基于PLC的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)含4張CAD圖
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基于PLC的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
本文闡述了教室智能照明的控制方法以及PLC在教室智能照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)西門子S7-200系列PLC進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后在此基礎(chǔ)上，提出了以S7-200系列PLC為主要器件設(shè)計(jì)教室智能照明控制系統(tǒng)的方法，其基本原理是采用西門子公司的S7-200系列的PLC作為核心控制部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測(cè)人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度;根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對(duì)人體的存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的識(shí)別和智能判斷，完成對(duì)教室照明回路的智能控制，避免了教室用電的大量浪費(fèi)。最后，提出了系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真。
本設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足各院校教室燈光照明控制的要求，很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。
關(guān)鍵詞:教室智能照明；PLC；梯形圖程序
Interior Intelligent Lighting Design based on PLC
Abstract
This paper describes the classroom intelligent lighting control method and PLC applications in the classroom intelligent lighting control system, a detailed introduction of Siemens S7-200 series PLC. Then, on this basis, S7-200 series PLC as the main device design classroom intelligent lighting control system, the basic principle is the use of Siemens S7-200 series PLC as the core control unit, the use of infrared human body the sensor detects the presence of a human body, using the phototransistor circuit constituted detected ambient light intensity; under classroom reasonably lights conditions, through the identification and smart Analyzing human presence signal and ambient light signal, the completion of the classroom lighting circuit smart control, to avoid wasting a lot of electricity classroom. Finally, it proposed the design of ladder program, and simulation is carried out.
This design has a good economy, high reliability, and practical advantages to meet the requirements of the institutions classroom lighting control, to a large extent, to save energy.
Keywords:Classroom intelligent lighting；PLC；Ladder progr
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1．緒論 5
1.1本課題研究的目的和意義 5
1.2國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)成果 5
1.3本課題研究的主要內(nèi)容 6
1.4本課題需要解決的問題 7
2．系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì) 8
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性分析 8
2.1.1設(shè)計(jì)方案的可行性 8
2.1.2知識(shí)能力的可行性 8
2.1.3實(shí)驗(yàn)條件的可行性 8
2.2系統(tǒng)控制方案的分析 8
2.3分區(qū)和分時(shí)控制方案的構(gòu)想 9
2.4系統(tǒng)的功能組成 10
3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
3.1選擇PLC 類型 11
3.1.1 PLC的定義 11
3.1.2 PLC的基本組成及各部分作用 11
3.1.3．PLC的特點(diǎn) 14
3.1.4 S7-200PLC 15
3.2數(shù)據(jù)采集電路 19
3.3環(huán)境光采集電路 19
3.4人體存在傳感器的工作原理 20
3.5 PLC 外圍連線圖 21
4 軟件設(shè)計(jì) 23
4.1程序流程圖 23
4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件 24
4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成 24
4.2.2梯形圖的編寫 25
4.3輸入輸出地址 25
4.4梯形圖程序設(shè)計(jì) 26
5系統(tǒng)仿真 29
5.1 S7-200 V4.0 的仿真軟件 29
5.2仿真測(cè)試 30
結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
附錄A:程序清單 39
致 謝 41
48
1．緒論
1.1本課題研究的目的和意義
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，導(dǎo)致用電負(fù)荷的加劇，又由于世界性的能源危機(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問題。而此問題對(duì)我國來說尤為嚴(yán)重。隨著各類大、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò)建，教室照明的需求也越來越多，而教室照明的管理不到位，往往造成電能的巨大浪費(fèi)，這樣，提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。
目前對(duì)燈光的智能控制，國內(nèi)外己經(jīng)開始采用，但對(duì)教室燈光的控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管 理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。再者，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著 自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。例如樓道燈光的自動(dòng)控制等等。所有這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡便、實(shí)用的教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)成果
新社會(huì)的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路監(jiān)控等子 系統(tǒng)。但近年來，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要。而在新社會(huì)的建設(shè)熱潮中，各大高校和他們的建設(shè)者也應(yīng)意識(shí)到智能照明的重要性。相對(duì)商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動(dòng)力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈則相對(duì)比重更多。使用照明控制系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平[2] 。
