dá)到豐富的藝術(shù)效果。 3 硬件設(shè)計(jì) 3.1 線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 控制線路設(shè)計(jì) 燈具布置方案 學(xué)校的道路是以步行者為多，人員比較密集，當(dāng)然也有少量車輛通 過，可以說是人車混合的道路。在設(shè)計(jì)時(shí)采用高于一般居住區(qū)而低于商業(yè)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。 為了便于分時(shí)控制，在燈具布置時(shí)采用雙側(cè)交錯(cuò)布置，桿距定為25m，較標(biāo)準(zhǔn)桿距略小， 有利于分時(shí)控制時(shí)減少燈光死角。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 路燈采用雙側(cè)交錯(cuò)布置，每一側(cè)的路燈由2個(gè)單獨(dú)的控制回路進(jìn)行間隔控制，如： 1#回路控制左側(cè)的單編號(hào)燈具，2#回路控制同一側(cè)的雙編號(hào)燈具。3#、4#回路則分別 控制右側(cè)的單、雙編號(hào)燈具。當(dāng)進(jìn)入第2時(shí)段后，每側(cè)關(guān)閉1個(gè)回路，也就是1/2的燈具 熄滅，由于燈的桿距不是很大，且學(xué)校道路不是很寬，燈光可以全覆蓋，滿足最低照 明需求即可。當(dāng)進(jìn)入第3時(shí)段時(shí)，4個(gè)回路中3個(gè)回路分?jǐn)?，也就是只?/4的燈具點(diǎn)亮， 對(duì)于學(xué)校內(nèi)部道路而言，完全可以滿足要求。 由于燈具容量較大，采用了兩級(jí)母線供電方式，每段小母線為一部分路燈供電。 采用兩級(jí)母線制比較靈活，同時(shí)也降低了母線和開關(guān)的容量，便于安裝和維護(hù)10。每 個(gè)回路由一個(gè)接觸器控制，接觸器的動(dòng)作受控于PLC的程序。供電系統(tǒng)示意圖如圖1所 示。圖中僅畫出了1條道路1個(gè)景觀區(qū)域和1個(gè)公共綠地的供電系統(tǒng)圖。 1# 公 共 綠 地 KM12 KM13 KM14 KM21 KM22 KM23 KM24 KM31 KM32 KM33 KM34 QF1 QF3 QF2 QF KM11 1#草坪 2#草坪 3#草坪 4#草坪 2# 景 觀 燈 3# 道 路 1#花壇 2#花壇 3#花壇 4#花壇 右側(cè)雙數(shù)燈 右側(cè)單數(shù)燈 左側(cè)雙數(shù)燈 左側(cè)雙數(shù)燈 圖1 供電系統(tǒng)示意圖 3.1.2 控制器件的選型 在校園智能照明系統(tǒng)中由人工和自動(dòng)兩種控制方式，人工控制需要能夠關(guān)合、承 載和開斷正?；芈窏l件下的電流的開關(guān)裝置即斷路器。自動(dòng)控制因?qū)W校照明電路多總 功率較大，因此自動(dòng)控制開關(guān)器件選用接觸器。目前PLC的輸出有2種型號(hào)：晶體管和 繼電器。繼電器能夠支持AC220V的電壓。也就是說繼電器的型號(hào)能夠控制AC220V的回 路，但并不推薦直接用于AC220V的回路中，尤其是頻繁動(dòng)作的回路中，故此在設(shè)計(jì)過 程中增加中間繼電器來實(shí)現(xiàn)11。 本設(shè)計(jì)所選用的斷路器用照明保護(hù)用，選用 DZ47-63 小型斷路器 DZ47-63/3 C 型 DZ47-63 高分?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲魇且环N具有過載與短路保護(hù)的限流型斷路器，適用于交流 50Hz，單極電壓 230V 及以下，二、三、四極電壓 400V 及以下的工業(yè)和商業(yè)照明配電 系統(tǒng)的過地短路保護(hù)，亦可在正常情況下作線路的不頻繁通斷轉(zhuǎn)換之用。該斷路器外 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 型美觀，體積小，重量輕，分?jǐn)嗄芰Ω?，脫扣迅速，?dǎo)軌安裝，殼體和部件采用高阻 燃及耐沖擊塑料，性能優(yōu)良可靠。 接觸器(Contactor)在工業(yè)電中利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場，使觸頭閉合，以達(dá)到 控制負(fù)載的電器。接觸器分為交流接觸器和直流接觸器，交流接觸器又可分為電磁式 和真空式兩種。 交流接觸器的選擇： （1）持續(xù)運(yùn)行的設(shè)備。接觸器按 6775%算，即 100A 的交流接觸器，只能控制最 大額定電流是 6775A 以下的設(shè)備。 （2）間斷運(yùn)行的設(shè)備。接觸器按 80%算。即 100A 的交流接觸器，只能控制最大額 定電流是 80A 以下的設(shè)備。 （3）反復(fù)短時(shí)工作的設(shè)備。接觸器按 116120%算，即 100A 的交流接觸器，只能 控制最大額定電流是 116120A 以下的設(shè)備12。 中間繼電器(intermediate relay)的工作原理和交流接觸器一樣，都是由固定鐵 芯、動(dòng)鐵芯、彈簧、動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、線圈、接線端子和外殼組成。