基于PLC路燈控制系統.doc

摘摘 要要 隨著數字技術和網絡技術的發(fā)展 公共照明數字化和網絡化已經成為一種 必然趨勢 節(jié)約能源 保證燈具壽命 提高照明管理水平 美化城市夜量和保 證城市夜間出行安全等 已經成為對公共照明系統的一項基本要求 公共照明 系統廣泛采用高壓鈉燈或金屬鹵化物燈傳統照明系統經常采用電感鎮(zhèn)流器 本文將介紹基于 PLC 的路燈控制系統 本文設計基于 PLC 的路燈監(jiān)控系 統根據時間的變化 控制路燈的明亮程度 同時考慮到不同的季節(jié)天氣等的變 化的實際情況 以亮度檢測控制輔助 達到更合理的目的 關鍵詞關鍵詞 PLC 亮度控制 定時控制 Streetlight monitoring system in the PLC based design Abstract Along with arithmetic figure technique with technical development in network the public lighting arithmetic figure turn to turn to have become a kind of inevitable trend with the network Economy energy guarantee the lamp life span increase illuminate to manage the level beautify the city night measures with guarantee nighttime in city out line safety etc have become to a basic request of the public lighting system The extensive adoption in system in public lighting high pressure light metals turns the thing light tradition illuminates the system to usually adopt the electricity feels the town flows the machine illuminating lamp the adoption unify switch control case This article will introduce the street lamp control system based on PLC In this paper the design based on PLC street lamp monitoring system according to the time change control the street lamp bright degree Taking into account the different seasonal weather changes in the actual situation to brightness detection control auxiliary achieve more reasonable purpose KEY WORDS PLCPLC BRIGHTNESSBRIGHTNESS CONTROLCONTROL TIMINGTIMING CONTROLCONTROL 目錄目錄 1 緒論 1 1 1 課題背景 1 1 2 國內外的發(fā)展現狀 2 1 3 節(jié)能控制系統 2 2 控制系統設計方案 3 2 1 PLC 介紹 3 2 2 高壓鈉燈介紹 4 2 3 控制系統方案 5 2 3 1 方案論證 5 2 3 2 設計方案 5 2 3 3 結構框圖 6 3 硬件電路的設計 7 3 1 西門子 S7 200PLC 的介紹 7 3 2 亮度檢測裝置 8 3 3 時間調整電路 9 3 4 時間顯示電路 9 3 5 電流檢測電路 11 3 6 報警及指示電路 12 3 7 控制系統供電電路 13 4 軟件部分的設計 13 4 1 STEP7 Micro WIN32 編程軟件介紹 14 4 2 子程序 15 5 總結 17 致謝 18 參考文獻 19 附錄 1 19 附錄 2 22 附錄 3 總體電路圖 23 附錄 4 梯形圖程序 24 1 1 緒論緒論 路燈控制是市政建設的一項重要內容 為了高效的進行路燈管理 各國都 不斷的進行研究 利用各種先進技術 提高路燈的控制效率 保障路燈的可靠 運行 目前國內的路燈控制器生產的品牌很多 路燈控制器集電磁技術 智能 化控制技術 數據控制技術于一體 在可控和平緩的方式下智能調節(jié) 使輸出 電壓穩(wěn)定在設定的額定值范圍之間 路燈控制器實現公共照明系統的工作電流 與亮度需求的理想結合 達到控制方便可靠與節(jié)電和優(yōu)化供電目的 根據一年 四季變化規(guī)律與經緯度算法計算日出日落時間而且有開關時間微調和半夜控制 功能 從而能適應不同地理環(huán)境的需要 1 1 課題背景課題背景 隨著科學技術的不斷發(fā)展 城市規(guī)模的急劇膨脹 城市照明已經不僅局限 于街道的照明 社會對亮燈率 開關燈的準確率 故障檢測的實時性和維修的 及時性 路燈的節(jié)能要求也不斷的增高 這樣集現代計算機技術 無線電通 信 測控技術 路燈電力節(jié)能于一體的城市照明節(jié)能 自動監(jiān)控和管理系統也 就應運而生了 隨著現代科技的日益發(fā)展和人們生活水平的不斷提高 綠色照 明已經成為當今照明界發(fā)展的一種趨勢 科學的控制路燈 