基于PLC的教室照明自控系统设计.docx

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基于PLC的教室照明自控系统设计

泰山学院

本科毕业论文

基于PLC教室照明自控系统设计

所在学院机械及工程学院

专业名称机械设计制造及其自动化

申请学士学位所属学科工学

年级二〇一一级（3+2）

学生姓名、学号丁晓忠2011170270

指导教师姓名、职称陈宏圣副教授

完成日期二〇一三年五月三十日

摘要

本文教室照明自动控制系统是利用红外感应接收器来准确感知每位同学在教室位置，将采集信号通过传输电路传输给PLC控制系统。

经过控制系统分析处理以后，将控制信号输出给执行机构中接触器。

通过控制接触器接通及断开来控制教室中每一盏照明灯接通及断开。

从而使整个教室照明实现智能控制。

避免了因不能及时关闭开关导致电能大量浪费，达到节能目。

充分体现了当代节能减排创新理念。

该系统具有控制方便，可靠性高，专用性强，安全，节能等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制要求，很大程度达到节能目。

关键词：

红外感应，智能控制，PLC，节能

ABSTRACT

Thisclassroomlightingcontrolsystemistheuseofinfraredsensorstoaccuratelyperceivethereceivereachstudentintheclassroomlocation,thecollectedsignalstransmittedthroughthetransmissioncircuittothePLCcontrolsystem.Aftertheanalysisofthecontrolsystemaftertreatment,thecontrolsignalisoutputtotheactuatorofthecontactor.Bycontrollingthecontactorturnedonandofftocontroltheclassroomeachlamplightsturnedonandoff.Sothattheentireclassroomlightingintelligentcontrol.Avoidedbecausetheycannotturnoffswitchcauseswastingalotofenergytoachieveenergy-savingpurposes.Fullyembodiesthecontemporaryenergysavinginnovativeideas.

Thesystemiseasytocontrol,highreliability,dedicatedandstrong,safety,energyconservation,etc.,tomeetthevariouslarge,collegesclassroomlightingcontrolrequirements,toalargeextenttosaveenergy.

Keywords:

infraredsensors,intelligentcontrol,PLC,energy-saving

1引言

1.1教室灯光控制器研究现状及其存在问题

随着国民经济快速发展和社会进步，高等教育在全社会愈加被关注和重视，高校作为受教育者主要场合，数量在不断地增加规模也在不断扩大。

为了使师生有更加舒适教学和学习环境，这就需要我们在力所能及范围内对教室面积、设施和照度等进行一系列改进[1]。

然而，由于现在大学开放式管理风格，节能意识十分淡薄，在教室内无人或人数很少情况下，开启了教室中绝大部分照明灯。

夜晚离开教室不关灯导致长明灯现象比比皆是。

这种有形和无形浪费，大大增加了电力支出负担。

以泰山学院为例，经初步统计我校教照明灯数量约6000余盏，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯耗电量约为50万度，学校在教室用电经费上就得支出约为30万元人民币。

而以每天浪费2小时用电来计算，一年大约要浪费13万度电量，占教室照明用电经费四分之一。

依此计算，放眼我省，乃至全国，随着高校不断扩招，教室不断扩大，如果有更多电力设备，虽然提高了课堂管理设备，然而用电负荷可想而知，更多能源浪费不可估量[2-4]。

出于这些原因，提高教室电能利用率变得重要，学校节能措施也变得十分必要，因此PLC课堂教学为主自动照明控制系统设计无疑将成为研究重要课题之一。

1.2研究内容及意义

此系统工作原理是将采集信号通过传输电路传输给PLC控制系统。

经过控制系统分析处理以后，将控制信号输出给执行机构中接触器。

通过控制接触器接通及断开来控制教室中每一盏照明灯接通及断开。

该系统实现了对教室里每一盏照明灯单一智能控制，从而实现了对教室里每一个地点照明控制。

这样能更加合理利用电能。

对教室照明系统实现智能控制后，当同学进入教室后照明灯会自动开启。

同学不会再因为晚上看不见照明开关而烦恼，同时当同学离开教室时候也不会因为忘记关灯而发生教室一整晚上都亮着灯事件。

从而方便了同学们进入教室，同时此设计增加了控制安全性，节约了电能。

1.3本课题需要解决问题

本课题通过各种试验来研究教室灯光各种控制，主要解决如下关键问题:

1.环境光感采集问题

2.红外传感器采集以及辐射区域问题

3.传感器及教室照明灯合理安装问题

4.控制系统总图以及程序设定

2教室照明控制器简介

2.1系统控制器简介

教室照明控制器可实现教室灯光智能控制。

其输入参数主要是人体发出红外信号和环境光信号等，当周围环境光强度达到一定值时灯不亮，当环境光强度在指定值以下且有人存在时开灯，经试验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。

教室照明控制器尽可能安装在教室内避开照明灯直射位置，且红外传感器安置时应使人体活动方向及传感器中两个热释电元连线方向互相垂直，这样可以更好地采集信号，使控制变得更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感，达到预期控制结果[5]。

2.2控制方案分析

控制器以自然光强度和人体存在作为主要输入参数。

来实现自动及手动控制相兼容。

当自然光线较强时，无论人是否存在，都不开灯;当自然环境光较弱时，有人存在且停留时间超过一定值时，控制器自动打开照明灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯，而针对需要开启照明灯数目，本课题提出了一种结合了人体红外感应传感器探测器和人数探测模型综合判断方法。

本文所研究教室照明控制器主要由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个控制系统执行基础，它为软件程序运行提供了平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现各项功能，达到控制教室照明效果。

3照明系统控制模块硬件设计

该控制系统是以PLC主控模块为核心，由控制按钮、人体红外感应传感器、

PLC控制器、光敏传感器、投影仪开启信号等组成。

控制框图如下：

控制按钮

红外传感器

光敏传感器

……

PLC控制器及I\O扩展模块

照明灯1

照明灯2

照明灯3

……

照明灯n

投影仪信号

图1系统控制图

3.1控制按钮

控制按钮是一种结构简单、应用广泛主令电器。

主要功用：

白天当我们在教室需要使用投影仪时，我们拉上窗帘时，教室内光线会立刻变暗，达到照明灯自动开启亮度，该按钮主要用于控制此时此刻照明灯开启及关闭。

3.2人体红外传感器

3.2.1人体红外传感器简介

人体红外传感器又称红外传感器，它是一种利用探测生物体发射出来红外线，而输出电信号传感器。

在上世纪四十年代，曾经有人提出利用热释电效应探测红外辐射，但没有引起各界高度重视，直到上世纪六七十年代，随着激光，红外技术迅速发展，它们也可以有效促进热释电效应，热释电晶体研发和应用。

热释电晶体已被广泛用于红外光谱仪等设备，红外遥感和热辐射探测器，它可以作为一个理想红外激光探测器。

它作为应用目标，正被广泛地应用到各种自动化控制装置。

除了在我们熟知居民楼防盗报警以及教室楼道自动开关等场合上得到应用外，在更多领域当中应用前景亦被看好。

比如：

在房间无人时会自动停机空调机、饮水机等。

电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机机构。

开启监视器或自动门铃上等应用[6-7]。

目前，红外传感器可以分为主动红外传感器和被动红外传感器。

此设计我们选用主动红外传感器。

3.2.2主动红外传感器工作原理

主动红外传感器发射机发出一束经调制红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成警戒线。

当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收信号就会发生变化，它经放大及信号处理后，即控制发出报警信号。

主动红外发射光源，通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。

还有一些半导体激光器，如砷鎵铝双异质结半导体激光器等，也工作在红外波段，因而也是一种主动红外传感器。

主动红外传感器光源通常采用脉冲调制脉冲波形，其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射出红外脉冲调制光谱。

