基于PLC的照明節(jié)能裝置設(shè)計與開發(fā)-教室照明

設(shè)計說明書題目：基于PLC的照明節(jié)能裝置設(shè)計與開發(fā)全套圖紙加V信153893706或扣3346389411專業(yè)： 班級： 姓名： 學(xué)號：

電子與信息工程學(xué)院目錄第1章緒論 第1章緒論1.1課題背景 隨著時代的發(fā)展，人類社會發(fā)生了翻天覆地的變化。但是伴隨著變化越來越多的問題接踵而來，而能源問題和環(huán)境問題是其中的兩個比較重大問題，特別是在如今，解決能源問題和環(huán)境問題是國家長期發(fā)展的重中之重。而在眾多的能源問題之中，電能的短缺是束縛經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的重要問題之一?，F(xiàn)今在許多公共場合，如學(xué)校、圖書館等場所，絕大數(shù)依賴人工管理，由于數(shù)量多，常常會出現(xiàn)只有少數(shù)在室內(nèi)或光線充足的情況下，整個場所的照明燈全開的現(xiàn)象；更有甚者在無人的情況下仍然開啟大量的照明燈的現(xiàn)象，這造成了不必要的電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對照明燈具節(jié)能和科學(xué)的管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化的領(lǐng)域的地位越來越重要。選擇合理的照明方案，配置先進(jìn)的控制系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)在節(jié)約能源，減低學(xué)校運(yùn)行成本，提高學(xué)校的科學(xué)管理水準(zhǔn)，而且具有極大地經(jīng)濟(jì)意義和社會效益。 因此，必須在保證照明質(zhì)量的前提下，采取措施來遏制公共場所用電的浪費(fèi)現(xiàn)象，這不僅是為了眼前的經(jīng)濟(jì)利益，而是為了建立環(huán)境友好型的社會，順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的低碳革命，必須做出的節(jié)能減排的舉措1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)幾種常見的照明控制系統(tǒng)有以下幾種: （1）Dynalite智能照明控制系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插日、時鐘管理器、手持式編程器和PC監(jiān)控機(jī)等部件組成。采用DyNet網(wǎng)絡(luò)連接，DyNet是一個分布式智能化網(wǎng)絡(luò)，使用RS-485通訊協(xié)議。 （2）C-Bus智能照明控制系統(tǒng)C-Bus系統(tǒng)是1994年由澳大利亞奇勝電氣公司開發(fā)的，現(xiàn)已廣泛用于很多國家和地區(qū)。C-Bus系統(tǒng)是一個二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，主要用于對照明系統(tǒng)的控制。也可用于消防等系統(tǒng)中的聯(lián)動控制。 （3）ABBi-busEIB智能安裝系統(tǒng)EIB智能系統(tǒng)由總線、總線電源、智能傳感器(光線傳感器、模糊開關(guān)、時間控制器、移動傳感器)、智能開關(guān)驅(qū)動器和其他智能元件(邏輯模塊總線禍合器)構(gòu)成。它是典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，每個元件就是一個節(jié)點，這些節(jié)點連接在一根2芯雙絞線介質(zhì)的總線上，不分主從隸屬關(guān)系實現(xiàn)相互之間的通訊從而實現(xiàn)控制和被控制1.3課程設(shè)計的目的 通過專業(yè)綜合課程設(shè)計，使學(xué)生能夠得到工程設(shè)計的綜合訓(xùn)練，或科學(xué)研究的初步能力，擴(kuò)大知識面，培養(yǎng)其獨立分析問題和創(chuàng)造性解決實際問題的能力；全面訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計、計算、實驗、繪圖、編程的能力；提高學(xué)生的動手能力和獨立分析、解決問題的能力。按照卓越工程師培養(yǎng)方案的要求，對學(xué)生進(jìn)行工程師型人才的基本訓(xùn)練。1.4控制任務(wù) 本課題是《基于PLC的照明節(jié)能裝置設(shè)計與開發(fā)》，控制要求： 自行選擇道路照明、教室照明、實驗室照明、宿舍照明以及家庭照明等為設(shè)計對象，研究該對象在照明節(jié)能項目上，可以采取的控制策略與方法。