基于PLC的校园照明智能控制系统设计(3)

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

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个回路分断，也就是只有1/4的灯具点亮，对于

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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。

KM11QF1KM12KM13KM141#公共绿地1#草坪2#草坪3#草坪4#草坪KM21QFQF22#景KM23观KM24灯KM221#花坛2#花坛3#花坛4#花坛KM31KM32QF3右侧双数灯3#右侧单数灯KM33道路左侧双数灯KM34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和真空式两种。

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交流接触器的选择：

（1）持续运行的设备。接触器按67～75%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67～75A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116～120%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116～120A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，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。

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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。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15～20%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2～3个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC的I/O响应时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、

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可靠性高、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1所示。

表1 I/O地址输入/输出分配表

分类 名称 实时时钟输入 启动开关 输入信号 停止开关 冬春启动开关 夏秋启动开关 1#草坪 2#草坪 输出信号 3#草坪 4#草坪 地 址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 输出信号 分类 名称 1#花坛 2#花坛 3#花坛 4#花坛 右侧双数灯 右侧单数灯 左侧单数灯 左侧双数灯 9

地 址 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7

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