【基于PLC智能照明控制系统设计10000字（论文）】

I第一章引言1.1课题研究背景随着社会经济的迅速发展，人们渐渐开始关注能源消耗的问题,对社会能源的浪费不但会造成社会经济的损失,而且碳排放量也大大增加,严重污染环境,所以节约能源消耗是人们生产生活过程中的一个重要主题。讲到节电,人们常常会忽视了日常生活中照明能源的消耗,由于其照明的单位容量小,设备安装位置较分散,从而变得无关紧要。事实上，随着城市规模的不断扩大发展，道路公共照明也逐渐普及，照明设备的单个容量增加、总容量也在大大增加，环境美化用的照明灯也逐渐夺目耀眼。大学校园的建筑都建立在人员较少的郊区，建筑密度低。所以公共照明如公共场合、教学楼、宿舍等场合所用的照明用电占总照明能源很高的比例，照明灯具的容量大，照明工作时间很长[1]。现如今，人们的生活质量渐渐提高，公共场所引入照明设备来改善人们的生活质量。因此，照明能耗在社会总能耗中的比重日益增加。为了让生活更轻松，这些照明设备有时会因为无人管理而整夜开着，造成大量电力和能源的浪费。因此，照明的节能问题越来越重要[2]。现在国内外广泛使用的节能开关基本都是声控、光敏、触敏。单一的开关控制会有其自身的缺点，因此研究和设计出一种智能照明控制系统来替代现控制系统是非常有意义的工作。1.2国内外研究现状1.2.1国外PLC智能照明技术的发展与现状PLC技术在世界上的发展已经非常的成熟，对于PLC的控制技术研究能力渐渐增强，大大降低了PLC运行时的功率消耗和体积，在提高了PLC的运行稳定的同时也降低了制作成本。随着技术的不断迭代升级，人们根据PLC产品的特色以及地理位置分为美国、日本和欧洲三个主要流派，它们的研发共同特点都是使编程和故障检测更加灵活方便[3]。20世纪60年代末，美国的通用汽车有限公司为了提高工厂的能力,找到美国的国家数字化工业设备有限公司，通过调查研究出一台可编程控制器并命名为PDP-14;在日本的20世纪70年代初,日本研发了一台可编程控制器命名为DCS-8;在我国20世纪70年代末，我国在工业应用中开始推广和应用可编程控制器[4]。PLC的发展历程经历了4次的迭代，世界上研发了将近400多种PLC产品，生产厂家达200多家，我们根据PLC研究主导方向的不同可大致分为三大流派。A-B公司、莫迪康（MODICON）公司、西门子（SIEMENS）公司和三菱等三大流派的PLC产品占据了80%的市场份额[5]。1.2.2国内PLC智能照明技术的发展与现状近年来，随着国内工业控制水平的不断提高和工业4.0时代的到来，国产PLC不断发展，在新能源、环保等新兴行业不断取得业务突破。我国也不断出台新的政策来支持PLC市场的发展，从2011年4月工信部首先推出了《有关加速推动信息化与工业发展深入融入的几个建议》的政策实现了信息技术与工业基础深入融入能力,加快发展高档数控技术体系、制造执行管理系统和工业生产管理系统,加速工业生产管理、现代物流等领域计算机网络技术设备、智慧服务终端、传感器产品和重要应用信息系统的工业化进度[6]；2016年10月国家产品质量监督管理检验检疫总署和国家标准化管理委员推出《工业控制系统信息安全保护指引》该规范面向工业生产智能化和监控管理系统中的PLC应用领域,规范了网络安全的测试、评价、保护和信息管理等各领域方面信息安全保护需求,为工控管理系统的设讦方、机械设备制造商、信息技术系统集成商、用户等多方参与主体提出了可操作性的工控信息安全技术标准,建立了业界网络安全标准化体系,推动了我国工业控制系统网络安全产品和体系的发展[7]。1.3研究内容及意义本课题主要研究内容对象是校园的照明系统控制。校园照明系统的电能消耗，主要是道路照明、教学楼照明的高需求量，且使用手动控制照明系统的方法，对照明造成了一定的浪费。