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基于PLC的校園照明智能控制系統(tǒng)設計（西門子PLC） 摘 要 目前，大多數校園照明系統(tǒng)仍然使用人工控制，大學的電能消耗中,照明用電占了絕大部分，工作時間長,且常采用手動控制方法,造成了浪費，其缺點是控制復雜、修理困難、容易發(fā)生誤動作。針對這種情況，本設計使用西門子S7-200 PLC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，完全滿足學校的照明要求，校園照明系統(tǒng)主要有道路控制輸出信號、景觀燈輸出信號、公共綠地輸出信號，根據PLC控制原理對其進行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。最后經過模擬仿真運行，能夠實現當設備發(fā)生故障或出現某些不正常運行情況時，由自動控制變換人工控制，在排除故障后再次實現自動控制滿足照明智能控制系統(tǒng)的要求。通過測算,每年節(jié)約電能達25%以上,燈具的使用壽命也有所提高,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,完全滿足了學校的照明要求,達到了預想的結果。 關鍵詞： 照明系統(tǒng)；西門子S7-200；輸出信號；智能控制；節(jié)能 Campus lighting intelligent control system design based on PLC (Siemens PLC) Abstract At present, most campus lighting systems still use manual control, University of electric energy consumption, lighting electricity accounted for the vast majority, long working time, and often uses the method of manual control, resulting in a waste, the disadvantage is the control of complex, difficult, error prone repair action. In view of this situation, the artificial control of campus lighting system uses the design of Siemens S7-200PLC instead of the traditional. The PLC intelligent control, the system is stable and reliable, fully meet the requirements of the school campus lighting, lighting system main road control output signal, the output signal of the public green space landscape lamp, the output signal, according to the I/0 distribution and rendering lighting system flow chart and the preparation of intelligent lighting control system of campus ladder diagram of control program for the PLC control theory. Finally through the simulation operation, can be achieved when the equipment failure or some abnormal operating conditions, by automatic control transform manual control, automatic control meet again intelligent lighting control system requirements in troubleshooting. Through the calculation, annual savings of electricity can reach above 25%, the service life of the lamp is increased, the system is stable and reliable, fully meet the school lighting requirements, to achieve the desired result Keywords： Lighting system Siemens the output signal of the S7-200 intelligent control Energy saving 目 錄 第一章 概 述 - 1 - 1.1 選題背景和意義 - 1 - 1.2 PLC的特點及其發(fā)展趨勢 - 2 - 1.3 PLC在國內外的發(fā)展狀況 - 3 - 1.4 本照明系統(tǒng)的特點 - 3 - 第二章 智能照明控制系統(tǒng)總體方案論證 - 4 - 2.1 智能照明控制系統(tǒng)設計的主要內容及基本要求 - 4 - 2.1.1 主要內容 - 4 - 2.1.2 基本要求 - 4 - 2.2 智能照明控制系統(tǒng)設計的具體要求 - 4 - 2.3 智能照明控制系統(tǒng)的結構和組成 - 5 - 2.4 智能照明控制系統(tǒng)設計的基本步驟 - 5 - 第三章 智能照明控制系統(tǒng)的硬件設計 - 6 - 3.1線路結構的設計 - 6 - 3.1.1 控制線路設計 - 6 - 3.1.2 控制器的選型 - 7 - 3.2 PLC的設計 - 8 - 3.2.1 PLC在控制系統(tǒng)中的要求 - 8 - 3.2.2 PLC選型 - 9 - 3.2.3 S7-200系列PLC - 10 - 3.2.4 I/O地址分配 - 10 - 第四章 智能照明控制系統(tǒng)的軟件設計 - 11 - 4.1 程序流程 - 11 - 4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件 - 12 - 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件主界面及基本組成 - 13 - 4.2.2 梯形圖的編寫 - 13 - 4.2.3 時鐘設置及讀寫 - 14 - 4.3 系統(tǒng)的控制程序 - 16 - 4.3.1 分時控制方案 - 16 - 4.3.2 分時智能控制程序編制 - 16 - 4.3.3 三時段控制程序 - 17 - 4.3.4 季節(jié)自動選擇程序 - 17 - 4.4 編寫梯形圖程序 - 18 - 第五章 控制程序的調試 - 23 - 5.1 程序調試 - 23 - 總 結 - 24 - 參 考 文 獻 - 25 - Understanding the Basics of S7-200 Network Communications Selecting the Communication Interface for Your Network - 28 - 理解S7--200網絡通訊的基本概念 - 38 - 致 謝 - 44 - 附錄1：基于PLC的校園智能照明系統(tǒng)程序清單 - 45 - IV 第一章 概 述 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注的焦點，因為能源的消耗除了其直接的經濟損失外，還會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、生產中的一個主題。提到節(jié)能人們往往忽視了照明用電，因為它單體容量較小，安裝比較分散，所以，看起來無關緊要，其實照明用具數量最多，分布最廣，隨著城市的擴張和道路的延伸，無論是單體容量還是總容量都在大幅增加，美化環(huán)境的長明燈更是越來越耀眼?，F在很多大學都坐落在郊區(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高，且路燈和景觀燈的單體容量大，工作時間長，絕對是學校能源消耗的主體。要說學校節(jié)能，只要把這些公共照明控制得當即可。 校園的建設要適應網絡時代的發(fā)展，應引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓字自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計算機網絡、安防、消防、閉路監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著科技的進步，人們對照明燈具節(jié)能和科學化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化領域的地位越來越重要。在新校區(qū)的建設熱潮中，各大高校和他們的建設者也應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)，更能體現其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢，提高學校的科學管理水平。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，已成為大多數自動化系統(tǒng)的設備基礎。可編程控制器是一種以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術、通信技術和繼電器控制技術而發(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、可靠性高等一系列優(yōu)點，其功能越來越強大，應用范圍越來越廣闊，如冶金、機械、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)部門都有廣泛應用。它不但可以很容易地完成順序邏輯、運動控制、定時控制、計數控制、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入/輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現對系統(tǒng)過程的自動控制。而校園具有現代化氣息，道路寬且長，綠地和景觀用地也有相當的比例。在進行道路和景觀綠地照明設計時，在節(jié)能和延長光源壽命方面取得了明顯的效果。 本設計研究項目屬于采用西門子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，可以達到線路簡單、易于安裝、便于維護、編程簡單、工作可靠、抗干擾能力強，實現對照明系統(tǒng)的綜合自動化控制。 1.2 PLC的特點及其發(fā)展趨勢 PLC是一種專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編織程序的存儲器，用來再其內部存儲執(zhí)行邏輯控制、順序控制、定時等指令的操作其內部含有存儲這些指令的存儲器，使用時通過調用相應的程序，如計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械加工或生產過程。PLC及其有關外圍設備都應按照易于與工業(yè)系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 主要特點有： （1）可靠性能高，抗干擾能力強。 PLC由于采用現代超大規(guī)模集成電路技術，嚴格的生產工藝制造，內部電路采用了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性，而且具有硬件故障的自我檢測功能，出現故障時可及時地發(fā)出報警信息，軟件中也有故障自我診斷程序。 （2）配套齊全，功能完善，適應性強。 PLC發(fā)展的今天，已經形成了大、中、小、微等各種規(guī)模的系列化產品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。