PLC校园智能照明系统设计.docx
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PLC校园智能照明系统设计.docx
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PLC校园智能照明系统设计
摘要
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,只有开和关,而且只能一路一路地开和关,已经不能满足当今时代的需求,近年来,随着经济的发展和科技的进步,人们对照明灯具节能和科学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。
而在大学新校区的建设热潮中,各大高校和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。
相对商业楼宇而言,大学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更多。
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。
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。
在一般的情况下,不需要有人的参与,照明系统自动实现开关和调光功能。
既大大减少了管理人员的数量,也排除了由于人为因素而出现的不定时开关,影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。
针对学生的活动规律,避免能源浪费,提倡绿色环保,在新校区道路和景观照明设计时,采用了PLC智能控制.该系统自运行以来,通过测算,使得每年节约电能达30%以上,系统稳定可靠,灯具的使用寿命也有所提高,完全满足学校的照明要求。
关键词:
校园照明;智能控制;PLC;节能
ABSTRACT
Campusintelligentlightingisforthedemandofcircumstancestosaveenergyanddesign,oneofthemostimportantquestionsisdesignedtohaveareasonablecontrolsystem,wanttohaveenoughdexteritycapability.Collegesanduniversitiesalloverthecountryfortheelectricpoweraspectpayahighercosts,manyreasons,ismainlyduetodesignormanagementunreasonablewastealotofpowerresources,there'stheexistinglightingequipmentdonotverygoodplan.Intheoryresearchandon-the-spotinvestigationbasedonexperiment,thecampusintelligentlampsandreal-timeon-linecircuitmonitoringandcontrolsystemdesignandmanufacture.Thisdoesnotaffectthenormalworkundertheconditionofthelampsontheenergysavingisofgreatsignificancetothestudyfromvariousangles,andcanbeenergy-savingequipmentcosttoomuchonthepremiseofdesignthatmeetstheactualintelligentcontrolsystem.Exploreonlinemeasurement,thinkingandcalculatingdesigncontrolsystemoftoapplytheconceptanddata,basicdid"on-demandcontrol"purpose,savingelectricityresourcesandprotectionofthestreetlamp.Reducethe"wholenightlight","afternightlight",lightsinthehighvoltageconditionaftermidnight,suchnotonlyworktosaveelectricityresources,butalsoprotecttheelectriclight,extenditsservicelife.
Isnowtheschooliswholelampssomenightlightissomeareafternightlight,basicallybeartificialcontrol,laborintensive,trival,becausethestaffopenorclosestreetlampisnotseasonable,inconveniencepassers-byandwasteelectricityphenomenonoccursfrequently,andhence,designanddevelopmentperformancepricehighercampusintelligentstreetlampcontrolsystemisnecessary.Asthecampuslampsdistributionawiderangeisverywide,campusroadlampsofvariousmonitoringandmanagementisn'tsoeasy,basedonsensortimelyresponseandsoftware,basedontheoutsideconditionssensorswillhavecorrespondingaction,byeverylightingofmultisensordataaccuratelybycableseveraltransmissionmodulesenttocontrolmodule,controlmoduleagainaccordingtorequirementmakecorrespondingresponseaction,timelyreliableon-offconvenientpassorcaralsosaveenergy.Managementpersonnelinthecontrolroomcaneasilydomanagementofcampusandtorealizethecampuslamps,automaticandintelligent.
