基于plc路灯控制系统毕设论文.docx

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基于plc路灯控制系统毕设论文

摘要

随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。

节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。

公共照明系统广泛采用高压钠灯或金属卤化物灯传统照明系统经常采用电感镇流器，

本文将介绍基于PLC的路灯控制系统。

本文设计基于PLC的路灯监控系统根据时间的变化，控制路灯的明亮程度。

同时考虑到不同的季节天气等的变化的实际情况，以亮度检测控制辅助，达到更合理的目的。

关键词：

PLC，亮度控制，定时控制

StreetlightmonitoringsysteminthePLC-baseddesign

Abstract

Alongwitharithmeticfiguretechniquewithtechnicaldevelopmentinnetwork,thepubliclightingarithmeticfigureturntoturntohavebecomeakindofinevitabletrendwiththenetwork.Economyenergy,guaranteethelamplifespan,increaseilluminatetomanagethelevel,beautifythecitynightmeasureswithguaranteenighttimeincityoutlinesafetyetc.,havebecometoabasicrequestofthepubliclightingsystem.Theextensiveadoptioninsysteminpubliclightinghighpressurelightmetalsturnsthethinglighttraditionilluminatesthesystemtousuallyadopttheelectricityfeelsthetownflowsthemachine,illuminatinglamptheadoptionunifyswitchcontrolcase.

ThisarticlewillintroducethestreetlampcontrolsystembasedonPLC.Inthispaper,thedesignbasedonPLCstreetlampmonitoringsystemaccordingtothetimechange,controlthestreetlampbrightdegree.Takingintoaccountthedifferentseasonalweatherchangesintheactualsituation,tobrightnessdetectioncontrolauxiliary,achievemorereasonablepurpose.

Keywords:

PLCbrightnesscontroltimingcontrol

1绪论

路灯控制是市政建设的一项重要内容，为了高效的进行路灯管理，各国都不断的进行研究，利用各种先进技术，提高路灯的控制效率，保障路灯的可靠运行。

目前国内的路灯控制器生产的品牌很多，路灯控制器集电磁技术、智能化控制技术、数据控制技术于一体，在可控和平缓的方式下智能调节，使输出电压稳定在设定的额定值范围之间，路灯控制器实现公共照明系统的工作电流与亮度需求的理想结合，达到控制方便可靠与节电和优化供电目的，根据一年四季变化规律与经纬度算法计算日出日落时间而且有开关时间微调和半夜控制功能，从而能适应不同地理环境的需要。

1.1课题背景

随着科学技术的不断发展、城市规模的急剧膨胀，城市照明已经不仅局限于街道的照明，社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的及时性、路灯的节能要求也不断的增高，这样集现代计算机技术、无线电通信、测控技术、路灯电力节能于一体的城市照明节能、自动监控和管理系统也就应运而生了。

随着现代科技的日益发展和人们生活水平的不断提高，绿色照明已经成为当今照明界发展的一种趋势，科学的控制路灯，不仅可以满足人们行路行车的安全，还能节约电能及延长灯具的使用寿命,从而减轻维修工作量和减少运行费用。

目前能源节约和环保问题越来越被世人所关注飞速发展的经济对能源的要求相当迫切中国面临的问题更加突出。

随着城市化进程的推进，城市的路灯照明对电能的消耗与日俱增。

据统计,我国城市公共照明占照明耗电量30%左右,约440亿度。

如果按市场平均电价0.70/度来计算，一年耗费大约310亿元,给国家的经济发展带来巨大的开支。

因此，道路照明节能技术的推广意义重大。

路灯节能应该从两个方面来考虑,一是使用效率高、寿命长、安全性能稳定的照明灯具。

目前国际上在路灯节能领域采用主要的方法是降压和降流两种技术,一般均可实现节约电能20%以上。

二是开发节能控制系统，就是通过控制系统来对路灯的起、停、节流时间进行控制,在人流非高峰期时进行节流节能，从而避免不必要的电耗。

想要让路灯亮起来，让城市亮起来，而且亮得更科学，亮得省电省钱，则必须依靠科技创新，采用新技术，大力开发节能的高新技术产品，制定相应的新产品来推广应用配套政策，推动我国道路照明节电节能工作的全面展开。

