基于PLC的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計含4張CAD圖,基于,plc,教室,智能,照明,系統(tǒng),設(shè)計,cad 基于PLC的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 本文闡述了教室智能照明的控制方法以及PLC在教室智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對西門子S7-200系列PLC進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后在此基礎(chǔ)上，提出了以S7-200系列PLC為主要器件設(shè)計教室智能照明控制系統(tǒng)的方法，其基本原理是采用西門子公司的S7-200系列的PLC作為核心控制部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測環(huán)境光的強(qiáng)度;根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，完成對教室照明回路的智能控制，避免了教室用電的大量浪費(fèi)。最后，提出了系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計，并進(jìn)行了仿真。 本設(shè)計具有經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，可以滿足各院校教室燈光照明控制的要求，很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。 關(guān)鍵詞:教室智能照明；PLC；梯形圖程序  Interior Intelligent Lighting Design based on PLC Abstract This paper describes the classroom intelligent lighting control method and PLC applications in the classroom intelligent lighting control system, a detailed introduction of Siemens S7-200 series PLC. Then, on this basis, S7-200 series PLC as the main device design classroom intelligent lighting control system, the basic principle is the use of Siemens S7-200 series PLC as the core control unit, the use of infrared human body the sensor detects the presence of a human body, using the phototransistor circuit constituted detected ambient light intensity; under classroom reasonably lights conditions, through the identification and smart Analyzing human presence signal and ambient light signal, the completion of the classroom lighting circuit smart control, to avoid wasting a lot of electricity classroom. Finally, it proposed the design of ladder program, and simulation is carried out. This design has a good economy, high reliability, and practical advantages to meet the requirements of the institutions classroom lighting control, to a large extent, to save energy. Keywords:Classroom intelligent lighting；PLC；Ladder progr  目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1．緒論 5 1.1本課題研究的目的和意義 5 1.2國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)成果 5 1.3本課題研究的主要內(nèi)容 6 1.4本課題需要解決的問題 7 2．系統(tǒng)控制方案的設(shè)計 8 2.1系統(tǒng)設(shè)計的可行性分析 8 2.1.1設(shè)計方案的可行性 8 2.1.2知識能力的可行性 8 2.1.3實驗條件的可行性 8 2.2系統(tǒng)控制方案的分析 8 2.3分區(qū)和分時控制方案的構(gòu)想 9 2.4系統(tǒng)的功能組成 10 3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計 11 3.1選擇PLC 類型 11 3.1.1 PLC的定義 11 3.1.2 PLC的基本組成及各部分作用 11 3.1.3．PLC的特點 14 3.1.4 S7-200PLC 15 3.2數(shù)據(jù)采集電路 19 3.3環(huán)境光采集電路 19 3.4人體存在傳感器的工作原理 20 3.5 PLC 外圍連線圖 21 4 軟件設(shè)計 23 4.1程序流程圖 23 4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件 24 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成 24 4.2.2梯形圖的編寫 25 4.3輸入輸出地址 25 4.4梯形圖程序設(shè)計 26 5系統(tǒng)仿真 29 5.1 S7-200 V4.0 的仿真軟件 29 5.2仿真測試 30 結(jié)論 36 參考文獻(xiàn) 37 附錄A:程序清單 39 致 謝 41 48 1．緒論 1.1本課題研究的目的和意義 隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，導(dǎo)致用電負(fù)荷的加劇，又由于世界性的能源危機(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問題。而此問題對我國來說尤為嚴(yán)重。隨著各類大、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò)建，教室照明的需求也越來越多，而教室照明的管理不到位，往往造成電能的巨大浪費(fèi)，這樣，提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。 目前對燈光的智能控制，國內(nèi)外己經(jīng)開始采用，但對教室燈光的控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管 理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。再者，現(xiàn)代自動化程度不斷提高，計算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著 自動化、智能化方向發(fā)展。例如樓道燈光的自動控制等等。所有這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡便、實用的教室燈光自動控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實意義。 