針對(duì)節(jié)約電能、保護(hù)全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的要求，美國環(huán)保署于1991年1 月提出“綠色照明”概念，引起了其他國家的重視。我國也于1993 年 11 月啟動(dòng)“中國綠色照明工程”，并于 1996 年正式列入國家計(jì)劃[3] 。但是我國智能化照明技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛,大多數(shù)校園教室仍然使用傳統(tǒng)的照明控制方式。 因此完善智能化監(jiān)控建設(shè)，進(jìn)一步擴(kuò)大監(jiān)控系統(tǒng)點(diǎn)位，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制照明設(shè)施的開關(guān)燈，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而可編程控制器（Programmable Logical Controller，簡稱 PLC）作為自動(dòng)控制的重要組成部分，已成為大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)?？删幊炭刂破魇且环N以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)而發(fā)展起來的新型工業(yè)控制裝置，具有編程容易、體積小、使用靈活方便 、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，其功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍越來越廣闊，如冶金、機(jī)械、電力、石油、煤炭、化工、輕紡、交通、食品、環(huán)保、輕工、建材等工業(yè)部門都有廣泛應(yīng)用。它不但可以很容易地完成順序邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入/輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)過程的自動(dòng)控制[4] 。
可編程控制器是六十年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制裝置，是一種嵌入式的工控機(jī)，它以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算功能，既能進(jìn)行開關(guān)量控制，又能進(jìn)行模擬量控制，還具有通信功能。而新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展， 應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓字自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)照明燈具節(jié)能和科學(xué)化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要。而在新校區(qū)的建設(shè)熱潮中，各大高校和他們的建設(shè)者也應(yīng)意識(shí)到智能照明的重要性。相對(duì)商業(yè)樓字而言，校園里的大功率動(dòng)力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈具則相對(duì)比重更多。使用照明控制系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平。
1.3本課題研究的主要內(nèi)容
作為一名即將畢業(yè)的學(xué)生，在校期間，對(duì)學(xué)校的教室以及圖書館的照明設(shè)計(jì)不太滿意。本人認(rèn)為有很多可以改進(jìn)的地方。試舉一下幾種不太好的現(xiàn)象：
一是在不需要開燈的情況下，燈長亮；
二是人走燈長明，以至于管理員很辛苦的一個(gè)教室挨一個(gè)教室的去關(guān)燈。
因?yàn)檫@些情況都造成了很多不必要的浪費(fèi)。這樣下來，無形中所浪費(fèi)的電能是非常驚人的。據(jù)測(cè)算，這種現(xiàn)象的耗電占其單位所有耗電的40%?左右。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實(shí)施照明節(jié)能措施。這不僅可以節(jié)約能源，而且會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)然說經(jīng)過教導(dǎo)，相信肯定可以減少這些浪費(fèi)能源的情況發(fā)生，但從技術(shù)上完全可以解決這個(gè)問題。廉價(jià)實(shí)用的PLC就是為此而生的。可編程序控制器簡稱為PLC.是近年發(fā)展迅速的工業(yè)控制裝置，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
針對(duì)生活中這種照明中電能浪費(fèi)的現(xiàn)象設(shè)計(jì)一套使用PLC控制的智能照明系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用范圍也是教室、圖書館和辦公室等公共場(chǎng)所。
本設(shè)計(jì)采用S7-200 系列的PLC 控制器控制照明系統(tǒng)，根據(jù)教室照明系統(tǒng)的工作特點(diǎn),采用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的控制，總體設(shè)計(jì)主要包括硬件線路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。硬件線路設(shè)計(jì)主要包括線路圖設(shè)計(jì)和排線布線設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)控制的要求，對(duì)教室劃分區(qū)域和人體存在傳感器、光電傳感器等進(jìn)行 I/0 分配，同時(shí)編制了系統(tǒng)梯形圖控制程序，最后進(jìn)行仿真與調(diào)試，達(dá)到教室智能照明系統(tǒng)的要求。
此系統(tǒng)的工作原理是將采集的信號(hào)通過傳輸電路傳輸給?PLC?控制系統(tǒng)。經(jīng)過控?制系統(tǒng)的分析處理以后,將控制信號(hào)輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的接觸器。通過控制接觸?器的接通與斷開來控制教室中的每一盞照明燈的接通與斷開。
該系統(tǒng)應(yīng)用了兩種傳感器，人體紅外傳感器和自然光線傳感器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的自然照明情況和人員情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)與控制的功能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。具體功能如下：
第一，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體紅外檢測(cè)電路，有進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)輸出信號(hào)。
第二，系統(tǒng)設(shè)計(jì)自然光檢測(cè)電路，對(duì)照明現(xiàn)場(chǎng)的亮度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。雖在工作時(shí)間，但現(xiàn)場(chǎng)的亮度如果能夠滿足設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)同樣關(guān)閉照明設(shè)備。
第三，設(shè)計(jì)按鍵電路，設(shè)定強(qiáng)制開燈和強(qiáng)制關(guān)燈按鍵。如有需要人為開燈或滅燈，可按相應(yīng)鍵。比如在教室內(nèi)，晚上要演示幻燈片，現(xiàn)實(shí)條件是室內(nèi)有人，自然照度不滿足工作要求，按照系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序，是不會(huì)滅燈的，但本人們確實(shí)需要燈滅，這時(shí)就可以按下強(qiáng)制關(guān)燈按鍵[8]。
1.4本課題需要解決的問題
本課題通過各種試驗(yàn)來研究教室燈光的各種控制,主要解決如下關(guān)鍵問題:
1.環(huán)境光感采集問題。
2.紅外傳感器采集以及輻射區(qū)域的問題。
3.傳感器與教室照明燈的合理安裝問題。
4.控制系統(tǒng)總圖以及程序的設(shè)定 。
2．系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)
本章主要講述了系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)，其中主要內(nèi)容包括對(duì)課題可行性的 分析、系統(tǒng)控制方案的分析以及對(duì)分區(qū)分時(shí)控制方案的構(gòu)想。
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性分析
PLC 在教室照明自動(dòng)控制中的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高校園管理的自動(dòng)化控制水平有著重大的意義。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究這種高性能、經(jīng)濟(jì)節(jié)約 型的分時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)于降低能耗、加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)全 面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2.1.1設(shè)計(jì)方案的可行性
研究將硬件線路設(shè)計(jì)、PLC 控制應(yīng)用于教室照明智能控制系統(tǒng)，從而提高多段分時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、精確性。設(shè)計(jì)自動(dòng)和手動(dòng)兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的啟停， 以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以人工控制照明系統(tǒng)。
2.1.2知識(shí)能力的可行性
通過平時(shí)所掌握硬件設(shè)計(jì)能力和實(shí)際的專業(yè)，近幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)使得我掌握PLC自動(dòng)控制知識(shí)，培養(yǎng)扎實(shí)了軟硬件設(shè)計(jì)能力，運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)并查閱相關(guān)資料解決實(shí)際設(shè)計(jì)、控制問題。
2.1.3實(shí)驗(yàn)條件的可行性
學(xué)院具備該方面的實(shí)驗(yàn)室與試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，畢業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)器件，并且在老師的精心指導(dǎo)下，按照研究課題設(shè)計(jì)要求經(jīng)過設(shè)計(jì)、調(diào)試與測(cè)試分析，一定能夠按 計(jì)劃完成研究任務(wù)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，理論與實(shí)際相結(jié)合起來。
2.2系統(tǒng)控制方案的分析
所研制的智能控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)。可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。自然環(huán)境光較強(qiáng)光線足夠時(shí)，無論人是否存在，都不開燈;在自然環(huán)境光較弱時(shí)，有人存在且超過一定時(shí)間，控制器自動(dòng)打開電燈，直到人離開后再延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)燈。同時(shí)，還要按作息時(shí)間來控制，夜晚超過 11 點(diǎn)，若還有人存在，則關(guān)閉自動(dòng)控制器的運(yùn)行，改用機(jī)械開關(guān)來手動(dòng)控制，以解決因特殊情況下，自動(dòng)控制器的不人性化運(yùn)行。
本文所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要 實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的教室照明智能控制。
2.3分區(qū)和分時(shí)控制方案的構(gòu)想
在設(shè)計(jì)前，對(duì)教室的采光情況以及教室的使用情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查和分析，掌握的一手資料，僅以山西工程技術(shù)學(xué)院主教某多媒體教室為例進(jìn)行分析，如306。由于該教室為單面采光，所以教室中會(huì)有不同區(qū)域光照程度差別很大的現(xiàn)象，而且由于教室學(xué)生的流動(dòng)性大以及就坐位置的不確定性，故設(shè)想將教室分為不同的區(qū)域，利用紅外探測(cè)器以及光照傳感器對(duì)整個(gè)教室進(jìn)行分區(qū)控制，以最大程度地達(dá)到節(jié)能目的。下圖 1 為對(duì)教室分區(qū)域控制方案的模型圖。
圖1 傳感器在教室的分區(qū)控制圖
紅外探測(cè)器安裝在五個(gè)區(qū)域的上方或能有效的覆蓋該區(qū)域探測(cè)范圍的地方,光照傳感器安裝在每個(gè)區(qū)域光照較暗的地方。對(duì)于有時(shí)候需要用多媒體教室播放教學(xué)影片的情況，可以在講臺(tái)區(qū)域方便的地方安裝1個(gè)控制按鈕以手動(dòng)的方式給PLC 提供信號(hào)使開始放影時(shí)關(guān)閉教室燈光，放影完畢時(shí)打開教室燈光，以適應(yīng)實(shí)際的要求。每個(gè)區(qū)域分別安裝一個(gè)紅外探測(cè)器和一個(gè)光照傳感器且設(shè)置其動(dòng)作。安裝在每個(gè)區(qū)域的體存在傳感器和光照傳感器是獨(dú)立工作的，它們之間互不影響，一個(gè)故障不影響其它的工作。同時(shí)還需要設(shè)置一些時(shí)間段去控制教室燈的開通與關(guān)閉，如早上6~18點(diǎn)需要智能控制器工作，18~23點(diǎn)不需要智能控制器工作。所以另外提出了分時(shí)控制的構(gòu)想，在編制三時(shí)段梯形圖程序時(shí)，會(huì)具體說明。
2.4系統(tǒng)的功能組成
一般智能照明控制系統(tǒng)都為數(shù)字式照明管理系統(tǒng)，它由系統(tǒng)單元，輸入單元和輸出單元三部分組成。除電源設(shè)備外，每一單元設(shè)置唯一的單元地址，并用軟件設(shè)定其功能。
通過輸出單元來控制各負(fù)載回路，各種形式的單元簡述如下：
（1）系統(tǒng)單元：主系統(tǒng)對(duì)各區(qū)域?qū)嵤┫嗤目刂坪托盘?hào)采樣的網(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)則對(duì)各分區(qū)實(shí)施不同具體控制的網(wǎng)絡(luò)。主系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間通過信息等元 件連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
（2）輸入單元：用于將外部控制信號(hào)變換成控制系統(tǒng)上傳輸?shù)男盘?hào)，如可編程的多功能(開/關(guān)、調(diào)光、定時(shí)、軟啟動(dòng)/軟關(guān)斷等)輸入開關(guān)、紅外線接收開關(guān)及紅外線遙控器(實(shí)現(xiàn)燈光調(diào)光或開/關(guān)功能)。各種型式及多功能的控制板，可進(jìn)行多點(diǎn)控制、時(shí)序控制等，調(diào)整照明，以達(dá)到使周圍環(huán)境保持適宜 的照度，節(jié)約電能。
（3）輸出單元：智能控制系統(tǒng)的輸出單元是用于接受來自控制器的定時(shí)信號(hào)，控制相應(yīng)回路的輸出以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。輸出單元有各種型式的繼電器。系統(tǒng)一般采用集中控制和管理、分散執(zhí)行的方式，亦即配置智能控制照明柜， 智能控制柜內(nèi)裝有可編程控制器的有關(guān)自動(dòng)及手動(dòng)控制開關(guān)，空中燈具開 / 關(guān)狀態(tài)，手動(dòng)控制開關(guān)可在異常情況下采取處理措施[5] 。
采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性：
