基于PLC的校园照明智能控制系统设计

1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 胡 金 召 指导教师： 卢 峥 完成日期 2012 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 基于 plc 的校园照明智能控制系统设计 intelligent control of campus lighting based on programmable logical controller 总 计： 27 页 表 格： 2 个 插 图： 15 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于 plc 的校园照明智能控

2、制系统设计 intelligent control of campus lighting based on programmable logical controller 学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 胡 金 召 学 号： 104091120032 指 导 教 师（职称）： 卢峥 （讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 nan yang institute of technology 基于 plc 的校园照明智能控制系统设计 电气工程及其自动化胡金召 摘 要目前，大多数校园照明系统仍然使用人工控制，其缺点是控制复杂、修

3、理困难、容易发生误动作。针对这种情况，本设计使用西门子 s7-200plc 代替传统的 人工控制校园照明系统。采用了 plc 智能控制，系统稳定可靠，完全满足学校的照明 要求，校园照明系统主要有道路控制输出信号、景观灯输出信号、公共绿地输出信号， 根据 plc 控制原理对其进行 i/0 分配和绘制照明系统流程图及编写校园照明智能控制 系统梯形图控制程序。最后经过模拟仿真运行，能够实现当设备发生故障或出现某些 不正常运行情况时，由自动控制变换人工控制，在排除故障后再次实现自动控制满足 照明智能控制系统的要求。 关键词照明系统；西门子 s7-200；输出信号；智能控制 intelligent co

4、ntrol of campus lighting based on programmable logical controller electrical engineering and automation specialtyhu jin-zhao 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, diffi

5、cult 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 sy

6、stem 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 s

7、ystem 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 requiremen

8、ts of the system of the intelligent control. key words: the illumination system; siemens s7-200; the output signal; intelligent control 目 录 1 引 言 .3 1.1 选题背景和意义 .3 1.2 plc 在国内外的发展状况 .2 1.3 设计的主要内容及技术要求 .2 1.3.1 主要内容.2 1.3.2 具体技术要求.2 2 智能照明控制系统总体方案设计 .3 2.1 照明系统的功能需求分析 .3 2.2 系统设计的基本步骤及功能组成 .3 2.2.1

9、智能照明控制系统设计过程简述.3 2.2.2 智能照明控制系统设计基本步骤和方法.4 2.2.3 智能照明控制系统设计的功能组成.4 3 硬件设计 .5 3.1 线路结构设计 .5 3.1.1 控制线路设计.5 3.1.2 控制器件的选型.6 3.2 plc 的设计 .7 3.2.1 plc 在控制系统中的要求 .7 3.2.2 plc 选型 .8 3.2.3 s7-200 系列 plc.9 3.2.4 i/o 地址分配 .9 4.软件设计 .10 4.1 程序流程 .10 4.2 step7-micro/win v4.0 编程软件 .11 4.2.1 step7-micro/win v4.0

10、 编程软件主界面及基本组成 .12 4.2.2 梯形图的编写.12 4.2.3 时钟设置及读写.13 4.3 系统的控制程序 .15 4.3.1 分时控制方案.15 4.3.2 分时智能控制程序编制.15 4.3.3 三时段控制程序.15 4.3.4 季节自动选择程序.16 5 控制程序的调试与仿真 .16 5.1 程序调试 .16 5.2 系统仿真 .17 结束语 .21 参考文献 .22 附录 .23 致谢 .28 1 引 言 1.1 选题背景和意义 随着工业化高速发展，能源问题成为人们关注的焦点，因为能源的消耗除了其直 接的经济损失外，还会带来碳排放量的增加，恶化环境，所以节约能源一直是

11、生活、 生产中的一个主题。提到节能人们往往忽视了照明用电，因为它单体容量较小，安装 比较分散，所以，看起来无关紧要，其实照明用具数量最多，分布最广，随着城市的 扩张和道路的延伸，无论是单体容量还是总容量都在大幅增加，美化环境的长明灯更 是越来越耀眼。现在很多大学都坐落在郊区，建筑容积率较低，因此，诸如道路、广 场、景观等公共照明占的比重相当高，且路灯和景观灯的单体容量大，工作时间长， 绝对是学校能源消耗的主体。要说学校节能，只要把这些公共照明控制得当即可。 校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼字自控系 统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路监控等子系

