基于PLC的照明节能装置设计与开发-教室照明

设计说明书题目：基于PLC的照明节能装置设计与开发全套图纸加V信153893706或扣3346389411专业： 班级： 姓名： 学号：

电子与信息工程学院目录第1章绪论 第1章绪论1.1课题背景 随着时代的发展，人类社会发生了翻天覆地的变化。但是伴随着变化越来越多的问题接踵而来，而能源问题和环境问题是其中的两个比较重大问题，特别是在如今，解决能源问题和环境问题是国家长期发展的重中之重。而在众多的能源问题之中，电能的短缺是束缚经济的发展和人民生活的重要问题之一。现今在许多公共场合，如学校、图书馆等场所，绝大数依赖人工管理，由于数量多，常常会出现只有少数在室内或光线充足的情况下，整个场所的照明灯全开的现象；更有甚者在无人的情况下仍然开启大量的照明灯的现象，这造成了不必要的电能浪费和经济损失。随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学的管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化的领域的地位越来越重要。选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅体现在节约能源，减低学校运行成本，提高学校的科学管理水准，而且具有极大地经济意义和社会效益。 因此，必须在保证照明质量的前提下，采取措施来遏制公共场所用电的浪费现象，这不仅是为了眼前的经济利益，而是为了建立环境友好型的社会，顺应社会经济发展的低碳革命，必须做出的节能减排的举措1.2国内外研究现状 目前国内几种常见的照明控制系统有以下几种: （1）Dynalite智能照明控制系统该系统主要由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插日、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机等部件组成。采用DyNet网络连接，DyNet是一个分布式智能化网络，使用RS-485通讯协议。 （2）C-Bus智能照明控制系统C-Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的，现已广泛用于很多国家和地区。C-Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统的控制。也可用于消防等系统中的联动控制。 （3）ABBi-busEIB智能安装系统EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器(光线传感器、模糊开关、时间控制器、移动传感器)、智能开关驱动器和其他智能元件(逻辑模块总线祸合器)构成。它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制1.3课程设计的目的 通过专业综合课程设计，使学生能够得到工程设计的综合训练，或科学研究的初步能力，扩大知识面，培养其独立分析问题和创造性解决实际问题的能力；全面训练学生的设计、计算、实验、绘图、编程的能力；提高学生的动手能力和独立分析、解决问题的能力。按照卓越工程师培养方案的要求，对学生进行工程师型人才的基本训练。1.4控制任务 本课题是《基于PLC的照明节能装置设计与开发》，控制要求： 自行选择道路照明、教室照明、实验室照明、宿舍照明以及家庭照明等为设计对象，研究该对象在照明节能项目上，可以采取的控制策略与方法。主要分析对象的照明需求特征，有针对性地提出节能控制策略与方案。 本次选择的是教室照明控制，对一个教室进行控制，假设教室里有1到4共4排灯，通过检测光线和人员进行控制开关相应的灯，起到节能目的。第2章总体设计采用PLC进行教室灯进行控制，为了简化控制，只对1个教室进行灯光控制设计。教室照明控制器可实现教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体发出的红外信号和环境光信号等，当周围环境光的强度达到一定值时灯不亮，当环境光强度在指定值以下且有人存在时开灯，经试验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。 教室照明控制器尽可能安装在教室内避开照明灯直射的位置，且红外传感器安置时应使人体活动方向与传感器中两个热释电元连线方向互相垂直，这样可以更好地采集信号，使控制变得更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感，达到预期的控制结果. 系统有启动按钮，按下启动按钮，系统启动。按下停止按钮，系统停止。 假设教室有4排灯，第1排，第2排，第3排，第4排。教室有总的光线检测，用于检测是白天还是夜晚。每排相应的区域有人员检测，共有第1排人员检测，第2排人员检测，第3排人员检测，第4排人员检测。检测到光线弱，同时检测到相应区域有人员，则自动打开相应区域的照明灯。