（1）良好的節(jié)能效果 采用智能照明控制系統(tǒng)的主要目的是節(jié)約能源，智能照明控制系統(tǒng)借助各種不同的預(yù)設(shè)置控制方式和控制元件，對(duì)不同時(shí)間不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。利用最少的能源保證所 要求的照度水平，節(jié)電效果十分明顯，一般可達(dá)30%以上。
（2）延長光源的壽命 延長光源壽命不僅可以節(jié)省大量資金，而且大大減少更換燈管的工作量，降低了照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，管理維護(hù)也變得簡單了。
（3）改善工作環(huán)境，提高工作效率 良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個(gè)必要條件。良好的設(shè)計(jì)，合理地選用光源、燈具及優(yōu)良的照明控制系統(tǒng)，都能提高照明質(zhì)量[6] 。
3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本章主要講述了PLC 類型的選擇和其CPU 的選型以及人體存在傳感器、光照傳感器等硬件的工作原理，最后設(shè)計(jì)出了PLC 的外圍連線圖。
3.1選擇PLC 類型
3.1.1 PLC的定義
根據(jù)國際電工委員會(huì)1987年對(duì)PLC作了如下定義:PLC是一種專門為在工作環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子設(shè)備?？梢跃幹瞥绦虻拇鎯?chǔ)器,用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)器,執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序操作,計(jì)算,操作指令,并且可以是數(shù)字或模擬的輸入和輸出,控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
可編程控制器實(shí)際上就是一種工業(yè)控制類的計(jì)算機(jī),它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本上非常相似。可編程序控制器主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊、編程器和電源五大部分組成。近年來發(fā)展的速度非常快,已經(jīng)成為了應(yīng)用極為廣泛的工業(yè)控制類裝置。它按照成熟的繼電器控制設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想,利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件,已經(jīng)形成了適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合的各種系列產(chǎn)品[12]。
3.1.2 PLC的基本組成及各部分作用
PLC控制系統(tǒng)的硬件主要由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)(RAM、??ROM)、輸人/輸出(I/O)接口單元、電源單元等組成。
不同型號(hào)的PLC可能使用不同的CPU部件，制造廠商使用CPU部件的指令系統(tǒng)編寫系統(tǒng)程序，并固化在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中。存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。
中央處理器(CPU)一般是由都集成在塊芯片上的控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成的。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)器單元、輸入/輸出(1/0)接口電路連接。
1.中央處理器(CPU)
(1)CPU的作用
CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺(tái)PLC至少有一個(gè)CPU。CPU按照系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC進(jìn)行工作。其主要任務(wù)如下:
1)接收與存儲(chǔ)用戶由編程器輸人的用戶程序與數(shù)據(jù)。
2)檢查編程過程中的語法錯(cuò)誤，診斷電源及PLC內(nèi)部的工作故障。
3)用掃描方式工作，接收來自現(xiàn)場(chǎng)的輸人信號(hào)，并輸人到輸人映象寄存器與和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。
4)在進(jìn)人運(yùn)行方式后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，完成用戶程場(chǎng)序所規(guī)定的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等操作。
5)根據(jù)運(yùn)靠結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)，刷新輸出映象寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制.打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能。
(2)CPU的組成
CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。
1）控制器控制CPU的工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令，但工作節(jié)奏由振蕩信號(hào)控制。
2)運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。
3)寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU的控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制PLC的工作部件。運(yùn)算器則定輯、算術(shù)等運(yùn)算的部件。PLC在CPU的指揮下使整個(gè)機(jī)器有條不紊地協(xié)調(diào)工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。
2.存儲(chǔ)器
PLC中的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等。常用的存儲(chǔ)器主要有PROM、EPROM、EEPROM、?RAM等，多數(shù)都集成在CPU單元內(nèi)。根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)、系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)、用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。
1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)用于存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。這些程序由制造廠商將各程序固化在EPROM中，用戶不能直接讀取，它決定了PLC的各項(xiàng)性能。系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序。
2)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用來存放由編程設(shè)備輸人的用戶針對(duì)具體控制任務(wù)自行編寫的用戶程序。
用戶程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可通過編程設(shè)備修改或增刪。
3)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)也稱工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。工作數(shù)據(jù)是指PLC工作過程中經(jīng)常變化、需要經(jīng)常存取的數(shù)據(jù)，如參數(shù)測(cè)量結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果、設(shè)定值等數(shù)據(jù)一般都在RAM中。在工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表，包括Ivo數(shù)據(jù)映象區(qū)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)的預(yù)置值和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)。