主要分析對象的照明需求特征，有針對性地提出節(jié)能控制策略與方案。 本次選擇的是教室照明控制，對一個教室進(jìn)行控制，假設(shè)教室里有1到4共4排燈，通過檢測光線和人員進(jìn)行控制開關(guān)相應(yīng)的燈，起到節(jié)能目的。第2章總體設(shè)計采用PLC進(jìn)行教室燈進(jìn)行控制，為了簡化控制，只對1個教室進(jìn)行燈光控制設(shè)計。教室照明控制器可實現(xiàn)教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體發(fā)出的紅外信號和環(huán)境光信號等，當(dāng)周圍環(huán)境光的強(qiáng)度達(dá)到一定值時燈不亮，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度在指定值以下且有人存在時開燈，經(jīng)試驗證明用這種方式來對教室燈進(jìn)行智能控制可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。 教室照明控制器盡可能安裝在教室內(nèi)避開照明燈直射的位置，且紅外傳感器安置時應(yīng)使人體活動方向與傳感器中兩個熱釋電元連線方向互相垂直，這樣可以更好地采集信號，使控制變得更加靈敏、可靠，同時還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感，達(dá)到預(yù)期的控制結(jié)果. 系統(tǒng)有啟動按鈕，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動。按下停止按鈕，系統(tǒng)停止。 假設(shè)教室有4排燈，第1排，第2排，第3排，第4排。教室有總的光線檢測，用于檢測是白天還是夜晚。每排相應(yīng)的區(qū)域有人員檢測，共有第1排人員檢測，第2排人員檢測，第3排人員檢測，第4排人員檢測。檢測到光線弱，同時檢測到相應(yīng)區(qū)域有人員，則自動打開相應(yīng)區(qū)域的照明燈。檢測到相應(yīng)區(qū)域人員離開，或者檢測到光線強(qiáng)，則啟動延時1分鐘，定時時間到自動關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的照明，到達(dá)節(jié)能目的。第3章硬件設(shè)計3.1器件選擇3.1.1PLC選擇 經(jīng)分析，系統(tǒng)共使用了7路數(shù)字量輸入，5路數(shù)字量輸出，故選擇西門子的S7-200PLC，選擇其中的CPU224，采用交流電源，含14路數(shù)字量輸入和10路繼電器輸出，可以滿足本次設(shè)計使用需要，并有足夠的備用點數(shù)。3.1.2人體紅外傳感器 人體紅外傳感器又稱紅外傳感器，它是一種利用探測生物體發(fā)射出來的紅外線，而輸出電信號的傳感器。在上世紀(jì)四十年代，曾經(jīng)有人提出利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但沒有引起各界的高度重視，直到上世紀(jì)六七十年代，隨著激光，紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，它們也可以有效的促進(jìn)熱釋電效應(yīng)，熱釋電晶體的研發(fā)和應(yīng)用。熱釋電晶體已被廣泛用于紅外光譜儀等設(shè)備，紅外遙感和熱輻射探測器它可以作為一個理想的紅外激光探測器。它作為應(yīng)用目標(biāo)，正被廣泛地應(yīng)用到各種自動化控制裝置。除了在我們熟知的居民樓防盜報警以及教室樓道自動開關(guān)等場合上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用前景亦被看好。比如：在房間無人時會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)等。電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開啟監(jiān)視器或自動門鈴上等應(yīng)用[6-7]。目前，紅外傳感器可以分為主動紅外傳感器和被動紅外傳感器。此設(shè)計我們選用主動紅外傳感器。 主動紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被紅外接收機(jī)接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)被探測目標(biāo)侵入該警戒線時，紅外光束被部分或全部遮擋，此時接收機(jī)接收的信號就會發(fā)生變化，它經(jīng)放大與信號處理后，即控制發(fā)出報警信號。 