根据白天和夜晚的判断来识别是否需要照明控制，调查学生的生活作息规律，当学生晚上下课或者自习课下，系统根据设定时间将道路照明全部打开并减少学生较少地区的照明亮度；当学生大部分在宿舍时，适当降低道路照明要求，教学楼区（自习室除外）照明系统进入节能模式；学生存在寒暑假假期，在此期间学校照明系统需要停止工作，根据该时间设计出相应的控制时序，根据PLC进行控制照明系统按设计时序进行运行控制。本课题研究的智能控制系统能够在确保灯具正常工作的条件下，给照明灯具输出合理地照明运行功率，能够有效地增加灯具的照明使用寿命，并减少灯具维护的难度，在各种情况下能稳定地进行照明工作。最主要的是可以实现照明的精确控制，从而实现节能的目的[8]。针对全时段、全负荷运行而言，根据综合考虑智能照明控制系统大约节约电能效率为15%-20%。同时本课题的完成，说明PLC在照明控制系统中的应用及其实现，让学生对PLC智能系统的设计和完善具有一定地参考价值，通过此类PLC项目的实践开发，使我的专业知识快速与工程实践进行结合，能够进一步提高我的实践能力。第二章PLC智能控制系统的总体设计2.1PLC智能照明控制系统的设计思想2.1.1照明系统的需求分析1.提高管理效率本课题所研究的智能控制系统主要为了实现控制系统操作更简单和灵活，能够减少操作人员的重复性劳动的问题。提高照明管理的高效性并且降低了照明控制系统的所需的运行成本以及更大的投资回报价值[9]。2.节约电能现如今越来越多的电力能源用来满足人们的照明，随着照明场合规模的扩大也逐渐产生过度照明的、无人照明等浪费现象。使用智能控制系统能够实现在保证照明需求的情况下精确照明，也根据所需的时间进行合理调整照明时长等要求从而实现节约电能的作用。根据合理计算出相比于以往人工照明控制，智能控制系统节电率可以达到15%-30%。3.智能化发展使用智能控制系统，能够实现基本照明场合的灯光的控制；也可以使用者的需求和特定的场景来进行合理的调整，来实现适合使用者满意的照明质量。随着科技的不断发展，我相信会在这个智能控制的基础上不断的进行迭代和创新来满足人们的照明需求，不断的增加人们的照明品质[10]。2.1.2照明系统的设计过程对校园照明控制系统的需求进行初步系统配置，设计出校园照明控制的时间和照明电气部分。首先，根据校园学生主流的合理作息来进行对照明布置；其次对照明灯具的具体参数需求来进行灯具的选型、传感器的选择等硬件部分设计；然后就是软件部分设计，根据照明需求编写出相应的程序；最后通过PLC系统根据需求不断修改，直至满足校园照明控制的需求。2.2PLC智能照明控制系统的组成模块PLC智能照明控制系统主要有可编程控制器、触摸屏、各类传感器和照明灯具组成。根据对校园大部分学生的作息习惯来进行设置照明设计，通过光照检测模块和声音检测模块来进行外部数据收集，数据传入PLC进行处理并判断是否满足照明需求、节能运行和报警等状态[11]。人们可以通过触摸屏来观察了解当前系统状态，并通过触摸屏来对照明控制系统进行照明控制。照明控制系统结构示意图如图2-1所示。图21照明控制系统结构示意图2.2.1光照检测模块为了智能照明系统能够识别白天还是夜晚，使用大量地光照检测传感器进行多点实时检测出光照强度和设定阈值进行对比判断，大于等于阈值系统判断是白天，相反判断为黑夜[12]。2.2.2声音检测模块为了能够即满足了照明需求的同时，也满足节能效果。我们通过声音检测模块来收集在照明系统正常工作的情况下的分贝数据，人为的设置分贝阈值。当检测分贝大于阈值时，照明控制系统正常工作；反之，照明控制系统降低一定的照明亮度使系统进入节能模式。2.2.3节能运行模块该区域无需正常照明亮度时，智能控制系统进入节能模式。当智能控制系统需要进行正常工作时，即照明设备脱离节能模式，需要系统等待3s，以确保节能模式不影响系统的正常工作[13]。2.2.4报警模块每天设置时间进行系统自检，检测各个传感器的数值是否在阈值内波动，如果有波动则系统正常工作，反之在触摸屏上显示报警信息。维修人员根据报警代码找到相应传感器进行维修。