12、统。但近 年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得 照明控制在智能化领域的地位越来越重要1。在新校区的建设热潮中，各大高校和他 们的建设者也应意识到智能照明的重要性。相对商业楼字而言，校园里的大功率动力 和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多。使用照明控制系统，更能体现其在 节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平。而可编程控制器（programmable logical controller，简称 plc）作为自动控制的重要组成部分，已成为大多数自动 化系统的设备基础。可编程控制器是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、自 动控制技术、通信技术和继

13、电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有编程 容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，其功能越来 越强大，应用范围越来越广阔，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交 通、食品、环保、轻工、建材等工业部门都有广泛应用。它不但可以很容易地完成顺 序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通 过输入/输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现对系统过程 的自动控制。而校园具有现代化气息，道路宽且长，绿地和景观用地也有相当的比例。 在进行道路和景观绿地照明设计时，在节能和延长光源寿命方面取得了明显的效果。 本设计研究项目

14、属于采用西门子 s7-200plc 代替传统的人工控制照明系统，在校 园智能照明系统中装置 plc，可以达到线路简单、易于安装、便于维护、编程简单、 工作可靠、抗干扰能力强，实现对照明系统的综合自动化控制2。 1.2 plc 在国内外的发展状况 可编程控制器是六十年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机， 它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算 功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。而新校园的建 设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼字自控系统中，一般只 包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路监控等子

15、系统。但近年来，随着科 技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智 能化领域的地位越来越重要。而在新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也 应意识到智能照明的重要性。相对商业楼字而言，校园里的大功率动力和制冷设备比 重较少，照明灯具则相对比重更多3。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理 方面的优势，提高学校的科学管理水平。 针对节约电能、保护全球环境的可持续发展的要求，美国环保署于1991年1月提出 “绿色照明”概念，引起了其他国家的重视。我国也于1993年11月启动“中国绿色照 明工程”，并于1996年正式列入国家计划4。但是我国智能化照明技术的应用还

16、不广 泛,大多数校园仍然使用传统的照明控制方式。 因此完善校园路灯智能化监控建设， 进一步扩大监控系统点位，自动实时监控和远程控制校园照明设施的开关灯，合理控 制道路照明和景观灯的运行和停止具有重要的现实意义。可以预期，随着我国现代化 进程的深入，plc在我国将有更广阔的应用天地。 1.3 设计的主要内容及技术要求 1.3.1 主要内容 本设计采用 s7-200 控制器控制照明系统，根据校园照明系统的工作特点,采用 plc 实现对照明系统的控制，总体设计主要包括硬件线路的设计和软件的设计。硬件线路 设计主要包括线路图设计和排线布线设计。软件设计根据控制的要求，对事道路、宿 舍、公共绿地、景观灯

17、等进行 i/0 分配，同时编制了系统梯形图控制程序，最后进行 仿真与调试，达到校园照明系统的要求。 1.3.2 具体技术要求 （1）学生是一个特殊群体，活动的时间性、规律性非常突出，因此对道路和其他 公共照明实行智能分时控制。 （2）寒暑假期间景观灯手动控制，根据需要临时或少量开启；而路灯每天只开启 1/4，满足最低照明要求。 （3）景观和公共绿地照明采用第1、第2时段全开,第3时段全熄的控制方式。 （4）为了保证plc事故情况下的道路照明，在设计时考虑手动和自动两种工作制， 手动时可以人为开启或关闭任何一路照明。 （5）在设计时考虑夏、秋时制和冬、春时制的识别。 2 智能照明控制系统总体方案

18、设计 智能照明控制系统由可编程控制器、中间继电器、各种照明灯和刀开关组成。通 过软件编程软件编写分时段程序控制校园道路、公共绿地和景观灯等照明设备，使各 照明设备在规定的时间工作。道路照明的主要作用是保证行人安全和方便，绿地和景 观照明主要是给人们营造温馨、和谐、美丽的环境。既要满足照明的主要功能，又要 尽量节约能源，只能是采用科学的管理和控制，使两者完美统一。 2.1 照明系统的功能需求分析 （1）节能 据专业资料统计，智能建筑的照明用电占整个校园用电的 85%左右。 其实在大多数情况下很多区域并不需要把灯全部打开或者开到最亮，过度的照明不仅 形成光污染还会造成能源浪费。在当今能源紧张、国家