線圈通電，動(dòng)鐵 芯在電磁力作用下動(dòng)作吸合，帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，使常閉觸點(diǎn)分開，常開觸點(diǎn)閉合；線 圈斷電，動(dòng)鐵芯在彈簧的作用下帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)復(fù)位。JZ-21H、22H 系列斷電延時(shí)中間繼電 器(以下簡稱繼電器),用于交、直流操作的各種保護(hù)或自動(dòng)控制回路中13。JZ-2IH 為 單路延時(shí)繼電器，JZ-22H 為雙路延時(shí)繼電器。 3.2 PLC 的設(shè)計(jì) 3.2.1 PLC 在控制系統(tǒng)中的要求 （1）用PLC進(jìn)行照明控制系統(tǒng)改造時(shí)遵循原則 完備性:包括了常規(guī)的照明系統(tǒng)的全部功能，同時(shí)還考慮了校園綜合自動(dòng)化 改造后對(duì)照明系統(tǒng)信息量、信息格式的要求。 可靠性:在滿足完備性的前提下，盡量簡化附加的前后向通道。通過自動(dòng)和 和人工兩種控制方式，使照明系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可以靈活控制照明系統(tǒng)。 適應(yīng)性:系統(tǒng)脈沖起動(dòng)電流可調(diào)，以適應(yīng)老式的白熾燈和新型的發(fā)光二極管 脈沖電流的不同特點(diǎn)。 （2）PLC 控制的優(yōu)點(diǎn) 前后向通道簡單。前向通道除脈沖形成回路稍許復(fù)雜外，其他都是簡單的 光耦電路;后向通道更加簡單，直接由 PLC 輸出。 抗干擾性能好。除 PLC 的 I/O 本身進(jìn)行隔離外，對(duì)前向通道又進(jìn)行隔離， 有效地抑制了共模干擾。同時(shí)系統(tǒng)的功能全部由 PLC 按照預(yù)定的程序完成，避免 了由于某個(gè)繼電器損壞造成的誤動(dòng)或拒動(dòng)。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 靈敏度高，過載能力強(qiáng)。PLC 控制照明系統(tǒng)的脈沖形成和響應(yīng)在物理上是 獨(dú)立的，能夠做到具有很高的靈敏度和承受較大的過負(fù)荷能力。 維護(hù)簡單。PLC 程序采用繼電保護(hù)人員熟悉的梯形圖編制，直觀明了?？?直接利用 PLC 編程器對(duì)自動(dòng)復(fù)歸時(shí)間等定值進(jìn)行修改。同時(shí)由于 PLC 的高可靠性， 基本上可做到免維護(hù)。 3.2.2 PLC 選型 在 PLC 日益成為工廠自動(dòng)化基本技術(shù)平臺(tái)的時(shí)代，如何選用一部適用的 PLC 以達(dá) 到真正需要，而又能符合經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)重要問題。PLC 本身的特點(diǎn)是：體積小、功 能高、性能強(qiáng)、操作簡便、程序設(shè)計(jì)簡易、模塊擴(kuò)充有彈性、聯(lián)機(jī)容易等。針對(duì)上述 說明，選擇符合功能需求與經(jīng)濟(jì)效益的 PLC 是十分必要的。 一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資 和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可以從以下幾個(gè)方面來考慮： (1)對(duì)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的選擇 要先弄清楚控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的 1520%留出備用量 （為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。 (2)對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇 PLC 存儲(chǔ)器容量的估算方法：對(duì)于僅有開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)的電氣控制系統(tǒng)，將 所需的輸入與輸出點(diǎn)數(shù)之和乘以 8，就是所需 PLC 存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量（單位為 bit）。 (3)對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇 PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間 延遲（一般在 23 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間一般 都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)，特別 是閉環(huán)控制系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問題。 (4)根據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型 若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入校園自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要 求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC、上位計(jì)算機(jī)及 CRT 等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能， 目前大部分小型機(jī)也具有通信功能。 (5)對(duì) PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇 在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功 能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的 結(jié)構(gòu)形式。 目前，PLC 產(chǎn)品大致可分為美國、歐洲國家、日本三大主流。經(jīng)過反復(fù)比較及對(duì)系 統(tǒng)控制規(guī)模和控制要求的分析，選用了目前較流行的、有較高性價(jià)比的西門子 S7-200 系列小型 PLC。該型號(hào)的 PLC 指令豐富、功能強(qiáng)大，其占有率在國內(nèi)市場正處于上升趨 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 勢。而且該機(jī)型的指令及編程運(yùn)作與計(jì)算機(jī)通用編程語言更加接近，易學(xué)易懂。 3.2.3 S7-200 系列 PLC S7-200 系列 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC。其許多功能能夠達(dá)到大、 中型 PLC 的水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 的一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛關(guān) 注。它可以單機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行輸入/輸出和功能模塊的擴(kuò)展。其價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小 巧、可靠性高、運(yùn)行速度快，繼承和發(fā)展了它在大、中型 PLC 領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，有極 豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，其性價(jià)比非常高，所以它在各 行各業(yè)中的應(yīng)用得到迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。 S7-200 有五種 CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到 PLC 的控制規(guī)模和 PLC 系統(tǒng)的配置。目前 S7-200 系列 PLC 主要有 CPU221，CPU222，CPU224，CPU224XP 和 CPU226 五種 CPU。本課題設(shè)計(jì)使用 CPU224，本機(jī)集成 14 輸入/10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速 脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個(gè) RS485 通訊/編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊 協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)， 具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集 成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 S7-200 的 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件可以方便地在 Windows 環(huán)境下對(duì) PLC 編 程、調(diào)試、監(jiān)控，使得 PLC 的編程更加方便、快捷?？梢哉f，S7-200 可以滿足各種小 規(guī)模控制系統(tǒng)的要求。 3.2.4 I/O 地址分配 本設(shè)計(jì)對(duì)象為校園智能照明系統(tǒng)，首先對(duì)校園照明系統(tǒng)所有設(shè)備進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)， 道路信號(hào)輸出 4 個(gè)，分別為左側(cè)單數(shù)燈、左側(cè)雙數(shù)燈、右側(cè)單數(shù)燈、右側(cè)雙數(shù)燈；公 共綠地信號(hào)輸出 2 個(gè)，景觀燈信號(hào)輸出 2 個(gè)。根據(jù)對(duì)分時(shí)控制信號(hào)和照明輸出信號(hào)分 類統(tǒng)計(jì)，估計(jì) PLC 輸入開關(guān)量個(gè)數(shù)，由此可知信號(hào)總個(gè)數(shù)為 13 個(gè)。 