主動紅外的發(fā)射光源，通常用紅外發(fā)光二極管，其特點是體積小、重量輕、壽命長、功耗小，交直流供電都能工作，晶體管、集成電路都能直接驅(qū)動。還有一些半導(dǎo)體激光器，如砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器等，也工作在紅外波段，因而也是一種主動紅外傳感器。主動紅外傳感器的光源通常采用脈沖調(diào)制的脈沖波形，其發(fā)射機(jī)采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源，使它產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形，去調(diào)制紅外二極管發(fā)光，以發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣，就降低了電源的功耗，提高了靈敏度，和系統(tǒng)抗雜散光的干擾能力。對光束遮擋型的探測器，要適當(dāng)選取有效的報警最短遮光時間。因為遮光時間選得太短，會引起不必要的噪聲干擾，如小鳥飛過、小動物穿過都會引起報警；而遮光時間選得太長，又可能導(dǎo)致漏報。因此，通常以10m/s的速度通過鏡頭的遮光時間，來定最短遮光時間。如人的最小寬度為20cm，則最短遮斷時間為20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光時間大于20ms，系統(tǒng)報警；遮光時間小于20ms，則不報警。 主動紅外傳感器多采用雙光路，可提高其抗干擾、防誤報的能力。這種主動紅外傳感器壽命長、價格低、易調(diào)整，因此被廣泛使用在電視監(jiān)控報警系統(tǒng)工程中。當(dāng)主動紅外傳感器用在室外自然環(huán)境時，比如無星光和月亮的夜晚，以及夏日中午陽光的背景輻射的強(qiáng)度比可超過100dB時，這就使接收機(jī)的光電傳感器工作環(huán)境相差太大。通常采用截止濾光片，濾去背景光中的極大部分能量（主要濾去可見光的能量），使接收機(jī)的光電傳感器在各種戶外光照條件下的使用條件基本相似。 此外，大霧還會引起傳輸中紅外光的散射，縮短主動紅外探測器的有效探測距離，在安防工程中必須考慮。如實測某紅外傳感器：在無霧時有效探測距離7km；淺霧時有效探測距離2.5km；輕霧時有效探測距離1km；中霧時有效探測距離0.6km；重霧時有效探測距離0.3km。 激光與一般光源相比，有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點，所以當(dāng)要求距離遠(yuǎn)時，可采用紅外半導(dǎo)體激光器來代替紅外發(fā)光二極管作紅外光源。由于能量集中，可以在光路上加反射鏡，反射激光，圍成光墻。從而用一套激光探測器可以封鎖一個場地的四周，或封鎖幾個主要的通道路口3.1.3光敏傳感器 光敏傳感器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器。 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 按照國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)校教室的平均照度值最低一般在300Lx。工作電壓一般在DC9-16V,工作電流一般在2mA左右，工作溫度一般在0-45℃，光感的范圍一般在5Lx-500Lx，光感的復(fù)位一般控制在30s左右。光敏電阻主要用于檢測教室的照明度，決定照明控制系統(tǒng)是否正常開啟。在實際中，我們還必須考慮檢測裝置實際安裝位置的問題，該系統(tǒng)中光敏傳感器的安裝要考慮到教室中光照的角度的問題，以及在不同位置所感應(yīng)光照的程度。為了能確保設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確性，安裝照度計時最好選擇安裝在燈光和自然燈都照不到的位置，一般選擇安裝在教室的背光面。3.2主電路和控制設(shè)計主電路和控制電路如圖3.1所示。外部220V交流電源將L1，N供設(shè)備使用。L1是火線，N是零線。QF1是總的斷路器，起到通斷設(shè)備電源的作用。FU1是總的熔斷器，起到短路過流保護(hù)作用。A1是直流開關(guān)源，將交流220V變成24V供PLC的輸入和輸出使用。圖3.1主電路和控制圖 H1是教室第1排燈，KM1是教室第1排燈啟動接觸器，PLC通過控制KM1線圈得電，KM1常開主觸點閉合，點亮教室第1排燈。 同樣的，H2是教室第2排燈，KM2是教室第2排燈啟動接觸器，PLC通過控制KM2線圈得電，KM2常開主觸點閉合，點亮教室第2排燈。 H3是教室第3排燈，KM3是教室第3排燈啟動接觸器，PLC通過控制KM3線圈得電，KM3常開主觸點閉合，點亮教室第3排燈。 