19、大力倡导节能的形势下，使用 智能照明管理系统最大程度地节能具有非常实际的意义。校园照明回路数量较多，容 量较大，如何在保证所需照度的前提下，综合运用多种控制手段，减少不必要的电能 浪费，是个极其重要的问题。 （2）高效管理 如何提高运行的稳定性和可靠性，使控制和操作更加简单、方便、 灵活，使管理更加自动化、高效化，减少大量简单重复的劳动，是我们在设计时考虑 的重点。我们根据不同区域的特点进行设计，确保使用方便灵活，管理高效。智能照 明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使管理者能将其高素 质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少照明系统的运行维护费用， 并带来较大的

20、投资回报5。 （3）人性化 使用智能照明管理系统，不仅要实现基本的灯光控制，还应通过场 景、自动控制等手段，努力提高照明环境的品质，使人们在一个舒适温馨、高品质的 光环境中愉快高效地工作和学习，真正做到“科技以人为本” 。 2.2 系统设计的基本步骤及功能组成 2.2.1 智能照明控制系统设计过程简述 校园照明控制系统配置设计一般都在控制时间和照明电气部份设计之后进行的， 根据校园的照明要求结合电气设计图进行系统配置。首先根据校园道路、景观灯等照 明的分布情况，设计硬件线路；其次依据照明灯具的大小、数量计算出总的电压、电 流等电气参数，通过计算出的参数进行电器元件的选型；再此就是软件编程，根据

21、设 计要求编写软件程序；最后通过仿真调试不断修改设计，直至满足校园照明智能控制 要求。在实际设计过程中，也可依据实际情况对设计方案进行修改。 2.2.2 智能照明控制系统设计基本步骤和方法 第一步 编制照明回路负载清单，核对照明回路中的灯具和光源性质，进行整理6。 (1)每条照明回路上的光源应当是同一类型的光源，不要将不同类型的光源如白炽 灯，日光灯，景观灯混在一个回路内。 (2)分清照明回路性质是普通供电还是节能供电。 (3)每条照明回路的最大负载功率应符合开关控制器允许的额定负载容量，不应超 过额定负载容量运行。 (4)根据灯光设计师对照明场景的要求，对照明回路划分进行审核，如不符合照明

22、场景所要求的回路划分。可作些适当回路调整，使照明回路的划分能适应灯光场景效 果的需要，能达到灯光与室内装璜在空间层次，光照效果和视觉表现力上的亲密融合， 从而使各路灯光组合构成一个优美的照明艺术环境。 第二步 根据照明控制要求选择控制面板和其它控制部件 控制面板是控制照明系统的主要部件，也是操作者直接操作使用的界面，选择不 同功能的控制面板应满足操作者对控制的要求7，控制系统一般有以下几种控制输入 方式： (1)采用时间管理器控制方式，根据不同时间自动控制。 (2)采用按键式手动控制面板，随时对照明进行调节控制。 (3)采用电脑集中进行控制。 (4)采用 plc 实时时钟进行不同时段分时控制。

23、 第三步 选择附件及集成方式 控制系统如需与其它相关智能系统集成，可选用相应的附件。 第四步 施工图纸设计及设备配置清单编制 (1)施工图纸设计，该部分内容可见智能照明系统电气设计相关教程。 (2)编制系统配置清单，如系统中各产品型号、数量、使用区域、备注等相关信息。 2.2.3 智能照明控制系统设计的功能组成 （1）智能照明控制系统的结构和组成 一般智能照明控制系统都为数字式照明管理系统，它由系统单元，输入单元和输 出单元三部分组成。除电源设备外，每一单元设置唯一的单元地址，并用软件设定其 功能。 通过输出单元来控制各负载回路，各种形式的单元简述如下： 系统单元：主系统对各区域实施相同的控制

24、和信号采样的网络，子系统则 对各分区实施不同具体控制的网络。主系统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

25、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

26、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 3.1 线路结构设计 3.1.1 控制线路设计 灯具布置方案 学校的道路是以步

27、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。3#、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

28、断，也就是只有1/4的灯具点亮， 对于学校内部道路而言，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 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 观 灯