本設(shè)計(jì)以道路、公共綠地、景觀燈的控制為例，在工程實(shí)際或產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中， 可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展，其梯形圖程序的修改非常方便。I/O 地址輸入/輸出分配如 表 1 所示。 表 1 I/O 地址輸入/輸出分配表 分類名稱地 址分類名稱地 址 實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入 I0.0 1#花壇 啟動(dòng)開關(guān) I0.1 2#花壇 Q0.2 輸入信號(hào) 停止開關(guān) I0.2 輸出信號(hào) 3#花壇 Q0.3 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 冬春啟動(dòng)開關(guān) I0.3 4#花壇 夏秋啟動(dòng)開關(guān) I0.4 右側(cè)雙數(shù)燈 Q0.4 1#草坪右側(cè)單數(shù)燈 Q0.5 2#草坪 Q0.0 左側(cè)單數(shù)燈 Q0.6 3#草坪左側(cè)雙數(shù)燈 Q0.7 輸出信號(hào) 4#草坪 Q0.1 4.軟件設(shè)計(jì) 4.1 程序流程 程序首先對(duì)時(shí)間進(jìn)行冬春、夏秋時(shí)制判別，然后判別各個(gè)時(shí)段從而進(jìn)行輸出。本 設(shè)計(jì)輸出為繼電器形式輸出即高低電平的輸出。通過程序判斷輸出高低電平，控制照 明燈具。 校園照明控制程序流程圖如圖 2 所示。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 開始 時(shí)制判別 冬、春 時(shí)段判別 第一 時(shí)段 所有 燈具 全部 開放 第二 時(shí)段 關(guān)閉 一半 燈具 第三時(shí)段 公共綠地 景觀燈全 熄道路燈 開啟1/4 夏、秋 時(shí)段判別 第一 時(shí)段 所有 燈具 全部 開放 第二 時(shí)段 關(guān)閉 一半 燈具 第三時(shí)段 公共綠地 景觀燈全 熄道路燈 開啟1/4 執(zhí)行程序 結(jié)束 否 是 圖 2 控制系統(tǒng)流程圖 4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件 S7-200 可編程控制器使用 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件進(jìn)行編程。 SIMATIC 工業(yè)軟件 STEP7 是用于西門子 S7、M7、C7 系列可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)工具。 STEP7-Micro/WIN V4.0 是西門子公司專門為 S7-200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)的。它 功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 為了生成用戶所寫程序，STEP7 提供了標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 編程語言：語句表（STL）、梯形圖 （LAD）、順序功能流程圖（SFC）、功能塊圖（FBD）。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成 （1）STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件，它的主界面窗口組件如圖 3 所示。 圖 3 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面窗口 （2）STEP7 項(xiàng)目包括下列基本組件： 程序塊:由可執(zhí)行的代碼和注釋組成，可執(zhí)行的代碼由主程序、可選子程序 和中斷程序組成。 數(shù)據(jù)塊:由數(shù)據(jù)（變量存儲(chǔ)器的初始值）和注釋組成。 系統(tǒng)塊:用來設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，例如存儲(chǔ)器的斷電保持范圍、PLC 的輸出狀 態(tài)、模擬量與數(shù)字量輸入濾波值等。 符號(hào)表:允許程序員用符號(hào)來代替存儲(chǔ)器的地址，符號(hào)地址便于記憶，使程 序更容易理解。 狀態(tài)表:用來觀察程序執(zhí)行時(shí)指定的內(nèi)部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到 PLC，僅僅是監(jiān)控用戶程序運(yùn)行情況的一種工具14。 4.2.2 梯形圖的編寫 （1）打開項(xiàng)目 執(zhí)行“文件”“新建”命令，可以新建一個(gè)項(xiàng)目?？梢员４鏋閿U(kuò)展名為 “.mwp”的新建項(xiàng)目?；驁?zhí)行“文件“打開“命令“可以打開項(xiàng)目。 （2）輸入指令 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 輸入梯形圖指令可以通過指令樹、工具條按鈕等方式進(jìn)行。指令樹中包含了幾乎 所有的指令，或在工具條上直接放常用的指令?；蛴每旖萱I F4、F6、F9 鍵進(jìn)行操作。 （3）創(chuàng)建邏輯網(wǎng)絡(luò) 用梯形圖編寫的程序就是將組件排列成邏輯網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^工具欄或者右鍵快捷 菜單進(jìn)行程序編輯，形成程序網(wǎng)絡(luò)。 （4）輸入地址 在梯形圖輸入指令時(shí)，參數(shù)最初是由“？”顯示的，表示參數(shù)未賦值，可以 用絕對(duì)值或者符號(hào)標(biāo)明程序中的指令操作數(shù)。絕對(duì)引用是指使用內(nèi)存區(qū)的位或者字節(jié) 位置標(biāo)識(shí)地址，符號(hào)引用則是指使用數(shù)字、字母的字符組成標(biāo)識(shí)地址。如果有未賦值 的參數(shù)，程序?qū)⒉荒苷＞幾g。 （5）編譯與保存 編譯可以通過工具欄按鈕或者 PLC 菜單進(jìn)行?？赏ㄟ^“PLC”菜單中的“編譯”命 令，或者工具欄上的“編譯”按鈕，編譯當(dāng)前被激活的編輯器中的程序。若選擇 “PLC”菜單中的“全部編譯”命令，則按照順序編譯程序塊（主程序、全部子程序、 全部中斷程序）、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊等全部塊。使用“全部編譯”，與哪一個(gè)窗口是活 動(dòng)的無關(guān)。編譯結(jié)束后，輸出窗口顯示編譯信息?？梢酝ㄟ^工具欄的“保存”按鈕、 “文件”菜單中的“保存”命令及“另存為”進(jìn)行保存。 4.2.3 時(shí)鐘設(shè)置及讀寫 （1）實(shí)時(shí)時(shí)鐘 S7-200 的硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以提供年、月、時(shí)、分、秒的日期/時(shí)間 數(shù)據(jù)。 CPU221、CPU222 沒有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，需要外插“時(shí)鐘/電池卡”才能獲得此功能。 CPU224、CPU226 和 CPU226 XM 都有內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘15。 S7-200 的時(shí)鐘精度典型值是 2 分鐘/月（25C） ，最大誤差 7 分鐘/月（055C） 。 為了提高運(yùn)算效率，應(yīng)當(dāng)避免每個(gè)程序周期都讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘。實(shí)際上可讀取的最 小時(shí)間單位是 1 秒，可每秒讀取一次（使用 SM0.5 上升沿觸發(fā)讀取指令） 。 使用程序讀取的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)為 BCD 格式，可在狀態(tài)圖中使用十六進(jìn)制格式查看。 CPU 靠內(nèi)置超級(jí)電容（外插電池卡）在失去供電后為實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供電源緩沖；緩 沖電源放電完畢后，再次上電后時(shí)鐘將停止在缺省值，并不開始走動(dòng)。 要設(shè)置日期、時(shí)間值，使之開始走動(dòng)，可以： 用編程軟件（Micro/WIN）的菜單命令 PLC Time of Day Clock.，通過與 CPU 的在線連接設(shè)置，完成后時(shí)鐘開始走動(dòng) 編用戶程序使用 Set_RTC（設(shè)置時(shí)鐘）指令設(shè)置 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 Micro/WIN 可以通過任何編程連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的設(shè)置。 （2）用 Micro/WIN 設(shè)置時(shí)鐘 通過編程軟件 Micro/WIN 設(shè)置 CPU 的時(shí)鐘，必須先 建立編程通信連接。 在 Micro/WIN 菜單中選擇“PLC實(shí)時(shí)時(shí)鐘”命令，打開“PLC 時(shí)鐘操作”對(duì)話框： 圖 4 PLC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置界面 圖中參數(shù)設(shè)置如下： 要設(shè)置時(shí)鐘的 CPU 網(wǎng)絡(luò)地址，取決于在“通信”界面中的選擇。 設(shè)置日期：選擇需要修改的數(shù)據(jù)字段，直接輸入數(shù)字，或者使用輸入框右側(cè)的上 下按鈕調(diào)整。 設(shè)置時(shí)間：選擇需要修改的數(shù)據(jù)字段，直接輸入數(shù)字，或者使用輸入框右側(cè)的上 下按鈕調(diào)整。 讀取 PC 時(shí)鐘：按此按鈕可以讀取安裝 Micro/WIN 的 PC 機(jī)的本機(jī)時(shí)間16。 讀取 PLC 時(shí)鐘：按此按鈕讀取 PLC 內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)。 根據(jù)需要選擇夏時(shí)制調(diào)整選項(xiàng)。 按“設(shè)置”按鈕，將上面的時(shí)鐘日期數(shù)據(jù)寫入 PLC。 