工学]基于plc的校园照明智能控制系统设计

工学]基于plc的校园照明智能控制系统设计内容摘要：

和子系统之间通过信息等元件连接，实现数据传输。  输入单元：用 于将外部控制信号变换成控制系统上传输的信号 ， 如可编程的多功能 (开 /关、调光、定时、软启动 /软关断等 )输入开关、红外线接收开关及红外线遥控器 (实现灯光调光或开 /关功能 )。 各种型式及多功能的控制板，可进行多点控制、时序控制等，调整照明，以达到使周围环境保持适宜的照度，节约电能 [8]。  输出单元：智能控制系统的输出单元是用于接受来自控制器的定时信号，控基于 PLC的校园照明智能控制系统设计 5 制相应回路的输出以实现实时控制。 输出单元有各种型式的继电器。 系统一般采用集中控制和管理、分散执行的方式，亦即配置智能控制照明柜，智能控制柜内装有可编程控制器的有关自 动及手动控制开关，空中灯具开 /关状态，手动控制开关可在异常情况下采取处理措施。 （ 2）采用智能照明控制系统的优越性  良好的节能效果 采用智能照明控制系统的主要目的是节约能源，智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。 利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达 30%以上。  延长光源的寿命 延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，降低了照明系统的运行费用，管理维护也变得简单了。  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。 良好的设计，合理地选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量 [9]。  实现多种照明效果 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。 以某工程为例，建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同的效果，采用相应的预设置场景进行控制，可以达到丰富 的艺术效果。 3 硬件设计 线路结构设计 控制线路设计 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。 在设计时采用高于一般居住区而低于商业区的标准。 为了便于分时控制，在灯具布置时采用双侧交错布置，杆距定为 25m，较标准杆距略小，有利于分时控制时减少灯光死角。 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。 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，满足最低照明需求即可。 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，对于基于 PLC的校园照明智能控制系统设计 6 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 [10]。 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 1个 景观区域和 1个公共绿地的供电系统图。 1 公共绿地K M 1 2K M 1 3K M 1 4K M 2 1K M 2 2K M 2 3K M 2 4K M 3 1K M 3 2K M 3 3K M 3 4Q F 1Q F 3Q F 2Q FK M 1 11 草 坪2 草 坪3 草 坪4 草 坪2 景观灯3 道路1 花 坛2 花 坛3 花 坛4 花 坛右 侧 双 数 灯右 侧 单 数 灯左 侧 双 数 灯左 侧 双 数 灯 图 1 供电系统示意图 控制器件的选型 在校园智能照明系统中由人工和自动两种控制方式，人工控制需要能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流的开关装置即断路器。 自动控制因学校照明电路多总功率较大，因此自动控制开关器件选用接触器。 目前 PLC的输出有 2种型号：晶体管和继电器。 继电器能够支持 AC220V的电压。 也就是说继电器的型号能够控制 AC220V的回路，但并不推荐直接用于 AC220V的回路中，尤其是频繁动 作的回路中，故此在设计过程中增加中间继电器来实现 [11]。 本设计所选用的断路器用照明保护用，选用 DZ4763 小型断路器 DZ4763/3 C 型DZ4763 高分断小型断路器是一种具有过载与短路保护的限流型断路器，适用于交流50Hz，单极电压 230V 及以下，二、三、四极电压 400V 及以下的工业和商业照明配电系统的过地短路保护，亦可在正常情况下作线路的不频繁通断转换之用。 该断路器外型美观，体积小，重量轻，分断能力高，脱扣迅速，导轨安装，壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料，性能优良可靠。 接触器 (Contactor)在工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。 接触器分为交流接触器和直流接触器，交流接触器又可分为电磁式和真空式 两种。 基于 PLC的校园照明智能控制系统设计 7 交流接触器的选择： （ 1）持续运行的设备。 接触器按 67～ 75%算 ， 即 100A 的交流接触器，只能控制最大额定电流是 67～ 75A 以下的设备。 （ 2）间断运行的设备。 接触器按 80%算。 即 100A 的交流接触器，只能控制最大额定电流是 80A 以下的设备。 （ 3）反复短时工作的设备。 接触器按 116～ 120%算 ， 即 100A 的交流接触器，只能控制最大额定电流是 116～ 120A 以 下的设备 [12]。 