检测到相应区域人员离开，或者检测到光线强，则启动延时1分钟，定时时间到自动关闭相应区域的照明，到达节能目的。第3章硬件设计3.1器件选择3.1.1PLC选择 经分析，系统共使用了7路数字量输入，5路数字量输出，故选择西门子的S7-200PLC，选择其中的CPU224，采用交流电源，含14路数字量输入和10路继电器输出，可以满足本次设计使用需要，并有足够的备用点数。3.1.2人体红外传感器 人体红外传感器又称红外传感器，它是一种利用探测生物体发射出来的红外线，而输出电信号的传感器。在上世纪四十年代，曾经有人提出利用热释电效应探测红外辐射，但没有引起各界的高度重视，直到上世纪六七十年代，随着激光，红外技术的迅速发展，它们也可以有效的促进热释电效应，热释电晶体的研发和应用。热释电晶体已被广泛用于红外光谱仪等设备，红外遥感和热辐射探测器它可以作为一个理想的红外激光探测器。它作为应用目标，正被广泛地应用到各种自动化控制装置。除了在我们熟知的居民楼防盗报警以及教室楼道自动开关等场合上得到应用外，在更多的领域当中应用前景亦被看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机等。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上等应用[6-7]。目前，红外传感器可以分为主动红外传感器和被动红外传感器。此设计我们选用主动红外传感器。 主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，它经放大与信号处理后，即控制发出报警信号。 主动红外的发射光源，通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。还有一些半导体激光器，如砷鎵铝双异质结半导体激光器等，也工作在红外波段，因而也是一种主动红外传感器。主动红外传感器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形，其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射出红外脉冲调制光谱。这样，就降低了电源的功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光的干扰能力。对光束遮挡型的探测器，要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短遮光时间。如人的最小宽度为20cm，则最短遮断时间为20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光时间大于20ms，系统报警；遮光时间小于20ms，则不报警。 主动红外传感器多采用双光路，可提高其抗干扰、防误报的能力。这种主动红外传感器寿命长、价格低、易调整，因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。当主动红外传感器用在室外自然环境时，比如无星光和月亮的夜晚，以及夏日中午阳光的背景辐射的强度比可超过100dB时，这就使接收机的光电传感器工作环境相差太大。通常采用截止滤光片，滤去背景光中的极大部分能量（主要滤去可见光的能量），使接收机的光电传感器在各种户外光照条件下的使用条件基本相似。 此外，大雾还会引起传输中红外光的散射，缩短主动红外探测器的有效探测距离，在安防工程中必须考虑。如实测某红外传感器：在无雾时有效探测距离7km；浅雾时有效探测距离2.5km；轻雾时有效探测距离1km；中雾时有效探测距离0.6km；重雾时有效探测距离0.3km。 激光与一般光源相比，有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，所以当要求距离远时，可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。由于能量集中，可以在光路上加反射镜，反射激光，围成光墙。从而用一套激光探测器可以封锁一个场地的四周，或封锁几个主要的通道路口3.1.3光敏传感器 光敏传感器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 按照国家的有关标准，学校教室的平均照度值最低一般在300Lx。工作电压一般在DC9-16V,工作电流一般在2mA左右，工作温度一般在0-45℃，光感的范围一般在5Lx-500Lx，光感的复位一般控制在30s左右。光敏电阻主要用于检测教室的照明度，决定照明控制系统是否正常开启。在实际中，我们还必须考虑检测装置实际安装位置的问题，该系统中光敏传感器的安装要考虑到教室中光照的角度的问题，以及在不同位置所感应光照的程度。为了能确保设备运行的准确性，安装照度计时最好选择安装在灯光和自然灯都照不到的位置，一般选择安装在教室的背光面。3.2主电路和控制设计主电路和控制电路如图3.1所示。外部220V交流电源将L1，N供设备使用。L1是火线，N是零线。QF1是总的断路器，起到通断设备电源的作用。