時(shí)鐘讀寫指令緩沖區(qū)格式 Read_RTC（讀時(shí)鐘）和 Set_RTC（設(shè)置時(shí)鐘）指令靠數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在用戶程序與硬件 芯片間交換數(shù)據(jù)，它們的緩沖區(qū)格式相同。 表 2 時(shí)鐘緩沖區(qū) 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 地址偏移地址偏移 T TT+1T+1T+2T+2T+3T+3T+4T+4T+5T+5T+6T+6T+7T+7 數(shù)據(jù)內(nèi)容數(shù)據(jù)內(nèi)容年月日小時(shí) 分鐘秒 0 星期 數(shù)值范圍數(shù)值范圍 BCDBCD （1616 進(jìn)制）進(jìn)制） 00-99 01-12 01-31 00-23 00-59 00-5900-7* * 1 = 星期日，7 = 星期六，0 = 表示禁止計(jì)星期 T 就是緩沖區(qū)的起始字節(jié)地址，可以由用戶自由設(shè)置（在 CPU 允許的 V 存儲(chǔ)區(qū)范 圍內(nèi)）。如果設(shè)置 T 為 VB100，那么讀取時(shí)鐘后，“年”的信息就會(huì)保存在 VB100 中， “月”保存在 VB101 中。 4.3 系統(tǒng)的控制程序 校園照明系統(tǒng)電氣控制原理圖比較復(fù)雜，但經(jīng)由 PLC 控制后，程序簡單可行，這 樣即滿足了任務(wù)要求，又能保證其穩(wěn)定運(yùn)行。 4.3.1 分時(shí)控制方案 在設(shè)計(jì)前，對(duì)大學(xué)生的活動(dòng)規(guī)律、道路照明的亮度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和測量，掌握了一 手資料。大部分學(xué)生在21點(diǎn)鐘之前回到寢室，21點(diǎn)至23點(diǎn)之間只有少量學(xué)生在室外活 動(dòng)，23點(diǎn)鐘之后基本上沒有學(xué)生活動(dòng)，學(xué)校進(jìn)入安靜狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)把控制分為3 個(gè)時(shí)段：第1個(gè)時(shí)段為21點(diǎn)之前，所有燈具全部開啟；第2時(shí)段為21點(diǎn)至23點(diǎn)，活動(dòng)人 員較少，可以關(guān)閉1/2的燈具；而到23點(diǎn)之后為第3時(shí)段，只要留有1/4的燈具工作，高 于道路照明的最低要求。為了最大限度地節(jié)能，設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了季節(jié)的因素：夏季夜 短晝長，開燈晚，熄燈早；冬季則相對(duì)開燈較早，熄燈則相對(duì)較晚。景觀和公共綠地 照明采用第1、第2時(shí)段全開，第3時(shí)段全熄的控制方式，控制簡單易行，節(jié)能效果顯著。 節(jié)假日多也是學(xué)校的特點(diǎn)之一，寒暑假加在一起有3個(gè)月左右。制定的控制方案是： 寒暑假期間景觀燈手動(dòng)控制，根據(jù)需要臨時(shí)或少量開啟；而路燈每天只開啟1/4，滿足 最低照明要求。 4.3.2 分時(shí)智能控制程序編制 正如前面所述，每天的照明控制分3個(gè)時(shí)段，為了最大限度地節(jié)約能源，在具體編 制程序時(shí)還考慮了不同季節(jié)的因素，一般在冬、春季，天黑得較早，18點(diǎn)左右自然光 線就很弱了，而在夏天陽光可以維持到19點(diǎn)左右。因此，把一年四季分為2個(gè)區(qū)間，在 設(shè)計(jì)時(shí)考慮了夏、秋時(shí)制和冬、春時(shí)制的識(shí)別，使節(jié)能效果更加明顯。 4.3.3 三時(shí)段控制程序 在編制時(shí)段程序時(shí)，用了數(shù)據(jù)比較功能指令，相對(duì)普通指令而言程序較短，使程 序大為簡化。把5月1日至10月30日定義為夏、秋時(shí)制，它的3個(gè)時(shí)段劃分為：19點(diǎn)至21 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 點(diǎn)、2l點(diǎn)至23點(diǎn)、23點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)。把11月1日至來年4月30日定義為冬、春時(shí)制，它的 3個(gè)時(shí)段劃分為：18點(diǎn)至21點(diǎn)、21點(diǎn)到23點(diǎn)、23點(diǎn)至凌晨6點(diǎn)。道路照明的PLC程序就是 要實(shí)現(xiàn)這些不同季節(jié)的時(shí)段控制要求。在此需要說明的是，根據(jù)學(xué)校供電質(zhì)量好、少 停電的特點(diǎn)，下面的程序中沒有編制時(shí)間自動(dòng)校正程序，因此，第1次投入運(yùn)行的時(shí)必 須同步時(shí)鐘或修正時(shí)鐘，之后就會(huì)自動(dòng)控制照明，不需要人工干預(yù)。 圖中I0.0為啟動(dòng)開關(guān)的信號(hào)，當(dāng)選擇到自動(dòng)工作制時(shí)，I0.0就處于使能狀態(tài)，使 PLC投入程序運(yùn)行，I0.0閉合以后，自動(dòng)控制程序啟動(dòng)。