杨波 基于PLC路灯控制系统(2)

统数控稳压器的电子开关矩阵等，调整变压器的TAP用来调节输出功率。特点是具有数字化智能控制、具有软启动/停止的特性、模块化设计、可编辑程序控制参数、全自动补偿功能、高精度、高效率、高速度、高可靠、免维护长期稳定工作、低噪音等。

智慧型补偿式灯节能控制系统是专为路灯控制系统设计的节电器，路灯节能控制系统主要由智慧型有级功率调节器与可编程节能控制系统组成，它针对高压钠灯等气体放电灯具的特点，利用当今先进的微电脑技术对灯具的电源进行优化的调控，使灯具控制器件执行合理的点亮程序，极大的延长灯具寿命、减少电能的浪费。产品技术档次达到世界的先进水平，具有较高的性能和价格比。 它的特点是采用数字计算机智能控制，可程序设定控制节电参数，功率调节不断流，旁路转换不断流 ，结构紧凑，体积小，无机械调节结构，稳定可靠，免维护长期稳定工作。

2 控制系统设计方案

2.1 PLC介绍

自1969年第一次出现在市场上可编程控制器，可编程控制器已经成为一种最受欢迎的、应用在大多数工业控制器中。

在电厂、炼钢等除尘设备中，传统的手动操作已远远不能获得好的控制品质。目前，在电气控制领域，国内外普遍采用PLC。特别是最近几年的冶金行业中，PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，是实现机电一体化的理想控制设备。随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支柱(PLC，ROBOT，CAD／CAM)的主导地位。

可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装臵。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

目前，可编程控制器厂家众多，产品型号规格不计其数，但主要分为欧洲、日期、美国三大地方。在中国的市场，欧洲的可编程序控制器的代表是西门子

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PLC。PLC具有很广泛的用途、操作方便、适应面广，可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等很多特点。可编程序控制器(PLC)在工业自动化控制是专门在时序控制地位，在可预见的将来，将是无法替代的。 2.2 高压钠灯介绍

高压钠灯是现在常用的一种路灯，高压钠灯在使用时发出金白色光，是具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培等场所。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明场所。

高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏—安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路元件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。电阻器、电容器、电感应器等均有限流作用。 电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，在交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。 电感性镇流器损耗小，阻抗稳定，阻抗菌素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。

高压钠灯启动之后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候，灯泡工作电压是很低，电流是很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度也渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管的冷端温度达到稳定，放电便会趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常的工作状态。在正常的工作条件下，整个启动的过程约需 10 分钟左右。

在高压钠灯工作的电路中除了灯泡外，还要必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡 + 镇流器或灯炮 + 镇流器 + 触发器的工作电路，方可达到高压钠灯的正常工作的要求。

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镇流器Port钠灯泡触发器Port 图1 高压钠灯电路

2.3 控制系统方案 2.3.1 方案论证

目前路灯控制方法可以分为以下几类：

自控型又分定时器控制和光控器控制两种方法，自控型照明控制器的优点是设备投资少、安装和维修简单灵活。时控法以时间为唯一的开、关灯控制依据，但随季节变化，就需要人工干预来调整开、关时间，所以存在对环境光照度的变化适应能力差的缺点。而光控法则是按光照度的差异来控制开、关灯的，则易受粉尘、雨雪污染使灵敏度降低，且功能单一，开关动作不统一，控制不灵活，随时需要人为干预等缺点。

有线型路灯控制在路灯系统中架设电源线缆和控制线缆的控制方法，由控制中心来集中控制，这种方案其优点是控制准确，动作可靠，能应用计算机技术进行多层次、多任务控制，缺点是设备投资大、故障易发点多、维护也困难。

常规无线数传电台控制系统都是利用常规无线电台的收发信道作为载体，采取双音多频作为控制信令来达到控制照明灯开关的目的。常规的无线电台控制系统的优点是技术成熟、布点灵活、安装方便、功能扩充性好，也可实现双向通信，缺点是易受到干扰、控制组合较少、主控电台的射频发射功率被限制在10W 以下，受控区域小、容易造成人为误动作和恶意操作，设备投资大，性价比低。