FU1是总的熔断器，起到短路过流保护作用。A1是直流开关源，将交流220V变成24V供PLC的输入和输出使用。图3.1主电路和控制图 H1是教室第1排灯，KM1是教室第1排灯启动接触器，PLC通过控制KM1线圈得电，KM1常开主触点闭合，点亮教室第1排灯。 同样的，H2是教室第2排灯，KM2是教室第2排灯启动接触器，PLC通过控制KM2线圈得电，KM2常开主触点闭合，点亮教室第2排灯。 H3是教室第3排灯，KM3是教室第3排灯启动接触器，PLC通过控制KM3线圈得电，KM3常开主触点闭合，点亮教室第3排灯。 H4是教室第4排灯，KM4是教室第4排灯启动接触器，PLC通过控制KM4线圈得电，KM4常开主触点闭合，点亮教室第4排灯。3.3PLC输入和输出分配PLC输入和输出分配见表3.1，表3.2所示。表3.1PLC输入分配表名称PLC内部地址外部编号启动I0.0SB1停止I0.1SB2教室光线弱检测I0.2S1第1排有人检测I0.3S2第2排有人检测I0.4S3第3排有人检测I0.5S4第4排有人检测I0.6S5表3.2PLC输出分配表名称PLC内部地址外部编号自动运行指示灯Q0.0HL1第1排灯Q0.1KM1第2排灯Q0.2KM2第3排灯Q0.3KM3第4排灯Q0.4KM43.4PLC输入和输出接线图PLC输入和输出接线图如图3.2所示图3.2PLC输入和输出接线图第4章程序设计4.1内部使用地址为了编程和阅读方便，定义了部分PLC内部使用地址，如表4.1所示。表4.1PLC内部使用地址名称PLC地址备注第1排灯定时延迟关闭T101预设1分钟第2排灯定时延迟关闭T102预设1分钟第3排灯定时延迟关闭T103预设1分钟第4排灯定时延迟关闭T104预设1分钟4.2控制程序流程图控制程序流程图4.1所示。以第1排灯控制为例，其他的第2排，第3排，第4排控制类似。检测到教室光线弱，检测到人员，则点亮灯。检测到光线强，或者检测到人员离开，启动定时器定时1分钟，定时时间到，熄灭相应的灯光线弱？光线弱？是1#有人？1#灯亮否是否1#定时1分1#灯灭是否图4-1控制流程图4.3PLC梯形图程序 自动运行指示灯 按启动按钮SB1，I0.0常开触点闭合，Q0.0线圈得电，Ｑ０．０常开触点闭合，运行指示灯点亮，系统自动运行。 按停止按钮SB2，I0.1常开触点闭合，常闭触点断开，Q0.0线圈失电，系统停止，运行指示灯熄灭。第1排灯 系统自动运行，Q0.0常开触点闭合，则检测到教室光线弱，I0.0常闭触点闭合，同时检测到第1排区域有人员，I0.3常开触点闭合，则Q0.1线圈得电，点亮教室第1排灯。检测到人员离开，或者光线强，定时1分钟，定时时间到T101常闭触点断开，Q0.1线圈失电，熄灭教室第1排灯。第1排灯定时延迟关闭第1排灯点亮，Q0.1常开触点闭合，检测到光线强I0.2常开触点闭合，或者检测到第1排人员离开，I0.3常闭触点闭合，则启动定时器T101，预设定时600，单位0.1秒，就是60秒，1分钟，定时时间到，熄灭第1排教室灯。 同样的，第2排灯控制跟第1排灯类似，检测到光线弱，I0.2常闭触点闭合，同时检测到第2排有人员，I0.4常开触点闭合，则点亮第2排灯。检测到光线强，或者第2排人员离开，延时1分钟，关闭第2排灯。 同样的，第2排灯点亮，Q0.2常开触点闭合，检测到光线强I0.2常开触点闭合，或者检测到第2排人员离开，I0.4常闭触点闭合，则启动定时器T102，定时时间到，熄灭第2排教室灯。第3排灯 同样的，第3排灯控制跟第1排灯类似，检测到光线弱，I0.2常闭触点闭合，同时检测到第3排有人员，I0.5常开触点闭合，则点亮第3排灯。检测到光线强，或者第3排人员离开，延时1分钟，关闭第3排灯。 同样的，第3排灯点亮，Q0.3常开触点闭合，检测到光线强I0.2常开触点闭合，或者检测到第3排人员离开，I0.5常闭触点闭合，则启动定时器T103，定时时间到，熄灭第3排教室灯。第4排灯 同样的，第4排灯控制跟第1排灯类似，检测到光线弱，I0.2常闭触点闭合，同时检测到第4排有人员，I0.6常开触点闭合，则点亮第4排灯。检测到光线强，或者第4排人员离开，延时1分钟，关闭第4排灯。 同样的，第4排灯点亮，Q0.4常开触点闭合，检测到光线强I0.2常开触点闭合，或者检测到第4排人员离开，I0.6常闭触点闭合，则启动定时器T104，定时时间到，熄灭第4排教室灯。4.4语句表程序ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1TITLE=BEGINNetwork1//自动运行指示灯LDI0.0OQ0.0ANI0.1=Q0.0Network2//第1排灯LDNI0.2AI0.3OQ0.1ANT101AQ0.0=Q0.1Network3//第1排灯定时延迟关闭LDQ0.1LDI0.2ONI0.3ALDTONT101,600Network4//第2排灯LDNI0.2AI0.4OQ0.2ANT102AQ0.0=Q0.2Network5//第2排灯定时延迟关闭LDQ0.2LDI0.2ONI0.4ALDTON