1.2國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)成果 新社會的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計算機(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。而在新社會的建設(shè)熱潮中，各大高校和他們的建設(shè)者也應(yīng)意識到智能照明的重要性。相對商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈則相對比重更多。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[2] 。 針對節(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“中國綠色照明工程”，并于 1996 年正式列入國家計劃[3] 。但是我國智能化照明技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛,大多數(shù)校園教室仍然使用傳統(tǒng)的照明控制方式。 因此完善智能化監(jiān)控建設(shè)，進(jìn)一步擴(kuò)大監(jiān)控系統(tǒng)點位，自動實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制照明設(shè)施的開關(guān)燈，具有重要的現(xiàn)實意義。而可編程控制器（Programmable Logical Controller，簡稱 PLC）作為自動控制的重要組成部分，已成為大多數(shù)自動化系統(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，綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(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，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)動控制、定時控制、計數(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，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)過程的自動控制[4] 。 可編程控制器是六十年代發(fā)展起來的一種自動控制裝置，是一種嵌入式的工控機(jī)，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、計數(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)意識到智能照明的重要性。相對商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈具則相對比重更多。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。 1.3本課題研究的主要內(nèi)容 作為一名即將畢業(yè)的學(xué)生，在校期間，對學(xué)校的教室以及圖書館的照明設(shè)計不太滿意。本人認(rèn)為有很多可以改進(jìn)的地方。試舉一下幾種不太好的現(xiàn)象： 一是在不需要開燈的情況下，燈長亮； 二是人走燈長明，以至于管理員很辛苦的一個教室挨一個教室的去關(guān)燈。 因為這些情況都造成了很多不必要的浪費(fèi)。這樣下來，無形中所浪費(fèi)的電能是非常驚人的。據(jù)測算，這種現(xiàn)象的耗電占其單位所有耗電的40%?左右。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實施照明節(jié)能措施。這不僅可以節(jié)約能源，而且會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 當(dāng)然說經(jīng)過教導(dǎo)，相信肯定可以減少這些浪費(fèi)能源的情況發(fā)生，但從技術(shù)上完全可以解決這個問題。廉價實用的PLC就是為此而生的?？删幊绦蚩刂破骱喎Q為PLC.是近年發(fā)展迅速的工業(yè)控制裝置，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的各個領(lǐng)域。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的通用工業(yè)自動控制裝置。它具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點。因此，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 針對生活中這種照明中電能浪費(fèi)的現(xiàn)象設(shè)計一套使用PLC控制的智能照明系統(tǒng)。本設(shè)計的主要應(yīng)用范圍也是教室、圖書館和辦公室等公共場所。 本設(shè)計采用S7-200 系列的PLC 控制器控制照明系統(tǒng)，根據(jù)教室照明系統(tǒng)的工作特點,采用 PLC 實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的控制，總體設(shè)計主要包括硬件線路的設(shè)計和軟件的設(shè)計。硬件線路設(shè)計主要包括線路圖設(shè)計和排線布線設(shè)計。軟件設(shè)計根據(jù)控制的要求，對教室劃分區(qū)域和人體存在傳感器、光電傳感器等進(jìn)行 I/0 分配，同時編制了系統(tǒng)梯形圖控制程序，最后進(jìn)行仿真與調(diào)試，達(dá)到教室智能照明系統(tǒng)的要求。 此系統(tǒng)的工作原理是將采集的信號通過傳輸電路傳輸給?PLC?控制系統(tǒng)。經(jīng)過控?制系統(tǒng)的分析處理以后,將控制信號輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的接觸器。通過控制接觸?器的接通與斷開來控制教室中的每一盞照明燈的接通與斷開。 該系統(tǒng)應(yīng)用了兩種傳感器，人體紅外傳感器和自然光線傳感器，對現(xiàn)場的自然照明情況和人員情況，實現(xiàn)實時自動檢測與控制的功能，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。具體功能如下： 第一，系統(tǒng)設(shè)計人體紅外檢測電路，有進(jìn)入探測范圍時輸出信號。 第二，系統(tǒng)設(shè)計自然光檢測電路，對照明現(xiàn)場的亮度進(jìn)行自動檢測。雖在工作時間，但現(xiàn)場的亮度如果能夠滿足設(shè)定要求時，系統(tǒng)同樣關(guān)閉照明設(shè)備。 第三，設(shè)計按鍵電路，設(shè)定強(qiáng)制開燈和強(qiáng)制關(guān)燈按鍵。如有需要人為開燈或滅燈，可按相應(yīng)鍵。比如在教室內(nèi)，晚上要演示幻燈片，現(xiàn)實條件是室內(nèi)有人，自然照度不滿足工作要求，按照系統(tǒng)的自動控制程序，是不會滅燈的，但本人們確實需要燈滅，這時就可以按下強(qiáng)制關(guān)燈按鍵[8]。 1.4本課題需要解決的問題 本課題通過各種試驗來研究教室燈光的各種控制,主要解決如下關(guān)鍵問題: 1.環(huán)境光感采集問題。 2.紅外傳感器采集以及輻射區(qū)域的問題。 3.傳感器與教室照明燈的合理安裝問題。 4.控制系統(tǒng)總圖以及程序的設(shè)定 。 2．系統(tǒng)控制方案的設(shè)計 本章主要講述了系統(tǒng)控制方案的設(shè)計，其中主要內(nèi)容包括對課題可行性的 分析、系統(tǒng)控制方案的分析以及對分區(qū)分時控制方案的構(gòu)想。 2.1系統(tǒng)設(shè)計的可行性分析 PLC 在教室照明自動控制中的應(yīng)用及其實現(xiàn)，對提高校園管理的自動化控制水平有著重大的意義。