不僅可以滿足人們 行路行車的安全 還能節(jié)約電能及延長燈具的使用壽命 從而減輕維修工作量和 減少運行費用 目前能源節(jié)約和環(huán)保問題越來越被世人所關注飛速發(fā)展的經濟對能源的要 求相當迫切中國面臨的問題更加突出 隨著城市化進程的推進 城市的路燈照 明對電能的消耗與日俱增 據統計 我國城市公共照明占照明耗電量 30 左右 約 440 億度 如果按市場平均電價 0 70 度來計算 一年耗費大約 310 億元 給 國家的經濟發(fā)展帶來巨大的開支 因此 道路照明節(jié)能技術的推廣意義重大 路燈節(jié)能應該從兩個方面來考慮 一是使用效率高 壽命長 安全性能穩(wěn)定 的照明燈具 目前國際上在路燈節(jié)能領域采用主要的方法是降壓和降流兩種技 術 一般均可實現節(jié)約電能 20 以上 二是開發(fā)節(jié)能控制系統 就是通過控制 系統來對路燈的起 停 節(jié)流時間進行控制 在人流非高峰期時進行節(jié)流節(jié)能 從而避免不必要的電耗 想要讓路燈亮起來 讓城市亮起來 而且亮得更科學 亮得省電省錢 則 必須依靠科技創(chuàng)新 采用新技術 大力開發(fā)節(jié)能的高新技術產品 制定相應的 新產品來推廣應用配套政策 推動我國道路照明節(jié)電節(jié)能工作的全面展開 使 路燈管理智能化 規(guī)范化 提高管理水平和工作效率 使工作人員從繁復的 巡 2 檢 工作中解放出來 減少維護和更換燈具對道路運行安全的影響 給用戶提供 良好服務和安全保障的同時也提高大橋安全系數 路燈控制系統通過配電箱內的智能控制器對照明燈進行監(jiān)控 實現全線照 明燈開啟 關閉 路段照明燈開啟 關閉 照明燈氣象信息聯動 需氣象參數采集 單元 等功能 不僅為節(jié)約電能 節(jié)約人力 物力提供了有效手段 同時也為 提高城市現代化形象 保證道路交通安全等級 實現良好的社會效益 1 2 國內外的發(fā)展現狀國內外的發(fā)展現狀 為了高效的進行城市的路燈管理 世界各國都在不斷地研究 利用各種先進 的技術手段進行城市路燈監(jiān)控 目前對于路燈監(jiān)控系統的研究 美國某公司在道路照明系統使用嵌入基于載波芯片的智能控制器 基于 LonWorks 技術的電子鎮(zhèn)流器替代低效的機械鎮(zhèn)流器 構建實現單個路燈控制功 能的路燈解決方案 同時在配電柜中加裝智能服務器在網絡中起到分段控制的 作用 智能服務器是整個路燈控制系統的核心設備 負責接收路燈控制中心的 指令 控制路燈電子鎮(zhèn)流器 并將數據實時上傳到 WEB 服務器 電子鎮(zhèn)流器 和智能服務器之間通過現有的動力線纜相互通信 此方案采用電力載波的方式 只有在路燈線路基本都是專用變壓器 線路比較干凈 雜波少時 才便于電力 載波通訊 但是不適合公用變壓器的路燈線路 因為居民用電和工廠用電都在 其中 線路上雜波信號比較強 信號不穩(wěn) 也不適合超長線路 通常電力載波 的有效距離是 500 米 的情況 因為路段本身比較長 大于 1Km 時鈉燈數量 多 導致補償電容大量吸收中頻 100kHz 300kHz 的載波信號 進而使通訊 受到影響 由于中國電力的特性 電力載波技術不適合中國的電力國情 同時 此公司路燈控制系統費用較貴 一臺智能服務器價格為 5000 元 可控制 140 盞 路燈 每盞路燈中需安裝一個電子鎮(zhèn)流器 每臺電子鎮(zhèn)流器為 1000 元 相比而 言 本系統 GPRS ZIGBEE 路由器價格在和對方等同的情況下至少可以控制到 上萬盞路燈 具體安裝視具體情況而定 每個 ZIGBEE 終端控制器的價格也僅 為幾百元左右 美國另一公司作為研發(fā)無線射頻模塊的公司 將 GPRS ZIGBEE 技術應用 于遠程抄表系統 并沒有將這種技術應用于城市路燈照明 其應用于路燈控制 系統的技術與本系統不同 需要通過有線的以太網方式將所需要控制的路燈連 接在一起 然后通過 GPRS 網絡連接到遠程監(jiān)控中心 這種方式最大的不足在 于安裝系統時需要布線 施工復雜 1 3 節(jié)能控制系統節(jié)能控制系統 3 目前能源節(jié)約也是當前關注的一個重要問題 常見的路燈節(jié)能控制系統 有 RLD 數控式路燈節(jié)能控制系統 他路燈節(jié)電控制系統主要由自主知識產權 的數控穩(wěn)壓技術 AVR 以及可編程節(jié)能控制系統等組成 調節(jié)方式由節(jié)能控 制系統數控穩(wěn)壓器的電子開關矩陣等 調整變壓器的 TAP 用來調節(jié)輸出功率 特點是具有數字化智能控制 具有軟啟動 停止的特性 模塊化設計 可編輯程 序控制參數 全自動補償功能 高精度 高效率 高速度 高可靠 免維護長 期穩(wěn)定工作 低噪音等 智慧型補償式燈節(jié)能控制系統是專為路燈控制系統設計的節(jié)電器 路燈節(jié) 能控制系統主要由智慧型有級功率調節(jié)器與可編程節(jié)能控制系統組成 它針對 高壓鈉燈等氣體放電燈具的特點 利用當今先進的微電腦技術對燈具的電源進 行優(yōu)化的調控 使燈具控制器件執(zhí)行合理的點亮程序 極大的延長燈具壽命 減少電能的浪費 產品技術檔次達到世界的先進水平 具有較高的性能和價格 比 它的特點是采用數字計算機智能控制 可程序設定控制節(jié)電參數 功率 調節(jié)不斷流 旁路轉換不斷流 結構緊湊 體積小 無機械調節(jié)結構 穩(wěn)定可 靠 免維護長期穩(wěn)定工作 2 控制系統設計方案控制系統設計方案 2 1 PLC 介紹介紹 自 1969 