29、 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 3.1.2 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

30、路器用照明保护用，选用 dz47-63 小型断路器 dz47-63/3 c 型 dz47-63 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

31、 和真空式两种。 交流接触器的选择： （1）持续运行的设备。接触器按 6775%算，即 100a 的交流接触器，只能控制最 大额定电流是 6775a 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 116120%算，即 100a 的交流接触器，只能 控制最大额定电流是 116120a 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

32、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。jz-21h、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。jz-2ih 为 单路延时继电器，jz-22h 为双路延时继电器。 3.2 plc 的设计 3.2.1 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

33、，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

34、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。 3.2.2 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

35、。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 1520%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 23 个扫描周期）等。对开关量控制的系统，plc 的 i/o 响应时

36、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

37、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 s7-200 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。 3.2.3 s7-200 系列 plc s7-200 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、可靠性

38、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。 s7-200 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 s7-200 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

39、 路数字量 i/o 点或 35 路模拟量 i/o 点。 13k 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30khz 高速计数器，2 路独立的 20khz 高速 脉冲输出，具有 pid 控制器。2 个 rs485 通讯/编程口，具有 ppi 通讯协议、mpi 通讯 协议和自由方式通讯能力。i/o 端子排可容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统， 具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集 成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。 s7-200 的 step7-micro/win v4.0 编程软件可以方便地在 windows 环境下对 plc 编 程、调

40、试、监控，使得 plc 的编程更加方便、快捷。可以说，s7-200 可以满足各种小 规模控制系统的要求。 3.2.4 i/o 地址分配 本设计对象为校园智能照明系统，首先对校园照明系统所有设备进行分类统计， 道路信号输出 4 个，分别为左侧单数灯、左侧双数灯、右侧单数灯、右侧双数灯；公 共绿地信号输出 2 个，景观灯信号输出 2 个。根据对分时控制信号和照明输出信号分 类统计，估计 plc 输入开关量个数，由此可知信号总个数为 13 个。 本设计以道路、公共绿地、景观灯的控制为例，在工程实际或产品设计生产中， 可根据实际需求进行扩展，其梯形图程序的修改非常方便。i/o 地址输入/输出分配如 表

41、 1 所示。 表 1 i/o 地址输入/输出分配表 分类名称地 址分类名称地 址 实时时钟输入 i0.0 1#花坛 启动开关 i0.1 2#花坛 q0.2 输入信号 停止开关 i0.2 输出信号 3#花坛 q0.3 冬春启动开关 i0.3 4#花坛 夏秋启动开关 i0.4 右侧双数灯 q0.4 1#草坪右侧单数灯 q0.5 2#草坪 q0.0 左侧单数灯 q0.6 3#草坪左侧双数灯 q0.7 输出信号 4#草坪 q0.1 4.软件设计 4.1 程序流程 程序首先对时间进行冬春、夏秋时制判别，然后判别各个时段从而进行输出。本 设计输出为继电器形式输出即高低电平的输出。通过程序判断输出高低电平，

42、控制照 明灯具。 校园照明控制程序流程图如图 2 所示。 开始 时制判别 冬、春 时段判别 第一 时段 所有 灯具 全部 开放 第二 时段 关闭 一半 灯具 第三时段 公共绿地 景观灯全 熄道路灯 开启1/4 夏、秋 时段判别 第一 时段 所有 灯具 全部 开放 第二 时段 关闭 一半 灯具 第三时段 公共绿地 景观灯全 熄道路灯 开启1/4 执行程序 结束 否 是 图 2 控制系统流程图 4.2 step7-micro/win v4.0 编程软件 s7-200 可编程控制器使用 step7-micro/win v4.0 编程软件进行编程。 simatic 工业软件 step7 是用于西门子

43、s7、m7、c7 系列可编程控制器的标准工具。 step7-micro/win v4.0 是西门子公司专门为 s7-200 系列可编程控制器设计开发的。它 功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。 为了生成用户所写程序，step7 提供了标准的 plc 编程语言：语句表（stl）、梯形图 （lad）、顺序功能流程图（sfc）、功能块图（fbd）。 4.2.1 step7-micro/win v4.0 编程软件主界面及基本组成 （1）step7-micro/win v4.0 编程软件，它的主界面窗口组件如图 3 所示。 图 3 step7-micro/win v

