基于PLC的校园节能路灯设计分析.docx
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西华大学毕业设计说明书
校园路灯的节能控制系统
摘 要：
校园路灯的节能控制是节能建设的一项重要内容，为了高效的进行校园路灯管理，本设计提出了一种基于三菱PLC的校园路灯节能控制系统设计方案。
本设计
主要应用于路灯的节能控制领域。
整个系统主要分为五大模块即：
传感器检测模块、时间调整和显示电路模块、强弱电配电模块、PLC控制电路模块、上位监控模块。
本设计实现了以下功能，当傍晚时间和光照同时满足要求时校园路灯全部开启，进入第一种工作模式；当夜深人静时间到达1:
00后路灯全部关闭变为由声音和压力共同控制路灯的开关，进入第二种工作模式；当天亮后路灯全部熄灭，声音和压力传感信号也不再起作用。
本设计利用PLC作为控制系统，采用了多模式工作来控制路灯的开启和关闭，最终实现了校园路灯节能控制的目的。
关键词：
校园路灯节能，三菱PLC，上位监控，多模式工作
Abstract:
Thecampusstreetlampenergy-savingcontrolisanimportantcontentoftheconstructionofenergy-efficient,fortheefficientofcampusstreetlampmanagement,thedesignputforwardadesignwhichbasedonMitsubishiPLCcampusstreetlampenergy-savingcontrolsystem.Thisdesignismainlyusedintheenergysavingcontrolofstreetlamps.Thewholesystemisdividedintofivemodules:
sensordetectionmodule,timeadjustanddisplaycircuitmodule,thestrengthofelectricalpowerdistributionmoduleandPLCcontrolcircuitmodule,monitormodule.Thedesignandimplementationofthefollowingfunctions,thelightallopenwhenthetimeandlightmeettherequirementsofcampusstreetlampatthesametime,thisisthefirstmode;wheninthestillofnighttimearrivedat1:
00thelightsareclosedbysoundandpressurecontrolstreetlampswitch,toenterthesecondmodeofwork;whendawnlightsallwentout,soundandpressuresensorsignalwillnolongerwork.ThisdesignusesPLCasthecontrolsystem,usesthemultimodeworktocontrolthestreetlamp'sturnonandtheturnoff,andfinallythisdesignrealizesthecampusstreetlampenergyconservationcontrolgoal.
Keywords:
Campusstreetlampenergysaving,MitsubishiPLC,Uppermonitoring,Multimodeoperation
目 录
1前言 1
2系统总体方案设计 2
2.1方案比较 2
2.1.1方案一的设计 2
2.1.2方案二的设计 3
2.1.3方案三的设计 3
2.1.4方案四的设计 3
2.2方案论证与选择 4
3单元模块设计 6
3.1光敏传感电路设计 6
3.2声音传感电路设计 7
3.3压力传感电路设计 8
3.4时间调整和显示电路设计 9
3.5PLC硬件电路设计 10
3.5.1输入输出端口分析 10
3.5.2电气主电路接线图设计 11
3.5.3PLC端口接线图设计 12
3.6三菱FX2N-48MRPLC介绍 14