年第一次出現在市場上可編程控制器 可編程控制器已經成為一種 最受歡迎的 應用在大多數工業(yè)控制器中 在電廠 煉鋼等除塵設備中 傳統的手動操作已遠遠不能獲得好的控制品 質 目前 在電氣控制領域 國內外普遍采用 PLC 特別是最近幾年的冶金行 業(yè)中 PLC 以其在工業(yè)惡劣環(huán)境下仍能高可靠性工作 及抗干擾能力強的特點 而獲得更為廣泛的使用 PLC 將電氣 儀表 控制這三電集于一體 可以方便 靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統 以適應各種工業(yè)控制的需要 由于 PLC 是專為工業(yè)控制而設計的 其結構緊密 堅固 體積小巧 是實現機 電一體化的理想控制設備 隨著微電子技術的快速發(fā)展 PLC 的制造成本不斷 下降 而其功能卻大大增強 在先進工業(yè)國家中 PLC 已成為工業(yè)控制的標準設 備 應用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè) 日益躍居現代工業(yè)自動化三大支柱 PLC ROBOT CAD CAM 的主導地位 可編程序控制器是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的 電子裝置 它采用可以編制程序的存儲器 用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算 順序運算 計時 計數和算術運算等操作的指令 并能通過數字式或模擬式的 輸入和輸出 控制各種類型的機械或生產過程 可編程序控制器及其有關的外 4 圍設備都應該按照易于與控制系統形成一個整體 易于擴展其功能的原則而設 計 目前 可編程控制器廠家眾多 產品型號規(guī)格不計其數 但主要分為歐 洲 日期 美國三大地方 在中國的市場 歐洲的可編程序控制器的代表是西 門子 PLC PLC 具有很廣泛的用途 操作方便 適應面廣 可靠性高 抗干擾 能力強 編程簡單等很多特點 可編程序控制器 PLC 在工業(yè)自動化控制是專門 在時序控制地位 在可預見的將來 將是無法替代的 2 2 高壓鈉燈介紹高壓鈉燈介紹 高壓鈉燈是現在常用的一種路燈 高壓鈉燈在使用時發(fā)出金白色光 是具 有發(fā)光效率高 耗電少 壽命長 透霧能力強和不誘蟲等優(yōu)點 廣泛應用于道 路 高速公路 機場 碼頭 船塢 車站 廣場 街道交匯處 工礦企業(yè) 公 園 庭院照明及植物栽培等場所 高顯色高壓鈉燈主要應用于體育館 展覽廳 娛樂場 百貨商店和賓館等場所照明場所 高壓鈉燈同其他氣體放電燈泡一樣 工作是弧光放電狀態(tài) 伏 安特性曲 線為負斜率 即燈泡電流上升 而燈泡電壓卻下降 在恒定電源條件下 為了 保證燈泡穩(wěn)定地工作 電路中必須串聯一具有正阻特性的電路元件來平衡這種 負阻特性 穩(wěn)定工作電流 該元件稱為鎮(zhèn)流器或限流器 電阻器 電容器 電 感應器等均有限流作用 電阻性鎮(zhèn)流器體積小 價格便宜 與高壓鈉燈配套使 用會發(fā)生啟動困難 工作時電阻產生很高的熱量 需有較大的散熱空間 消耗 功率很大 將會使電路總照明效率下降 它一般在直流電路中使用 在交流電 路中使用燈光有明顯所閃爍現象 電容性鎮(zhèn)流器雖然不象電阻性鎮(zhèn)流器自身消 耗功率很大 溫升低 在電源頻率較低時 電容器充電時 會產生脈沖峰值電 流 對電極造成極大損害 燈光閃爍 影響燈泡使用壽命 在高頻電路中工作 電壓波動能達到理想狀態(tài) 成為理想的鎮(zhèn)流器 電感性鎮(zhèn)流器損耗小 阻抗穩(wěn) 定 阻抗菌素性偏差小 使用壽命長 燈泡的穩(wěn)定度比電阻性鎮(zhèn)流器好 目前 與高壓鈉燈配套使用的鎮(zhèn)流器均為電感性鎮(zhèn)流器 高壓鈉燈啟動之后 在初始階段是汞蒸氣和氙氣的低氣壓放電 這時候 燈泡工作電壓是很低 電流是很大 隨著放電過程的繼續(xù)進行 電弧溫度也漸 漸上升 汞 鈉蒸氣壓由放電管最冷端溫度所決定 當放電管的冷端溫度達到 穩(wěn)定 放電便會趨向穩(wěn)定 燈泡的光通量 工作電壓 工作電流和功率也處于 正常的工作狀態(tài) 在正常的工作條件下 整個啟動的過程約需 10 分鐘左右 在高壓鈉燈工作的電路中除了燈泡外 還要必須按內觸發(fā)高壓鈉燈或外觸 發(fā)高壓鈉燈分別選用相應的工作電路 如燈泡 鎮(zhèn)流器或燈炮 鎮(zhèn)流器 觸 發(fā)器的工作電路 方可達到高壓鈉燈的正常工作的要求 5 Port Port 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 圖圖 1 高壓鈉燈電路高壓鈉燈電路 2 3 控制系統方案控制系統方案 2 3 1 方案論證方案論證 目前路燈控制方法可以分為以下幾類 自控型又分定時器控制和光控器控制兩種方法 自控型照明控制器的優(yōu)點 是設備投資少 安裝和維修簡單靈活 時控法以時間為唯一的開 關燈控制依 據 但隨季節(jié)變化 就需要人工干預來調整開 關時間 所以存在對環(huán)境光照 度的變化適應能力差的缺點 而光控法則是按光照度的差異來控制開 關燈的 則易受粉塵 雨雪污染使靈敏度降低 且功能單一 開關動作不統一 控制不 靈活 隨時需要人為干預等缺點 有線型路燈控制在路燈系統中架設電源線纜和控制線纜的控制方法 由控 制中心來集中控制 這種方案其優(yōu)點是控制準確 動作可靠 能應用計算機技 術進行多層次 多任務控制 缺點是設備投資大 故障易發(fā)點多 維護也困難 