这样，就降低了电源功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光干扰能力。

对光束遮挡型探测器，要适当选取有效报警最短遮光时间。

因为遮光时间选得太短，会引起不必要噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。

因此，通常以10m/s速度通过镜头遮光时间，来定最短遮光时间。

如人最小宽度为20cm，则最短遮断时间为20cm/（10m/s）=20ms。

所以，最短遮光时间大于20ms，系统报警；遮光时间小于20ms，则不报警。

3.2.3主动人体红外传感器功能特点：

主动红外传感器多采用双光路，可提高其抗干扰、防误报能力。

这种主动红外传感器寿命长、价格低、易调整，因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。

当主动红外传感器用在室外自然环境时，比如无星光和月亮夜晚，以及夏日中午阳光背景辐射强度比可超过100dB时，这就使接收机光电传感器工作环境相差太大。

通常采用截止滤光片，滤去背景光中极大部分能量（主要滤去可见光能量），使接收机光电传感器在各种户外光照条件下使用条件基本相似。

此外，大雾还会引起传输中红外光散射，缩短主动红外探测器有效探测距离，在安防工程中必须考虑。

如实测某红外传感器：

在无雾时有效探测距离7km；浅雾时有效探测距离2.5km；轻雾时有效探测距离1km；中雾时有效探测距离0.6km；重雾时有效探测距离0.3km。

激光及一般光源相比，有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，所以当要求距离远时，可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。

由于能量集中，可以在光路上加反射镜，反射激光，围成光墙。

从而用一套激光探测器可以封锁一个场地四周，或封锁几个主要通道路口[8]。

3.2.4主动红外探测器安装使用要点：

1.按方向安装在稳固物体上，并使发射及接收器在同一高度上。

首先，根据所需布防距离及方向，一定要安装在稳固物体上。

因为发射器及接收器距离较远时，轻微晃动就会引起误报警。

并且，还要使发射器及接收器尽可能地安装在同一高度上，以方便光束对准调试。

2.要避开树叶摇晃及晾晒衣物等影响。

主动红外传感器是防备人非法通行，中间要严格防止树叶摇晃及晾晒衣物等，对红外光束遮挡引起误报。

3.避免红外光束交叉误射。

当使用多对主动红外传感器，用来组成警戒封锁区或警戒封锁网，乃至组成立体警戒封锁区时，千方要各对主动红外传感器使用不同频率，要尽量避免红外光束交叉误射。

否则，容易引起失误。

4.线路不能明敷，要穿管暗设。

为防止主动红外传感器供电线路被人破坏，不能明敷，必须穿管暗设。

5.安装位置要能防宠物及小动物等引起误报。

一般设置在通道上主动红外探测器，探头位置一般应距离地面50cm以上；栅栏及围墙顶上安装红外传感器，其探头位置应高出栅栏及围墙顶25cm，以防小猫小鸟等引起误报。

如果是在栅栏及围墙靠近顶部侧面作墙壁式安装，可避开小猫小鸟等活动干扰[9-11]。

下图为主动人体红外传感器：

图2红外传感器

3.3光敏传感器

光敏传感器是利用半导体光电效应制成一种电阻值随入射光强弱而改变电阻器。

传感器图如下：

图3光敏传感器

3.3.1光敏电阻工作原理

光敏电阻工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻材料主要是金属硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

在黑暗环境里，它电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料禁带宽度，则价带中电子吸收一个光子能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷空穴，这种由光照产生电子—空穴对了半导体材料中载流子数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生电子—空穴对将复合，光敏电阻阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长光线照射时，电流就会随光强而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体导电能力取决于半导体导带内载流子数目多少。

图4工作原理图

3.3.2光敏电阻主要功用

按照国家有关标准，学校教室平均照度值最低一般在300Lx。

工作电压一般在DC9-16V,工作电流一般在2mA左右，工作温度一般在0-45℃，光感范围一般在5Lx-500Lx，光感复位一般控制在30s左右。

光敏电阻主要用于检测教室照明度，决定照明控制系统是否正常开启。

在实际中，我们还必须考虑检测装置实际安装位置问题，该系统中光敏传感器安装要考虑到教室中光照角度问题，以及在不同位置所感应光照程度。

为了能确保设备运行准确性，安装照度计时最好选择安装在灯光和自然灯都照不到位置，一般选择安装在教室背光面。

3.4S7-200plc概况

3.4.1PLC定义

根据国际电工委员会1987年对PLC作了如下定义:

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计数字运算操作电子设备。

可以编制程序存储器，用来在其内部存储器，执行逻辑运算，顺序操作，计算，操作指令，并且可以是数字或模拟输入和输出，控制各种类型机械或生产过程。

可编程控制器实际上就是一种工业控制类计算机，它硬件结构及一般微机控制系统结构基本上非常相似。

可编程序控制器主要由中央处理单元、存储器、输入/输出模块、编程器和电源五大部分组成。

近年来发展速度非常快，已经成为了应用极为广泛工业控制类装置。

它按照成熟继电器控制设计理念和设计思想，利用不断发展新技术、新电子器件，已经形成了适应各种应用场合各种系列产品[12]。

SIMATICS7-200系列PLC发展至今，大致经历了两代：

第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216.