KEYWORDS:
theCampuslighting;Intelligentcontrol;Reasonabledesign;energy-saving
目录
1绪论1
1.1实行智能分时控制系统的优越性1
1.1.1达到良好的节能效果,延长灯具寿命1
1.1.2改善工作环境,提高工作效率2
1.1.3实现多种的照明效果2
1.1.4提高管理水平2
1.2校园路灯控制的发展现状2
1.3课题的提出及研究的意义3
2控制任务及设计要求4
2.1本系统的设计思路及预期结果4
2.2分时控制方案构想5
2.3预期结果5
3PLC的硬件设计6
3.1灯具布置方案6
3.2供电系统及控制原理设计6
3.3教学楼照明智能系统硬件设计7
3.3.1控制模块电路设计8
3.3.2照度传感器控制电路设计9
4PLC的软件设计及要求13
4.1分时智能控制程序编制13
4.2寒暑假控制程序13
4.3功能顺序图14
4.4程序设计15
5模拟调试的过程和出现的问题分析17
5.1电路的调试17
5.1.1调试方法17
5.1.2调试步骤17
5.1.3故障查询18
5.2系统测试结果18
5.3系统完成19
总结20
参考文献21
1绪论
当前全球能源的消耗剧增并引起的能源极度紧缺、电荒已经危及我们的生活,节约能源成为面临的十分急切的问题。
随着时代的进步和发展,智能控制自然而然的走进我们的日常生活,这也成为控制领域的普遍追求之一。
自动控制系统涉及到我们的生活,工作,科研……等各个领域,它已经成为一种比较成熟的技术。
校园路灯控制自然地地于自动化的要求也越来越高。
为了更好的适应社会发展的理念:
绿色环保,低碳生活。
我们从几个方面思考了节能的设计方法。
我们探讨的节能途径有两个:
一个是采用节能光源;二是采用合理的控制线路。
本文在使用节能光源的情况下采用合理的控制线路来实现路灯节能。
在供电系统中,为避免送电过程中的线路损耗和用电高峰时造成末端电压过低,供电部门均采用较高电压进行传输。
根据调查,有很多学校晚上23:
00过后校园里就几乎没有行人来往了,然而较园路灯却是“通宵达旦”。
为了避免出现这种不合理的用电现象,我们提出了这么一个设想作为论文的研究课题,这具有很积极的意义。
设计电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应和通过照明灯开关对声强的感应设置两级开关,控制照明灯的亮灭。
能够实现有光线时灭,无光线时有声亮,并且照明灯点亮一段后自动关断。
PLC智能照明作为一种新型的绿色照明产品,具有节能环保的优势、易于控制、便于集成的特点,必然是未来普通照明的发展趋势。
PLC照明智能控制方案道路照明的主要作用是保证行人安全和方便,绿地和景观照明主要是给人们营造温馨、和谐、美丽的环境.既要满足照明的主要功能,又要尽量节约能源,只能是采用科学的管理和控制,使两者完美统一.学生是一个特殊群体,活动的时间性、规律性非常突出,因此决定对道路和其他公共照明实行智能分时控制.
1.1实行智能分时控制系统的优越性
1.1.1达到良好的节能效果,延长灯具寿命
节能是照明控制系统的最大优势。
传统的楼宇公共区域照明工作模式,只能是白天关灯,晚上开灯。
而采用了智能照明控制系统后,我们可以根据不同场合、不同的人流量,进行时间段、工作模式的细分,把不必要的照明关掉,在需要时自动开启。
同时,系统还能充分利用自然光,自动调节室内照度。
控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式,在保证必要照明的同时,有效减少了灯具的工作时间,节省了不必要的能源开支,也延长了灯具的寿命。
1.1.2改善工作环境,提高工作效率
良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。
合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统,都能提高照明质量。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法,可以有效地控制各种照明场所的平均照度值,从而提高照度均匀性。
同时,系统能根据不同的时间段,人们的不同需要,自动调节照度。
1.1.3实现多种的照明效果
多种照明控制方式,可以使同一建筑物具备多种艺术效果,为建筑增色不少。
现代建筑物中,照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果,更应具备多种的控制方案,使建筑物更加生动,艺术性更强,给人丰富的视觉效果和美感。