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究這種高性能、經(jīng)濟(jì)節(jié)約 型的分時控制系統(tǒng)，對于降低能耗、加快建設(shè)節(jié)約型社會，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會全 面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。 2.1.1設(shè)計方案的可行性 研究將硬件線路設(shè)計、PLC 控制應(yīng)用于教室照明智能控制系統(tǒng)，從而提高多段分時系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、精確性。設(shè)計自動和手動兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的啟停， 以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以人工控制照明系統(tǒng)。 2.1.2知識能力的可行性 通過平時所掌握硬件設(shè)計能力和實際的專業(yè)，近幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)使得我掌握PLC自動控制知識，培養(yǎng)扎實了軟硬件設(shè)計能力，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識并查閱相關(guān)資料解決實際設(shè)計、控制問題。 2.1.3實驗條件的可行性 學(xué)院具備該方面的實驗室與試驗測試設(shè)備，畢業(yè)設(shè)計試驗器件，并且在老師的精心指導(dǎo)下，按照研究課題設(shè)計要求經(jīng)過設(shè)計、調(diào)試與測試分析，一定能夠按 計劃完成研究任務(wù)的系統(tǒng)方案設(shè)計指標(biāo)的要求，理論與實際相結(jié)合起來。 2.2系統(tǒng)控制方案的分析 所研制的智能控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)?？梢詫崿F(xiàn)自動與手動控制相兼容。自然環(huán)境光較強(qiáng)光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈;在自然環(huán)境光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時一定時間后關(guān)燈。同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過 11 點，若還有人存在，則關(guān)閉自動控制器的運(yùn)行，改用機(jī)械開關(guān)來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運(yùn)行。 本文所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要 實現(xiàn)的各項功能，達(dá)到控制器自動與手動相結(jié)合的教室照明智能控制。 2.3分區(qū)和分時控制方案的構(gòu)想 在設(shè)計前，對教室的采光情況以及教室的使用情況進(jìn)行了實地調(diào)查和分析，掌握的一手資料，僅以山西工程技術(shù)學(xué)院主教某多媒體教室為例進(jìn)行分析，如306。由于該教室為單面采光，所以教室中會有不同區(qū)域光照程度差別很大的現(xiàn)象，而且由于教室學(xué)生的流動性大以及就坐位置的不確定性，故設(shè)想將教室分為不同的區(qū)域，利用紅外探測器以及光照傳感器對整個教室進(jìn)行分區(qū)控制，以最大程度地達(dá)到節(jié)能目的。下圖 1 為對教室分區(qū)域控制方案的模型圖。 圖1 傳感器在教室的分區(qū)控制圖 紅外探測器安裝在五個區(qū)域的上方或能有效的覆蓋該區(qū)域探測范圍的地方,光照傳感器安裝在每個區(qū)域光照較暗的地方。對于有時候需要用多媒體教室播放教學(xué)影片的情況，可以在講臺區(qū)域方便的地方安裝1個控制按鈕以手動的方式給PLC 提供信號使開始放影時關(guān)閉教室燈光，放影完畢時打開教室燈光，以適應(yīng)實際的要求。每個區(qū)域分別安裝一個紅外探測器和一個光照傳感器且設(shè)置其動作。安裝在每個區(qū)域的體存在傳感器和光照傳感器是獨立工作的，它們之間互不影響，一個故障不影響其它的工作。同時還需要設(shè)置一些時間段去控制教室燈的開通與關(guān)閉，如早上6~18點需要智能控制器工作，18~23點不需要智能控制器工作。所以另外提出了分時控制的構(gòu)想，在編制三時段梯形圖程序時，會具體說明。 2.4系統(tǒng)的功能組成 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： （1）系統(tǒng)單元：主系統(tǒng)對各區(qū)域?qū)嵤┫嗤目刂坪托盘柌蓸拥木W(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)則對各分區(qū)實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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 （2）輸入單元：用于將外部控制信號變換成控制系統(tǒng)上傳輸?shù)男盘?，如可編程的多功?開/關(guān)、調(diào)光、定時、軟啟動/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)行多點控制、時序控制等，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。 （3）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信號，控制相應(yīng)回路的輸出以實現(xiàn)實時控制。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)自動及手動控制開關(guān)，空中燈具開 / 關(guān)狀態(tài)，手動控制開關(guān)可在異常情況下采取處理措施[5] 。 采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性： （1）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，對不同時間不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，實現(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。 （2）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。 （3）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必要條件。良好的設(shè)計，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[6] 。 3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計 本章主要講述了PLC 類型的選擇和其CPU 的選型以及人體存在傳感器、光照傳感器等硬件的工作原理，最后設(shè)計出了PLC 的外圍連線圖。 3.1選擇PLC 類型 3.1.1 PLC的定義 根據(jù)國際電工委員會1987年對PLC作了如下定義:PLC是一種專門為在工作環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子設(shè)備?？梢跃幹瞥绦虻拇鎯ζ?用來在其內(nèi)部存儲器,執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序操作,計算,操作指令,并且可以是數(shù)字或模擬的輸入和輸出,控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器實際上就是一種工業(yè)控制類的計算機(jī),它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本上非常相似?？