44、4.0 编程软件主界面窗口 （2）step7 项目包括下列基本组件： 程序块:由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序、可选子程序 和中断程序组成。 数据块:由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。 系统块:用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、plc 的输出状 态、模拟量与数字量输入滤波值等。 符号表:允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程 序更容易理解。 状态表:用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到 plc，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具14。 4.2.2 梯形图的编写 （1）打开项目 执行“文件”“新建”命令，可以新建一个项目。

45、可以保存为扩展名为 “.mwp”的新建项目。或执行“文件打开命令可以打开项目。 （2）输入指令 输入梯形图指令可以通过指令树、工具条按钮等方式进行。指令树中包含了几乎 所有的指令，或在工具条上直接放常用的指令。或用快捷键 f4、f6、f9 键进行操作。 （3）创建逻辑网络 用梯形图编写的程序就是将组件排列成逻辑网络。可以通过工具栏或者右键快捷 菜单进行程序编辑，形成程序网络。 （4）输入地址 在梯形图输入指令时，参数最初是由“？”显示的，表示参数未赋值，可以 用绝对值或者符号标明程序中的指令操作数。绝对引用是指使用内存区的位或者字节 位置标识地址，符号引用则是指使用数字、字母的字符组成标识地址

46、。如果有未赋值 的参数，程序将不能正常编译。 （5）编译与保存 编译可以通过工具栏按钮或者 plc 菜单进行。可通过“plc”菜单中的“编译”命 令，或者工具栏上的“编译”按钮，编译当前被激活的编辑器中的程序。若选择 “plc”菜单中的“全部编译”命令，则按照顺序编译程序块（主程序、全部子程序、 全部中断程序）、数据块、系统块等全部块。使用“全部编译”，与哪一个窗口是活 动的无关。编译结束后，输出窗口显示编译信息。可以通过工具栏的“保存”按钮、 “文件”菜单中的“保存”命令及“另存为”进行保存。 4.2.3 时钟设置及读写 （1）实时时钟 s7-200 的硬件实时时钟可以提供年、月、时、分、秒

47、的日期/时间 数据。 cpu221、cpu222 没有内置的实时时钟，需要外插“时钟/电池卡”才能获得此功能。 cpu224、cpu226 和 cpu226 xm 都有内置的实时时钟15。 s7-200 的时钟精度典型值是 2 分钟/月（25c） ，最大误差 7 分钟/月（055c） 。 为了提高运算效率，应当避免每个程序周期都读取实时时钟。实际上可读取的最 小时间单位是 1 秒，可每秒读取一次（使用 sm0.5 上升沿触发读取指令） 。 使用程序读取的实时时钟数据为 bcd 格式，可在状态图中使用十六进制格式查看。 cpu 靠内置超级电容（外插电池卡）在失去供电后为实时时钟提供电源缓冲；缓

48、冲电源放电完毕后，再次上电后时钟将停止在缺省值，并不开始走动。 要设置日期、时间值，使之开始走动，可以： 用编程软件（micro/win）的菜单命令 plc time of day clock.，通过与 cpu 的在线连接设置，完成后时钟开始走动 编用户程序使用 set_rtc（设置时钟）指令设置 micro/win 可以通过任何编程连接实现实时时钟的设置。 （2）用 micro/win 设置时钟 通过编程软件 micro/win 设置 cpu 的时钟，必须先 建立编程通信连接。 在 micro/win 菜单中选择“plc实时时钟”命令，打开“plc 时钟操作”对话框： 图 4 plc 实时时

49、钟设置界面 图中参数设置如下： 要设置时钟的 cpu 网络地址，取决于在“通信”界面中的选择。 设置日期：选择需要修改的数据字段，直接输入数字，或者使用输入框右侧的上 下按钮调整。 设置时间：选择需要修改的数据字段，直接输入数字，或者使用输入框右侧的上 下按钮调整。 读取 pc 时钟：按此按钮可以读取安装 micro/win 的 pc 机的本机时间16。 读取 plc 时钟：按此按钮读取 plc 内部的实时时钟数据。 根据需要选择夏时制调整选项。 按“设置”按钮，将上面的时钟日期数据写入 plc。 时钟读写指令缓冲区格式 read_rtc（读时钟）和 set_rtc（设置时钟）指令靠数据缓冲区