4系统软件设计 16
4.1编程软件介绍 16
4.2编程方案选择 16
4.2.1经验设计控制法 16
4.2.2顺序控制设计法 16
4.3程序总流程图设计 17
4.4时间子程序设计 19
4.4.1秒脉冲程序的设计 20
4.4.2分显示程序的设计 20
4.4.3时显示程序的设计 21
4.4.4数字显示原理 23
4.5路灯控制子程序设计 25
5易控上位演示界面设计 26
5.1易控软件介绍 26
5.2系统易控演示功能设计 27
5.2.1易控演示画面设计 27
5.2.2实时数据库的变量设置 27
5.2.3动画连接 28
5.2.4用户程序的编写 28
5.2.5通道连接 29
5.3组态软件与PLC连接 31
6系统调试 35
6.1PLC梯形图的仿真调试 35
6.2易控组态监控系统独立调试 36
6.3系统联调 36
7结论 37
8总结与体会 38
9致谢 39
10参考文献 40
附录1：
PLC端口接线图 41
附录2：
系统上位运行图 42
附录3：
系统PLC程序梯形图 43
附录4：
外文资料翻译 47
西华大学毕业设计说明书
1前言
近年来随着能源的急剧紧张，“节能”这一话题成为了各行各业的一个重要的关注话题。
能源节约和环保问题越来越被世人所关注，对于我国来说飞速发展的经济对能源的要求所面临的问题就更加突出。
校园路灯的节能控制是节能建设的一项重要内容，为了高效的进行校园路灯管理，各国都在不断的进行研究，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。
现在城市化的程度越来越高，而路灯一般采用的是高压钠灯，因此路灯在日常生活和校园电能的消耗中占有的比例也越来越重，根据相关资料显示，路灯在城市生活中的电能消耗比例基本上占到了30%左右。
而在我们的日常校园生活中我们不难发现，有时校园路灯在该开启时没有开启，而在夜深人静的时候很多灯在无人时又全部开启的，这就浪费了大量的能源。
因此，校园路灯节能问题是值得研究和重视的，校园路灯的节能控制的推广对于节约学校的开支和节能减排都有着极其重大的意义。
校园路灯的节能问题一般应从两个方面来思考和解决,一是使用效率高、寿命长、安全性能高的照明灯具。
另一方面是开发高效的智能控制系统，通过合理的路灯开启和关闭来降低能源的损耗，在人流量和车流量高峰期开启路灯实现人们的安全出行，而在深夜无人时可采用其他的控制方案，来达到节能的目地。
本次的设计就是从开发更加实用的智能控制系统这个方面来达到节能设计目地的。
根据了解，目前国内外在校园的路灯的控制方面主要有以下几种方式：
自控型路灯控制系统、有线型路灯控制系统、常规无线型数传电台控制系统。
随着现在城市化程度越来越高，校园的路灯控制也越来越复杂，以上几种控制方式已经越来越不能满足节能控制的目地。
基于对以上控制系统的优缺点的分析，本次设计提出了一种基于三菱PLC的多模式校园智能节能系统的设计。
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2系统总体方案设计
本次系统设计的总体要求是利用PLC技术，通过声音、压力、光照强度、时间等因数控制路灯的开关、亮暗，以达到节能的目的。
系统设计的功能要求为：
1）通过PLC组成控制系统实现校园路灯的节能控制；
2）利用声音传感器和光敏传感器完成路灯的数据采集；
3）设计出软件框图并编写程序调试运行；
4）编写上位机程序，完成显示操作界面；
5）完成易控上位监控设计并演示实现的功能；
2.1方案比较
2.1.1方案一的设计
对于校园节能路灯的控制系统方案一为采用单片机作为控制中心，单片机控制方式的优缺点如下：
1）单片机具有低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗的优点。
2）具有高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用。
3）单片机内部有ROM结构，以便小批量生产，减少MASK风险。
4）单片机的程序开发具有程序保密功能，防止拷贝，保护成果。
5）拥有方便的开发工具即仿真器与烧入器
但在工业控制中其抗干扰能力弱，并且需要单独设计系统的电源，使得系统稳定性和可靠性不高，其系统的维护与跟新换代也比较麻烦，这是其最大的缺点。