如：邏輯控制、數字領域的控制等。近年來PLC已滲透到了位置控制、運動控制、過程控制、溫度控制、計算機數控等各種工業(yè)控制中，加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （3）易學好懂易用，深受工程技術歡迎。 梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖非常接近，只用PLC的少量開關邏輯指令就可以方便的實現“繼電器——接觸器控制電路”的功能；步進式順序功能圖，簡單、直觀，容易設計復雜的多流程順序控制，并且能夠減少程序條數，使程序易于理解。 （4）系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易。 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計周期大大縮短，同時維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經過改變程序便可改變生產過程成為可能。 （5）體積小，重量輕，能耗低。 以超小型PLC為例，其新近產品的各種底部尺寸小于100mm2，質量小于150g，能耗僅數瓦。由于體積小，很容易嵌入機械內部，是實現機電一體化首選的理想控制器件。 1.3 PLC在國內外的發(fā)展狀況 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，它以順序控制為主，回路調節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時、計數、記憶和算術運算功能，既能進行開關量控制，又能進行模擬量控制，還具有通信功能。而新校園的建設要適應網絡時代的發(fā)展，應引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓字自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計算機網絡、安防、消防、閉路監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著科技的進步，人們對照明燈具節(jié)能和科學化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化領域的地位越來越重要。而在新校區(qū)的建設熱潮中，各大高校和他們的建設者也應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)，更能體現其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢，提高學校的科學管理水平。 針對節(jié)約電能、保護全球環(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。但是我國智能化照明技術的應用還不廣泛,大多數校園仍然使用傳統(tǒng)的照明控制方式。 因此完善校園路燈智能化監(jiān)控建設，進一步擴大監(jiān)控系統(tǒng)點位，自動實時監(jiān)控和遠程控制校園照明設施的開關燈，合理控制道路照明和景觀燈的運行和停止具有重要的現實意義?？梢灶A期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 隨著PLC應用領域日益擴大，PLC技術及其產品結構都在不斷改進，功能日益強大，性價比越來越高。 （1）、在產品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型PLC。以適應單機及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術完善的大型PLC方向發(fā)展。隨著復雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器與計算機技術的不斷發(fā)展，人們對PLC的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。 （2）、向通信網絡化發(fā)展 PLC網絡控制是當前控制系統(tǒng)和PLC技術發(fā)展的潮流。PLC與PLC之間的聯網通信、PLC與上位計算機的聯網通信已得到廣泛應用。目前，PLC制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強PLC的聯網能力。各PLC制造商之間也在協商指定通用的通信標準，以構成更大的網絡系統(tǒng)。PLC已成為集散控制系統(tǒng)（DCS）不可缺少的組成部分。 （3）、向模塊化、智能化發(fā)展 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近年來，PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應用不僅增強了功能，擴展了PLC的應用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。 （4）、編程語言和編程工具的多樣化和標準化 多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC軟件進步的一種趨勢。 PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協議)靠攏，使PLC的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協議、編程語言和編程工具等方面的技術規(guī)范化和標準化。 1.4 本照明系統(tǒng)的特點 （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)借助各種不同的預設置控制方式和控制元件，對不同時間不同環(huán)境的光照度進行精確設置和合理管理，實現節(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)的運行費用，管理維護也變得簡單了。 （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)，都能提高照明質量。 （4）實現多種照明效果 多種照明控制方式，可以使同一建筑物具備多種藝 術效果，為建筑增色不少?，F代建筑物中，照明不單純地為滿足人們視覺上的明暗效果，更應具備多種的控制方案，使建筑物更加生動，藝術性更強，給人豐富的視覺效果和美感。以某工程為例，建筑物內的展廳、報告廳、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系統(tǒng)，按其不同時間、不同用途、不同的效果，采用相應的預設置場景進行控制，可以達到豐富的藝術效果。 第二章 智能照明控制系統(tǒng)總體方案論證 2.1 智能照明控制系統(tǒng)設計的主要內容及基本要求 2.1.1 主要內容 本設計采用S7-200控制器控制照明系統(tǒng)，根據校園照明系統(tǒng)的工作特點,采用PLC實現對照明系統(tǒng)的控制，總體設計主要包括硬件線路的設計和軟件的設計。硬件線路設計主要包括線路圖設計和排線布線設計。軟件設計根據控制的要求，對事道路、宿舍、公共綠地、景觀燈等進行I/0分配，同時編制了系統(tǒng)梯形圖控制程序，最后進行仿真與調試，達到校園照明系統(tǒng)的要求。 2.1.2 基本要求 1.學生是一個特殊群體，活動的時間性、規(guī)律性非常突出，因此對道路和其他公共照明實行智能分時控制。 2.寒暑假期間景觀燈手動控制，根據需要臨時或少量開啟；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時段全開,第3時段全熄的控制方式。 4.為了保證PLC事故情況下的道路照明，在設計時考慮手動和自動兩種工作制，手動時可以人為開啟或關閉任何一路照明。 5.在設計時考慮夏、秋時制和冬、春時制的識別 2.2 智能照明控制系統(tǒng)設計的具體要求 1.節(jié)能 據專業(yè)資料統(tǒng)計，智能建筑的照明用電占整個校園用電的85%左右。其實在大多數情況下很多區(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造成能源浪費。在當今能源緊張、國家大力倡導節(jié)能的形勢下，使用智能照明管理系統(tǒng)最大程度地節(jié)能具有非常實際的意義。校園照明回路數量較多，容量較大，如何在保證所需照度的前提下，綜合運用多種控制手段，減少不必要的電能浪費，是個極其重要的問題。 2.高效管理 如何提高運行的穩(wěn)定性和可靠性，使控制和操作更加簡單、方便、靈活，使管理更加自動化、高效化，減少大量簡單重復的勞動，是我們在設計時考慮的重點。我們根據不同區(qū)域的特點進行設計，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轉換成了智能化管理，不僅使管理者能將其高素質的管理意識運用于照明控制系統(tǒng)中去，而且將大大減少照明系統(tǒng)的運行維護費用，并帶來較大的投資回報。 3.人性化 使用智能照明管理系統(tǒng)，不僅要實現基本的燈光控制，還應通過場景、自動控制等手段，努力提高照明環(huán)境的品質，使人們在一個舒適溫馨、高品質的光環(huán)境中愉快高效地工作和學習，真正做到“科技以人為本”。 2.3 智能照明控制系統(tǒng)的結構和組成 一般智能照明控制系統(tǒng)都為數字式照明管理系統(tǒng)，它由系統(tǒng)單元，輸入單元和輸出單元三部分組成。除電源設備外，每一單元設置唯一的單元地址，并用軟件設定其功能。 通過輸出單元來控制各負載回路，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)域實施相同的控制和信號采樣的網絡，子系統(tǒng)則 對各分區(qū)實施不同具體控制的網絡。主系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間通過信息等元件連接，實現數據傳輸。 2.輸入單元：用于將外部控制信號變換成控制系統(tǒng)上傳輸的信號，如可編程 的多功能(開/關、調光、定時、軟啟動/軟關斷等)輸入開關、紅外線接收開關及紅外線遙控器(實現燈光調光或開/關功能)。各種型式及多功能的控制板，可進行多點控制、時序控制等，調整照明，以達到使周圍環(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， 控制相應回路的輸出以實現實時控制。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，智能控制柜內裝有可編程控制器的有關自動及手動控制開關，空中燈具開/關狀態(tài)，手動控制開關可在異常情況下采取處理措施。 2.4 智能照明控制系統(tǒng)設計的基本步驟 第一步 編制照明回路負載清單，核對照明回路中的燈具和光源性質，進行整理。 (1)每條照明回路上的光源應當是同一類型的光源，不要將不同類型的光源如白熾燈，日光燈，景觀燈混在一個回路內。 (2)分清照明回路性質是普通供電還是節(jié)能供電。 (3)每條照明回路的最大負載功率應符合開關控制器允許的額定負載容量，不應超過額定負載容量運行。 (4)根據燈光設計師對照明場景的要求，對照明回路劃分進行審核，如不符合照明場景所要求的回路劃分?？勺餍┻m當回路調整，使照明回路的劃分能適應燈光場景效果的需要，能達到燈光與室內裝璜在空間層次，光照效果和視覺表現力上的親密融合，從而使各路燈光組合構成一個優(yōu)美的照明藝術環(huán)境。 第二步 根據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滿足操作者對控制的要求，控制系統(tǒng)一般有以下幾種控制輸入方式： (1)采用時間管理器控制方式，根據不同時間自動控制。 (2)采用按鍵式手動控制面板，隨時對照明進行調節(jié)控制。 (3)采用電腦集中進行控制。 (4)采用PLC實時時鐘進行不同時段分時控制。 第三步 選擇附件及集成方式。 控制系統(tǒng)如需與其它相關智能系統(tǒng)集成，可選用相應的附件。 第四步 施工圖紙設計及設備配置清單編制。 (1)施工圖紙設計，該部分內容可見智能照明系統(tǒng)電氣設計相關教程。 (2)編制系統(tǒng)配置清單，如系統(tǒng)中各產品型號、數量、使用區(qū)域、備注等相關性。 第三章 智能照明控制系統(tǒng)的硬件設計 3.1線路結構的設計 3.1.1 控制線路設計 燈具布置方案 學校的道路是以步行者為多，人員比較密集，當然也有少量車輛通過，可以說是人車混合的道路。在設計時采用高于一般居住區(qū)而低于商業(yè)區(qū)的標準。為了便于分時控制，在燈具布置時采用雙側交錯布置，桿距定為25m，較標準桿距略小，有利于分時控制時減少燈光死角。 路燈采用雙側交錯布置，每一側的路燈由2個單獨的控制回路進行間隔控制，如：1#回路控制左側的單編號燈具，2#回路控制同一側的雙編號燈具。3#、4#回路則分別控制右側的單、雙編號燈具。當進入第2時段后，每側關閉1個回路，也就是1/2的燈具熄滅，由于燈的桿距不是很大，且學校道路不是很寬，燈光可以全覆蓋，滿足最低照明需求即可。當進入第3時段時，4個回路中3個回路分斷，也就是只有1/4的燈具點亮，對于學校內部道路而言，完全可以滿足要求。 由于燈具容量較大，采用了兩級母線供電方式，每段小母線為一部分路燈供電。采用兩級母線制比較靈活，同時也降低了母線和開關的容量，便于安裝和維護。每個回路由一個接觸器控制，接觸器的動作受控于PLC的程序。圖中僅畫出了1條道路1個景觀區(qū)域和1個公共綠地的供電系統(tǒng)圖。供電系統(tǒng)示意圖，如圖3-1所示： 圖3-1 供電系統(tǒng)示意圖 3.1.2 控制器的選型 在校園智能照明系統(tǒng)中由人工和自動兩種控制方式，人工控制需要能夠關合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流的開關裝置即斷路器。自動控制因學校照明電路多總功率較大，因此自動控制開關器件選用接觸器。目前PLC的輸出有2種型號：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，尤其是頻繁動作的回路中，故此在設計過程中增加中間繼電器來實現。 本設計所選用的斷路器用照明保護用，選用DZ47-63小型斷路器DZ47-63/3 C型DZ47-63高分斷小型斷路器是一種具有過載與短路保護的限流型斷路器，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，亦可在正常情況下作線路的不頻繁通斷轉換之用。該斷路器外型美觀，體積小，重量輕，分斷能力高，脫扣迅速，導軌安裝，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生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。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)運行的設備。接觸器按67～75%算，即100A的交流接觸器，只能控制最大額定電流是67～75A以下的設備。 （2）間斷運行的設備。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以下的設備。 （3）反復短時工作的設備。接觸器按116～120%算，即100A的交流接觸器，只能控制最大額定電流是116～120A以下的設備。 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、動鐵芯、彈簧、動觸點、靜觸點、線圈、接線端子和外殼組成。線圈通電，動鐵芯在電磁力作用下動作吸合，帶動動觸點動作，使常閉觸點分開，常開觸點閉合；線圈斷電，動鐵芯在彈簧的作用下帶動動觸點復位。JZ-21H、22H系列斷電延時中間繼電器(以下簡稱繼電器),用于交、直流操作的各種保護或自動控制回路中。JZ-2IH為單路延時繼電器，JZ-22H為雙路延時繼電器。 3.2 PLC的設計 3.2.1 PLC在控制系統(tǒng)中的要求 1．用PLC進行照明控制系統(tǒng)改造時遵循原則 （1） 完備性:包括了常規(guī)的照明系統(tǒng)的全部功能，同時還考慮了校園綜合 自動化改造后對照明系統(tǒng)信息量、信息格式的要求。 （2） 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 自動和和人工兩種控制方式，使照明系統(tǒng)在發(fā)生故障時可以靈活控制照明系統(tǒng)。 （3） 適應性:系統(tǒng)脈沖起動電流可調，以適應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。 2.PLC控制的優(yōu)點 （1） 前后向通道簡單。前向通道除脈沖形成回路稍許復雜外，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。 （2） 抗干擾性能好。除PLC的I/O本身進行隔離外，對前向通道又進行 隔離，有效地抑制了共模干擾。同時系統(tǒng)的功能全部由PLC按照預定的程序完成，避免了由于某個繼電器損壞造成的誤動或拒動。 （3） 靈敏度高，過載能力強。PLC控制照明系統(tǒng)的脈沖形成和響應在物理 上是獨立的，能夠做到具有很高的靈敏度和承受較大的過負荷能力。 （4） 維護簡單。PLC程序采用繼電保護人員熟悉的梯形圖編制，直觀明了。 可直接利用PLC編程器對自動復歸時間等定值進行修改。同時由于PLC的高可靠性，基本上可做到免維護。 3.2.2 PLC選型 在PLC日益成為工廠自動化基本技術平臺的時代，如何選用一部適用的PLC以達到真正需要，而又能符合經濟效益，是一個重要問題。PLC本身的特點是：體積小、功能高、性能強、操作簡便、程序設計簡易、模塊擴充有彈性、聯機容易等。針對上述說明，選擇符合功能需求與經濟效益的PLC是十分必要的。 一般選擇機型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇可以從以下幾個方面來考慮： (1)對輸入/輸出點數的選擇 要先弄清楚控制系統(tǒng)的I/O總點數，再按實際所需總點數的15～20%留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需PLC的點數。 (2)對存儲容量的選擇 PLC存儲器容量的估算方法：對于僅有開關量輸入/輸出信號的電氣控制系統(tǒng)，將所需的輸入與輸出點數之和乘以8，就是所需PLC存儲器的存儲容量（單位為bit）。 (3)對I/O響應時間的選擇 PLC的I/O響應時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間延遲（一般在2～3個掃描周期）等。對開關量控制的系統(tǒng)，PLC的I/O響應時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮I/O響應問題。但對模擬量控制的系統(tǒng)，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)就要考慮這個問題。 (4)根據是否聯網通信選型 若PLC控制的系統(tǒng)需要聯入校園自動化網絡，則PLC需要有通信聯網功能，即要求PLC應具有連接其他PLC、上位計算機及CRT等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。 (5)對PLC結構形式的選擇 在相同功能和相同I/O點數的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點，要按實際需要選擇PLC的結構形式。 目前，PLC產品大致可分為美國、歐洲國家、日本三大主流。經過反復比較及對系統(tǒng)控制規(guī)模和控制要求的分析，選用了目前較流行的、有較高性價比的西門子S7-200系列小型PLC。該型號的PLC指令豐富、功能強大，其占有率在國內市場正處于上升趨勢。而且該機型的指令及編程運作與計算機通用編程語言更加接近，易學易懂。 3.2.3 S7-200系列PLC S7-200系列PLC是德國西門子公司生產的一種小型PLC。其許多功能能夠達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣，因此，它一經推出，即受到了廣泛關注。它可以單機運行，也可以進行輸入/輸出和功能模塊的擴展。其價格低廉、結構小巧、可靠性高、運行速度快，繼承和發(fā)展了它在大、中型PLC領域的技術優(yōu)勢，有極豐富的指令集，具有強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)中的應用得到迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領域是較為理想的控制設備。 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。本課題設計使用CPU224，本機集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，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通訊協議、MPI通訊協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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復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PLC編程、調試、監(jiān)控，使得PLC的編程更加方便、快捷。可以說，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 本設計對象為校園智能照明系統(tǒng)，首先對校園照明系統(tǒng)所有設備進行分類統(tǒng)計，道路信號輸出4個，分別為左側單數燈、左側雙數燈、右側單數燈、右側雙數燈；公共綠地信號輸出2個，景觀燈信號輸出2個。根據對分時控制信號和照明輸出信號分類統(tǒng)計，估計PLC輸入開關量個數，由此可知信號總個數為13個。 本設計以道路、公共綠地、景觀燈的控制為例，在工程實際或產品設計生產中，可根據實際需求進行擴展，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 輸入信號 實時時鐘輸入 I0.0 輸出信號 1#花壇 Q0.2 啟動開關 I0.1 2#花壇 停止開關 I0.2 3#花壇 Q0.3 冬春啟動開關 I0.3 4#花壇 夏秋啟動開關 I0.4 右側雙數燈 Q0.4 輸出信號 1#草坪 Q0.0 右側單數燈 Q0.5 2#草坪 左側單數燈 Q0.6 3#草坪 Q0.1 左側雙數燈 Q0.7 4#草坪 第四章 智能照明控制系統(tǒng)的軟件設計 4.1 程序流程 程序流程圖是程序分析中最基本、最重要的分析技術，它是進行流程程序分析過程中最基本的工具。流程程序圖運用工序圖示符號對生產現場的整個制造程序做詳細的記錄，以便對零部件、產品在整個制造程序中的操作、搬運、檢驗、儲存、等待作詳細的研究與分析，特別是用于分析其搬運距離和等待、儲存等“隱藏成本”的浪費。 程序流程圖是方法研究改進工作方法的有用工具。不論作業(yè)研究過程中運用何種技術，流程程序圖總是必經的一步，它是應用最普遍的一種工具。流程程序圖由操作、搬運、檢驗、儲存、等待五種符號構成。流程程序圖與工藝流程圖的結構極為相似，其差別僅為加入了“搬運”，“貯存”，“暫存”，三種符號，除記錄時間之外，再加上搬運距離。 本程序首先對時間進行冬春、夏秋時制判別，然后判別各個時段從而進行輸出。本設計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4-1所示。 圖4-1 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準工具。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計開發(fā)的。它功能強大，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提供了標準的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 1.STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件，它的主界面窗口組件如圖4-2所示。 