删幊绦蚩刂破髦饕芍醒胩幚韱卧⒋鎯ζ?、輸入/輸出模塊、編程器和電源五大部分組成。近年來發(fā)展的速度非?？?已經(jīng)成為了應(yīng)用極為廣泛的工業(yè)控制類裝置。它按照成熟的繼電器控制設(shè)計理念和設(shè)計思想,利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件,已經(jīng)形成了適應(yīng)各種應(yīng)用場合的各種系列產(chǎn)品[12]。 3.1.2 PLC的基本組成及各部分作用 PLC控制系統(tǒng)的硬件主要由中央處理單元(CPU)、存儲(RAM、??ROM)、輸人/輸出(I/O)接口單元、電源單元等組成。 不同型號的PLC可能使用不同的CPU部件，制造廠商使用CPU部件的指令系統(tǒng)編寫系統(tǒng)程序，并固化在只讀存儲器(ROM)中。存儲器主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。 中央處理器(CPU)一般是由都集成在塊芯片上的控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成的。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器單元、輸入/輸出(1/0)接口電路連接。 1.中央處理器(CPU) (1)CPU的作用 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU。CPU按照系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC進(jìn)行工作。其主要任務(wù)如下: 1)接收與存儲用戶由編程器輸人的用戶程序與數(shù)據(jù)。 2)檢查編程過程中的語法錯誤，診斷電源及PLC內(nèi)部的工作故障。 3)用掃描方式工作，接收來自現(xiàn)場的輸人信號，并輸人到輸人映象寄存器與和數(shù)據(jù)存儲器中。 4)在進(jìn)人運(yùn)行方式后，從存儲器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，完成用戶程場序所規(guī)定的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等操作。 5)根據(jù)運(yùn)靠結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)，刷新輸出映象寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制.打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能。 (2)CPU的組成 CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。 1）控制器控制CPU的工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令，但工作節(jié)奏由振蕩信號控制。 2)運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。 3)寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU的控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制PLC的工作部件。運(yùn)算器則定輯、算術(shù)等運(yùn)算的部件。PLC在CPU的指揮下使整個機(jī)器有條不紊地協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。 2.存儲器 PLC中的存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等。常用的存儲器主要有PROM、EPROM、EEPROM、?RAM等，多數(shù)都集成在CPU單元內(nèi)。根據(jù)PLC的工作原理，其存儲空間一般包括系統(tǒng)程序存儲區(qū)、系統(tǒng)RAM存儲區(qū)、用戶程序存儲區(qū)。 1)系統(tǒng)程序存儲區(qū)。該存儲區(qū)用于存放著相當(dāng)于計算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。這些程序由制造廠商將各程序固化在EPROM中，用戶不能直接讀取，它決定了PLC的各項性能。系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序。 2)用戶程序存儲區(qū)。用戶程序存儲區(qū)用來存放由編程設(shè)備輸人的用戶針對具體控制任務(wù)自行編寫的用戶程序。 用戶程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可通過編程設(shè)備修改或增刪。 3)系統(tǒng)RAM存儲區(qū)。系統(tǒng)RAM存儲區(qū)也稱工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。工作數(shù)據(jù)是指PLC工作過程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如參數(shù)測量結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果、設(shè)定值等數(shù)據(jù)一般都在RAM中。在工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)中開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表，包括Ivo數(shù)據(jù)映象區(qū)、定時器/計數(shù)的預(yù)置值和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)。 3.輸入/輸出接口單元 PLC主要通過各類接口模塊的外接線，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的檢測與控制。為了使PLC有很好的信號適應(yīng)能力和抗干擾性能，在輸入/輸出接口單元中，一般均配有電子變換電路、光耦合器及阻容濾波電路等，以實現(xiàn)外部現(xiàn)易的各種信號與PLC內(nèi)部信號的匹配和信號的正確傳遞。在接口上一般還有狀態(tài)指示，工作狀態(tài)直觀，便于維護(hù)。 PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，供用戶選用。I/O接口的主要類型有數(shù)字量(開關(guān)量)輸入/輸出、模擬量輸人/輸出等。 1)輸人接口模塊。 輸人接口模塊用來接收和采集現(xiàn)場的信號。一種現(xiàn)場信號是指由按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器或速度繼電器等提供的開關(guān)量輸人信號;另一種是指由電位器、熱電偶、測速發(fā)電機(jī)或各種變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量信號。 2)輸出接口模塊。 輸出接口模塊用來連接被控對象中的各種執(zhí)行元件，如 按觸器電密網(wǎng)、指示燈或調(diào)節(jié)閥(模報量)、調(diào)速裝置(模擬量)等。其作用是把PC的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開關(guān)信號或模擬信號。常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型:繼電器輸出、晶體營輸出和雙向品閘管輸出。 PLC的I/O接口所能接受的輸人信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為PLC輸人批出(I/O)點數(shù)。