使路灯管理智能化、规范化，提高管理水平和工作效率；使工作人员从繁复的“巡检”工作中解放出来，减少维护和更换灯具对道路运行安全的影响；给用户提供良好服务和安全保障的同时也提高大桥安全系数。

路灯控制系统通过配电箱内的智能控制器对照明灯进行监控，实现全线照明灯开启/关闭；路段照明灯开启/关闭；照明灯气象信息联动（需气象参数采集单元）等功能；不仅为节约电能，节约人力、物力提供了有效手段，同时也为提高城市现代化形象，保证道路交通安全等级，实现良好的社会效益。

1.2国内外的发展现状

为了高效的进行城市的路灯管理,世界各国都在不断地研究，利用各种先进的技术手段进行城市路灯监控。

目前对于路灯监控系统的研究。

美国某公司在道路照明系统使用嵌入基于载波芯片的智能控制器、基于LonWorks技术的电子镇流器替代低效的机械镇流器，构建实现单个路灯控制功能的路灯解决方案。

同时在配电柜中加装智能服务器在网络中起到分段控制的作用。

智能服务器是整个路灯控制系统的核心设备，负责接收路灯控制中心的指令，控制路灯电子镇流器，并将数据实时上传到WEB服务器。

电子镇流器和智能服务器之间通过现有的动力线缆相互通信。

此方案采用电力载波的方式，只有在路灯线路基本都是专用变压器、线路比较干净、杂波少时，才便于电力载波通讯。

但是不适合公用变压器的路灯线路，因为居民用电和工厂用电都在其中，线路上杂波信号比较强，信号不稳；也不适合超长线路（通常电力载波的有效距离是500米）的情况，因为路段本身比较长（大于1Km）时钠灯数量多，导致补偿电容大量吸收中频（100kHz~300kHz）的载波信号，进而使通讯受到影响。

由于中国电力的特性，电力载波技术不适合中国的电力国情。

同时此公司路灯控制系统费用较贵，一台智能服务器价格为5000元，可控制140盏路灯，每盏路灯中需安装一个电子镇流器，每台电子镇流器为1000元。

相比而言，本系统GPRS-ZIGBEE路由器价格在和对方等同的情况下至少可以控制到上万盏路灯（具体安装视具体情况而定），每个ZIGBEE终端控制器的价格也仅为几百元左右。

 美国另一公司作为研发无线射频模块的公司，将GPRS+ZIGBEE技术应用于远程抄表系统，并没有将这种技术应用于城市路灯照明。

其应用于路灯控制系统的技术与本系统不同，需要通过有线的以太网方式将所需要控制的路灯连接在一起，然后通过GPRS网络连接到远程监控中心。

这种方式最大的不足在于安装系统时需要布线，施工复杂。

1.3节能控制系统

目前能源节约也是当前关注的一个重要问题，常见的路灯节能控制系统有，RLD数控式路灯节能控制系统，他路灯节电控制系统主要由自主知识产权的数控稳压技术（AVR）以及可编程节能控制系统等组成，调节方式由节能控制系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

2.1PLC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。

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。

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；确定故障位置，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置一个亮度检测装置就能解决该问题。

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置一个光照亮度的检测装置。

利用时间控制为主，再以亮度检测装置进行辅助控制。

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，亮度检测装置，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装置，电流检测电路，报警及指示电路等。

其组成框图结构如下，

图2控制系统组成

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，并显示该路灯的位置。

3硬件电路的设计

PLC路灯控制系统的组成有plc及其外围，亮度检测装置，时间调整电路，时间显示电路，路灯控制装置，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。

在plc的输入口各个旋钮开关，按钮开关一头接入plc的输入点，一头接24V+，其中24V+来自plc的输出24V电源。

输入端的公共端M1,M2和M端相连。

为了便于维护，和器件的安全，输出端的控制没有直接和负载连接，而是通过中间继电器相连，其中中间继电器全部采用2P的24V中间继电器，中间继电器的供电电压来自24V电源模块。