本设计主要研究内容是利用PLC实现路灯自动监控系统能按时间以及光照度的差异来控制开、关灯的；通过一般交通情况按时间来控制灯的亮度，节约路灯使用电能及延长灯具的使用的寿命,而且减轻维修工作量和减少运行费用；具有检测灯的工作状态，具有一定的电路保护功能；确定故障位臵，有故障报警功能；灯具采用高压钠灯。 2.3.2 设计方案

路灯控制的控制方法很多，都是为了控制方便，还有美化城市，节约电能，节约人力物力等成本资源。但是按照每天日照的时间，日出的时候熄灭路灯；日落的时候点亮路灯。 在一年四季中，难免有天黑得过早的时候，这个时候如果

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没有相应的应急措施， 将会给交通带来不便。可以再控制系统中设臵一个亮度检测装臵就能解决该问题。

据调查,城市道路的人流量和车流量在晚间7一12 时是均值较高的时段，而12 时过后的人流量和车流量则会显著降低,与之相对应的是对光照要求和实际用电需求也应有所降低，按照规定的设计标准照度照明对方便人们的夜生活和维护城镇的治安等是非常必要的，而12 时过后的人流量和车流量则会显著降低,与之相对应的是对光照要求和实际用电需求也应有所降低，夜深人静，保持原设计的照度的照明就是一种浪费。

然而随着季节的更迭，路灯的点亮和熄灭时刻也应当是不一样,那么就需要一种系统来控制路灯在不同的季节有不同的点亮和熄灭的时间。在一年四季中，难免会由于天气变化而天黑得过早的时候，或者亮的过早过晚的时候，这个时候如果没有相应的应急措施，也将会给交通带来不便。可以再控制系统中设臵一个光照亮度的检测装臵。利用时间控制为主，再以亮度检测装臵进行辅助控制。达到最佳的效果。

路灯的控制方法多为“钟控”和“光控”。“钟控”不适应季节的变化与天气突变等自然情况；“光控”容易受外部环境的干扰，灵敏度低且可靠性也较差，二者单独使用都不能实现控制开关灯的合理化、科学化。只有二者结合设计，才能使路灯的控制更加科学更加合理。 2.3.3 结构框图

根据以上条件，PLC路灯控制系统的组成有plc及其外围，亮度检测装臵，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装臵，电流检测电路，报警及指示电路等。其组成框图结构如下，

路灯控制装置时间调整电路亮度检测电路PLC时间显示电路状态检测电路报警及指示电路

图2 控制系统组成

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基于PLC的路灯控制系统，完成的任务是实现路灯的自动开启和关闭，当夜晚（或光线较暗）来临时，且处于交通高峰期时，路灯全部开启，交通高峰期过后，进入按比例开启，午夜按2/3，凌晨时段按1/3，可检测任意一路灯的工作电流，当路灯发生漏电故障可以实现报警，并显示该路灯的位臵。

3 硬件电路的设计

PLC路灯控制系统的组成有plc及其外围，亮度检测装臵，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装臵，电流检测电路，报警及指示电路等。 3.1 西门子S7-200PLC的介绍

本设计选用的PLC是西门子S7-200 ，S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一种小型的PLC。它的优点紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。

S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU与各种可选择的扩展模块，可以十分方便的组成不同规模的控制器。其控制的规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便的组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，完成规模更大的工程。

S7-200的STEP-Micro/WIN32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可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。

目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种PLC。档次最低是CPU221，其数字量输入点数只有6点，数字量输出点数只有4点，是控制规模最小的PLC。档次最高的应属CPU226，它集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量I/O，最多可连接7个扩展模块，最大可扩展至数字量I/O256点或模拟量I/O64路。

CPU226本机集成了24点输入/16点输出，共有40点数字量I/O，最多可连接7个扩展模块，最大可扩展至数字量I/O256点或模拟量I/O64路。CPU226有16KB程序和10KB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。CPU226配有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通信、MPI通信和自由通信方式能力，用于较高要求的中小型控制系统。

本系统采用继电器输出，故在此只介绍DC输入继电器输出的CPU226接线方法。西门子 CPU226DC输入端中1M、0.0~1.4为第1组，2M、1.5~2.7为第2组，1M、2M分别为各组的公共端。

继电器输出端由3组构成，其中1L、0.0~0.3为第1组，2L、0.4~1.0为第2组，3L、1.1~1.7为第3组。各组的公共端为1L、2L、3L。

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