单片机控制的系统结构图如下图2.1所示。
计算机
单片机
强弱电配电箱
路灯组
图2.1单片机控制系统结构框图
第46页
2.1.2方案二的设计
时间调整电路
PLC
时间显示电路
路灯组
方案二节能路灯的控制方法为采用PLC作为控制系统的时间因素控制法。
但结合实际的校园生活调查情况来看时间单模式控制法不适应季节的变化和天气情况突变等自然情况。
因为一年四季的黑夜到来时间不一，这样单独以时间作为控制因素的话，就使得系统的控制过于复杂，并且很不实用。
有时天气的影响也会使得黑夜提前到来，如果此时校园路灯不能及时开启的话将会对校园行人的安全带来极大影响。
此方案的系统框图如下图2.2所示。
强弱电配电箱
2.1.3方案三的设计
图2.2PLC钟控法系统结构框图
光敏检测电路
PLC
强弱电配电箱
路灯组
方案三节能路灯的控制方法为采用PLC作为控制系统的“光强控制”法。
但“光强控制”法容易受外部环境的干扰，比如有时遇下雨多云的天气，光照强度就会达到傍晚路灯开启的条件，路灯就会开启，但此时往往又是不需要开灯的。
并且光控法灵敏度低且可靠性也较差。
光控法的系统框图如下图2.3所示。
2.1.4方案四的设计
图2.3PLC光控法系统结构框图
方案四为采用PLC作为控制系统的“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”
多因素综合控制的校园路灯节能控制系统。
结合各高校的校园生活来看，校园道路的
人流量和车流量在夜间19:
00一1:
00是最高峰的时段，而在凌晨1：
00过后的人流量和车流量则会显著的降低，基本无人和车辆通行。
因此这种情况下对光照强度的要求和实际用电需求也应有所降低，不必开启全部灯。
但根据实际的情况来看，在深夜各校园的路灯基本都是全亮的。
因此，当夜深人静时，保持原有设计的照度的照明就是一种浪费，此时就可以利用声音加压力来控制路灯的自动开关。
压力传感电路
声音传感电路
光敏传感电路
时间调整电路
C
L
P
时间显示电路
易控监控界面
根据上述问题，提出了以下方案，通过双条件开启路灯，并结合声音和压力在深夜的时候自动的开启和关闭路灯。
不仅保障了行人的安全，还起到了节能的目地，从而达到最佳的效果。
本设计的路灯开启参考时间是可调的。
方案四的系统总体框图如下图2.4所示。
强弱电配电箱路灯控制装置
路灯组
2.2方案论证与选择
图2.4方案四控制法系统结构框图
对于方案一来说，若选择单片机作为控制系统的话，其花费的成本相对较低，但是其稳定性和可靠性就大不如PLC作为控制的核心。
因为PLC现在已经广泛的应用于各种工业复杂条件下的工业设备控制，其可靠性能基本上是现在所有控制领域中最高的，并且其是可编程的，对于系统的升级、扩容和更新换代都是很方便的，随着其普
及程度的提高，其价格也相对合理。
因此，相对于方案一来说选择选择PLC作为控制系统核心更为合理。
更能满足校园路灯节能控制系统的可靠性和稳定性。
对于方案二，三来说，时间控制法不适应季节的变化与天气突变等自然情况，而光照强度控制法容易受外部环境的干扰，灵敏度较低可靠性也较差，二者单独使用都不能实现校园路灯的合理化、科学化控制。
因此，只有二者结合设计，才能使路灯的控制更加科学更加合理更加可靠和稳定。
综上所述，对校园路灯这个控制对象来说，选择PLC作为核心控制器，辅以外部电气控制电路，通过“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”多因素综合控制路灯的开关是校园节能路灯设计的最佳选择。
并且以PLC为控制的校园节能路灯系统将更加方便，价格也相对便宜，更重要的是其可靠性更高，维修和更新换代也更加方便。
综合以上考虑，本次设计选用以PLC为控制核心的“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”多因素综合控制的校园节能路灯控制系统设计方案。
3单元模块设计
3.1光敏传感电路设计
本电路采用YSQ2008-A型光照传感器来检测环境的光照强度，当光强达到1000lux时相当于天黑后灯亮信号，输出一个高电平的开关量到PLC的一个输入口。