M2.0是不同時(shí)制的識(shí)別控制輸 出信號(hào)，當(dāng)M2.0為高電平時(shí)程序進(jìn)人夏、秋時(shí)制工作狀態(tài)，M2.0為低電平時(shí)程序進(jìn)入 冬、春季節(jié)的工作狀態(tài)。Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7分別控制道路兩側(cè)的燈具。從程序中可 以看出：第1時(shí)段Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7全部為“1”，燈具全部點(diǎn)亮；第2時(shí)段Q0.4,Q0.6 被復(fù)位為“0”，道路的兩側(cè)各有1/2燈具點(diǎn)亮；第3時(shí)段就只有Q0.5控制的回路工作了。 4.3.4 季節(jié)自動(dòng)選擇程序 為了最大限度地節(jié)能，不同季節(jié)亮燈的時(shí)間有所不同，季節(jié)選擇程序主要是為夏、 秋季和冬、春季節(jié)的不同時(shí)段控制而設(shè)置的。PLC有日期設(shè)定與識(shí)別功能，利用它可以 完成季節(jié)的轉(zhuǎn)換控制，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)的不同時(shí)段控制方案。程序中的M100是控制季節(jié) 程序轉(zhuǎn)換的信號(hào)，當(dāng)M100使能時(shí)程序進(jìn)入冬、春季控制，反之，程序?yàn)橄摹⑶飼r(shí)制控 制方式。需要說明的是，該程序是根據(jù)校園所在地區(qū)的情況設(shè)計(jì)的，夏、秋時(shí)制的時(shí) 間定為每年的5月1日0點(diǎn)至10月30日的24點(diǎn)，不同地區(qū)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。該程序是按2012年 投入運(yùn)行而編制的，在今后的運(yùn)行中，每年必須對(duì)日期的設(shè)定調(diào)試一次，以保證運(yùn)行 無誤。季節(jié)控制程序如圖5所示。 圖5 季節(jié)控制程序 5 控制程序的調(diào)試與仿真 5.1 程序調(diào)試 （1）調(diào)試條件 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 選擇合適的 CPU 外電路，根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)要求以及 I/O 資源配置進(jìn)行模擬連接， 輸入端由 PLC 按鍵模擬，輸出端由 CPU 上的指示燈邏輯指示即可； 使用 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件進(jìn)行編程； （2）程序調(diào)試步驟17 打開 STEP7-Micro/WINV4.0 軟件； 在命令菜單中選擇 Debug Program Edit in RUN； 把以設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)程序語句在 RUN 模式下輸入； 輸入程序有誤，系統(tǒng)提示不能運(yùn)行； 修改有誤程序，繼續(xù)輸入程序直到系統(tǒng)檢測無誤為止； 退出 RUN 模式在命令菜單中選擇 Debug Program Edit in RUN，然后點(diǎn)擊取消 復(fù)選標(biāo)志。 5.2 系統(tǒng)仿真 (1)S7-200 仿真步驟18 把在 STEP7 中編譯正確的程序?qū)С鰹?123.awl 文件； 選擇 CPU 型號(hào)，要與項(xiàng)目中的型號(hào)相同； 點(diǎn)擊“程序”“載入程序”； 將先前導(dǎo)出的 123.awl 文件打開； 點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可進(jìn)行仿真（或工具欄上的綠色三角按鈕）。 由于客觀條件的限制，只能對(duì)照明控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試。實(shí)際輸入信號(hào)用按鈕 或開關(guān)模擬，輸出由 PLC 輸出端的發(fā)光二極管顯示負(fù)載狀態(tài)。 仿真調(diào)試時(shí)，按信號(hào)裝置的運(yùn)行條件，依次設(shè)置輸入信號(hào)，并觀察輸出正確與否， 同時(shí)可通過編程器監(jiān)控內(nèi)部各點(diǎn)狀態(tài)，在輸入端接上手動(dòng)按鈕而在 PLC 的輸出指示燈 上看輸出，輸入信號(hào)完全靠手動(dòng)來控制。觀察輸出指示燈能否在每個(gè)相應(yīng)的點(diǎn)動(dòng)狀態(tài) 得電。調(diào)試過程中觀察各基本環(huán)節(jié)是否滿足控制要求。 (2)系統(tǒng)仿真圖 本系統(tǒng)仿真的主要示意圖。 按下輸入按鈕 I0.0，此時(shí)將設(shè)定的時(shí)間輸入 PLC 內(nèi)部時(shí)鐘，下面為照明智能控制 系統(tǒng)多種時(shí)間的仿真輸出。 