第三章PLC智能控制系统的硬件设计3.1线路结构设计本课题以校园照明系统为例，根据大部分学生照明需求对灯具进行安装。线路图采用了母线两端供电的安装方式,有利于节约母线和控制开关的容量[14]。保证各电路都有独立的接触器进行监控,可编程控制器通过编写的程序来对接触器进行监督。线路结构设计示意图如图3-1所示。图中简画出一条教学楼线路供电图、一个操场体育馆供电图和一个宿舍区的供电系统图。图31供电系统示意图3.2PLC的相关设计可编程控制器作为控制系统的核心，对PLC的选型便成为重要的一环，现如今国内PLC技术的迅速发展，也拥有自己的PLC品牌如信捷、汇川。但根据控制系统的需求需要在PLC选型上考虑点数、作用以及价格方面的因素，使得最终的控制系统结构设计更简洁稳定[15]。3.2.1初步确定机型本课题所研究的照明控制系统比较简单、控制逻辑简洁，根据照明控制需求进行挑选性价比较高的国内外小型模块化可编程控制器PLC。西门子公司生产的S7-1200系列的PLC具有运行高稳定性以及通用多种编程语言等特点，所以本课题照明控制系统的控制核心选择西门子S7-1200系列的可编程控制器[16]。3.2.2PLC型号的确定照明系统中的按钮、传感器和照明设备等共使用了8个输入点，18个输出点。通常，在可编程控制器PLC选型时我们需要计算出理论上输入输出点总数的1.25倍，即输入、输出点数和为26*(1+25%)=33(点)，比理论值多出的点数是给客户的预留点。城市照明设备一般直接接入城市电网，常规模式工作电压一般为220V，为保证输出端子电压的统一，故采用继电器输出类型PLC，西门子PLC型号为S7-12001212C。示意图如图3-2所示。图32西门子S7-12001212C结构示意图3.2.3PLC的I/O口分配表为了保证本课题智能照明系统控制的准确性，我们在学校随机选取了教学楼、宿舍区和体育场三个地方，分别安装编好号的照明灯具。同时在相应的区域一并安装了光照监测仪和分贝监测仪。对应的PLC的I/O分配表如表3-1所示。

表31PLC的I/O口分配表地址注释地址注释I0.0启动Q0.5教学楼区照明3（节能）I0.1停止Q12.0宿舍区照明1IW112教学楼区光线监测Q12.1宿舍区照明1（节能）IW114教学楼区分贝监测Q12.2宿舍区照明2IW116宿舍区光线监测Q12.3宿舍区照明2（节能）IW118宿舍区分贝监测Q12.4宿舍区照明3IW120体育场光线监测Q12.5宿舍区照明3（节能）IW122体育场分贝监测Q12.6体育场照明1Q0.0教学楼区照明1Q12.7体育场照明1（节能）Q0.1教学楼区照明1（节能）Q13.1体育场照明2Q0.2教学楼区照明2Q13.2体育场照明2（节能）Q0.3教学楼区照明2（节能）Q13.3体育场照明3Q0.4教学楼区照明3Q13.4体育场照明3（节能）3.2.4PLC扩展模块的选择为实时监测现场环境，保证照明效果不受季节、天气因素影响，做到天黑灯亮，天亮灯灭，本系统加入了光照检测传感器，并且为了降低误差，避免树木教学楼阴影遮挡造成的误判，采用3组传感器联动的算法。同时为确保节能模式不影响特殊使用需求，加装了声音检测传感器，有较多数据需要接收并处理，因此需要额外的AI输入端子，通过添加1个8个输入点的SM1231扩展模块实现。因照明设备启动耗电量极大，同时启动会对电网产生巨大压力，造成校园电网纹波，需要分批逐步启动，故需要较多输出点进行控制，因此加装一个16输出点的SM1223扩展模块实现。3.2.5外部接线图西门子S7-12001212C外部接线图如图3-3所示：