常規(guī)無線數傳電臺控制系統都是利用常規(guī)無線電臺的收發(fā)信道作為載體 采取雙音多頻作為控制信令來達到控制照明燈開關的目的 常規(guī)的無線電臺控 制系統的優(yōu)點是技術成熟 布點靈活 安裝方便 功能擴充性好 也可實現雙 向通信 缺點是易受到干擾 控制組合較少 主控電臺的射頻發(fā)射功率被限制 在 10W 以下 受控區(qū)域小 容易造成人為誤動作和惡意操作 設備投資大 性價比低 本設計主要研究內容是利用 PLC 實現路燈自動監(jiān)控系統能按時間以及光照 度的差異來控制開 關燈的 通過一般交通情況按時間來控制燈的亮度 節(jié)約 路燈使用電能及延長燈具的使用的壽命 而且減輕維修工作量和減少運行費用 具有檢測燈的工作狀態(tài) 具有一定的電路保護功能 確定故障位置 有故障報 警功能 燈具采用高壓鈉燈 2 3 2 設計方案設計方案 路燈控制的控制方法很多 都是為了控制方便 還有美化城市 節(jié)約電 能 節(jié)約人力物力等成本資源 但是按照每天日照的時間 日出的時候熄滅路 6 燈 日落的時候點亮路燈 在一年四季中 難免有天黑得過早的時候 這個時 候如果沒有相應的應急措施 將會給交通帶來不便 可以再控制系統中設置一 個亮度檢測裝置就能解決該問題 據調查 城市道路的人流量和車流量在晚間 7 一 12 時是均值較高的時段 而 12 時過后的人流量和車流量則會顯著降低 與之相對應的是對光照要求和實 際用電需求也應有所降低 按照規(guī)定的設計標準照度照明對方便人們的夜生活 和維護城鎮(zhèn)的治安等是非常必要的 而 12 時過后的人流量和車流量則會顯著 降低 與之相對應的是對光照要求和實際用電需求也應有所降低 夜深人靜 保 持原設計的照度的照明就是一種浪費 然而隨著季節(jié)的更迭 路燈的點亮和熄滅時刻也應當是不一樣 那么就需要 一種系統來控制路燈在不同的季節(jié)有不同的點亮和熄滅的時間 在一年四季 中 難免會由于天氣變化而天黑得過早的時候 或者亮的過早過晚的時候 這 個時候如果沒有相應的應急措施 也將會給交通帶來不便 可以再控制系統中 設置一個光照亮度的檢測裝置 利用時間控制為主 再以亮度檢測裝置進行輔 助控制 達到最佳的效果 路燈的控制方法多為 鐘控 和 光控 鐘控 不適應季節(jié)的變化與 天氣突變等自然情況 光控 容易受外部環(huán)境的干擾 靈敏度低且可靠性也 較差 二者單獨使用都不能實現控制開關燈的合理化 科學化 只有二者結合 設計 才能使路燈的控制更加科學更加合理 2 3 3 結構框圖結構框圖 根據以上條件 PLC 路燈控制系統的組成有 plc 及其外圍 亮度檢測裝 置 時間調整電路 時間顯示電路 路燈控制裝置 電流檢測電路 報警及指 示電路等 其組成框圖結構如下 時間調整電路 PLC 時間顯示電路 狀態(tài)檢測電路 報警及指示電 路 路燈控制裝置 亮度檢測電路 7 圖圖 2 控制系統組成控制系統組成 基于 PLC 的路燈控制系統 完成的任務是實現路燈的自動開啟和關閉 當 夜晚 或光線較暗 來臨時 且處于交通高峰期時 路燈全部開啟 交通高峰 期過后 進入按比例開啟 午夜按 2 3 凌晨時段按 1 3 可檢測任意一路燈的 工作電流 當路燈發(fā)生漏電故障可以實現報警 并顯示該路燈的位置 3 硬件電路的設計硬件電路的設計 PLC 路燈控制系統的組成有 plc 及其外圍 亮度檢測裝置 時間調整電 路 時間顯示電路 路燈控制裝置 電流檢測電路 報警及指示電路等 3 1 西門子西門子 S7 200PLC 的介紹的介紹 本設計選用的PLC是西門子S7 200 S7 200系列PLC是SIEMENS公司新推 出的一種小型的PLC 它的優(yōu)點緊湊的結構 良好的擴展性 強大的指令功能 低廉的價格已經成為當代各種小型控制工程的理想控制器 S7 200PLC包含了一個單獨的S7 200CPU與各種可選擇的擴展模塊 可以十 分方便的組成不同規(guī)模的控制器 其控制的規(guī)模可以從幾點到幾百點 S7 200PLC可以方便的組成PLC PLC網絡和微機 PLC網絡 完成規(guī)模更大的工程 S7 200的STEP Micro WIN32編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC 編程 調試 監(jiān)控 使得PLC的編程更加方便 快捷 可以說 S7 200可以完 美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y的要求 目前S7 200系列PLC主要有CPU221 CPU222 CPU224和CPU226四種 PLC 檔次最低是CPU221 其數字量輸入點數只有6點 數字量輸出點數只有4 點 是控制規(guī)模最小的PLC 檔次最高的應屬CPU226 它集成了24點輸入 16點 輸出 共有40點數字量I O 最多可連接7個擴展模塊 最大可擴展至數字量 I O256點或模擬量I O64路 CPU226本機集成了24點輸入 16點輸出 共有40點數字量I O 最多可連接7 個擴展模塊 最大可擴展至數字量I O256點或模擬量I O64路 CPU226有16KB 程序和10KB數據存儲空間 6個獨立的30KHz高速計數器 2路獨立的20KHz高 速脈沖輸出 具有PID控制器 CPU226配有2個RS 485通訊 編程口 具有PPI通 信 MPI通信和自由通信方式能力 用于較高要求的中小型控制系統 本系統采用繼電器輸出 故在此只介紹DC輸入繼電器輸出的CPU226接線 方法 西門子 CPU226DC輸入端中1M 0 0 1 4為第1組 2M 1 5 2 7為第2組 1M 