一栋建筑物中,室外景观照明、泛光照明可以预设为春夏秋冬四季变化,周末节假日场景,大型庆典场景;会客厅、会议室等可以预设会议、投影、会间休息等不同场景。
在传统的人工控制方式下,难以实现如此多种多样的照明效果。
1.1.4提高管理水平
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。
在一般的情况下,不需要有人的参与,照明系统自动实现开关和调光功能。
既大大减少了管理人员的数量,也排除了由于人为因素而出现的不定时开关,影响学校的正常教学、生活秩序的情况出现。
1.2校园路灯控制的发展现状
如今我国经济高速发展,人民生活水平日益提高,能源和资源变得日益紧张,电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾。
目前我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10%~20%,而公共照明则在照明耗电中占30%,并且近几年教育及社会发展迅速全国路灯的数量仍在迅猛地增长。
照明灯节能的口号便由此而提出。
1.3课题的提出及研究的意义
随着现代化建设的发展,校园路灯及城市照明建设越来越注重于它的形象,道路照明和景观照明的要求和数量不断增加,今后照明管理部门除了管理校园道路照明外,还将参与校园景观灯的美化,很明显这将代表一个学校的形象。
因此校方及师生对校园的建设、道路照明和景观照明提出了更高的要求。
希望实现校园照明现代化、美化校园、节约能源……等目的,使校园路灯控制系统真正达到智能化走在科技前沿。
正目前,学校路灯有些是全夜灯也有些是后夜灯,基本上是人工控制,劳动强度很大,繁琐,由于工作人员开启或关闭路灯不及时,造成不方便路人与浪费用电的现象时有发生,于是,设计并研制性能价格比较高的校园智能路灯控制系统很有必要。
再有,路灯之类的设施实施节能改进,不仅可以降低能耗成本,而且有助于缓解政府能源供应和建设压力,对减少废气污染保护环境也有巨大的现实意义,我们要努力落实以人为本,全面、协调、可持续的科学发展观,减轻环境污染,实现人与自然和谐发展的重要举措。
这在一定程度上提高了人们的生活水平。
校园路灯稳定可靠的工作是关系到校园全体师生的大事,事关人身安全与财产安全,科学合理的设计出这么一个控制系统具有很重要的社会意义。
2控制任务及设计要求
2.1本系统的设计思路及预期结果
下图为教学楼设计的电路原理框图:
图2-1教学楼设计电路原理框图
设计的这一控制系统有感光传感器,它负责接收声音信号然后转换成电信号,又因为要加个放大器放大该信号,因而要后面加电子开关放大器放大该信号。
后面有个倍压整流电路,它是把声音信号变成直流控制电压。
接下来加入的是本电路当中重要的元件——光敏电阻,它通过对光线变化的大小自动改变阻值进而改变电路电压信号的强弱,光线强时,光敏电阻的阻值变小;光线弱时,光敏电阻的阻值变大。
当电压信号达到预设值时电子开关闭合,当电压信号小于该值时电子开关关断。
后面再加一个交流开关对电路进行接下来的控制作用。
下图为校园路灯设计的电路原理框图:
图2-2校园路灯设计的电路原理框图
设计校园路灯采用PLC分时控制,当到达设计规定时间时PLC的输出端口为高电平或由高电平变为低电平。
高电平时开光闭合灯亮,低电平时开光断开灯熄。
由于路灯灯具容量较大,采用了两级母线供电方式,每段小母线为一部分路灯供电.采用两级母线制比较灵活,同时也降低了母线和开关的容量,便于安装和维护.每个回路由一个接触器控制,接触器的动作受控于PLC的程序.
2.2分时控制方案构想
在设计前,对大学生的活动规律、道路照明的亮度进行了统计和测量,掌握了一手资料.大部分学生在21点钟之前回到寝室,21点至23点之间只有少量学生在室外活动,23点钟之后基本上没有学生活动,学校进入安静状态.根据这个特点把控制分为3个时段:
第1个时段为21点之前,所有灯具全部开启;第2时段为21点至23点,活动人员较少,可以关闭1/2的灯具;而到23点之后为第3时段,只要留有1/4的灯具工作,路面照度达3lx以上,高于道路照明的最低要求.为了最大限度地节能,设计时还考虑了季节的因素:
夏季夜短昼长,开灯晚,熄灯早;冬季则相对开灯较早,熄灯则相对较晚.景观和公共绿地照明采用第1、第2时段全开,第3时段全熄的控制方式,控制简单易行,节能效果显著.节假日多也是学校的特点之一,寒暑假加在一起有3个月左右.制定的控制方案是:
寒暑假期间景观灯手动控制,根据需要临时或少量开启;而路灯每天只开启1/4,满足最低照明要求.