9 月 5 日 18:58 仿真示意圖 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 6 夏秋時(shí)制無燈亮?xí)r仿真圖 9 月 11 日 19:30 仿真示意圖 圖 7 夏秋時(shí)制第一時(shí)段仿真圖 9 月 11 日 21:45 仿真示意圖 圖 8 夏秋時(shí)制第二時(shí)段仿真圖 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 9 月 11 日 23:10 仿真示意圖 圖 9 夏秋時(shí)制第三時(shí)段仿真圖 12 月 5 日 17:59 仿真示意圖 圖 10 冬春時(shí)制無燈亮?xí)r仿真圖 12 月 5 日 19:10 仿真示意圖 圖 11 冬春時(shí)制第一時(shí)段仿真圖 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 12 月 5 日 21:10 仿真示意圖 圖 12 冬春時(shí)制第二時(shí)段仿真圖 12 月 5 日 23:10 仿真示意圖 圖 13 冬春時(shí)制第三時(shí)段仿真圖 通過設(shè)定時(shí)鐘時(shí)間并將其輸入 CPU 224 內(nèi)部時(shí)鐘，以此來觀察仿真輸出。在打開 啟動(dòng)開關(guān)寫入時(shí)間 9 月 11 日 19:30 后，PLC 自動(dòng)識(shí)別此時(shí)間為夏秋時(shí)制晚上第一時(shí)段， 此時(shí)景觀燈、公共綠地、道路燈全部打開，PLC 輸出端 Q0.0Q0.7 全部輸出高電平。 改變時(shí)間使其進(jìn)入第二時(shí)段，此時(shí)景觀燈、公共綠地仍然全部打開即輸出端 Q0.0Q0.3 輸出高電平，道路燈打開一半，Q0.4、Q0.6 輸出高電平，Q0.5、Q0.7 輸出 低電平。以此多次改變時(shí)間觀察仿真輸出是否與設(shè)計(jì)結(jié)果一致，不斷修改程序直到滿 足設(shè)計(jì)要求。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，通過對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)試與仿真， 其功能基本達(dá)到要求。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)以 PLC 為核心，通過對(duì)照明控制系統(tǒng)的詳細(xì)分析，完成了控制系統(tǒng)的硬件 和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“集中手動(dòng)、自動(dòng)復(fù)歸、重復(fù)動(dòng)作”的電氣控制。其中主要包括 斷路器、中間繼電器、接觸器型號(hào)的選取，I/O 地址分配，程序流程圖的繪制，PLC 程 序編寫及電氣原理圖的繪制。并利用 S7-200 仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行了調(diào)試與仿真，將 PLC 控制和照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了很好的連接。 通過校園照明智能控制，節(jié)電效果明顯。采用 PLC 做控制元件，相對(duì)于市場上出 售的智能控制器而言，投資小，故障率低，基本免維護(hù)。智能照明控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用 在學(xué)校照明中，大大提高了學(xué)校照明電力的管理水平，為學(xué)校節(jié)省了大量的電費(fèi)支出， 同時(shí)，也為學(xué)校師生提供了更舒適、明亮和高效的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。采用智能控制后， 燈具的壽命可延長 23 倍，節(jié)省直接投資至少在 10 萬元以上。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工方 便，可為學(xué)?；蚱渌聵I(yè)單位技術(shù)改造和新建項(xiàng)目提供借鑒。 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 參考文獻(xiàn) 1中華人民共和國建設(shè)部CJJ45-2006 道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)S南京：江蘇人民出版社， 2007：7-12 2北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)手冊(cè)M北京：中國電力出版社，2006：121-125 3周芳，劉美根智能照明控制系統(tǒng)在照明節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J低壓電器，2007，28(16)： 20-23 4周芝峰，周理，王吉林. 基于 PLC 的校園照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2010 5史國生電氣控制與可編程控制技術(shù)M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：222-226 6周國華可編程控制器原理及應(yīng)用M北京：中國電力出版社，2009：30-56 7俞麗華電氣照明M上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，200175 8周萬珍，高鴻斌PLC 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