圖4-2 STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件主界面窗口 2.STEP7項目包括下列基本組件： （1）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。 (2) 數據塊:由數據（變量存儲器的初始值）和注釋組成。 (3) 系統(tǒng)塊:用來設置系統(tǒng)的參數，例如存儲器的斷電保持范圍、PLC的輸出狀態(tài)、模擬量與數字量輸入濾波值等。 (4) 符號表:允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便于記憶， 使程序更容易理解。 （5）狀態(tài)表:用來觀察程序執(zhí)行時指定的內部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到PLC，僅僅是監(jiān)控用戶程序運行情況的一種工具。 4.2.2 梯形圖的編寫 （1）打開項目 執(zhí)行“文件”→“新建”命令，可以新建一個項目?？梢员４鏋閿U展名為“.mwp”的新建項目?；驁?zhí)行“文件"打開"命令"可以打開項目。 （2）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IF4、F6、F9鍵進行操作。 （3）創(chuàng)建邏輯網絡 用梯形圖編寫的程序就是將組件排列成邏輯網絡?？梢酝ㄟ^工具欄或者右鍵快捷菜單進行程序編輯，形成程序網絡。 （4）輸入地址 在梯形圖輸入指令時，參數最初是由“？？？”顯示的，表示參數未賦值，可以用絕對值或者符號標明程序中的指令操作數。絕對引用是指使用內存區(qū)的位或者字節(jié)位置標識地址，符號引用則是指使用數字、字母的字符組成標識地址。如果有未賦值的參數，程序將不能正常編譯。 （5）編譯與保存 編譯可以通過工具欄按鈕或者PLC菜單進行?？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）、數據塊、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。編譯結束后，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”進行保存。 4.2.3 時鐘設置及讀寫 （1）實時時鐘 S7-200的硬件實時時鐘可以提供年、月、時、分、秒的日期/時間數據。 CPU221、CPU222沒有內置的實時時鐘，需要外插“時鐘/電池卡”才能獲得此功能。CPU224、CPU226和CPU226 XM都有內置的實時時鐘。 S7-200的時鐘精度典型值是2分鐘/月（25°C），最大誤差7分鐘/月（0～55°C）。 為了提高運算效率，應當避免每個程序周期都讀取實時時鐘。實際上可讀取的最小時間單位是1秒，可每秒讀取一次（使用SM0.5上升沿觸發(fā)讀取指令）。 使用程序讀取的實時時鐘數據為BCD格式，可在狀態(tài)圖中使用十六進制格式查看。 CPU靠內置超級電容（＋外插電池卡）在失去供電后為實時時鐘提供電源緩沖；緩沖電源放電完畢后，再次上電后時鐘將停止在缺省值，并不開始走動。 要設置日期、時間值，使之開始走動，可以： 用編程軟件（Micro/WIN）的菜單命令PLC > Time of Day Clock...，通過與CPU的在線連接設置，完成后時鐘開始走動 編用戶程序使用Set_RTC（設置時鐘）指令設置 Micro/WIN可以通過任何編程連接實現實時時鐘的設置。 （2）用Micro/WIN設置時鐘 通過編程軟件Micro/WIN設置CPU的時鐘，必須先建立編程通信連接。 在Micro/WIN菜單中選擇“PLC>實時時鐘”命令，打開“PLC時鐘操作”對話框（如圖4-3）： 圖4-3 PLC 實時時鐘設置界面 圖中參數設置如下： 要設置時鐘的CPU網絡地址，取決于在“通信”界面中的選擇。 設置日期：選擇需要修改的數據字段，直接輸入數字，或者使用輸入框右側的上下按鈕調整。 設置時間：選擇需要修改的數據字段，直接輸入數字，或者使用輸入框右側的上下按鈕調整。 讀取PC時鐘：按此按鈕可以讀取安裝Micro/WIN的PC機的本機時間。 讀取PLC時鐘：按此按鈕讀取PLC內部的實時時鐘數據。 根據需要選擇夏時制調整選項。 按“設置”按鈕，將上面的時鐘日期數據寫入PLC。 時鐘讀寫指令緩沖區(qū)格式 Read_RTC（讀時鐘）和Set_RTC（設置時鐘）指令靠數據緩沖區(qū)在用戶程序與硬件芯片間交換數據，它們的緩沖區(qū)格式相同。時鐘緩沖區(qū)如表2所示。 表2 時鐘緩沖區(qū) 地址偏移 T T+1 T+2 T+3 T+4 T+5 T+6 T+7 數據內容 年 月 日 小時 分鐘 秒 0 星期 數值范圍BCD (16進制) 00-99 01-12 01-31 00-23 00-59 00-59 0 0-7* * 1 = 星期日，7 = 星期六，0 = 表示禁止計星期 T 就是緩沖區(qū)的起始字節(jié)地址，可以由用戶自由設置（在CPU允許的V存儲區(qū)范圍內）。如果設置T為VB100，那么讀取時鐘后，“年”的信息就會保存在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雜，但經由PLC控制后，程序簡單可行，這樣即滿足了任務要求，又能保證其穩(wěn)定運行。 4.3.1 分時控制方案 在設計前，對大學生的活動規(guī)律、道路照明的亮度進行了統(tǒng)計和測量，掌握了一手資料。大部分學生在21點鐘之前回到寢室，21點至23點之間只有少量學生在室外活動，23點鐘之后基本上沒有學生活動，學校進入安靜狀態(tài)。根據這個特點把控制分為3個時段：第1個時段為21點之前，所有燈具全部開啟；第2時段為21點至23點，活動人員較少，可以關閉1/2的燈具；而到23點之后為第3時段，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，設計時還考慮了季節(jié)的因素：夏季夜短晝長，開燈晚，熄燈早；冬季則相對開燈較早，熄燈則相對較晚。景觀和公共綠地照明采用第1、第2時段全開，第3時段全熄的控制方式，控制簡單易行，節(jié)能效果顯著。 