2M分別為各組的公共端 繼電器輸出端由 3 組構成 其中 1L 0 0 0 3 為第 1 組 2L 0 4 1 0 為第 2 組 3L 1 1 1 7 為第 3 組 各組的公共端為 1L 2L 3L 8 在plc的輸入口各個旋鈕開關 按鈕開關一頭接入plc的輸入點 一頭接 24V 其中24V 來自plc的輸出24V電源 輸入端的公共端M1 M2和M端相連 為了便于維護 和器件的安全 輸出端的控制沒有直接和負載連接 而是 通過中間繼電器相連 其中中間繼電器全部采用2P的24V中間繼電器 中間繼 電器的供電電壓來自24V電源模塊 圖圖 3 PLC 接線圖接線圖 3 2 亮度檢測裝置亮度檢測裝置 亮度檢測電路是作為路燈開啟與路燈關閉的一個輔助的控制開關 在夜幕 降臨的時候 即天黑到一定的程度的時候 而對時間控制系統來說還沒有達到 規(guī)定的開燈時間 但這時也要要求路燈開啟 進入第一種工作狀態(tài) 在早晨天 亮時根據亮度變化把路燈關閉 但后面還有時間控制 即使亮度檢測失誤 當 達到一定的實際時間 路燈在時間控制下關閉 進入下一工作狀態(tài) 常用的光探測器件很多 本設計用的是硫化鎘 Cds 光敏電阻 它是由半 導體材料制成的 當光照射到光敏電阻的時候 光子被 Cds 半導體物質吸收 激發(fā)出更多的電子空穴對 使載流子數目增加 從而導致光敏電阻阻值 暗阻 在 1 10M 之間 在強光條件下 電阻的阻值 亮阻 僅有幾百至數千歐姆 本電路是利用光敏電阻作為光探測器件 電路如圖所示 在由電阻 R1 光 9 敏電阻 Cds 和可調電阻 W 組成的分壓偏置 電路中 當 A 點電壓低于晶體三 極管基極的導通電壓時 晶體三極管 BG1 BG2 都處于截止狀態(tài) 發(fā)光二極管 LED 不發(fā)光 表示繼電器 J 處于釋放狀態(tài) 繼電器 J 的常閉觸點接通 當照射 在光敏電阻 Cds 上的光強增大時 使光敏電阻阻值減小 分壓偏置電路中的 A 點電壓升高 當超過三級管導通電壓時 晶體三極管 BG1 BG2 都導通 發(fā)光 二極管 LED 亮 繼電器 J 吸合 常閉觸點打開 R5 5 1 R4 470 W 5W Cds R Q1 8550 Q2 8550 KA4 LED VCC 圖圖 4 亮度檢測電路亮度檢測電路 3 3 時間調整電路時間調整電路 為了實現路燈可靠的控制 系統設有時鐘電路作為路燈開啟與關閉的參考 時間 而此參考時間則必須與實際時間相同 系統開機后的時間自然是與當前 的實際時間不同的 通過時間調節(jié)來改變時間 時間調節(jié)由四個按鈕開關組成 分別是調整時十位 時個位 分十位 分 個位 系統設有時間總開關 按鈕開關一頭接入 plc 的輸入點 一頭接 24V 其中 24V 來自 plc 的輸出 24V 電源 3 4 時間顯示電路時間顯示電路 系統時間顯示由 cd4511 和數碼管組成 數碼管采用共陰極數碼管 由四個七段數碼管分別顯示時十位 時個位 分十位 分個位 用 PLC 中的特殊繼電器 SM0 5 來提供秒脈沖信號 秒脈沖通過一個發(fā)光二 極管進行指示 Q0 1 輸出秒脈沖 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 41 輸出時間顯示 BCD 碼 Q1 0 Q1 1 Q1 2 Q1 3 輸出顯示選通信號 10 顯示電路如下 顯示譯碼器CD4511是一個用來驅動共陰極 LED 數碼管 顯示器的 BCD 碼 七段碼譯碼器 特點如下 具有BCD轉換 消隱和鎖存控制 七段譯碼及 驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流 可直接驅動LED數碼管 圖圖 5 CD4511 引腳圖引腳圖 其功能介紹管腳如下 BI 4 腳是消隱輸入控制端 當 BI 0 時 不管其它輸入端狀態(tài)如何 七 段數碼管都處于熄滅 消隱 狀態(tài) 不顯示數字 LT 3 腳是測試輸入端 當 BI 1 LT 0 時 譯碼的輸出全為 1 不管輸 入 DCBA 狀態(tài)是如何 七段均發(fā)亮 顯示 8 它主要是用來檢測數碼管是否 損壞 LE 鎖定控制端 當 LE 0 的時候 允許譯碼輸出 LE 1 的時候譯碼器 是鎖定保持狀態(tài) 譯碼器輸出被保持在 LE 0 時的數值 A1 A2 A3 A4 為 8421BCD 碼的輸入端 a b c d e f g 為譯碼的輸出端 輸出為高電平 1 有效 1 2 3 4 5 6 7 8 D1 2 a 13 D2 6 b 12 D3 7 c 11 D0 1 d 10 e 9 g 14 f 15 U1 74 4511 DP D0 D1 D2 D3 U1 U2 U3 U4 LED R 1k 圖圖 6 時間顯示電路時間顯示電路 11 3 5 電流檢測電路電流檢測電路 這個電路是交流電流檢測電路 交流電流通過變壓器 TR1 初級線圈感應到 TR1 次級線圈 過流時會造成晶體管動作 直到切斷電源 現在大部分的路燈都是高壓鈉燈 它是由放電燈管 鎮(zhèn)流器 觸發(fā)器等組 成 高壓鈉燈的工作電路包括鎮(zhèn)流器 電源和燈 包括觸發(fā)器 等 三者之間 的關系是不滿足直角三角形 所以燈不屬于純電阻器件 而是感性器件 高壓 鈉燈電源 鎮(zhèn)流器和燈之間電壓和阻抗的數學模型為 1 222 HL xUUU 2 222 HL ZZZ 式中 U為電源電壓 為鎮(zhèn)流器電壓 為燈電壓 Z為輸人阻抗 L U H U 為鎮(zhèn)流器阻抗 為燈阻抗 x y是與燈效率有關的系數 鎮(zhèn)流器也不是 L Z H Z 純電感器件 存在一個小的線圈銅電阻 