图33西门子S7-12001212C外部接线图3.3照明设备的选型3.3.1灯具的选择常用城市照明设备为LED路灯和高压钠灯。高压钠灯的照明亮度的显色性不如LED灯具的照明亮度显色性，LED灯具的照明显色指数达到75以上，LED灯具照亮的光衰周期小,连续使用第一年的光衰程度不足3%,应用10年依旧能够适应基本人们的光照需求,而高压钠灯照亮的光衰周期大,平均每年降低30%。LED灯具在控制系统过程中使用寿命长，光效高。所以最终选择LED路灯[17]。3.3.2照明电源的选择LED最适合的应该是用恒流驱动，只有在成本受限的情况下才能使用串电阻限流的办法，而且电阻限流亮度不稳定，能量效率较低。另外LED不适合并联驱动，会导致电流不均衡，提前烧灯珠。如果用恒压电源驱动LED的话，选用的电源电压至少要比LED标称电压高三分之一，然后按照额定的电流，让电阻把电源多余的电压吃掉，计算电阻的阻值和功耗，选取稍大的阻值和适当放大功耗，电阻的散热也要考虑[18]。如下图3-4所示，是LED温度和最大允许电流的关系，可以看出，当温度超过40摄氏度时，电流就需要降额使用了，当超过85摄氏度时，只要工作，就会发生损坏了。图34LED温度和最大允许电流的关系基于以上考量，使用恒流电源驱动。基于校园路灯的特殊性，教学楼附近的照明设备若是噪音明显，会影响学生晚间学习的质量，因此采用模拟调光电源；而一般道路照明设备为节约能源，采用PWM调光电源。3.4触摸屏的选择触摸屏作为系统的可视化控制设备，一般用于参数设置，数据监视与调试控制。西门子拥有配套的触控面板——HIM精智面板，但由于博途内置的HIM编程系统过于简陋，需要额外配合WinCC使用，编程复杂，设计困难。虽然HIM面板功能强大，使用方便，但价格高昂，且不便于用户根据需求自由调整与拓展。因此，本课题选择国产的MCGS昆仑通态触控面板。3.4.1MCGS昆仑通态触摸屏与PLC的连接触摸屏能够使系统操作更加简便快速，并且能够显示当前照明设备的运行状态。触摸屏界面设计需要根据设备要求，需求加入不同的功能，设计者设计触摸屏画面，以达到需求目标。设置通讯协议：打开界面上“设备窗口”中的“设备窗口”的图标，接着系统会弹出"设备组态"谈话框,在相应的谈话框中寻找并选中"PLC","西门子"中的"Siemens-1200以太网"。完毕后需要对其属性做出相应的设定,方便PLC和HMI实现信号的传输。首先双击已经加入的"Siemens-1200"对通用串口设备属性开始编写。机架和槽号设定为1,通过修改接触屏的IP地址与接触屏ip地址在同一个网段中。结果如图3-5所示。图35触摸屏与PLC的连接示意图3.4.2MCGS界面展示及设计流程1）界面展示MCGS界面是基于Windows平台的快速构建上位机监控现场的组态控制系统软件。用户只需通过模块化进行系统配置，即可构建自己需求的应用系统，如采集和监控现场数据、数据处理以及前端数据的控制等。触摸屏的简单设置如图3-6所示。图36触摸屏设置2）设计流程MCGS界面应设有登录界面，调试模式与自动运行模式，其中调试模式应包含相应测试流程，可以分别测试在各种状态下照明系统是否正常运行。其中，默认晚自习时间为本校晚自习时间，熄灯时间为宿舍断网时间，寒暑假分别为2月与7、8月，在调试过程中无需额外设置，各区域允许单独测试，也可以联动测试。调试模式图3-7所示：图37MCGS调试模式自动运行界面（如图3-8所示）可以设置实际照明系统时间规划，但其他项目不再能手动更改，只能接收相应传感器或者PLC的数据反馈，若有传感器故障，则界面中心出现滚动报警条高亮显示报警信息，以便维修人员快速进行维护作业。图38MCGS自动运行模式