为了保证PLC事故情况下的道路照明,在设计时还考虑了手动和自动两种工作制,手动时可以人为开启或关闭任何一路照明,保证了校区的安全.为了节省篇幅,手动/自动选择.
2.3预期结果
预期通过感应外界环境的光照强弱变化来控制教学楼灯的开关与强弱的调节,这两种控制同时作用,灯的光亮分为两个调档。
首先由光敏元件感应外界的光亮,当亮度没能达到某一个值时开启电灯开关。
然后是进一步控制,当光亮低于某一定值时,工作进入二档模式或一档模式,路灯设计四档模式,以档位递减方式进行工作。
所设计出的控制电路系统要做到电路能够实现有光线时灭,无光线时有红外热源亮,并且楼梯照明灯点亮一段后自动关断。
并且在点亮期间又有新的红外热源出现时路灯又重新开启。
3PLC的硬件设计
3.1灯具布置方案
学校的道路是以步行者为多,人员比较密集,当然也有少量车辆通过,可以说是人车混合的道路.在设计时采用了高于一般居住区而低于商业区的标准,正常情况保持路面照度不小于15lx.为了便于分时控制,在灯具布置时采用了双侧交错布置,杆距定为25m,较标准杆距略小,有利于分时控制时减少灯光死角.根据这些数据,就可以计算光通量和光源功率了.光通量垂计算可根据
(1)式进行
S=ekbd/un
(1)
其中:
e为道路照度,取20lx;
n为双侧交错布置,取1;
u为利用系数,取0.8;
k为沥青路面,取2;
b为路面宽度,取10m;
d为电杆间距,取25m.
把数据代人上式
(1)得
S=ekbd/un
=20*2*10*25/0.8
=12.49lm
通过查阅光源手册可知,应选用150W的高压钠灯灯具。
某学院占地一期为6×105m^2,全校主要道路长13km,因此,需要安装150W的路灯520盏,用电容量为78kW.其次景观和其他公共场地照明的用电容量约为15kW。
3.2供电系统及控制原理设计
路灯采用以双侧交错布置,每一侧的路灯由2个单独的控制回路进行间隔控制为单元,如图3-1所示L1回路控制左侧的单编号灯具,L2回路控制同一侧的双编号灯具。
L3、L4回路则分别控制右侧的单、双编号灯具.当进入第2时段后,每侧关闭1个回路,也就是1/2的灯具熄灭,由于灯的杆距不是很大,且学校道路不是很宽,灯光可以全覆盖,最低照度点也可以在5lx以上.当进入第3时段时,4个回路中3个回路分断,也就是只有1/4的灯具点亮,对于学校内部道路而言,完全可以满足要求.