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。 4.電源單元 PLC一般使用220V的交流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換成PLC的中央處理器、存儲器等電子電路工作所需的5V、12V、24V直流電源，使PLC能正常工作。 5.I/0擴(kuò)展接口 1/0擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配 置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 3.1.3．PLC的特點 可編程控制器?PLC對用戶來說,是一種無觸點的設(shè)備,改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前,可編程控制器已經(jīng)成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具,得到了廣泛的應(yīng)用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機(jī),具有許多明顯的特點。 1.可靠性高,抗干擾的能力強(qiáng) PLC因為采用現(xiàn)代較先進(jìn)的大規(guī)模集成電路技術(shù),制造時運(yùn)用嚴(yán)格的先進(jìn)的生產(chǎn)過程和工藝步驟,由于內(nèi)部的設(shè)計電路電路采用了較為先進(jìn)的抗干擾技術(shù),使其具有了較高可靠性。PLC以外的電路,在構(gòu)成控制系統(tǒng)中,繼電器系統(tǒng)和PLC同等規(guī)模相比,開關(guān)接點及電氣接線已大大較小。除此之外,PLC還具有故障自我檢測等功能,出現(xiàn)故障時PLC會及時發(fā)出警報信息,作為提示。應(yīng)用者還可以將自行編好的外圍器件的故障診斷程序輸入到所使用應(yīng)用軟件中。這樣,整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。 2.配套齊全,功能完善,適用性強(qiáng) 多數(shù)PLC具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力,可用于控制數(shù)字領(lǐng)域?？捎糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制應(yīng)用。近年來PLC的功能單元也大量涌現(xiàn),從而使PLC滲透到了溫度實時控制、位置精確控制、CNC等各種工業(yè)控制中。再加上增強(qiáng)的通信能力的PLC?和人機(jī)界面技術(shù),采用PLC控制系統(tǒng)組成多種變得非常容易。 3.編程方便,易于使用 PLC工業(yè)控制儀表是面向工礦企業(yè)。?PLC接口容易,工程技術(shù)人員是很容易接受它的編程語言。梯形圖的圖形符號及表達(dá)和繼電器電路非常相似,只有少量的開關(guān),PLC邏輯控制指令可以方便地實現(xiàn)繼電器電路。不熟悉電子電路,計算機(jī)原理和匯編語言的人使用工業(yè)控制計算機(jī),打開了方便之門。 4.功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng) 現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、順序控制等功能的類似繼電器的軟元件，而且還具有A-D轉(zhuǎn)換、D-A?轉(zhuǎn)換、數(shù)值?運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。PLC還具有通信接口，可與計算機(jī)和其他PLC聯(lián)網(wǎng)，??與它們交換信息，以形成單機(jī)所不能有的更大的、地城更廣?的控制系統(tǒng)。它不僅可以控制一臺單機(jī)、一條生產(chǎn)線，還可以控制個機(jī)群及?多條生產(chǎn)線。它不僅可以控制進(jìn)行現(xiàn)場控制，還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。 5.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便 PLC中相當(dāng)于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等的編程元件數(shù)量巨大，又用程序(軟接線)代替硬接線，安裝接線工作量出的兒只發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行空置系統(tǒng)設(shè)計，并可在實驗密進(jìn)行極權(quán)調(diào)試.而推電器接觸器控制系統(tǒng)的河試是靠在現(xiàn)場改變接線進(jìn)行的，十分繁瑣。 6.維修方便，維修工作量小 由于PLC具有自診斷功能，因此對維修人員技能的要求降低了。當(dāng)系統(tǒng)發(fā) 生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可根據(jù)有關(guān)故障信號燈的提示和故障代碼的顯示，或通過編程器和CRT屏幕的顯示，很快地找到故障部位，為迅速排除故障和修復(fù)節(jié)省了時間。 PLC的面板和結(jié)構(gòu)的設(shè)計也考慮了維修的方便性。例如，對需維修的部件 設(shè)置在便于維修的位置、信號燈設(shè)置在易觀察的部件、接線端子采用便于接線與更換的類型等，這些設(shè)計使維修工作能方便地進(jìn)行， 從而大大節(jié)省維修時間. 7.體積小、重量輕、能耗低，易于實現(xiàn)機(jī)電一體化 PLC采用箱體式結(jié)構(gòu)，體機(jī)及單就只有通常的接觸器大小，易于安裝在控制箱中或安裝在運(yùn)動物體中。采用PLC的控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，調(diào)速、定位等功能都可以通過電氣控制方式實現(xiàn)，可以大大減少機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于實現(xiàn)機(jī)電一體化。 3.1.4 S7-200PLC 系統(tǒng)的設(shè)計要從保證系統(tǒng)的可靠性、實用性和可擴(kuò)展性等方面入手。本控制系統(tǒng)采用可靠性和可擴(kuò)展性很好的西門子S7-200PLC 系列的 PLC 作為控制。 圖2 S7-200PLC外形 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[7] 。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時特性，其性價比非常高，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。 S7-200PLC的工作原理： PLC采用“順序掃描,不斷循環(huán)”的工作方式。每次掃描過程,集中采集輸入信號,集中對輸出信號進(jìn)行刷新。PLC有RUN與STOP兩種基本工作模式,在運(yùn)行模式,PLC通過反復(fù)執(zhí)行用戶的程序來實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號,用戶程序不是只執(zhí)行一次,而是不斷地反復(fù)執(zhí)行,直至PLC停機(jī)或切換到STOP模式。PLC的工作過程大致上可以分為三個階段,即輸入采樣,用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成這三個階段稱為完成一個掃描周期。整個操作過程中,PLC的CPU以恒定的掃描速度重復(fù)上述的三個階段。 （1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段中,PLC順序掃描讀取所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),并將其存儲在I?