基于PLC的智能照明控制系统研究

本科毕业论文（设计）(2016届)题目：基于PLC的智能照明控制系统研究系（部）：机电工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：潘倩学号：120815169指导教师：刘传洋职称（学位）：合作导师：职称（学位）：完成时间：2016年3月7日池州学院教务处制学位论文原创性声明本人所提交的学位论文，是在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：潘倩2016年3月7日目录摘要2Abstract31引言41.1选题的研究背景及意义41.2PLC在国内外的研究现状51.3设计的主要内容和技术要求52智能照明控制系统方案设计62.1系统控制方案分析62.2分区和分时控制方案的构想62.3智能照明控制系统的功能组成73系统的硬件设计83.1PLC的选型83.2数据采集电路113.3环境光采集电路113.4人体存在传感器的工作原理123.5PLC的外部接线图134系统的软件设计134.1主程序流程图134.2STEP7-Micro/WINV4.0编程软件144.2.1软件介绍144.2.2软件界面154.3I/O地址分配164.4梯形图程序174.5程序清单19致谢21摘要随着社会的不断发展进步，电力也被过度消耗，电能浪费现象严重，电力资源已然成为紧缺资源。该浪费现象也存在大学教室照明控制系统中。针对这种情况，从节约电能的角度出发，本文阐述了一种基于S7-200PLC代替传统的无人管理的手动控制的教室照明系统。PLC是一种新型的通用自动化控制装置，具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点，完全满足学校教室的照明要求。本文将重点介绍照明系统的硬件设计和软件设计两个方面，其基本原理是以S7-200PLC为核心控制部件，由能感应人体存在的热释红外传感器和环境光检测电路组成的智能照明控制系统，能避免教室用电的大量浪费，从而达到节能的目的。最后，给出系统的的梯形图程序。关键词：教室照明系统；S7-200PLC；智能控制；节能AbstractWiththecontinuousdevelopmentandprogressofsociety,powerisalsoexcessiveconsumption,electricenergywastephenomenonisserious,thepowerresourcehasalreadybecomescarceresources.Thewastephenomenonalsoexistsinauniversityclassroomlightingcontrolsystem.Inviewofthissituation,fromtheperspectiveofsavingenergyof,itisexpoundedinthisarticleabasedonS7-200PLCtoreplacethemanualcontroloftheunmannedmanagementoftraditionalclassroomlightingsystem.PLCisanewgeneralautomaticcontroldevice,hasstrongcontrolfunction,highreliability,convenientandflexibletouse,easytoextendtheadvantages,fullymeettherequirementofschoolclassroomlighting.Thispaperfocusesontwoaspects:thehardwaredesignandsoftwaredesignofthelightingsystemanditsbasicprincipleistoS7-200PLCasthecorecontrolunit,ahumanbodyinductioninthepresenceofheatreleaseinfraredsensorandambientlightsensingcircuitcomposedofintelligentlightingcontrolsystem,canavoidtheclassroomwithalargenumberofwasteofelectricity,soastoachieveenergy-savingpurpose.Finally,givesthesystemtheladderdiagramprogram.Keywords:classroomlightingsystem;S7-200PLC;intelligentcontrol;energysaving1引言1.1选题的研究背景及意义如今，科学技术愈来愈发展，现代化程度也日益提高，随之而来的温室气体的加剧了全球气候变暖，资源也越来越枯竭，全球掀起了节能减排的浪潮，引起了世界和中国的政府的高度关注。能源，是国民经济发展的基础资源，中国政府高度重视能源的开发、利用和节约的工作。众所周知，电能是一种基本并且高效的能源，具有经济、简单、易于运输、无污染的的特点。电能通过转换装置高效的将电能转换成光能，热能、动能、化学能等多种形式，极大地便利了我们的生活。但是，电能浪费问题也很突出。因此，提高电力管理水平是节能的关键。根据相关资料，在我国的整体用电中,照明的耗电量占有很大的比例，约为年发电总量的10%(超过100亿千瓦时)，而在学校，不仅照明时间较长而且照明场所也多,照明用电超过本单位所有耗电的40%[1]。目前我们对教室照明的控制，基本上都是采用的最传统的手动控制方式，该方法是最为常用的，同时也是最为浪费的。教室是一个开放的地方，往往因为管理不到位，无人的时候教室里还是灯火明亮造成所谓的长明灯的现象。就一间教室来说，照明灯的能量消耗并不大，但从整个学校看，却不是一个小数目。以某所大学为例:教学楼照明负荷总量约480kw（不含线损），若按照照明灯每天工作2小时计算（这是一个保守的估计），1天是960KW·h的电力浪费，按照电费0.6元/千瓦时计算，每天电费为576元。