而式 1 和式 2 中都沒有考慮鎮(zhèn)流器線 圈直流電阻的影響 常用高壓鈉燈泡的技術參數如下見表l 高壓鈉燈泡則必 須與相應的鎮(zhèn)流器配套使用 配套鎮(zhèn)流器的技術參數如下見表2 表表1 1 常用高壓鈉燈泡的技術參數表常用高壓鈉燈泡的技術參數表 燈泡型號電源電壓額定功率啟動電流工作電流工作電壓光通量 NG100220 V100 W1 8 A1 25 A135 V7500 LM NG250220 V250 W405 A3 00 A100 V22500 LM NG400220 V400 W6 2 A4 60 A100 V36000 LM 表表 2 高壓鈉燈配套鎮(zhèn)流器的技術參數表高壓鈉燈配套鎮(zhèn)流器的技術參數表 配 用燈泡額定功率電源電壓工作電壓工作電流頻率 100W220V167 5V1 25A50HZ 250W220V180V3 00A50HZ 400W220V180V4 60A50HZ 12 VCC TR1 B5 R1 VR1 47K R2 2K7 D1 Q1 BC549 C1 10u R3 2k7 D2 D3 C24700u D4 KA2 ACT ACT Q2 bc556 圖圖 7 電流檢測電路電流檢測電路 3 6 報警及指示電路報警及指示電路 本報警電路由兩塊 555 定時器和外接定時元件 RC 組成的兩個多諧震蕩電 路 第一塊 555 定時器的輸出方波信號控制發(fā)光二極管發(fā)光 第二塊 555 定時 器的輸出電壓調制為兩種音頻信號使揚聲器發(fā)出雙響聲音 下圖為兩塊 555 定時器和外接定時元件 R C 組成的兩個多諧振蕩器 多諧 振蕩器的特點是沒有穩(wěn)定狀態(tài) 只有兩個暫穩(wěn)態(tài) 無需外加觸發(fā)信號 可以有 一個暫穩(wěn)態(tài)直接跳轉到另一個暫穩(wěn)態(tài) 并且兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)狀態(tài)的時間可通 過調節(jié)外接的定時元件 R C 來進行控制 報警電路可通過調節(jié)電阻 R1 R2 R3 R4 和電容 C1 C2 來模擬不同聲響 比如 R1 R3 10K R2 100K R4 150K C1 10uF C2 0 01Uf 揚聲器可以 發(fā)出像救護車鳴笛的報警聲 同時第一塊 555 定時器構成的多諧振蕩器的輸出 信號還可改變發(fā)光二極管閃爍的頻率 R R1 10k R2 100k R3 10k R4 150k R5 50k R6 10kC110u C3 0 01uF C2 0 01u C4 100uF led KA5 VCC B TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U1 555 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U2 555 圖圖 8 報警指示電路報警指示電路 13 3 7 控制系統供電電路控制系統供電電路 PLC 的供電電路可有 PLC 自帶的電源模塊 其他外圍電路的供電電路采用 三端穩(wěn)壓器 MC78M05CT 為核心的穩(wěn)壓電路 如下圖 三端穩(wěn)壓器 MC78M05CT 將輸出電壓穩(wěn)定在 5V 上 電路如下圖所示 這是一個輸出正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路 IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805 C2 C3 分別為輸入端和 輸出端濾波電容 當輸出電流較大時 7805 應配上散熱板 C3 10uF C2 0 1uF D1D3 D2D4 C1 2200uF Vin 1 Gnd 2 5V 3 LM7805CT 1 2 TIN VCC T1 B5 D5 D D6 D 圖圖 9 9 控制電路供電電路控制電路供電電路 4 軟件部分的設計軟件部分的設計 軟件是自動控制系統設計的靈魂 沒有軟件的PLC不能充分發(fā)揮其功能 這是軟件在PLC控制系統中的地位 而在PLC控制系統中 軟件也是非常的重 要的 在照明控制系統中 硬件設備的功能是由軟件來定義的 如果系統要控 制分布的照明燈具 通過有線與無線串行通信來完成控制功能 通過軟件定義 撥碼盤功能 通過編程完成LED數碼的顯示等等 由此可見 軟件可是控制系 統中的一個重要組成部分 該路燈控制系統的軟件程序包括 時鐘程序 顯示程序 時間狀態(tài)指示程 序 路燈控制程序 工作狀態(tài)檢測顯示程序 也是本著軟件設計的基本方法 照明控制程序的軟件設計方法是利用傳統的結構化分析與設計的方法來完成的 結構化程序設計方法雖然是早期的程序的設計方法 但該方法還一直在被廣泛 地使用 結構化系統分析與設計貫穿整個軟件設計過程 遵循 自頂向下 逐 步求精 的基本原則 系統在開啟后執(zhí)行子程序 首先開啟時鐘電路 I0 0 為時鐘電路控制總開 關 控制時鐘電路開始工作 之后需要調整系統時鐘電路的時間 時間必須與 當前具體時間一致 路燈控制系統的時間通過數碼管顯示 顯示電路也由 PLC 控制輸出 實行動態(tài)顯示 之后對電流檢測電路返回來的數據進行判斷 接下 來執(zhí)行時間狀態(tài)輸出程序 根據當前的時間決定路燈工作在那個時間段 在這個設計中 當天黑后進入第一個工作狀態(tài) 此時所有路燈都開啟 或 14 者到達 19 點后 至 24 點為第一工作狀態(tài) 24 點后進入 第二工作狀態(tài) 此時 路燈開啟 2 3 到 