当光强达到5000lux时相当于天亮后灯熄灭信号，输出一个高电平的开关量到PLC的另一个输入口，其实物图如下图3.1所示。
图3.1YSQ2008-A型光照传感器
其主要性能参数如下：
1）量程:
0～200Klux
2）反应时间:
100ms
3）精度：
5%
4）环境温度：
-20～80°C
5）供电电压：
9V～24VDC
所设计的光敏传感电路如下图3.2所示。
3.2声音传感电路设计
图3.2光敏传感电路
本电路用YHT399 声音传感器检测声音分贝大小，当达到50db时输出一个高电平的开关量到PLC的一个输入口。
其实物图如下图3.3所示。
图3.3YHT399声音传感器
其主要性能参数如下：
1）量程：
20～140dB
2）精度：
1%
3）供电电压：
5V～24VDC
4）频率范围：
20HZ～20KHZ
所设计的声音传感电路如下图3.4所示。
3.3压力传感电路设计
图3.4声音传感电路
本电路利用YF-LN-5压力传感器来检测压力大小，当检测到压强大于或等于9800pa时，相当于一个小孩子站在路面所产生的压强大小，此时视为压力产生。
输出一个高电平的开关量到PLC输入口。
压力传感器的实物如下图3.5所示。
图3.5YF-LN-5压力传感器
其主要的性能参数如下：
1）量程：
-0.1～200MPa
2）供电电压：
+24VDC、+12VDC、+5VDC
3）精度：
1%
4）工作环境：
-20°C～75°C
压力传感电路设计如下图3.6所示。
3.4时间调整和显示电路设计
图3.6压力传感电路
时间调整电路由四个按键构成，分别用来调整时间显示的时和分。
分别接入PLC的X2-X5输入端口。
时间显示电路是由4个共阴的7段数码显示管构成，由于PLC用的是24V的电压输出口，因此还加了7个分压电阻，然后分别接入PLC的Y0-Y6输出端口。
用三菱PLC中的特殊继电器来提供秒脉冲信号，秒脉冲可以通过一个发光二极管LED进行指示。
时间调整电路和时间显示电路分别如图3.7和图3.8所示[11]。
图3.7 时间调整电路
3.5PLC硬件电路设计
图3.8时间显示电路
3.5.1输入输出端口分析
根据本次设计的需要和易控演示的需要对于本次PLC校园节能路灯的设计采样8个路灯来实现具体显示功能。
因此启动和停止需占用两个输入端口，时间调整按键需占用4个输入端口，光照、声音和压力传感器共需占用10个输入端口。
而对于输出来说，秒脉冲显示需占用1个输出端口，时间显示需占用11个输出端口，路灯的开启关闭需要4个输出端口。
为了满足输入输出口的个数以及故障备用等各综合因素的考虑，本次PLC选用的三菱FX2N-48MR。
输入输出端口和具体功能列表如下表3.1所示[1]。
表3.1输入输出端口分配表
输入信号
输出信号
名称
代码
输入点编号
名称
代码
输入点编号
启动按钮
SB1
X0
数码管a段
a
Y0
停止按钮
SB2
X1
数码管b段
b
Y1
分个位调整
SB3
X2
数码管c段
c
Y2
分十位调整
SB4
X3
数码管d段
d
Y3
时个位调整
SB5
X4
数码管e段
e
Y4
时十位调整
SB6
X5
数码管f段
f
Y5
光强a
SQ7
X6
数码管g段
g
Y6
光强b
SQ8
X7
数码管公共端
D1
Y10
路灯L1，5压力
SQ9
X10
数码管公共端
D2
Y11
路灯L1,5声音
SQ10
X11
数码管公共端
D3
Y12
路灯L2，6压力
SQ11
X12
数码管公共端
D4
Y13
路灯L2，6声音
SQ13
X13
秒闪烁发光二极管
POINT
Y20
路灯L3，7压力
SQ14
X14
路灯L1，5亮
KA1
Y21
路灯L3，7声音
SQ15
X15
路灯L2，6亮
KA1
Y22
路灯L4，8压力
SQ16
X16
路灯L3，7亮
KA3
Y23
路灯L4，8声音
SQ17
X17
路灯L4，8亮
KA4
Y24
3.5.2电气主电路接线图设计
PLC采用市电AC220V供电，在PLC的输入口各个旋钮开关和传感器检测元件，一头接入PLC的输入点，一头接PLC的+24V端,中间采用1.5K电阻分压。
其中+24V电压来自PLC的输出+24V电源。
输入端的公共端M1,M2和M端相连。