3.輸入/輸出接口單元
PLC主要通過各類接口模塊的外接線，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)過程的檢測(cè)與控制。為了使PLC有很好的信號(hào)適應(yīng)能力和抗干擾性能，在輸入/輸出接口單元中，一般均配有電子變換電路、光耦合器及阻容濾波電路等，以實(shí)現(xiàn)外部現(xiàn)易的各種信號(hào)與PLC內(nèi)部信號(hào)的匹配和信號(hào)的正確傳遞。在接口上一般還有狀態(tài)指示，工作狀態(tài)直觀，便于維護(hù)。
PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的I/O接口，供用戶選用。I/O接口的主要類型有數(shù)字量(開關(guān)量)輸入/輸出、模擬量輸人/輸出等。
1)輸人接口模塊。
輸人接口模塊用來接收和采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)。一種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)是指由按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器或速度繼電器等提供的開關(guān)量輸人信號(hào);另一種是指由電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)或各種變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量信號(hào)。
2)輸出接口模塊。
輸出接口模塊用來連接被控對(duì)象中的各種執(zhí)行元件，如
按觸器電密網(wǎng)、指示燈或調(diào)節(jié)閥(模報(bào)量)、調(diào)速裝置(模擬量)等。其作用是把PC的內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)。常用的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型:繼電器輸出、晶體營輸出和雙向品閘管輸出。
PLC的I/O接口所能接受的輸人信號(hào)個(gè)數(shù)和輸出信號(hào)個(gè)數(shù)稱為PLC輸人批出(I/O)點(diǎn)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。
4.電源單元
PLC一般使用220V的交流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換成PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電子電路工作所需的5V、12V、24V直流電源，使PLC能正常工作。
5.I/0擴(kuò)展接口
1/0擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配
置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。
3.1.3．PLC的特點(diǎn)
可編程控制器?PLC對(duì)用戶來說,是一種無觸點(diǎn)的設(shè)備,改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前,可編程控制器已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具,得到了廣泛的應(yīng)用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計(jì)算機(jī),具有許多明顯的特點(diǎn)。
1.可靠性高,抗干擾的能力強(qiáng)
PLC因?yàn)椴捎矛F(xiàn)代較先進(jìn)的大規(guī)模集成電路技術(shù),制造時(shí)運(yùn)用嚴(yán)格的先進(jìn)的生產(chǎn)過程和工藝步驟,由于內(nèi)部的設(shè)計(jì)電路電路采用了較為先進(jìn)的抗干擾技術(shù),使其具有了較高可靠性。PLC以外的電路,在構(gòu)成控制系統(tǒng)中,繼電器系統(tǒng)和PLC同等規(guī)模相比,開關(guān)接點(diǎn)及電氣接線已大大較小。除此之外,PLC還具有故障自我檢測(cè)等功能,出現(xiàn)故障時(shí)PLC會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息,作為提示。應(yīng)用者還可以將自行編好的外圍器件的故障診斷程序輸入到所使用應(yīng)用軟件中。這樣,整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性。
2.配套齊全,功能完善,適用性強(qiáng)
多數(shù)PLC具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力,可用于控制數(shù)字領(lǐng)域?？捎糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制應(yīng)用。近年來PLC的功能單元也大量涌現(xiàn),從而使PLC滲透到了溫度實(shí)時(shí)控制、位置精確控制、CNC等各種工業(yè)控制中。再加上增強(qiáng)的通信能力的PLC?和人機(jī)界面技術(shù),采用PLC控制系統(tǒng)組成多種變得非常容易。
3.編程方便,易于使用
PLC工業(yè)控制儀表是面向工礦企業(yè)。?PLC接口容易,工程技術(shù)人員是很容易接受它的編程語言。梯形圖的圖形符號(hào)及表達(dá)和繼電器電路非常相似,只有少量的開關(guān),PLC邏輯控制指令可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路。不熟悉電子電路,計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),打開了方便之門。
4.功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng)
現(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能的類似繼電器的軟元件，而且還具有A-D轉(zhuǎn)換、D-A?轉(zhuǎn)換、數(shù)值?運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。PLC還具有通信接口，可與計(jì)算機(jī)和其他PLC聯(lián)網(wǎng)，??與它們交換信息，以形成單機(jī)所不能有的更大的、地城更廣?的控制系統(tǒng)。它不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線，還可以控制個(gè)機(jī)群及?多條生產(chǎn)線。它不僅可以控制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。
5.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便
PLC中相當(dāng)于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等的編程元件數(shù)量巨大，又用程序(軟接線)代替硬接線，安裝接線工作量出的兒只發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行空置系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并可在實(shí)驗(yàn)密進(jìn)行極權(quán)調(diào)試.而推電器接觸器控制系統(tǒng)的河試是靠在現(xiàn)場(chǎng)改變接線進(jìn)行的，十分繁瑣。
6.維修方便，維修工作量小
由于PLC具有自診斷功能，因此對(duì)維修人員技能的要求降低了。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)
生故障時(shí)，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可根據(jù)有關(guān)故障信號(hào)燈的提示和故障代碼的顯示，或通過編程器和CRT屏幕的顯示，很快地找到故障部位，為迅速排除故障和修復(fù)節(jié)省了時(shí)間。
PLC的面板和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也考慮了維修的方便性。例如，對(duì)需維修的部件
設(shè)置在便于維修的位置、信號(hào)燈設(shè)置在易觀察的部件、接線端子采用便于接線與更換的類型等，這些設(shè)計(jì)使維修工作能方便地進(jìn)行，
從而大大節(jié)省維修時(shí)間.