一年12个月，除去寒暑假三个月，还剩下九个月，一年浪费的电力大约为259200度，合计电费155520元。如果再加上线路损耗和灯具使用时间较长而造成的灯具损坏，其成本比现在还要高得多。这种照明方式引起的电能浪费和高校后勤费用的增加是显而易见的。我国能源短缺问题非常严重，尤其是电力资源。现在石油和燃煤的价格节节攀升，必然会导致发电成本的增加，从而节省电能不仅是有益于社会，而且也有利于学校自身。放眼于整个学校的大局和全社会能源短缺的大环境,开发简单实用的教室智能照明系统势在必行。智能照明控制系统，无论是在国内还是在国外已经使用，但国内的智能照明技术还存在相当多的不足之处。在大学教育普及化程度越来越高的今天，随处可见各大高校增加校区和扩大生源，从而带来了教室的电能浪费和经济损失等问题，违背了当今的节能理念。但是，如今不断提高的自动化程度、越来越普及的计算机技术使得我们对于照明系统的管理迈向自动化和智能化的方向。1.2PLC在国内外的研究现状随着计算机技术、容错技术网络、微电子技术和通信技术等的高速发展，使得PLC的控制和网络通信功能逐渐增强、处理速度和可靠性不断提高、成本在不断下降、编程和故障检测更加方便快捷。为了适应各大中小型企业的发展需要，需要进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围[2]。虽然问世时间并不长，但PLC无论在国内还是在国外，发展都相当的迅猛，有强大的生命力和高速的增长模式，成为当今占据第一位的自动化装置。1.国外PLC发展状况PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、日、德等工业发达的国家已经成为重要的产业之一。PLC的世界总销售额在不断上升、品种不断翻新、生产厂商不断涌现，产值产量大幅度上升而价格在下降。目前，世界上有200多个产商生产PLC，按型号划分更是有几千种产品。在全世界范围内按地域划分主要有三大产品，这三大PLC产品为美国产品，欧洲产品以及日本产品。如今在PLC发展领域比较有名的公司有德国的西门子公司；美国的AB公司；法国的施耐德TE公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工公司等；韩国的三星、LG公司等。美国和欧洲的PLC产品主要应用于大型、中型PLC领域中，而日本、韩国的PLC产品则在小型PLC领域中具有广泛应用。2.国内PLC发展状况我国目前的工业自动化技术普遍比较落后，PLC技术同发达国家相比较，远落后于发达国家，现在工业中应用的PLC产品绝大部分是国外产品，如西门子、三菱、欧姆龙，是中国工业市场上的传统供应商。国产PLC产品在整个工业市场中只占据很小的份额，没有名牌产品和集中化的生产链，无法形成系统化、专业化的工业规模，这对我国的经济发展是极其不利的。为了改善我国的工业结构和追赶发达国家。近些年来，我国的PLC研制，生产、应用发展也相当的快，同国外的差距也在逐渐缩小。国内市场对PLC产品需求量大，为PLC业务发展提供了绝佳的机会。尤其在应用方面，引进了大量的PLC产品，并且在我国自己生产制造的设备上采用了PLC控制。另外，应用PLC对老设备进行改造，可以在资金投入较少的条件下实现产品的升级换代。总之，我国的PLC技术的应用已获得了令人瞩目的经济效益和社会效益。1.3设计的主要内容和技术要求1.主要内容该研究主要是根据学校教室照明的特点，利用PLC来实现对照明的智能控制，达到节能的目的。分为硬件电路设计和软件系统设计两大部分。硬件电路设计主要包括PLC的选型、内部电路图设计和PLC外部接线设计。软件设计主要是对教室划分区域以及实现对光电传感器、人体存在传感器的I/O分配。2.技术要求1）学生属于特殊人群，他们的活动时间及规律非常突出,因此在教室实行分时和分区的智能控制。2）利用红外传感器来检测是否有人体存在，实现智能控制。3）针对光照是否充足的问题，利用光照传感器来实现对照明用具的开和关。2智能照明控制系统方案设计2.1系统控制方案分析智能照明控制系统的主要组成部件有PLC、中间继电器、照明灯和刀开关。并以人体和自然光强度作为控制器的主要输入参数，从而达到手动与自动控制相兼容。当教室无人存在时，教室里所有的灯都能够自动关闭；当光照达不到相应要求并且教室有人存在超过一定时间时，灯都能自动打开，直到人离开一段时间后，灯能做到自动关闭；当光照达到了设定要求且教室有人时，灯能够自动关闭。同时，学生的作息时间也是一个重要考虑因素。在某些特殊情况下，例如晚上11点后教室里还有人，这时智能照明系统就会采用手动控制，关闭自动控制器，比较人性化。2.2分区和分时控制方案的构想在设计前，对教室的使用情况以及教室的采光系统进行实地调查和分析，掌握可靠资料。仅以池州学院博文楼三楼303教室为例进行分析。因为该教室为单面采光，所以教室中各区域的光照强度会有明显差异，而且基于学生的流动性大以及就坐位置的不可预测等特点的原因，可将教室分为五个不同的区域，利用光照传感器和红外探测器对整个教室进行分区控制。如图1教室分区控制方图如图1所示。讲台区域区域1（前排左）区域2(前排右)区域3（后排左）区域4（后排右）图1传感器在教室的分区控制图将红外传感器分别安装在上述五个区域的上方，即可以有效地覆盖该区域的检测范围，该区域的光传感器被安装在每一个区域的光照强度较暗的地方。对于有时需要使用多媒体课堂教学时，可在讲台上安装手动按钮，在影片播放时给PLC提供信号来关闭教室灯光，播放结束后，再打开教室灯光。此外，还需要在上述五个区域内分别安装一个光照传感器，设置相应动作。安装在每个区域的红外探测器和光照传感器都是独立工作的，不影响对方工作状态。对教室照明的智能控制，还需要分时控制。比如6—23点智能控制系统处于工作状态，而23—6点系统自动关闭，真正实现高效的节能。2.3智能照明控制系统的功能组成(1)智能照明控制系统的结构和组成智能照明控制系统由系统单元，输入单元和输出单元三部分构成。除电