基于PLC的建筑设备自动控制系统设计照明控制系统设计.docx
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基于PLC的建筑设备自动控制系统设计照明控制系统设计
毕业设计（论文）
专业
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学生姓名
学号
课题基于PLC的建筑设备自动控制系统设计
——照明控制系统设计
指导教师
摘要
大学的电能消耗中，照明用电占有绝大部分，其中教室的照明容量大、工作时间长，且常常采用手动的控制方法，造成了浪费。
因此针对学生的生活学习规律对教室的照明进行了PLC智能控制。
本论文阐述了某教室的照明控制系统的设计思路、系统方案的选定、设备的选型、控制程序的编制与调试等等。
采用了PLC智能控制，系统稳定可靠完全满足教室的照明要求；根据PLC控制原理对其进行I/0分配和绘制照明系统流程图及编写教室照明智能控制系统梯形图控制程序。
最后经过模拟仿真运行能够实现教室内的智能化照明。
最终使灯具的使用寿命也有所提高,系统稳定可靠，完全满足了教室的照明要求，达到了预想的结果。
关键词：
PLC，节能，西门子STEP7-300，智能控制
Abstract
Attheuniversityofpowerconsumption,lightingelectricitypossessionforthemostpart,Theclassroomlightingoflargecapacity,longworkinghours,andoftenusemanualcontrolmethod,causedthewaste.ThestudentsforlifeoflearningrulePLCintelligentcontroloftheclassroomlighting.
Thispaperexpoundssomeclassroomlightingcontrolsystemdesign,selectionofsystemscheme,equipmenttypeselection,controlprogramcompilinganddebuggingandsoon.adoptedPLCintelligentcontrolsystemisstableandreliablecompletelysatisfytherequirementoftheclassroomlighting;AccordingtotheprincipleofPLCcontrolontheI/0distributionandmappinglightingsystemflowchartandladderdiagramwritingclassroomlightintelligentcontrolsystemcontrolprogram.Finallythroughthesimulationoperationcanbeachievedwithintheclassroomintelligentlighting.Eventuallymakeitalsoimprovedtheservicelifeoflampsandlanterns,thesystemisstableandreliable,completelysatisfyingtherequirementsoftheclassroomlighting,toachievethedesiredresults.
Keywords:
PLC,energysaving,SiemensSTEP7-300,intelligentcontrol
基于PLC的建筑设备自动控制系统设计
——某教室的PLC照明控制设计
1绪论
1.1课题的背景及意义
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宇自控中，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。
但是几年来，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较多。
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。
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。
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。
本次设计课题结构特点明确，涵概面广。
在整个设计过程中，我得到了毕业设计指导老师孜孜不倦的指导，也深切体会到科学严谨的设计思想。
由于本人设计经验有限，不妥和错误之处，恳请各位老师指正。
1.2PLC在国内外的研究情况
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，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。
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。
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。
可以预期到，PLC将来在我国会有更广阔的发展空间。
2PLC简介
2.1PLC定义和分类
可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）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置。
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。
PLC按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。
其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等；韩台系列具有代表性的为LG、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等；
按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。
大型机一般I/O点数>2048点；具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量8～16K，具有代表性的为西门子S7－400系列、通用公司的GE－Ⅳ系列等；中型机一般I/O点数为256～2048点；单/双CPU，用户存储器容量2～8K，具有代表性的为西门子S7－300系列、三菱Q系列等；小型机一般I/O点数<256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下，具有代表性的为西门子S7-200系列、三菱FX系列等；
按结构分，可分为整体式和模块式。
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型PLC一般采用这种整体式结构。
模块式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等；扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
按功能分，可分为低档、中档、高档三类。
低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能；有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等；高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
2.2PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（4）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3PLC的结构
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
2.3.1主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2.3.2输入/输出（I/O）接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
2.3.3电源
图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
2.3.4编程器
编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。