/?O映象區(qū)相應(yīng)的單元。輸入采樣結(jié)束后,用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中,即使輸入數(shù)據(jù)的變化狀態(tài),I/?O映象區(qū)中的單元格對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會改變。因此,如果輸入的是一個脈沖信號,該信號的脈沖寬度必須大于一個掃描周期中,為了確保在任何情況下,可以讀取輸入。 （2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段,PLC用戶程序總是自上而下順序掃描的(階梯)。在掃描每一個階梯時,總是掃描梯子的左側(cè)的控制電路的聯(lián)系信息,根據(jù)第一個左和右,第一下列構(gòu)成的順序控制電路的觸點的邏輯運(yùn)算,邏輯運(yùn)算處理的結(jié)果RAM?刷新線圈系統(tǒng)邏輯記憶狀態(tài)的相應(yīng)位,刷新輸出線圈,或I/O映象區(qū)中的相應(yīng)位狀態(tài),或確定是否執(zhí)行所需命令的特殊功能的階梯。換句話說,用戶程序執(zhí)行,只有進(jìn)入I/O狀態(tài)和圖像區(qū)域的數(shù)據(jù)不會改變,而其他輸出設(shè)備和軟件的I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM的內(nèi)存區(qū)域的狀態(tài)和數(shù)據(jù)可能會改變,來到在梯子的頂部,程序執(zhí)行的結(jié)果將在下面的梯形線圈或工作中使用這些數(shù)據(jù),與此相反,排在下面的入水口,刷新邏輯的線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期的應(yīng)用上線。在程序執(zhí)行過程中,如果你使用立即I/O指令,你可以直接訪問I/O點。使用I/O指令,然后輸入過程映像寄存器的值是不更新,程序直接從I/O模塊值,輸出過程映像寄存器將被立即更新,立即輸入一定的差異。 （3）輸出刷新階段 當(dāng)PLC用戶程序的掃描結(jié)束后,進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,依照CPU的I?/?O相對應(yīng)的圖像區(qū)域的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存器電路,然后輸出電路的驅(qū)動器,最后輸出到相應(yīng)的外部設(shè)備。這時,才是PLC的真正輸出。 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，CPU226XM和CPU226五種 CPU。下圖簡要的比較了CPU的性能。 圖3 CPU22X系列PLC的主要性能指標(biāo) 本課題設(shè)計使用CPU224，本機(jī)集成14 輸入， 輸出共 24 個數(shù)字量I/O 點。可連接 7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器，2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個 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[8] 。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，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)。對于每個教室輸入點主要來自以下四個方面：啟動開關(guān)、停止開關(guān)、投影開關(guān)、人體存在傳感器和光照傳感器；輸出點主要輸來自每個教室五個區(qū)域的燈。 根據(jù)第 1 章的圖 1 傳感器在教室的分區(qū)控制圖可知，本系統(tǒng)的輸入點包括 1個啟動開關(guān)、1 個停止開關(guān)、1 個投影開關(guān)、5 個人體存在傳感器、5 個光照傳感器共 13 個，輸出點為 5 個區(qū)域的燈，由于CPU224 模塊，此模塊有 14 個輸入，10 個輸出正好滿足要求。用紅外探測器和光照傳感器作為檢測裝置來檢測教室中是否有人和教室的光照強(qiáng)度?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖4所示。 圖4 控制系統(tǒng)框圖 3.2數(shù)據(jù)采集電路 教室中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此教室中的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管，光敏三極管可以認(rèn)為是光敏二極管與三極管的一體化結(jié)構(gòu)，其特性是光敏二極管的輸出特性再加上三極管的特性。根據(jù)需求，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)，本系統(tǒng) 采用了低電平輸出的HP-208 型號的人體存在傳感器。HP-208-N-L 人體感應(yīng)模塊(低電平輸出)基于紅外線技術(shù)的自動控產(chǎn)品, 靈敏度高，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器,如自動門、自動洗手機(jī)、自動滴液器、感應(yīng)沖水器、各類智能玩具以及其它感應(yīng)電器設(shè)備等。 功能特點: 1.全自動感應(yīng): 人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出低電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉低電平，輸出待機(jī)時的高電平。 2. 光敏控制：可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時不感應(yīng)。 3.兩種觸發(fā)方式： a.不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出低電平后，延時時間段一結(jié)束，輸出將自動從低電平變?yōu)楦唠娖剑? b.可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出低電平后，在延時時間段內(nèi)，如果 有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持低電平，直到人離開后才延時將低電平變?yōu)楦唠娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點). 4.具有感應(yīng)封鎖時間：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后，待延時時間一結(jié)束,可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間段，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號[9] 。此功能可以實現(xiàn)“感應(yīng)輸出時間”和“封鎖時間”兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 3.3環(huán)境光采集電路 光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具 有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。在無光照時三極管的穿透電流很小，為暗電流Iceo 。有光照時，產(chǎn)生的Ib 增大，成為光電流Ie 。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號。 環(huán)境光采集電路原理圖如圖 5 所示。