第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场，速度快，具有较强通信能力。

它具有四种不同结构配置CPU单元：

CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

下图为S7-200PLC图：

图5S7-200PLC

3.4.2S7-200PLC特点

可编程控制器PLC对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。

目前，可编程控制器已经成为工厂自动化强有力工具，得到了广泛应用。

可编程控制器是面向用户专用工业控制计算机，具有许多明显特点。

1.可靠性高，抗干扰能力强

PLC因为采用现代较先进大规模集成电路技术，制造时运用严格先进生产过程和工艺步骤，由于内部设计电路电路采用了较为先进抗干扰技术，使其具有了较高可靠性。

PLC以外电路，在构成控制系统中，继电器系统和PLC同等规模相比，开关接点及电气接线已大大较小。

除此之外，PLC还具有故障自我检测等功能，出现故障时PLC会及时发出警报信息，作为提示。

应用者还可以将自行编好外围器件故障诊断程序输入到所使用应用软件中。

这样，整个系统具有极高可靠性。

2.配套齐全，功能完善，适用性强

多数PLC具有完善数据运算能力，可用于控制数字领域。

可用于各种规模工业控制应用。

近年来PLC功能单元也大量涌现，从而使PLC渗透到了温度实时控制、位置精确控制、CNC等各种工业控制中。

再加上增强通信能力PLC和人机界面技术，采用PLC控制系统组成多种变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术设计人员欢迎

PLC工业控制仪表是面向工矿企业。

PLC接口容易，工程技术人员是很容易接受它编程语言。

梯形图图形符号及表达和继电器电路非常相似，只有少量开关，PLC逻辑控制指令可以方便地实现继电器电路。

不熟悉电子电路，计算机原理和汇编语言人使用工业控制计算机，打开了方便之门。

4.系统设计、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，大大减少了外部接线控制装置，控制系统设计和施工周期短得多，但它变得容易维护。

更重要是，在同一台设备后，改变程序改变生产过程中尽可能。

它非常适合于多品种，小批量生产应用。

5.体积小，重量轻，能耗低

比如以超小型为例，现在推出产品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。

由于体积小，很容易装入到机械内部，是实现一体化理想控制设备[13]。

3.4.3PLC基本组成及各部分作用

PLC是一种通用工业控制装置，其组成及一般微机系统基本相同。

如下图所示。

图6PLC硬件系统基本组成图

按结构形式不同，PLC可分为整体式和组合式两类。

下面针对PLC组成部分进行简单介绍：

1.中央处理单元（CPU）：

CPU在PLC中作用就相当于人体大脑神经中枢，它是PLC运算、控制中心。

它按照系统程序所赋予功能，完成以下任务:

（1）接收并存储从编程器输入各种用户程序和数据；

（2）可以诊断出PLC内部电路工作状态和程序语法是否正确；

（3）用扫描方式输入外部输入信号，送入PLC数据寄存器并保存起来；

2.存储器

存储器按照在系统中发挥作用可分以下几种:

（1）系统程序存储器:

PLC也有它自己固定解释程序和监控程序，它们决定了PLC功能，称为系统程序存储器。

（2）用户程序存储器:

用户控制功能，根据应用程序要求。

用户程序存储在用户程序存储器中。

因为用户经常需要调试和程序变化，所以用户可以随时程序存储器读，写更多RAM。

因为断电后，RAM中数据将会丢失，所以这个时候应该有备用电池，防止失去用户程序风险。

当用户程序调试修改完成后，不希望被任意地改变，用户程序可以被写入到EPROM。

（3）数据存储器:

工作数据是经常存取、经常变化一些数据。

这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取要求。

数据表可以存放我们需要数据，它主要存储一些用户程序执行时可变参数值，比如计数器当前值和设定值。

还可以用来储存输入模块转换后得到数学运算后结果等。

为了满足需要，利用后备电池部分数据在停电时可以维持其当前值。

3.I/0单元

PLC及工业生产过程联系是通过I/0单元模块。

输入单元接收如限位开关，选择开关，限位开关等各种控制信号。

4.电源部分

PLC一般使用电源为交流220V，中央处理器、存储器等电路所需要电由内部开关电源提供5V、+12V、+24V直流电源，这样PLC就能够正常工作。

电源部件位置形式可有多种，对于整体式结构CPU，通常电源封装到机壳内部。

5.编程器

编程器作用是为用户进行编辑、编制、监视和调试程序。

3.4.4S7-200PLC工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”工作方式。

每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

PLC有RUN及STOP两种基本工作模式，在运行模式，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。

为了使PLC输出及时地响应随时可能变化输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地反复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。

PLC工作过程大致上可以分为三个阶段，即输入采样，用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成这三个阶段称为完成一个扫描周期。

整个操作过程中，PLCCPU以恒定扫描速度重复上述三个阶段。

1.输入采样阶段

在输入采样阶段中，PLC顺序扫描读取所有输入状态和数据，并将其存储在I/O映象区相应单元。

输入采样结束后，用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入数据变化状态，I/O映象区中单元格对应状态和数据不会改变。

因此，如果输入是一个脉冲信号，该信号脉冲宽度必须大于一个扫描周期中，为了确保在任何情况下，可以读取输入。

2.用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC用户程序总是自上而下顺序扫描（阶梯）。

在扫描每一个阶梯时，总是扫描梯子左侧控制电路联系信息，根据第一个左和右，第一下列构成顺序控制电路触点逻辑运算，逻辑运算处理结果RAM刷新线圈系统逻辑记忆状态相应位，刷新输出线圈，或I/O映象区中相应位状态，或确定是否执行所需命令特殊功能阶梯。

换句话说，用户程序执行，只有进入I/O状态和图像区域数据不会改变，而其他输出设备和软件I/O映象区或系统RAM内存区域状态和数据可能会改变，来到在梯子顶部，程序执行结果将在下面梯形线圈或工作中使用这些数据，及此相反，排在下面入水口，刷新逻辑线圈状态或数据只能到下一个扫描周期应用上线。

在程序执行过程中，如果你使用立即I/O指令，你可以直接访问I/O点。

使用I/O指令，然后输入过程映像寄存器值是不更新，程序直接从I/O模块值，输出过程映像寄存器将被立即更新，立即输入一定差异。

3.输出刷新阶段

当PLC用户程序扫描结束后，进入输出刷新阶段。

在此期间，依照CPUI/O相对应图像区域状态和数据刷新所有输出锁存器电路，然后输出电路驱动器，最后输出到相应外部设备。

这时，才是PLC真正输出[14-16]。

4照明系统控制模块程序设计

教室照明系统在上述原有硬件基础上，再配上相应软件，才能构成一个比较完善照明系统。

用户系统硬件及软件有着密切关系。

在系统硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立进行设计、开发、运用。

在程序设计过程中，采用合理程序设计结构是一项关键技术。

在本系统设计主要应用编程语言有顺序功能图语言、梯形图语言、功能块语言、语句表等各种语言之间可以通过软件进行相互转化。

控制系统设计程序如下：

图7系统控制图

表1输入I/O地址分配

信号名称

I/O地址

照度计

I0.0

首排按钮

I0.1

中排按钮

I0.2

后排按钮

I0.3

红外探测仪1

I0.4

红外探测仪2

I0.5

红外探测仪3

I0.6

红外探测仪4

I0.7

红外探测仪5

I1.0

红外探测仪6

I1.1

投影仪信号

I1.2

手动/自动按钮

I1.3

表2输出I/O地址分配

信号名称

I/O地址

KA1中继线圈

Q0.0

KA2中继线圈

Q0.1

KA3中继线圈

Q0.2

KA4中继线圈

Q0.3

KA5中继线圈

Q0.4

KA6中继线圈

Q0.5

程序注释：

LDSM0.1

RM10.1,3