第四章PLC智能控制系统的软件设计4.1编程软件4.1.1软件介绍S7-1200可编程控制器使用TIAPortalV15编程软件进行编程。TIAPortalV15又称博途v15,由西门子集团研发了全融合智能化程序设计软件系统,融合了STEP7,WINCC,STARTDRIVE等工业应用软件。首个具有统一规范的工程组态和软件项目管理工作环境的工业自动化软件系统,基本上适合于各种工业生产智能化任务。它功能强大、性能强和兼容性高等特点，自身功能全面能够满足对触摸屏、可编程控制器PLC、进行编程调试和仿真操作，实时监控用户程序的执行状态。4.1.2编程语言可编程控制器PLC的第一个程序设计语句是梯形图,它是一款可编程控制器中应用最多的图形编程语言。梯形图能够直观进行的表达出控制的逻辑功能。梯形图编程的规则梯形图的编程都需要从左母线编写到右母线结束；梯形图的输出线圈只需要与左母线相连即可；梯形图编程同一个输出线圈不可以对应不同2个输出，否则，只有后设置的线圈有输出；梯形图串并联的触电的数量没有限制要求；梯形图程序编写时，顺序从左到右，从上到下，程序运行也是这个顺序。梯形图编写流程梯形图的正确合理的编写流程可以分为简单的五个步骤：新建工程项目、输入需要的指令、创建系统的逻辑网络、输入所用的地址和编译与保存梯形图。4.2程序流程设计为了更加方便直观的对PLC智能控制系统的程序逻辑进行合理有效的分析，制作了根据时间分配的校园照明控制程序的流程图。本程序根据校园需求照明时间进行判断，首先对校园是否处在寒暑假期间进行判别（即判断月份），再通过判断一天中各个时段来进行合理有效的照明控制。照明控制程序流程图如图4-1所示：图4-1照明控制程序流程图4.3照明系统的设计4.3.1时间分配控制方案1）对于每天的时间分配根据一段时间考察对大学生的普遍活动规律、道路照明亮度需求进行了统计和测量，结果如下表4-1所示。

表4-SEQ表格\*ARABIC\s21学生活动场所时间分布表时间段主要场所学生大概占比18：00~21：00操场、教学楼30%、30%21：00~23：00宿舍、教学楼60%、30%23：00~次日宿舍99.99%由上表可知，18：00~20：00有一半左右的学生在操场进行活动，1/3的学生在教学楼进行学习活动，21：00~23：00之间大部分的学生都回到了寝室，23：00之后学生基本都回到了寝室。根据学生这个活动规律，我们将一天的控制分为3段时间：第一段时间18：00~21：00，将所有的照明设备打开；第二段时间21：00~23：00，将操场的照明亮度降到一半即关闭1/2灯具；第三段时间23：00~次日，操场灯具全熄，其他地方只留满足最低照明亮度的灯具工作，其他设备进入节能模式。2）对于季节的时间分配本课题所研究的控制系统为了节约照明能源的效果达到最大，考虑了季节因素的光照时间影响:夏季夜晚时长短白天时长长，开灯时间晚关灯时长早；冬天灯开得早、关得晚。操场区和教学楼区的照明控制系统分别采用第一时段照明灯具全亮、第二时段照明灯具全灭、第三时段照明灯具全灭的照明控制方式。3）对于寒暑假的时间分配寒假一般在2月份，暑假一般在7、8月份。在此假期中，我们选择控制系统的方案为：操场、教学楼和宿舍的灯都熄灭，可以根据实际情况进行手动零时开关照明设备。其他节假日期间，可以手动进行系统的控制和调整。4.3.2照明时间分配流程设计每日照明设备开启时间由光照检测传感器收集信息，当光线强度低于阈值时自动开启。但晚自习时间，教室外学生并不多，若照明设备全功率启动，则使用率低下，浪费能源。因此系统设定每日晚自习时间（第一时段时间），以及熄灯时间后（第三时段），全校照明设备进入节能运行状态，若声音检测传感器感受到有人经过时，则照明系统恢复至正常亮度，并在信号消除之后30秒再重新进入系统节能模式。同时寒暑假学生放假期间，全校照明设备停止工作。晚自习时间与熄灯时间，寒暑假假期时间可自由设置更改。设备时间以PLC内读取时间为准，操作如图4-2所示。图42PLC的读取时间程序设计4.4各模块控制程序的设计4.4.1光照检测和声音检测模块的程序设计光照检测传感器是将信号以电压的形式输出到可编程控制器PLC中，经标准化缩放处理后得到当前实际的光照强度数据，三点光照强度数据汇总分析，若光照强度低于阈值，则系统判断天色已晚，照明设备逐步开启。