路灯全部采用的高压钠灯，为了方便维护和各电气器件的安全，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来控制路灯的开关，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PLC的+24V电源模块。
各电气元件的选型列表如下表3.2所示[5]。
表3.2各电气原件的选择及其原件参数
序号
代号
元件名称
型 号
规 格
件数
作 用
1
SB1-SB6
按钮
LA19-11
6
PLC输入
2
SQ7-SQ16
传感器输入
10
PLC输入
3
L1-L8
高压钠灯
NG400
400/W
8
显示
4
FU1
熔断器
RL1
60A、熔体25A
2
电源保护
5
FU2
熔断器
RL1
15A、熔体10A
2
L1,5短路保护
6
FU3
熔断器
RL1
15A、熔体10A
2
L2,6短路保护
7
FU4
熔断器
RL1
15A、熔体10A
2
L3,7短路保护
8
FU5
熔断器
RL1
15A、熔体10A
2
L4,8短路保护
9
FU6
熔断器
RT18
32A,熔体2A
2
PLC短路保护
10
BT
隔离变压器
380V/220V
380V/24V
500VA
1
提供PLC及附属电源
11
KA1-KA4
中间继电器
4
控制路灯开关
校园路灯节能控制系统的PLC控制仿真电路电气接线图设计效果图如下图3.9所示。
FU1
FU2
FU3
FU4
FU5
QS
KA1
KA2
KA3
KA4
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L1
L2
FU6
PLC
变压器
3.5.3PLC端口接线图设计
图3.9电气接线图
校园路灯节能控制系统的PLC控制电路端口接线图设计效果图如下图3.10所示。
AC220V
启动按钮停止按钮分个位调整
分十位调整分十位调整
分十位调整
光强a光强b
路灯L1,5声音路灯L1,5压力路灯L2,6声音路灯L2,6压力路灯L3,7声音
abcd
X0
Y0
X1
Y1
Y2
X2
P
Y3
X3
COM1
X4
Y4
X5
L
Y5
X6 Y6
X7
Y7
X10
COM2
X11 C Y10
X12
Y11
X13
Y12
Y13
X14
Y20
COM3
X15
Y21
KA1
X16
FX2N-48MR
Y22
KA2
X17
Y23
KA3
Y24
KA4
COM
COM4
ef
gD1
D2D3D4
POINT
路灯L3,7压力路灯L4,8声音路灯L4,8压力
路灯L1，5亮路灯L2，6亮路灯L3，7亮路灯L4，8亮
图3.10PLC端口接线图
3.6三菱FX2N-48MRPLC介绍
20世纪60年代末，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转换为小批量多品种的生产。
而当时生产线的控制电路多是由继电器构成，它不但体积大，耗电多、可靠性低，特别是生产的程序不好改变。
市场的需求急需一种可编程的新型控制系统产生，于是PLC就在这样的环境和历史条件下诞生了。
当时人们把这样一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogic
Controller），简称PLC。
它将继电-接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件
逻辑编程的设想变为了现实，较好的把继电-接触器控制简单易懂，使用方便，价格便宜等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，从而基本上解决了当时工业控制继电器-接触器控制系统在可靠性、灵活性、以及通用性方面存在的各种问题。
随着计算机技术的日新月异，PLC还增加了算术运算、数据传输与处理以及对模拟量进行控制等功能。
如今PLC还实现了的远程控制和通信功能，通过以太网、蓝牙或者互联网实现各个系统的连接和通信，便于人们对PLC实施远程的控制和监控。
新的控制器PLC的诞生，带来了全新的控制理念，全新的控制系统结构。
如今PLC在工业控制和其他控制领域的使用已经全面普及。
PLC的功能也越来越强大，逐步取代了单片机等各种控制系统
升级会员 