6 點后進入第三工作狀態(tài) 路燈開啟 1 3 之后亮度檢測 天 亮后進入第四工作狀態(tài) 燈全關閉 如果亮度檢測無輸入到達 8 點也將進入第 四工作狀態(tài) 本照明控制系統軟件程序結構如圖 N 執(zhí)行子程序 開啟2 3 全部開啟 讀取時鐘信息 開啟1 3 讀取亮度檢測采樣 數據 亮度 定值 是否交通高峰 期 是否午夜 是否凌晨 全部關閉 返回 開始 N Y Y N Y N Y 圖圖 10 路燈控制程序路燈控制程序 4 1 STEP7 Micro WIN32 編程軟件介紹編程軟件介紹 STEP7 Micro WIN32 是西門子公司專為 SIMATIC S7 200 系列可編程序控 制器研制開發(fā)的編程軟件 它是基于 Windows 的應用軟件 功能強大 既可用 于開發(fā)用戶程序 又可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài) 下面將介紹該軟件的安 裝 基本功能以及如何應用編程軟件進行編程 調試和運行監(jiān)控等內容 STEP7 Micro WIN32 編程軟件的基本功能是協助用戶完成應用軟件的開發(fā) 15 其主要實現以下功能 1 在脫機 離線 方式下創(chuàng)建用戶程序 修改和編輯原有的用戶程序 在 脫機方式時 計算機與 PLC 斷開連接 此時能完成大部分的基本功能 如編程 編譯 調試和系統組態(tài)等 但所有的程序和參數都只能存放在計算機的磁盤上 2 在聯機 在線 方式下可以對與計算機建立通信關系的 PLC 直接進行各 種操作 如上載 下載用戶程序和組態(tài)數據等 3 在編輯程序的過程中進行語法檢查 可以避免一些語法錯誤和數據類型 方面的錯誤 經語法檢查后 梯形圖中錯誤處的下方自動加紅色波浪線 語句 表的錯誤行前自動畫上紅色 且在錯誤處加上紅色波浪線 4 對用戶程序進行文檔管理 加密處理等 5 設置PLC的工作方式 參數和運行監(jiān)控等 用 STEP 編程軟件編制用戶程序可按以下步驟進行 啟動 STEP 軟件 建 立新工程文件 繪制梯形圖 編譯程序 下載程序和監(jiān)視程序運行等 1 啟動 STEP 編程軟件 在開始菜單中找到 Simatic STEP 7 Microwin STEP 7 MicroWIN 選項即可啟 動 STEP 編程軟件 2 建立新工程文件 啟動 STEP 后 單擊文件菜單中的 新建 命令 或者直接點擊工具條上 的 新建 按鈕來創(chuàng)建一個新工程 4 2 子程序子程序 1 時鐘程序的設計使用的是特殊繼電器 SM0 5 提供秒脈沖 用計數器 c0 將秒脈沖轉換成分脈沖 用左移指令 SHL W 形成分個位左移碼 用左移 指令 SHL B 形成分十位左移碼 用左移指令 SHL W 形成時個位左移碼 用左移指令 SHL B 形成時十位左移碼 程序啟動后在初始狀態(tài) 0 時 0 分 通過調整時間控制按鈕來調整時間 開 啟后首先開始 CO 秒計數 當秒計數 60 后控制左移指令 SHL W MW1 左移 一位 就是分鐘個位進一位 M1 0 到 M2 1 為分鐘個位標志位 共有 10 個標 志位 每個標志位標志分鐘個位輸出 0 到 9 的對應位 同樣分鐘進到 9 時則控 制 SHL B MB3 左移 就是分鐘十位進位 M3 0 到 M3 5 為分鐘十位標志位 共有 6 個標志位 每個標志位標志分鐘十位輸出 0 到 5 的對應位 分鐘十位進 到 5 后控制小時計數 C1 為小時計數 同時進行小時個位 SHL W MW4 左 移 就是小時個位進位 M4 0 到 M5 1 為小時個位標志位 共有 10 個標志位 每個標志位標志小時個位輸出 0 到 9 的對應位 小時進到 9 后 控制小時十位 16 進位 小時十位 SHL B MB6 同時由計數器 C1 控制 M6 0 到 M6 2 為小時 十位標志位 共有 3 個標志位 每個標志位標志小時十位輸出 0 到 2 的對應位 到達 24 時候回 0 時 開始 C0計數 分鐘個位加1 分鐘十位加1 小時十位加1 小時個位加1 C1計數 所有位置零 C0 1 C1 1 M5 2 1 M3 6 1 M2 2 1 Y Y Y Y Y N N N N N 圖圖 11 時鐘程序控制程序時鐘程序控制程序 2 顯示程序是首先將左移位碼變成 BCD 碼輸出 就是將分鐘個位 還 有分鐘十位 小時個位 小時十位轉換成 BCD 碼 M9 0 M9 3 控制 BCD 的轉 換輸出 當為 M9 0 時 則控制分鐘個位顯示 假設此時 M1 2 置位 則表示分 鐘個位現在為 3 將 3 轉換成 BCD 碼 驅動數碼管分鐘個位顯示 3 還由 PLC 的輸出繼電器控制使四個數碼管輪番顯示 SHL B MB9 指令 控制中間繼電器 M9 0 M9 3 控制四個數碼管輪番顯示 控制內部時間數據那位 轉換成 BCD 碼輸出 3 時間狀態(tài)指示程序設計中首先將 24 小時分成 4 個時間段來進行考慮 通過這四個時間端控制燈工作在不同的工作狀態(tài) 但時間段并不能決定路燈工 作在那個狀態(tài) 其工作狀態(tài)還受光控開關控制 但時間數據 19 點時進入第一段 17 M7 1 置位 時間數據 24 點時進入第二段 M7 2 置位 時間數據 6 點時進入第 三段 M7 3 置位 時間數據 8 點時進入第四段 M7 3 置位 4 狀態(tài)檢測報警程序此段程序就是檢測有無故障輸入而后作出處理 系 統假設為控制 3 路路燈 I0 5 為 1 號燈檢測輸入 I0 6 為 2 號燈檢測輸入 I0 7 為 3 號燈檢測輸入 1 號有輸入則對應的 1 號燈故障顯示報警燈 Q1 4 