50、在用户程序与硬件 芯片间交换数据，它们的缓冲区格式相同。 表 2 时钟缓冲区 地址偏移地址偏移 t tt+1t+1t+2t+2t+3t+3t+4t+4t+5t+5t+6t+6t+7t+7 数据内容数据内容年月日小时 分钟秒 0 星期 数值范围数值范围 bcdbcd （1616 进制）进制） 00-99 01-12 01-31 00-23 00-59 00-5900-7* * 1 = 星期日，7 = 星期六，0 = 表示禁止计星期 t 就是缓冲区的起始字节地址，可以由用户自由设置（在 cpu 允许的 v 存储区范 围内）。如果设置 t 为 vb100，那么读取时钟后，“年”的信息就会保存在 vb

51、100 中， “月”保存在 vb101 中。 4.3 系统的控制程序 校园照明系统电气控制原理图比较复杂，但经由 plc 控制后，程序简单可行，这 样即满足了任务要求，又能保证其稳定运行。 4.3.1 分时控制方案 在设计前，对大学生的活动规律、道路照明的亮度进行了统计和测量，掌握了一 手资料。大部分学生在21点钟之前回到寝室，21点至23点之间只有少量学生在室外活 动，23点钟之后基本上没有学生活动，学校进入安静状态。根据这个特点把控制分为3 个时段：第1个时段为21点之前，所有灯具全部开启；第2时段为21点至23点，活动人 员较少，可以关闭1/2的灯具；而到23点之后为第3时段，只要留有1

52、/4的灯具工作，高 于道路照明的最低要求。为了最大限度地节能，设计时还考虑了季节的因素：夏季夜 短昼长，开灯晚，熄灯早；冬季则相对开灯较早，熄灯则相对较晚。景观和公共绿地 照明采用第1、第2时段全开，第3时段全熄的控制方式，控制简单易行，节能效果显著。 节假日多也是学校的特点之一，寒暑假加在一起有3个月左右。制定的控制方案是： 寒暑假期间景观灯手动控制，根据需要临时或少量开启；而路灯每天只开启1/4，满足 最低照明要求。 4.3.2 分时智能控制程序编制 正如前面所述，每天的照明控制分3个时段，为了最大限度地节约能源，在具体编 制程序时还考虑了不同季节的因素，一般在冬、春季，天黑得较早，18点

53、左右自然光 线就很弱了，而在夏天阳光可以维持到19点左右。因此，把一年四季分为2个区间，在 设计时考虑了夏、秋时制和冬、春时制的识别，使节能效果更加明显。 4.3.3 三时段控制程序 在编制时段程序时，用了数据比较功能指令，相对普通指令而言程序较短，使程 序大为简化。把5月1日至10月30日定义为夏、秋时制，它的3个时段划分为：19点至21 点、2l点至23点、23点至凌晨5点。把11月1日至来年4月30日定义为冬、春时制，它的 3个时段划分为：18点至21点、21点到23点、23点至凌晨6点。道路照明的plc程序就是 要实现这些不同季节的时段控制要求。在此需要说明的是，根据学校供电质量好、少

54、 停电的特点，下面的程序中没有编制时间自动校正程序，因此，第1次投入运行的时必 须同步时钟或修正时钟，之后就会自动控制照明，不需要人工干预。 图中i0.0为启动开关的信号，当选择到自动工作制时，i0.0就处于使能状态，使 plc投入程序运行，i0.0闭合以后，自动控制程序启动。m2.0是不同时制的识别控制输 出信号，当m2.0为高电平时程序进人夏、秋时制工作状态，m2.0为低电平时程序进入 冬、春季节的工作状态。q0.4,q0.5,q0.6,q0.7分别控制道路两侧的灯具。从程序中可 以看出：第1时段q0.4,q0.5,q0.6,q0.7全部为“1”，灯具全部点亮；第2时段q0.4,q0.6