开启区域由多段数输入经照明设备端识别解码后启动，三个输出点位可控制对应区域最多7个子片区照明设备，有效缓解校园的电网压力，同时节省了PLC控制端子，使得可以控制在1212C的范畴内。光照检测模块和声音检测模块都是模拟量输入，所以2个传感器的程序设计如图4-3所示。图43传感器模块的程序设计因为本系统大量使用光照检测、声音传感器，需要同时接收并处理大量模拟信号，因此模拟量转换采用FC数据块梯形图编程（如图4-4所示），节约存储空间，支持重复使用，最大程度简化编程难度的同时，加强可读性，便于数据的自由设定与后期拓展。图44模拟量转换示意图4.4.2节能运行模块校园的教学区域需要照明亮度稳定，避免照明亮度频繁的变化影响到学生的学习，晚自习期间（第一时段）保持照明设备正常运行，仅在熄灯时间（第三时段）进入节能模式（如图4-5所示）。图45节能运行模式程序设计体育场为保证学生夜间体育运动安全，阈值应更低，传感器更灵敏，同时所有照明设备在跳出节能模式，且信号消失后，应继续等待3秒，以确保节能模式不干扰正常使用，如图4-6所示。图46节能模式复位4.4.3报警模块每天上午6点。系统将会进行自检，若在过去的24小时内，传感器没有在阈值内发生波动，则说明该传感器故障或有异物阻挡了传感器正常工作，此时将会生成一个报警信号并在触摸屏上显示，根据对应报警代码即可找到对应位置传感器进行维护作业，程序设计如图4-7所示。图47报警模块的程序设计

第五章PLC智能控制系统的调试5.1PLC的程序调试5.1.1调试条件①搭建合理的CPU外电路，根据控制系统要求以及PLCI/0资源配置进行模拟连接，输入端由PLC按键进行模拟，输出端由指示灯逻辑指示即可;②使用TIAPortalV15编程软件进行编程;5.1.2调试步骤①打开TIAPortalV15软件;②在命令菜单中选择Debug>ProgramEditinRLN;③把以设计好的系统程序语句在RUN模式下输入;④输入程序有误，系统提示不能运行;⑤修改有误程序，继续输入程序直到系统检测无误为止;⑥退出RUN模式在命令菜单中选择Debug>ProgramEditinRUN，然后点击取消复选标志。5.2系统仿真5.2.1S7-1200仿真步骤①选择CPU型号，要与项日PLC的型号相同;②插入对应的扩展模块；③点击“程序”—“载入程序”﹔④设置IP地址与使用的PLC为同一网段;⑤点击“运行”即可进行照明控制系统的仿真。由于客观等条件的限制，对智能照明控制系统进行合理的模拟调试。用MCGS触摸屏来模拟进行指令的输入，输出负载状态由指示灯进行模拟。观察输出的指示灯能否根据PLC程序进行相应得电。调试过程中观察指示灯显示状态是否满足控制要求。5.2.2系统仿真1）寒暑假期间照明控制仿真如寒假时无灯亮示意图5-1所示，时间为2月11日18时20分，处于我校的寒假期间，因此仿真示意图上显示照明灯具（红灯代表灯不亮）全部熄灭。图51寒假时无灯亮示意图2）第一时段仿真示意图如第一时段照明仿真示意图5-2所示，时间为3月27日19时30分，处于程序设计的第一时段，大部分学生集中在操场和教学楼，仿真结果显示教学楼区和体育馆的灯具全部打开（绿灯代表灯具打开），符合程序设定要求。图52第一时段照明仿真示意图3）第二时段仿真示意图如第二时段照明仿真示意图5-3所示，时间为3月27日22时12分，处于程序设计的第二时段，大部分学生集中在宿舍区，仿真结果显示宿舍区的灯具全部打开（绿灯代表灯具打开），符合程序设定要求。图53第二时段照明仿真示意图4）第三时段仿真示意图如第三时段照明仿真示意图5-4所示，时间为3月27日23时30分，处于程序设计的第三时段，学生基本都在宿舍休息，仿真结果显示教学楼和体育场的灯具全部熄灭（红灯代表灯具关闭），符合程序设定要求。图54第三时段照明仿真示意图根据系统仿真结果的综合所示，本课题所研究的基于PLC的智能照明控