7.體積小、重量輕、能耗低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化
PLC采用箱體式結(jié)構(gòu)，體機(jī)及單就只有通常的接觸器大小，易于安裝在控制箱中或安裝在運(yùn)動(dòng)物體中。采用PLC的控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，調(diào)速、定位等功能都可以通過電氣控制方式實(shí)現(xiàn)，可以大大減少機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。
3.1.4 S7-200PLC
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從保證系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和可擴(kuò)展性等方面入手。本控制系統(tǒng)采用可靠性和可擴(kuò)展性很好的西門子S7-200PLC 系列的 PLC 作為控制。
圖2 S7-200PLC外形
S7-200 系列 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC。其許多功能能夠達(dá)到大、中型PLC 的水平，而價(jià)格卻和小型PLC 的一樣，因此，它一經(jīng)推出， 即受到了廣泛關(guān)注[7] 。它可以單機(jī)運(yùn)行，也可以進(jìn)行輸入/輸出和功能模塊的擴(kuò)展。其價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高、運(yùn)行速度快，繼承和發(fā)展了它在大、中型 PLC 領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，其性價(jià)比非常高，所以它在各行各業(yè)中的應(yīng)用得到迅速推廣，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。
S7-200PLC的工作原理：
PLC采用“順序掃描,不斷循環(huán)”的工作方式。每次掃描過程,集中采集輸入信號(hào),集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。PLC有RUN與STOP兩種基本工作模式,在運(yùn)行模式,PLC通過反復(fù)執(zhí)行用戶的程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào),用戶程序不是只執(zhí)行一次,而是不斷地反復(fù)執(zhí)行,直至PLC停機(jī)或切換到STOP模式。PLC的工作過程大致上可以分為三個(gè)階段,即輸入采樣,用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成這三個(gè)階段稱為完成一個(gè)掃描周期。整個(gè)操作過程中,PLC的CPU以恒定的掃描速度重復(fù)上述的三個(gè)階段。
（1）輸入采樣階段
在輸入采樣階段中,PLC順序掃描讀取所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),并將其存儲(chǔ)在I?/?O映象區(qū)相應(yīng)的單元。輸入采樣結(jié)束后,用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中,即使輸入數(shù)據(jù)的變化狀態(tài),I/?O映象區(qū)中的單元格對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)改變。因此,如果輸入的是一個(gè)脈沖信號(hào),該信號(hào)的脈沖寬度必須大于一個(gè)掃描周期中,為了確保在任何情況下,可以讀取輸入。
（2）用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段,PLC用戶程序總是自上而下順序掃描的(階梯)。在掃描每一個(gè)階梯時(shí),總是掃描梯子的左側(cè)的控制電路的聯(lián)系信息,根據(jù)第一個(gè)左和右,第一下列構(gòu)成的順序控制電路的觸點(diǎn)的邏輯運(yùn)算,邏輯運(yùn)算處理的結(jié)果RAM?刷新線圈系統(tǒng)邏輯記憶狀態(tài)的相應(yīng)位,刷新輸出線圈,或I/O映象區(qū)中的相應(yīng)位狀態(tài),或確定是否執(zhí)行所需命令的特殊功能的階梯。換句話說,用戶程序執(zhí)行,只有進(jìn)入I/O狀態(tài)和圖像區(qū)域的數(shù)據(jù)不會(huì)改變,而其他輸出設(shè)備和軟件的I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM的內(nèi)存區(qū)域的狀態(tài)和數(shù)據(jù)可能會(huì)改變,來到在梯子的頂部,程序執(zhí)行的結(jié)果將在下面的梯形線圈或工作中使用這些數(shù)據(jù),與此相反,排在下面的入水口,刷新邏輯的線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期的應(yīng)用上線。在程序執(zhí)行過程中,如果你使用立即I/O指令,你可以直接訪問I/O點(diǎn)。使用I/O指令,然后輸入過程映像寄存器的值是不更新,程序直接從I/O模塊值,輸出過程映像寄存器將被立即更新,立即輸入一定的差異。
（3）輸出刷新階段
當(dāng)PLC用戶程序的掃描結(jié)束后,進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,依照CPU的I?/?O相對(duì)應(yīng)的圖像區(qū)域的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存器電路,然后輸出電路的驅(qū)動(dòng)器,最后輸出到相應(yīng)的外部設(shè)備。這時(shí),才是PLC的真正輸出。
S7-200 有五種 CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC 的控制規(guī)模和PLC 系統(tǒng)的配置。目前 S7-200 系列PLC主要有 CPU221，CPU222，CPU224，CPU226XM和CPU226五種 CPU。下圖簡要的比較了CPU的性能。
圖3 CPU22X系列PLC的主要性能指標(biāo)
本課題設(shè)計(jì)使用CPU224，本機(jī)集成14 輸入， 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。2 個(gè) RS485 通訊編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O 端子排可容易地整體拆卸[8] 。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。對(duì)于每個(gè)教室輸入點(diǎn)主要來自以下四個(gè)方面：啟動(dòng)開關(guān)、停止開關(guān)、投影開關(guān)、人體存在傳感器和光照傳感器；輸出點(diǎn)主要輸來自每個(gè)教室五個(gè)區(qū)域的燈。
根據(jù)第 1 章的圖 1 傳感器在教室的分區(qū)控制圖可知，本系統(tǒng)的輸入點(diǎn)包括 1個(gè)啟動(dòng)開關(guān)、1 個(gè)停止開關(guān)、1 個(gè)投影開關(guān)、5 個(gè)人體存在傳感器、5 個(gè)光照傳感器共 13 個(gè)，輸出點(diǎn)為 5 個(gè)區(qū)域的燈，由于CPU224 模塊，此模塊有 14 個(gè)輸入，10 個(gè)輸出正好滿足要求。用紅外探測(cè)器和光照傳感器作為檢測(cè)裝置來檢測(cè)教室中是否有人和教室的光照強(qiáng)度?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)框圖
3.2數(shù)據(jù)采集電路
教室中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此教室中的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管，光敏三極管可以認(rèn)為是光敏二極管與三極管的一體化結(jié)構(gòu)，其特性是光敏二極管的輸出特性再加上三極管的特性。根據(jù)需求，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)，本系統(tǒng) 采用了低電平輸出的HP-208 型號(hào)的人體存在傳感器。HP-208-N-L 人體感應(yīng)模塊(低電平輸出)基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控產(chǎn)品, 靈敏度高，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器,如自動(dòng)門、自動(dòng)洗手機(jī)、自動(dòng)滴液器、感應(yīng)沖水器、各類智能玩具以及其它感應(yīng)電器設(shè)備等。
功能特點(diǎn):
1.全自動(dòng)感應(yīng): 人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出低電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉低電平，輸出待機(jī)時(shí)的高電平。
2. 光敏控制：可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。
3.兩種觸發(fā)方式：
a.不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出低電平后，延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從低電平變?yōu)楦唠娖剑?
b.可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出低電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果 有人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持低電平，直到人離開后才延時(shí)將低電平變?yōu)楦唠娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn)).