55、被复位为“0”，道路的两侧各有1/2灯具点亮；第3时段就只有q0.5控制的回路工作了。 4.3.4 季节自动选择程序 为了最大限度地节能，不同季节亮灯的时间有所不同，季节选择程序主要是为夏、 秋季和冬、春季节的不同时段控制而设置的。plc有日期设定与识别功能，利用它可以 完成季节的转换控制，实现不同季节的不同时段控制方案。程序中的m100是控制季节 程序转换的信号，当m100使能时程序进入冬、春季控制，反之，程序为夏、秋时制控 制方式。需要说明的是，该程序是根据校园所在地区的情况设计的，夏、秋时制的时 间定为每年的5月1日0点至10月30日的24点，不同地区应适当调整。该程序是按2012年 投

56、入运行而编制的，在今后的运行中，每年必须对日期的设定调试一次，以保证运行 无误。季节控制程序如图5所示。 图5 季节控制程序 5 控制程序的调试与仿真 5.1 程序调试 （1）调试条件 选择合适的 cpu 外电路，根据信号系统要求以及 i/o 资源配置进行模拟连接， 输入端由 plc 按键模拟，输出端由 cpu 上的指示灯逻辑指示即可； 使用 step7-micro/win v4.0 编程软件进行编程； （2）程序调试步骤17 打开 step7-micro/winv4.0 软件； 在命令菜单中选择 debug program edit in run； 把以设计好的系统程序语句在 run 模式下

57、输入； 输入程序有误，系统提示不能运行； 修改有误程序，继续输入程序直到系统检测无误为止； 退出 run 模式在命令菜单中选择 debug program edit in run，然后点击取消 复选标志。 5.2 系统仿真 (1)s7-200 仿真步骤18 把在 step7 中编译正确的程序导出为 123.awl 文件； 选择 cpu 型号，要与项目中的型号相同； 点击“程序”“载入程序”； 将先前导出的 123.awl 文件打开； 点击“运行”即可进行仿真（或工具栏上的绿色三角按钮）。 由于客观条件的限制，只能对照明控制系统进行模拟调试。实际输入信号用按钮 或开关模拟，输出由 plc 输出端

58、的发光二极管显示负载状态。 仿真调试时，按信号装置的运行条件，依次设置输入信号，并观察输出正确与否， 同时可通过编程器监控内部各点状态，在输入端接上手动按钮而在 plc 的输出指示灯 上看输出，输入信号完全靠手动来控制。观察输出指示灯能否在每个相应的点动状态 得电。调试过程中观察各基本环节是否满足控制要求。 (2)系统仿真图 本系统仿真的主要示意图。 按下输入按钮 i0.0，此时将设定的时间输入 plc 内部时钟，下面为照明智能控制 系统多种时间的仿真输出。 9 月 5 日 18:58 仿真示意图 图 6 夏秋时制无灯亮时仿真图 9 月 11 日 19:30 仿真示意图 图 7 夏秋时制第一时

59、段仿真图 9 月 11 日 21:45 仿真示意图 图 8 夏秋时制第二时段仿真图 9 月 11 日 23:10 仿真示意图 图 9 夏秋时制第三时段仿真图 12 月 5 日 17:59 仿真示意图 图 10 冬春时制无灯亮时仿真图 12 月 5 日 19:10 仿真示意图 图 11 冬春时制第一时段仿真图 12 月 5 日 21:10 仿真示意图 图 12 冬春时制第二时段仿真图 12 月 5 日 23:10 仿真示意图 图 13 冬春时制第三时段仿真图 通过设定时钟时间并将其输入 cpu 224 内部时钟，以此来观察仿真输出。在打开 启动开关写入时间 9 月 11 日 19:30 后，pl

60、c 自动识别此时间为夏秋时制晚上第一时段， 此时景观灯、公共绿地、道路灯全部打开，plc 输出端 q0.0q0.7 全部输出高电平。 改变时间使其进入第二时段，此时景观灯、公共绿地仍然全部打开即输出端 q0.0q0.3 输出高电平，道路灯打开一半，q0.4、q0.6 输出高电平，q0.5、q0.7 输出 低电平。以此多次改变时间观察仿真输出是否与设计结果一致，不断修改程序直到满 足设计要求。 基于 plc 的校园照明智能控制系统已经设计完毕，通过对该系统的调试与仿真， 其功能基本达到要求。 结束语 本设计以 plc 为核心，通过对照明控制系统的详细分析，完成了控制系统的硬件 和软件设计，实现了