當(dāng)自然光強(qiáng)大于一定程度時，光敏三極管D6 呈現(xiàn)低阻態(tài)狀態(tài)小于 1K 歐，三極管Q12 的基極電壓升高，Q12 管飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平。當(dāng)自然光強(qiáng)小于一定程度時，光敏三極管D6 呈現(xiàn)高阻態(tài)狀態(tài)，100k 歐，使三極管 Q12 截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻 R26 可調(diào)節(jié)，調(diào) R26 阻值的大小，使 Q12 三極管受環(huán)境光影響在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。 圖5 環(huán)境光采集電路原理圖 3.4人體存在傳感器的工作原理 自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會發(fā)出不同 波長的紅外線，利用紅外傳感器可對其進(jìn)行檢測。根據(jù)工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外線傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動紅外傳感器。與量子型相比，響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格便宜，并可在常溫下工作。量子型與熱型的特點相反，而且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的事熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用的紅外傳感器的原理。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下：人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，所以會發(fā)出特定波長10 左右的紅外線，被動紅外探頭就靠探測人體發(fā)射的10左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng) 后聚集到紅外感應(yīng)源上[10] 。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就產(chǎn)生由人體存在的信號。 （1）這種探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對波長10 左 右的紅外輻射非常敏感。 （2）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的照射面覆蓋有特殊的菲尼爾濾光 片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。 （3）人體存在的探測，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。 （4）一旦有人進(jìn)入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而輸出有人體存在的信號。人體傳感器透鏡的信號采集敏感區(qū)示意圖如圖 6 所示 最不敏感方向 方向 最敏感 方向 圖6 信號采集敏感區(qū)示意圖 有人進(jìn)入時，移動人體發(fā)出的紅外線被紅外線傳感器接收，則人體存在被感應(yīng)，并輸出高電平。若人體進(jìn)入最不敏感移動方向時，則人體傳感器所體現(xiàn)的信號就會不理想，有時還會產(chǎn)生誤動作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方向。 3.5 PLC 外圍連線圖 PLC 外圍接線圖的輸入輸出設(shè)備、負(fù)載電源的類型等的設(shè)計就結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來設(shè)定。教室照明智能控制外部接線圖如圖 7 所示。 圖7 PLC 外圍連線圖  4 軟件設(shè)計 4.1程序流程圖 由于上述具體控制要求，可設(shè)計出教室智能照明控制系統(tǒng)在運(yùn)行時的程序框圖，如圖所示。將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實現(xiàn)控制要求。如下圖 8 所示。 圖8 程序流程圖 如圖 8 所示程序設(shè)計，智能系統(tǒng)先是通過時間來判斷的，例如如果時間段在23 點到 6 點之間，智能系統(tǒng)控制燈光的功能會進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時教室燈光的控制只能通過手動開關(guān)來控制。另外，如果時間段不在 23 點到 6 點之間，系統(tǒng)才會通過判斷光照是否充足和有沒有人體存在，來合理開關(guān)燈的。在多媒體教室， 還要考慮投影儀的情況，如果教室中的投影儀開關(guān)開啟，系統(tǒng)會延時 60 秒后，不管講臺區(qū)域的燈是否開啟，智能系統(tǒng)都會關(guān)閉講臺區(qū)域的燈。 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)計開發(fā)的[11] 。它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可實時監(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）。 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件，它的主界面窗口組件如圖 9 所示。STEP7 項目包括下列基本組件：程序塊數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號表、狀態(tài)表。 圖9 STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件主界面窗口  4.2.2梯形圖的編寫 梯形圖的編寫包括以下步驟： 一、打開項目 執(zhí)行“文件”→“新建”命令，可以新建一個項目。可以保存為擴(kuò)展名為“.mwp” 的新建項目?；驁?zhí)行“文件"打開"命令"可以打開項目。 二、輸入指令 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。或用快捷鍵F4、F6、F9 鍵進(jìn)行操作。 三、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)。 四、輸入地址 在梯形圖輸入指令時，參數(shù)最初是由“？？？”顯示的，表示參數(shù)未賦值，可以用絕對值或者符號標(biāo)明程序中的指令操作數(shù)。絕對引用是指使用內(nèi)存區(qū)的位或者字節(jié)位置標(biāo)識地址，符號引用則是指使用數(shù)字、字母的字符組成標(biāo)識地址。如果有未賦值的參數(shù)，程序?qū)⒉荒苷＞幾g。 五、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”，與哪一個窗口是活動的無關(guān)[12] 。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。 4.3輸入輸出地址 系統(tǒng)輸入點及地址：啟動開關(guān)I0.0、停止開關(guān) I0.1、紅外探測器 I1.0～I(xiàn)1.4、光照傳感器 I0.3～I(xiàn)0.7、投影儀開關(guān) I0.2。T37 和 T38 為定時器。為了減少輸出點數(shù)，一個區(qū)域作為一個輸出點，其地址Q0.0～Q0.4。表 1 為 I/O 地址分配表。 表1 I/O 地址分配表 輸入點 輸出點 元件名稱 地址編碼 元件名稱 地址編碼 啟動開關(guān) I0.0 講臺區(qū)域燈 Q0.0 停止開關(guān) I0.1 區(qū)域 1 燈 Q0.1 投影開關(guān) I0.2 區(qū)域 2 燈 Q0.2 光照探測器 I0.3~I0.7 區(qū)域 3 燈 Q0.3 紅外探測器 I1.0~I1.4 區(qū)域 4 燈 Q0.4 4.4梯形圖程序設(shè)計 用 SETP7 軟件語句表編寫的控制程序如圖 10 所示。 