基于PLC的校园照明智能控制系统设计(2)

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

4.3.2 分时智能控制程序编制 ........................................... 14 4.3.3 三时段控制程序 ................................................. 15 4.3.4 季节自动选择程序 ............................................... 15 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 ........................................................... 16 结束语 ................................................................... 20 参考文献 ................................................................. 21 附录 ..................................................................... 22 致谢 ..................................................................... 27

III

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

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，

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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。

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2 智能照明控制系统总体方案设计

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]。

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(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。 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

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