節(jié)假日多也是學校的特點之一，寒暑假加在一起有3個月左右。制定的控制方案是：寒暑假期間景觀燈手動控制，根據需要臨時或少量開啟；而路燈每天只開啟1/4，滿足最低照明要求。 4.3.2 分時智能控制程序編制 正如前面所述，每天的照明控制分3個時段，為了最大限度地節(jié)約能源，在具體編制程序時還考慮了不同季節(jié)的因素，一般在冬、春季，天黑得較早，18點左右自然光線就很弱了，而在夏天陽光可以維持到19點左右。因此，把一年四季分為2個區(qū)間，在設計時考慮了夏、秋時制和冬、春時制的識別，使節(jié)能效果更加明顯。 4.3.3 三時段控制程序 在編制時段程序時，用了數據比較功能指令，相對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、秋時制，它的3個時段劃分為：19點至21點、2l點至23點、23點至凌晨5點。把11月1日至來年4月30日定義為冬、春時制，它的3個時段劃分為：18點至21點、21點到23點、23點至凌晨6點。道路照明的PLC程序就是要實現這些不同季節(jié)的時段控制要求。在此需要說明的是，根據學校供電質量好、少停電的特點，下面的程序中沒有編制時間自動校正程序，因此，第1次投入運行的時必須同步時鐘或修正時鐘，之后就會自動控制照明，不需要人工干預。 圖中I0.0為啟動開關的信號，當選擇到自動工作制時，I0.0就處于使能狀態(tài)，使PLC投入程序運行，I0.0閉合以后，自動控制程序啟動。M2.0是不同時制的識別控制輸出信號，當M2.0為高電平時程序進人夏、秋時制工作狀態(tài)，M2.0為低電平時程序進入冬、春季節(jié)的工作狀態(tài)。Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7分別控制道路兩側的燈具。從程序中可以看出：第1時段Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7全部為“1”，燈具全部點亮；第2時段Q0.4,Q0.6被復位為“0”，道路的兩側各有1/2燈具點亮；第3時段就只有Q0.5控制的回路工作了。 4.3.4 季節(jié)自動選擇程序 為了最大限度地節(jié)能，不同季節(jié)亮燈的時間有所不同，季節(jié)選擇程序主要是為夏、秋季和冬、春季節(jié)的不同時段控制而設置的。PLC有日期設定與識別功能，利用它可以完成季節(jié)的轉換控制，實現不同季節(jié)的不同時段控制方案。程序中的M100是控制季節(jié)程序轉換的信號，當M100使能時程序進入冬、春季控制，反之，程序為夏、秋時制控制方式。需要說明的是，該程序是根據校園所在地區(qū)的情況設計的，夏、秋時制的時間定為每年的5月1日0點至10月30日的24點，不同地區(qū)應適當調整。該程序是按2012年投入運行而編制的，在今后的運行中，每年必須對日期的設定調試一次，以保證運行無誤。季節(jié)控制程序如圖4-4所示。 圖4-4 季節(jié)控制程序 4.4 編寫梯形圖程序 第五章 控制程序的調試 5.1 程序調試 1.調試條件 （1）選擇合適的CPU外電路，根據信號系統(tǒng)要求以及I/O資源配置進行模擬連接，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； （2）使用STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件進行編程； 2.程序調試步驟 （1）打開STEP7-Micro/WINV4.0軟件； （2）在命令菜單中選擇Debug > Program Edit in RUN； （3）把以設計好的系統(tǒng)程序語句在RUN模式下輸入； （4）輸入程序有誤，系統(tǒng)提示不能運行； （5）修改有誤程序，繼續(xù)輸入程序直到系統(tǒng)檢測無誤為止； （6）退出RUN模式在命令菜單中選擇Debug > Program Edit in RUN，然后點擊取消復選標志。 總 結 本設計以PLC為核心，通過對照明控制系統(tǒng)的詳細分析，完成了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，實現了“集中手動、自動復歸、重復動作”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仿真軟件對程序進行了調試與仿真，將PLC控制和照明控制系統(tǒng)進行了很好的連接。 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。智能照明控制系統(tǒng)廣泛應用在學校照明中，大大提高了學校照明電力的管理水平，為學校節(jié)省了大量的電費支出，同時，也為學校師生提供了更舒適、明亮和高效的學習和工作環(huán)境。采用智能控制后，燈具的壽命可延長2～3倍，節(jié)省直接投資至少在10萬元以上。該系統(tǒng)設計、施工方便，可為學?；蚱渌聵I(yè)單位技術改造和新建項目提供借鑒。 參 考 文 獻 [1] 中華人民共和國建設部．CJJ45-2006道路照明設計標準[S]．南京：江蘇人民出版社，2007：7-12． [2] 北京照明學會．照明設計手冊[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)能設計中的應用[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)設計[J]．工程設計學報，2010 [5] 史國生．電氣控制與可編程控制技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2008：222-226． [6] 周國華．可編程控制器原理及應用[M]．北京：中國電力出版社，2009：30-56． [7] 俞麗華．電氣照明[M]．上海：同濟大學出版社，2001．75 [8] 周萬珍.高鴻斌．PLC分析與設計應用[M]．電子工業(yè)出版社，2004.65-78 [9] 廖常初.PLC編程及應用（第3版）[M]．機械工業(yè)出版社，2008.58-63 [10] 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