中间继电器 (intermediate relay)的工作原理和交流接触器一样，都是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。 线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位。 JZ21H、 22H系列断电延时中间继电器 (以下简称继电器 ),用于交、直流操作的各种保护或自动控制回路中 [13]。 JZ2IH 为单路延时继电器， JZ22H 为双路延时继电器。 PLC 的设计 PLC 在控制系统 中 的要求 （ 1）用 PLC进行照明控制系统改造时遵循原则  完备性 :包括了常规的照明系统的全部功能，同时还考虑了校园综合自动化改造后对照明系统信息量、信息格式的要求。  可靠性 :在满足完备性的前提下，尽量简化附加的前后向通道。 通过自动和和人工两种控制方式，使照明系统在发生故障时可以灵活控制照明系统。  适应性 :系统脉冲起动电流可调，以适应老式的白炽灯和新型的发光二极管脉冲电流的不同特点。 （ 2） PLC 控制的优点  前后向通道简单。 前向通道除脉冲形成回路稍许复杂外，其他都是简单的光耦电路。 后向通道更加 简单，直接由 PLC 输出。  抗干扰性能好。 除 PLC的 I/O 本身进行隔离外，对前向通道又进行隔离，有效地抑制了共模干扰。 同时系统的功能全部由 PLC 按照预定的程序完成，避免了由于某个继电器损坏造成的误动或拒动。  灵敏度高，过载能力强。 PLC 控制照明系统的脉冲形成和响应在物理上是独立的，能够做到具有很高的灵敏度和承受较大的过负荷能力。  维护简单。 PLC 程序采用继电保护人员熟悉的梯形图编制，直观明了。 可直接利用 PLC编程器对自动复归时间等定值进行修改。 同时由于 PLC 的高可靠性，基本上可做到免维护。 基于 PLC的校园照明智能控制系统设计 8 PLC 选型 在 PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的 PLC 以达到真正需要，而又能符合经济效益，是一个重要问题。 PLC 本身的特点是：体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。 针对上述说明，选择符合功能需求与经济效益的 PLC 是十分必要的。 一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。 机型的选择可以从以下几个方面来考虑： (1)对输入 /输出点数的选择 要先弄清楚控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15～ 20%留 出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。 (2)对存储容量的选择 PLC 存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入 /输出信号的电气控制系统，将所需的输入与输出点数之和乘以 8，就是所需 PLC 存储器的存储容量（单位为 bit）。 (3)对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2～ 3个扫描周期）等。 对开关量控制的系统， PLC 的 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。 但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制 系统就要考虑这个问题。 (4)根据是否联网通信选型 若 PLC控制的系统需要联入校园自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求PLC 应具有连接其他 PLC、上位计算机及 CRT 等的接口。 大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。 (5)对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数的情况下，整体式比模块式价格低。 但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。 目前， PLC 产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。 经过反复比较及对系统控 制规模和控制要求的分析，选用了目前较流行的、有较高性价比的西门子 S7200系列小型 PLC。 该型号的 PLC 指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。 而且该机型的指令及编程运作与计算机通用编程语言更加接近，易学易懂。 S7200 系列 PLC S7200 系列 PLC 是德国西门子公司生产的一种小型 PLC。 其许多功能能够达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛关注。 它可以单机运行，也可以进行输入 /输出和功能模块的扩展。 其价格低廉、结构小巧、基于 PLC的校园照明智能控制系统设计 9 可靠性高 、运行速度快，继承和发展了它在大、中型 PLC 领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比非常高，所以它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。 S7200 有五种 CPU，其性能差异很大。 这些性能直接影响到 PLC 的控制规模和 PLC系统的配置。 目前 S7200系列 PLC主要有 CPU221， CPU222， CPU224， CPU224XP 和 CPU226五种 CPU。 本课题设计使用 CPU224，本机集成 14 输入 /10输出共 24 个数字量 I/O 点。 可连接 7个 扩展模块，最大扩展至 248。