圖10 梯形圖網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) 1 ：啟動開關(guān) I0.0 閉合后，中間繼電器 M0.0 通電并自鎖，只有當(dāng)停止開關(guān)I0.1 按下后，M0.0 才斷開。 網(wǎng)絡(luò) 2 和網(wǎng)絡(luò) 3：M0.0 保持通電時，計時器 T37 計時 3000*100ms=5 分鐘后，其常開觸點閉合，計數(shù)器C1 計數(shù)一次，同時網(wǎng)絡(luò)2 中T37 的常閉觸點斷開，等其T37 常閉觸點重新閉合后，T37 重新開始計時，如此重復(fù)，當(dāng)計數(shù)器C1 計數(shù)到 288 次，即 288*5min=1440min，即 24 小時，計數(shù)器復(fù)位并重新開始計數(shù)。 網(wǎng)絡(luò) 4、5、6：為分時控制梯形圖程序，系統(tǒng)在仿真運(yùn)行時，設(shè)定其初始時間為 6:00，即 C1>=0 時，當(dāng)計數(shù)器 C1 計數(shù)范圍在 0~144 之間，即這 12 個小時內(nèi)，中間繼電器 M0.1 都保持導(dǎo)通。另外，M10.1 代表在時間段 6.00—18.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)，M0.2 代表在時間段 18.00—23.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)，M0.3 代表在時間段23.00—6.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)。但是要確定的是 M0.1、M0.2、M0.3 這 3 個時間段的繼電器，在任何時候只有一個能保持導(dǎo)通狀態(tài)。 網(wǎng)絡(luò) 7 為本系統(tǒng)的輸出梯形圖程序，其中 I0.3 至 I0.7 代表光照探測器的控制觸點，I1.0 至 I1.4 為紅外探測器的控制觸點，Q0.0 至 Q0.4 代表教室 5 個區(qū)域的燈。 本程序設(shè)計的基本原理和工作過程如下： 1）當(dāng)時間段在 6.00—18.00 時， 常開觸點M0.1 保持導(dǎo)通狀態(tài)，假設(shè)此時教室中 5 個區(qū)域都有人體存在，各個區(qū)域的紅外探測器會感應(yīng)到相應(yīng)區(qū)域的人體，并使常開觸點I1.0 至 I1.4 閉合導(dǎo)通， 如果教室中個區(qū)域光線很充足，光照探測器會使常開觸點I0.3 至 I0.7 保持?jǐn)嚅_， 反之，若光線不足，光線探測器會使其閉合，從而使整個回路導(dǎo)通，各個區(qū)域的燈會點亮。假設(shè)教室中全部區(qū)域都有人且燈都亮著，某區(qū)域的人突然全部走完了， 紅外探測器會自動感應(yīng)到該區(qū)域的人體存在情況，從而反饋到其控制的常開觸 點，從而控制燈光的開和關(guān)。另外還有一種特殊的情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò) 8 中投影儀開關(guān)I0.2 開啟后，定時器T38 開始計時，當(dāng)其計時到600*100ms 即 60s 時，其網(wǎng)絡(luò) 7 中的常閉觸點會斷開，從而會使講臺區(qū)域的燈關(guān)閉?？梢允雇瑢W(xué)們更好的看到多媒體的投影效果，不需人為的去關(guān)閉燈光。 2）當(dāng)時間段在18.00—23.00 時，此時M0.2 處于導(dǎo)通狀態(tài)，因為此時一般光線比較暗，已不需要光照探測器工作， 只需紅外探測器來感應(yīng)人體的存在與否來控制教室相應(yīng)區(qū)域的燈光開關(guān)情況。 3）當(dāng)時間段位于 23.00—6.00 時，老師學(xué)生一般都不會在教室學(xué)習(xí)了，此時 M0.3 的常閉觸點會斷開，無論是光照探測器還是紅外探測器，都會停止工作，此時只 能手動來控制燈光的開與關(guān)了 。 5系統(tǒng)仿真 5.1 S7-200 V4.0 的仿真軟件 S7-200 V4.0 仿真軟件可以仿真大量的S7-200 指令（支持常用的位觸點指令、定時器指令、計數(shù)器指令、比較指令、邏輯運(yùn)算指令和大部分的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等， 但部分指令如順序控制指令、循環(huán)指令、高速計數(shù)器指令和通訊指令等尚無法支持[13]。仿真程序提供了數(shù)字信號輸入開關(guān)、兩個模擬電位器和 LED 輸出顯示， 仿真程序同時還支持對TD-200 文本顯示器的仿真，在實驗條件尚不具備的情況下，完全可以作為學(xué)習(xí)S7-200 的一個輔助工具。 另外，仿真軟件還有讀取CPU 和擴(kuò)展模塊的信息、設(shè)置PLC 實時時鐘、控制循環(huán)掃描次數(shù)等功能。軟件的主界面如圖 11所示。  圖11 S7-200 仿真軟件主界面 圖中灰色部分為是CPU 224 類型的PLC 面板可顯示CPU 運(yùn)行狀態(tài)和I/O 點的狀態(tài)，燈亮為 1，燈滅為 0。CPU224 的右邊空白方框是擴(kuò)展模塊的位置，雙擊空白方框即可進(jìn)行模塊配置選擇，根據(jù)需要可選擇各種數(shù)字量和模擬量的擴(kuò)展模塊。 CPU 模塊的下方是用于輸入數(shù)字量信號的小開關(guān)面板，具有和 CPU224 對應(yīng)的 14 個輸入點，單擊面板中的開關(guān)按鈕可使其 0，1 狀態(tài)切換，在 CPU 面板上的模擬LED 燈對應(yīng)滅，亮。開關(guān)面板下方的SMB28,SMB29 是兩個直線電位器，分別是 CPU224 的兩個8 位模擬量輸入電位器對應(yīng)的特殊存儲器字節(jié)，可左右拖動滑塊來設(shè)置它的值，范圍在 0-255 之間。 5.2仿真測試 在仿真軟件中點擊工具欄上 按鈕，啟動運(yùn)行，使仿真 PLC 切換到 RUN 模式開始仿真測試。選擇 CPU224 模塊對梯形圖程序進(jìn)行仿真，其結(jié)果按要求分為以下幾種情況：  一、06：00—18：00，光照充足，教室無人 圖12 6 點至 18 點仿真結(jié)果圖（1） 如圖 12 所示，圖左為 S7—200 仿真運(yùn)行時的界面，最下排左邊的數(shù)字 0 代表啟動開關(guān)I0.0，此時已向上撥動，且中間的數(shù)字0 下方已亮燈，表示I0.0 已經(jīng)開啟；數(shù)字 1 和 2 依次代表停止開關(guān) I0.1 和投影儀開關(guān) I0.2，由圖中狀態(tài)表示未啟動；而數(shù)字 3 至 7 依次表示 5 個光照探測器I0.3 至 I0.7，此時也沒向上撥動， 表示光照充足；而右邊的數(shù)字 0 至 4 則表示 5 個紅外傳感器 I1.0 至 I1.4，此時也沒向上撥動，表示現(xiàn)在教室無人。最上方的數(shù)字 0 至 4 則相應(yīng)的代表教室 5 個區(qū)域的燈，此時都未亮。圖右為系統(tǒng)仿真運(yùn)行狀態(tài)的 KOP 圖，淡紫色小正方形表示該觸點保持導(dǎo)通狀態(tài)，因為現(xiàn)在時間為 6 點到 18 點，所以常開觸點M0.1=1， 始終保持導(dǎo)通。  二、06：00—18：00，教室光照不足，有人 圖13 6 點至 18 點仿真結(jié)果圖（2） 如圖 13 所示，下排左數(shù)字 3 至 7 的開關(guān)都向上撥動，且指示燈亮了，表示教室 5 個區(qū)域的光線都不足，而右邊的數(shù)字 0 至 4 的開關(guān)也向上撥動，表示教室5 個區(qū)域都有人存在，所以智能控制系統(tǒng)會使教室中5 個區(qū)域的燈都會開啟，即圖中最上排的燈 0 至 4 都亮著。圖右邊 KOP 圖中 I0.3 至 I0.7，I1.0