图3PLC接线图

3.2亮度检测装置

亮度检测电路是作为路灯开启与路灯关闭的一个辅助的控制开关。

在夜幕降临的时候，即天黑到一定的程度的时候，而对时间控制系统来说还没有达到规定的开灯时间，但这时也要要求路灯开启，进入第一种工作状态。

在早晨天亮时根据亮度变化把路灯关闭，但后面还有时间控制，即使亮度检测失误，当达到一定的实际时间，路灯在时间控制下关闭，进入下一工作状态。

常用的光探测器件很多，本设计用的是硫化镉（Cds）光敏电阻，它是由半导体材料制成的。

当光照射到光敏电阻的时候，光子被Cds半导体物质吸收，激发出更多的电子空穴对，使载流子数目增加，从而导致光敏电阻阻值（暗阻）在1~10MΩ之间；在强光条件下，电阻的阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

本电路是利用光敏电阻作为光探测器件。

电路如图所示，在由电阻R1、光敏电阻Cds和可调电阻W组成的分压偏置。

电路中，当A点电压低于晶体三极管基极的导通电压时，晶体三极管BG1、BG2都处于截止状态，发光二极管LED不发光，表示继电器J处于释放状态，继电器J的常闭触点接通。

当照射在光敏电阻Cds上的光强增大时，使光敏电阻阻值减小，分压偏置电路中的A点电压升高，当超过三级管导通电压时，晶体三极管BG1、BG2都导通，发光二极管LED亮；继电器J吸合，常闭触点打开。

图4亮度检测电路

3.3时间调整电路

为了实现路灯可靠的控制，系统设有时钟电路作为路灯开启与关闭的参考时间，而此参考时间则必须与实际时间相同，系统开机后的时间自然是与当前的实际时间不同的，通过时间调节来改变时间。

时间调节由四个按钮开关组成，分别是调整时十位，时个位，分十位，分个位。

系统设有时间总开关。

按钮开关一头接入plc的输入点，一头接24V+，其中24V+来自plc的输出24V电源。

3.4时间显示电路

系统时间显示由cd4511和数码管组成。

数码管采用共阴极数码管，由四个七段数码管分别显示时十位，时个位，分十位，分个位。

用PLC中的特殊继电器SM0.5来提供秒脉冲信号，秒脉冲通过一个发光二极管进行指示。

Q0.1输出秒脉冲，Q0.1，Q0.2，Q0.3，Q0.41输出时间显示BCD码。

Q1.0，Q1.1，Q1.2，Q1.3输出显示选通信号。

显示电路如下：

显示译码器CD4511是一个用来驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED数码管。

图5CD4511引脚图

其功能介绍管脚如下：

     BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管都处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

     LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码的输出全为1，不管输入DCBA状态是如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要是用来检测数码管是否损坏。

    LE：

锁定控制端，当LE=0的时候，允许译码输出。

LE=1的时候译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

     A1、A2、A3、A4、为8421BCD码的输入端。

     a、b、c、d、e、f、g为译码的输出端，输出为高电平1有效。

图6时间显示电路

3.5电流检测电路

这个电路是交流电流检测电路，交流电流通过变压器TR1初级线圈感应到TR1次级线圈，过流时会造成晶体管动作，直到切断电源。

现在大部分的路灯都是高压钠灯。

它是由放电灯管、镇流器、触发器等组成。

高压钠灯的工作电路包括镇流器、电源和灯（包括触发器）等，三者之间的关系是不满足直角三角形，所以灯不属于纯电阻器件，而是感性器件，高压钠灯电源、镇流器和灯之间电压和阻抗的数学模型为：

（1）

（2）

式中：

U为电源电压，

为镇流器电压，

为灯电压，Z为输人阻抗，

为镇流器阻抗，

为灯阻抗，x、y是与灯效率有关的系数。

镇流器也不是纯电感器件，存在一个小的线圈铜电