置位 Q1 7 同時置位報警 2 號有輸入則對應的 2 號燈故障顯示報警燈 Q1 5 置位 Q1 7 同 時置位報警 3 號有輸入則對應的 3 號燈故障顯示報警燈 Q1 6 置位 Q1 7 同時 置位報警 5 總結總結 本文介紹了基于 PLC 的路燈控制系統根據路燈控制系統研究的背景 路燈 控制系統的發(fā)展狀況 了解了國內外的發(fā)展情況 以及對一些路燈控制系統的 研究提出了軟 硬件設計方案和相應的軟件編制方法以及程序 本系統中沿著 讓路燈控制可靠 控制方便而且節(jié)約人力物力 具有一定的節(jié)能效果 本系統 有 plc 及其外圍 亮度檢測裝置 時間調整電路 時間顯示電路 路燈控制裝 置 電流檢測電路 報警及指示電路 本設計根據時間控制路燈的開關 同時考慮到隨著季節(jié)的更迭 路燈的點 亮和熄滅時刻也應當是不一樣 那么就需要一種系統來控制路燈在不同的季節(jié)有 不同的點亮和熄滅的時間 在一年四季中 難免會由于天氣變化而天黑得過早 的時候 或者亮的過早過晚的時候 這個時候如果沒有相應的應急措施 也將 會給交通帶來不便 可以再控制系統中設置一個光照亮度的檢測裝置 利用時 間控制為主 再以亮度檢測裝置進行輔助控制 達到最佳的效果 本系統是基于PLC的路燈控制系統 完成的任務是實現路燈的自動開啟和 關閉 當夜晚 或光線較暗 來臨時 且處于交通高峰期時 路燈全部開啟 交通高峰期過后 進入按比例開啟 午夜按2 3 凌晨時段按1 3 可檢測任意一 路燈的工作電流 當路燈發(fā)生漏電故障可以實現報警 并顯示該路燈的位置 達到一定的節(jié)能的目的 設計中采用了路燈時間控制為主 而且還有路燈環(huán)境監(jiān)測數據采樣 送入 PLC進行輔助控制 保障了因天氣變化而導致時間控制法的不足 但由于設計 能力的有限 論文中還有很多的問題 亮度檢測電路設計的可靠性不好 而且 容易受到照明系統本身光源的干擾而產生誤動作 這樣將影響路燈的正常工作 還有就是時間顯示上 在實際應用中應該設計的更加合理直觀 在本設計中讓 我認識了西門子PLC S7 200 了解了PLC的外圍介紹 還有他的編程方法 參 考了很多文獻資料 18 致謝致謝 通過大學五年的學習 讓我學到了很多對將來有用的知識 我在這里不僅 體會到了學習的樂趣 以及學習興趣的作用 通過在一起學習也知道同學的重 要 論文結束之際 首先感謝我的指導老師 指導老師在本次設計中給予了殷 切指導 在寫論文的過程中 老師給我做了全程的分析與引導 指導老師知識 淵博 治學嚴謹 他的認真與細致讓我佩服 本文能得以順利完成承蒙指導老師的幫助 從論文題目的選定 研究方法 和結構的確立 至研究內容的細到審定和殷切指正 以及再研究工作中的支持 和鼓勵 謹至由衷的感謝與敬意 在此期間老師嚴謹的治學之風和豐富的學識 亦使我在專業(yè)上受益非淺 最后 對所有在我學習生活中給予幫助和關心的人表示衷心的感謝 19 參考文獻參考文獻 1 王海韜 城市路燈遠程監(jiān)控系統的研究 電子工程師 2001 2 王振宇 監(jiān)控與數據采集系統在城市路燈管理中的應用 電子工程師 2002 4 王 剛 路燈遠程監(jiān)控系統結構及關鍵技術研究 南京理工大學 2004 5 劉君華 智能傳感器系統 M 西安 西安電子科技大學出版社 1999 6 黃賢武 鄭筱霞 曲波等 傳感器實際應用電路設計 M 成都 電子科技大學出版社 1997 4 10 7 月霞 孫傳友 DS18B20 硬件連接及軟件編程 J 傳感器世界 2001 12 25 29 8 廖常初 PLC 基礎及應用 M 2 版 北京 機械工業(yè)出版社 2007 9 廖常初 S7 200PLC 編程及應用 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 10 廖常初 S7 200PLC 基礎教程 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 11 吳中俊 黃永紅 可編程控制器原理及應用 北京 機械工業(yè)出版社 2003 12 雷聲 電力控制與 PLC 應用 北京 機械工業(yè)出版社 1996 13 廖長初 可編程序控制器的編程方法與工程應用 重慶 重慶大學出版社 2001 14 盧巧 歐姆龍 PLC 編程指令與梯形圖快速入門 北京 電子工業(yè)出版社 2010 15 陳汝全 電子技術常用器件應用手冊 M 第二版 機械工業(yè)出版社 2002 年 5 月第一 版 16 陳永甫編著 電子電路智能化設計 M 實例與應用 北京 電子工業(yè)出版 2002 8 17 康華光主編 電子技術基礎 第四版 M 北京 高等教育出版社 1999 18 張永瑞 電路基礎教程 M 北京 科學出版社 2005 19 邱關源 電路 第四版 M 北京 高等教育出版社 2003 289 290 20 張勇 PROTEL 99SE 電路設計技術入門與應用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2007 20 附錄附錄 1 表表 3 3 中間繼電器的地址分配中間繼電器的地址分配 編程元件編程地址作用 M0 1C0 復位及分鐘個位顯示脈沖 M0 2分鐘十位顯示脈沖 M0 3小時個位顯示脈沖 M0 4小時十位顯示脈沖 M1 0分鐘個位顯示 0 M1 1分鐘個位顯示 1 M1 2分鐘個位顯示 2 M1 3分鐘個位顯示 3 M1 4分鐘個位顯示 4 M1 5分鐘個位顯示 5 M1 6分鐘個位顯示 6 M1 7分鐘個位顯示 7 M2 0分鐘個位顯示 8 M2 1分鐘個位顯示 9 M2 210 分鐘到信