由于灯具容量较大,采用了两级母线供电方式,每段小母线为一部分路灯供电.采用两级母线制比较灵活,同时也降低了母线和开关的容量,便于安装和维护.每个回路由一个接触器控制,接触器的动作受控于PLC的程序.供电系统示意图如图1所示.图中仅画出了1条道路和1个景观区域的供电系统图,其实全校的照明共有8段小母线,30个回路。
图3-1道路两侧供电系统示意图
为了保证PLC事故情况下的道路照明,在设计时还考虑了手动和自动两种工作制,手动时可以人为开启或关闭任何一路照明,保证了校区的安全.为了节省篇幅,手动/自动选择、接触器动作控制原理图和PLC接线图没有画出。
3.3教学楼照明智能系统硬件设计
教室是学校照明用电的主要部分。
教室灯光照度设计标准为室内平均照度300lx,这样高的照度要求,如果没有合理控制方案,能源上将造成巨大的浪费。
因此将智能照明控制系统应用于普通教室、阶梯教室具有相当的实际意义。
对于学校而言,使用调光控制方式显然造价过高,难以接受,而且教学楼的灯具大多选择了日光灯,调光控制需要专用的调光镇流器,比较烦琐。
因此,开关控制是学校教室照明主要的控制方式。
根据学校实际一般教室有两组照明电路,可划分为亮区暗区两个区域,分别在亮区暗区安装照度传感器,照度传感器与发送控制模块连接,可根据传感器状态发送不同指令,控制教室两个区的照明电路灯光开闭。
每个教室可在配电箱或墙壁开关内安装照明接收器,每个接收器可控制两个回路灯光,每个回路允许的最大电流2.5A~6A(如接入继电器可控制更大电流)。
多个教室可以为一个区,同一区发射器和接收器使用同一个用户码,接收器指令只接收同一用户码的发射器指令。
教室内的墙壁开关可安装在接收器之后,在接收器开始供电后,墙壁开关控制室内灯光打开关闭。
对于教学楼楼梯,可安装可墙壁开关,开光可安装人体热释红外传感器。
利用菲涅尔透镜的特殊光学原理当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而强其能量幅度。
它和放大电路整流电路相配合,可将信号放大70分贝以上直流电,这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
由于同侧教室采光具有相同性,以任一个教室两个区采集的光照数据作为同侧教室照明电路的控制参数,控制同侧同区教室的灯光开闭。
3.3.1控制模块电路设计
PLC输入端口分别连接4个开关,控制模块电路如图3-2示。
D1,D2,K0,S0,通过对PLC的预设置可以使每个按钮发送不同的地址控制指令,例如设置D1触发时PLC输出端口为高电平,可完成控制指令对被控模块设置功能。
图3-2控制模块电路
3.3.2照度传感器控制电路设计
照度传感器核心部件是光电耦合器,通过感应外部自然光源的照度来调节室内照明的亮度,实现智能探测和智能调节的功能。
照度传感器采用On9668,是一个可实现光控阀值可调的光电集成传感器。
电路如图3-3,图3-4所示。
控制模块电路中的为D1,D2,K0,S0任意开关,PLC的输出端口X1,X2,管脚连接一个照度传感器,X3管脚连接一个人体热释电红外传感器,X4管脚连接一个按钮。
当环境亮度达到照度传感器Uadj设置值时,OUT管脚输出高电平或低电平,OUT管脚连接单稳态触发器,这样从Q端输出脉冲信号,输入到PLC管脚X1,X2端口,同样当环境亮度达到照度传感器Umin设置值时,OUT管脚输出高电平或低电平,OUT管脚连接单稳态触发器,这样从Q端输出脉冲信号,输入到PLC管脚X3端口,相当于触发控制模块电路的任意按键,就可发出相应控制指令。
为环境照度大于设定值时,发送触发脉冲的电路,图3-3为环境照度低于设定值时发送触发脉冲的电路,图3-4为人体红外照度高于设定值时,发送触发脉冲的电路。
图3-3照度传感器控制电路图
图3-4照度传感器控制电路
图3-5照度传感器控制电路
传感器模块作为发射器使用,传感器模块连接两个亮度传感器。
每个接收器有不同地址。
假设暗区接收器地址为B1,亮区接收器为B2,也可将所有同侧教室的暗区接收器设为B1,亮区接收器设为B2,照度传感器检测到低于特定照度时,传感器模块就会触发系统发送B1开指令,所有地址为B1的模块都会接收指令从而供电,教室暗区的灯就会打开;当另一照度传感器检测到高于特定照度时,暗区传感器模块就会动作,发送B1关指令,所有地址为B1的模块都会接收指令断电,教室暗区的灯就会关闭。
这样实现暗区灯光根据本区域的实际亮度进行自动打开和关闭,保障教室一定的照度。
对于亮区区域也同样控制。
表1-1教室智能控制时间表
3.3.3教学楼楼梯照明设计
对于教学楼楼梯,每层楼梯可安装可墙壁开关,开关连接输出端口Y5,开光可安装人体热释红外传感器,电路如上图10所示。
红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,
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