H4是教室第4排燈，KM4是教室第4排燈啟動接觸器，PLC通過控制KM4線圈得電，KM4常開主觸點閉合，點亮教室第4排燈。3.3PLC輸入和輸出分配PLC輸入和輸出分配見表3.1，表3.2所示。表3.1PLC輸入分配表名稱PLC內(nèi)部地址外部編號啟動I0.0SB1停止I0.1SB2教室光線弱檢測I0.2S1第1排有人檢測I0.3S2第2排有人檢測I0.4S3第3排有人檢測I0.5S4第4排有人檢測I0.6S5表3.2PLC輸出分配表名稱PLC內(nèi)部地址外部編號自動運(yùn)行指示燈Q0.0HL1第1排燈Q0.1KM1第2排燈Q0.2KM2第3排燈Q0.3KM3第4排燈Q0.4KM43.4PLC輸入和輸出接線圖PLC輸入和輸出接線圖如圖3.2所示圖3.2PLC輸入和輸出接線圖第4章程序設(shè)計4.1內(nèi)部使用地址為了編程和閱讀方便，定義了部分PLC內(nèi)部使用地址，如表4.1所示。表4.1PLC內(nèi)部使用地址名稱PLC地址備注第1排燈定時延遲關(guān)閉T101預(yù)設(shè)1分鐘第2排燈定時延遲關(guān)閉T102預(yù)設(shè)1分鐘第3排燈定時延遲關(guān)閉T103預(yù)設(shè)1分鐘第4排燈定時延遲關(guān)閉T104預(yù)設(shè)1分鐘4.2控制程序流程圖控制程序流程圖4.1所示。以第1排燈控制為例，其他的第2排，第3排，第4排控制類似。檢測到教室光線弱，檢測到人員，則點亮燈。檢測到光線強(qiáng)，或者檢測到人員離開，啟動定時器定時1分鐘，定時時間到，熄滅相應(yīng)的燈光線弱？光線弱？是1#有人？1#燈亮否是否1#定時1分1#燈滅是否圖4-1控制流程圖4.3PLC梯形圖程序 自動運(yùn)行指示燈 按啟動按鈕SB1，I0.0常開觸點閉合，Q0.0線圈得電，Ｑ０．０常開觸點閉合，運(yùn)行指示燈點亮，系統(tǒng)自動運(yùn)行。 按停止按鈕SB2，I0.1常開觸點閉合，常閉觸點斷開，Q0.0線圈失電，系統(tǒng)停止，運(yùn)行指示燈熄滅。第1排燈 系統(tǒng)自動運(yùn)行，Q0.0常開觸點閉合，則檢測到教室光線弱，I0.0常閉觸點閉合，同時檢測到第1排區(qū)域有人員，I0.3常開觸點閉合，則Q0.1線圈得電，點亮教室第1排燈。檢測到人員離開，或者光線強(qiáng)，定時1分鐘，定時時間到T101常閉觸點斷開，Q0.1線圈失電，熄滅教室第1排燈。第1排燈定時延遲關(guān)閉第1排燈點亮，Q0.1常開觸點閉合，檢測到光線強(qiáng)I0.2常開觸點閉合，或者檢測到第1排人員離開，I0.3常閉觸點閉合，則啟動定時器T101，預(yù)設(shè)定時600，單位0.1秒，就是60秒，1分鐘，定時時間到，熄滅第1排教室燈。 同樣的，第2排燈控制跟第1排燈類似，檢測到光線弱，I0.2常閉觸點閉合，同時檢測到第2排有人員，I0.4常開觸點閉合，則點亮第2排燈。檢測到光線強(qiáng)，或者第2排人員離開，延時1分鐘，關(guān)閉第2排燈。 同樣的，第2排燈點亮，Q0.2常開觸點閉合，檢測到光線強(qiáng)I0.2常開觸點閉合，或者檢測到第2排人員離開，I0.4常閉觸點閉合，則啟動定時器T102，定時時間到，熄滅第2排教室燈。第3排燈 同樣的，第3排燈控制跟第1排燈類似，檢測到光線弱，I0.2常閉觸點閉合，同時檢測到第3排有人員，I0.5常開觸點閉合，則點亮第3排燈。檢測到光線強(qiáng)，或者第3排人員離開，延時1分鐘，關(guān)閉第3排燈。 同樣的，第3排燈點亮，Q0.3常開觸點閉合，檢測到光線強(qiáng)I0.2常開觸點閉合，或者檢測到第3排人員離開，I0.5常閉觸點閉合，則啟動定時器T103，定時時間到，熄滅第3排教室燈。第4排燈 同樣的，第4排燈控制跟第1排燈類似，檢測到光線弱，I0.2常閉觸點閉合，同時檢測到第4排有人員，I0.6常開觸點閉合，則點亮第4排燈。檢測到光線強(qiáng)，或者第4排人員離開，延時1分鐘，關(guān)閉第4排燈。 同樣的，第4排燈點亮，Q0.4常開觸點閉合，檢測到光線強(qiáng)I0.2常開觸點閉合，或者檢測到第4排人員離開，I0.6常閉觸點閉合，則啟動定時器T104，定時時間到，熄滅第4排教室燈。4.4語句表程序ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1TITLE=BEGINNetwork1//自動運(yùn)行指示燈LDI0.0OQ0.0ANI0.1=Q0.0Network2//第1排燈LDNI0.2AI0.3OQ0.1ANT101AQ0.0=Q0.1Network3//第1排燈定時延遲關(guān)閉LDQ0.1LDI0.2ONI0.3ALDTONT101,600Network4//第2排燈LDNI0.2AI0.4OQ0.2ANT102AQ0.0=Q0.2Network5//第2排燈定時延遲關(guān)閉LDQ0.2LDI0.2ONI0.4ALDTON