2.3.5输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。
2.3.6外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
2.4可编程控制器的性能指标
（1）I/O点数
I/O点数是评价一个系列的PLC可用于何等规模的系统的重要参数，通常厂家的技术手册都会给出相应的PLC的最大数字I/O点数，以反映该类型PLC的最大输入、输出规模。
（2）存储器的容量
厂家提供的存储容量指标一般均指用户程序存储器容量，体现了用户程序可以达到的规模。
一般以KB（千字节）、MB（百万字节）表示，有些PLC的用户程序存储器需要另外外插的存储器卡，或者可以存储卡扩充。
（3）扫描速度
扫描速度指标体现了PLC指令执行速度的快慢，是对控制系统实时性能的评价指标。
一般用ms/k单位来表示，即执行1K步所需时间。
（4）内部寄存器
内部寄存器用于存放中间结果、中间变量、定时计数等数据，其数量的多少及容量的大小直接关系到编程的方便、灵活与否。
（5）指令系统
指令种类的多少是衡量PLC软件系统功能强弱的重要指标，指令越丰富，用户编程越方便，越容易实现负载功能，说明PLC的软件系统功能越强。
（6）特殊功能及模块
除基本功能外，评价PLC技术水平的指标还可看一些特殊功能，如自诊断功能、通信联网功能、远程I/O能力等，以及PLC所能提供的特殊功能模块。
例如，高速计算模块、位置控制模块、闭环控制模块等。
（7）工作环境
PLC对工作环境有一定的要求，应尽量避免安装在有大量粉尘和金属屑的场所，避免阳光直射，避免有腐蚀性气体和易燃气体的场所，尽量避免连续的震动和冲击，PLC适宜的温度范围通常为0~55℃，对适度的要求是小于85％（无结露）。
3.设计的主要内容和要求
3.1主要内容
本设计采用S7-300控制器控制照明系统根据教室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的设计和软件的设计。
硬件设计主要包括PLC的选型和PLC外部连线。
软件设计根据控制的要求对教室的不同区域、照度的不同等进行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教室照明系统的要求。
3.2技术要求
（1）当教室无人时所有的灯都自动关闭；
（2）当教室有人且照度达不到设定的要求时自动打开人所在区域的灯；
（3）当教室有人且照度达到设定的要求时自动关闭人所在区域的灯；
（4）对于使用投影仪的多媒体教室，可以实现在投影仪开启后延时一定时间，自动关闭讲台区域对应的灯以达到较佳的视觉效果。
3.3PLC工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
4智能照明的总体方案设计
在设计前，对教室的采光情况以及教室的使用情况进行了实地调查和分析，掌握的一手资料，仅以教学楼某一教室为例进行分析，由于该教室为单面采光，所以教室中会有不同区域光照程度差别很大的现象，而且由于教室学生的流动性大以及就坐位置的不确定性，故设想将教室分为不同的区域，利用红外探测器以及光照传感器对整个教室进行分区控制，以最大程度地达到节能目的。
红外探测器安装在门口或能有效的覆盖该区域探测范围的地方，光照传感器安装在每个区域光照较暗的地方。
对于有时候需要用多媒体教室播放教学影片的情况，可以在讲台区域方便的地方安装1个控制按钮以手动的方式给PLC提供信号使开始放影时关闭教室灯光，放影完毕时打开教室灯光，以适应实际的要求。
每个区域分别安装一个红外探测器和一个光照传感器且设置其动作。
安装在每个区域的体存在传感器和光照传感器是独立工作的，它们之间互不影响，一个故障不影响其它的工作。
同时还需要设置一些时间段去控制教室灯的开通与关闭，如早上7—18点需要照度计工作，18—23点不需要照度计工作。
讲台区域（5）
区域1（前排左）
区域2（前排右）
区域3（后排左）
区域4（后排右）
图1传感器在教室中的分区控制图
4.1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硬件设计
5.1选择PLC类型
系统的设计要从保证系统的可靠性、实用性和可扩展性等方面入手。
本控制系统采用可靠性和可扩展性很好的西门子S7-300PLC系列的PLC作为控制器，对于每个教室输入点主要来自以下四个方面：
启动开关、停止开关、体存在传感器和光照传感器；输出点主要输来自每个教室五个区域的灯。
根据输入输出点数选择CPU314模块。
用红外探测器和光照传感器作为检测装置来检测教室中是否有人和教室的光照强度。
图2控制系统框图
5.2PLC外部连线图
PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。
教室照明智能控制外部接线图如图3所示。
图3教室照明智能控制外部接线图
5.3光照传感器
光照强度一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。
设面元dS上的光通量为dΦ，则此面元上的照度E为：
E=dΦ/dS。
照度的单位为lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。
照度表示物体表面积被照明程度的量。
光照传感器是采用先进光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，再经调理电路将此电压值转换为0～2V或4～20mA。
本次的设计通过光照传感器采集到的光的强度在通过PLC的编程，来判定教室内的光是否能够满足学生的正常学习和生活。
5.4红外探测器
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。
本次设计主要是针对红外热效应；当有人坐在教室的某个区域内红外探测器就能通过红外探测器探测到从而输出给PLC。
这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。
探测器是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。
在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。
当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。
接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。
通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。
接近探测系统的主要优点是多用性和通用性，它几乎可用来保护任何物体，而且不会被几米以外的干扰所激发。
一旦有人靠近或接触到珠宝箱、文件柜、门窗准备行窃时，便会触发报警，但在附近的正常业务工作可以照常进行。
6PLC软件设计
6.1PLC的编程原件
PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。
PLC的运行状况如下：
初始化程序
其作用是清零各个标志寄存器，清零输入/输出映像寄存器，清零各计数器、复位定时器等，为PLC开始正常工作“清理现场”。
CPU自诊断
自诊断主要包括检查电源电压是否正常、I/O单元的连接是否正常、用户程序是否存在语法错误、对监控定时器定期复位等。
通信信息处理
这个阶段PLC要完成与网络及总线上其他设备的通信任务，包括与PLC、计算机、智能I/O模块、数字处理器（DPU）等设备之间的信息交换。
外部设备服务
PLC在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。
PLC允许在线编程，能够与人机界面实时交换信息，所以要在每个循环周期内执行此项操作。
PLC的编程元件也称为逻辑部件，是PLC指令系统的基本要素，PLC指令系统通常提供以下逻辑部件。
（1）继电器
输入/输出映像寄存器里的每一位在指令系统中都对应一个固定的编号，在图形编程语言（如梯形图语言）中形象地用继电器线圈来表示，因此也常称为输入继电器、输出继电器。
同时也为了满足对复杂逻辑关系的编程要求，还提供大量的中间辅助继电器，它们也对应存储器中的某一固定区域。
这些继电器都是所谓的“软元件”，他们的状态也用一个二进制位就可以表示，1对应的ON状态，0对应的OFF的状态，在用户程序中可以无限次使用他们常开、常闭触电。
（2）定时器
类似于继电-接触器逻辑电路中的时间继电器，有延时接通、延时断开、脉冲定时等多种方式，可以组成复杂的时间逻辑顺序逻辑。
定时器指令一般由线圈、定时时间设定值和当
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