4.具有感應(yīng)封鎖時(shí)間：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后，待延時(shí)時(shí)間一結(jié)束,可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號(hào)[9] 。此功能可以實(shí)現(xiàn)“感應(yīng)輸出時(shí)間”和“封鎖時(shí)間”兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。
3.3環(huán)境光采集電路
光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具 有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。在無光照時(shí)三極管的穿透電流很小，為暗電流Iceo 。有光照時(shí)，產(chǎn)生的Ib 增大，成為光電流Ie 。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。
環(huán)境光采集電路原理圖如圖 5 所示。當(dāng)自然光強(qiáng)大于一定程度時(shí)，光敏三極管D6 呈現(xiàn)低阻態(tài)狀態(tài)小于 1K 歐，三極管Q12 的基極電壓升高，Q12 管飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平。當(dāng)自然光強(qiáng)小于一定程度時(shí)，光敏三極管D6 呈現(xiàn)高阻態(tài)狀態(tài)，100k 歐，使三極管 Q12 截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻 R26 可調(diào)節(jié)，調(diào) R26 阻值的大小，使 Q12 三極管受環(huán)境光影響在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。
圖5 環(huán)境光采集電路原理圖
3.4人體存在傳感器的工作原理
自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會(huì)發(fā)出不同 波長的紅外線，利用紅外傳感器可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外線傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動(dòng)紅外傳感器。與量子型相比，響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價(jià)格便宜，并可在常溫下工作。量子型與熱型的特點(diǎn)相反，而且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的事熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用的紅外傳感器的原理。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下：人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，所以會(huì)發(fā)出特定波長10 左右的紅外線，被動(dòng)紅外探頭就靠探測(cè)人體發(fā)射的10左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng) 后聚集到紅外感應(yīng)源上[10] 。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就產(chǎn)生由人體存在的信號(hào)。
（1）這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對(duì)波長10 左 右的紅外輻射非常敏感。
（2）為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的照射面覆蓋有特殊的菲尼爾濾光 片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。
（3）人體存在的探測(cè)，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出。
（4）一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而輸出有人體存在的信號(hào)。人體傳感器透鏡的信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖如圖 6 所示
最不敏感方向
方向
最敏感
方向
圖6 信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖
有人進(jìn)入時(shí)，移動(dòng)人體發(fā)出的紅外線被紅外線傳感器接收，則人體存在被感應(yīng)，并輸出高電平。若人體進(jìn)入最不敏感移動(dòng)方向時(shí)，則人體傳感器所體現(xiàn)的信號(hào)就會(huì)不理想，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方向。
3.5 PLC 外圍連線圖
PLC 外圍接線圖的輸入輸出設(shè)備、負(fù)載電源的類型等的設(shè)計(jì)就結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來設(shè)定。教室照明智能控制外部接線圖如圖 7 所示。
圖7 PLC 外圍連線圖
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1程序流程圖
由于上述具體控制要求，可設(shè)計(jì)出教室智能照明控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的程序框圖，如圖所示。將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實(shí)現(xiàn)控制要求。如下圖 8 所示。
圖8 程序流程圖
如圖 8 所示程序設(shè)計(jì)，智能系統(tǒng)先是通過時(shí)間來判斷的，例如如果時(shí)間段在23 點(diǎn)到 6 點(diǎn)之間，智能系統(tǒng)控制燈光的功能會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)教室燈光的控制只能通過手動(dòng)開關(guān)來控制。另外，如果時(shí)間段不在 23 點(diǎn)到 6 點(diǎn)之間，系統(tǒng)才會(huì)通過判斷光照是否充足和有沒有人體存在，來合理開關(guān)燈的。在多媒體教室， 還要考慮投影儀的情況，如果教室中的投影儀開關(guān)開啟，系統(tǒng)會(huì)延時(shí) 60 秒后，不管講臺(tái)區(qū)域的燈是否開啟，智能系統(tǒng)都會(huì)關(guān)閉講臺(tái)區(qū)域的燈。
4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件
S7-200 可編程控制器使用 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件進(jìn)行編程。
SIMATIC工業(yè)軟件STEP7 是用于西門子 S7、M7、C7 系列可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7-Micro/WIN V4.0 是西門子公司專門為 S7-200 系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)的[11] 。它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。為了生成用戶所寫程序，STEP7 提供了標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 編程語言：語句表（ STL）、梯形圖（ LAD）、順序功能流程圖（ SFC）、功能塊圖（FBD）。
4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件主界面及基本組成
STEP7-Micro/WIN V4.0 編程軟件，它的主界面窗口組件如圖 9 所示。STEP7 項(xiàng)目包括下列基本組件：程序塊數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、符號(hào)表、狀態(tài)表。
圖9 STEP7-Micro/WIN V4.0編程軟件主界面窗口
4.2.2梯形圖的編寫
梯形圖的編寫包括以下步驟：
一、打開項(xiàng)目
執(zhí)行“文件”→“新建”命令，可以新建一個(gè)項(xiàng)目?？梢员４鏋閿U(kuò)展名為“.mwp” 的新建項(xiàng)目。或執(zhí)行“文件"打開"命令"可以打開項(xiàng)目。
二、輸入指令
輸入梯形圖指令可以通過指令樹、工具條按鈕等方式進(jìn)行。指令樹中包含了幾乎所有的指令，或在工具條上直接放常用的指令?；蛴每旖萱IF4、F6、F9 鍵進(jìn)行操作。
三、創(chuàng)建邏輯網(wǎng)絡(luò)
用梯形圖編寫的程序就是將組件排列成邏輯網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^工具欄或者右鍵 快捷菜單進(jìn)行程序編輯，形成程序網(wǎng)絡(luò)。
四、輸入地址
在梯形圖輸入指令時(shí)，參數(shù)最初是由“？？？”顯示的，表示參數(shù)未賦值，可以用絕對(duì)值或者符號(hào)標(biāo)明程序中的指令操作數(shù)。絕對(duì)引用是指使用內(nèi)存區(qū)的位或者字節(jié)位置標(biāo)識(shí)地址，符號(hào)引用則是指使用數(shù)字、字母的字符組成標(biāo)識(shí)地址。如果有未賦值的參數(shù)，程序?qū)⒉荒苷＞幾g。
五、編譯與保存
編譯可以通過工具欄按鈕或者PLC 菜單進(jìn)行。可通過“PLC”菜單中的“編譯” 命令，或者工具欄上的“編譯”按鈕，編譯當(dāng)前被激活的編輯器中的程序。若選擇“PLC”菜單中的“全部編譯”命令，則按照順序編譯程序塊（主程序、全部子程序、全部中斷程序）、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊等全部塊。使用“全部編譯”，與哪一個(gè)窗口是活動(dòng)的無關(guān)[12] 。編譯結(jié)束后，輸出窗口顯示編譯信息。可以通過工具欄的“保存” 按鈕、“文件”菜單中的“保存”命令及“另存為”進(jìn)行保存。
4.3輸入輸出地址
系統(tǒng)輸入點(diǎn)及地址：啟動(dòng)開關(guān)I0.0、停止開關(guān) I0.1、紅外探測(cè)器 I1.0～I(xiàn)1.4、光照傳感器 I0.3～I(xiàn)0.7、投影儀開關(guān) I0.2。T37 和 T38 為定時(shí)器。為了減少輸出點(diǎn)數(shù)，一個(gè)區(qū)域作為一個(gè)輸出點(diǎn)，其地址Q0.0～Q0.4。表 1 為 I/O 地址分配表。
表1 I/O 地址分配表
輸入點(diǎn)
輸出點(diǎn)
元件名稱
地址編碼
元件名稱
地址編碼
啟動(dòng)開關(guān)
I0.0
講臺(tái)區(qū)域燈
Q0.0
停止開關(guān)
I0.1
區(qū)域 1 燈
Q0.1
投影開關(guān)
I0.2
區(qū)域 2 燈
Q0.2
光照探測(cè)器
I0.3~I0.7
區(qū)域 3 燈
Q0.3
紅外探測(cè)器
I1.0~I1.4
區(qū)域 4 燈
Q0.4
4.4梯形圖程序設(shè)計(jì)
用 SETP7 軟件語句表編寫的控制程序如圖 10 所示。
圖10 梯形圖網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)絡(luò) 1 ：啟動(dòng)開關(guān) I0.0 閉合后，中間繼電器 M0.0 通電并自鎖，只有當(dāng)停止開關(guān)I0.1 按下后，M0.0 才斷開。
網(wǎng)絡(luò) 2 和網(wǎng)絡(luò) 3：M0.0 保持通電時(shí)，計(jì)時(shí)器 T37 計(jì)時(shí) 3000*100ms=5 分鐘后，其常開觸點(diǎn)閉合，計(jì)數(shù)器C1 計(jì)數(shù)一次，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)2 中T37 的常閉觸點(diǎn)斷開，等其T37 常閉觸點(diǎn)重新閉合后，T37 重新開始計(jì)時(shí)，如此重復(fù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器C1 計(jì)數(shù)到 288 次，即 288*5min=1440min，即 24 小時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位并重新開始計(jì)數(shù)。
網(wǎng)絡(luò) 4、5、6：為分時(shí)控制梯形圖程序，系統(tǒng)在仿真運(yùn)行時(shí)，設(shè)定其初始時(shí)間為 6:00，即 C1>=0 時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 C1 計(jì)數(shù)范圍在 0~144 之間，即這 12 個(gè)小時(shí)內(nèi)，中間繼電器 M0.1 都保持導(dǎo)通。另外，M10.1 代表在時(shí)間段 6.00—18.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)，M0.2 代表在時(shí)間段 18.00—23.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)，M0.3 代表在時(shí)間段23.00—6.00 保持導(dǎo)通狀態(tài)。但是要確定的是 M0.1、M0.2、M0.3 這 3 個(gè)時(shí)間段的繼電器，在任何時(shí)候只有一個(gè)能保持導(dǎo)通狀態(tài)。
網(wǎng)絡(luò) 7 為本系統(tǒng)的輸出梯形圖程序，其中 I0.3 至 I0.7 代表光照探測(cè)器的控制觸點(diǎn)，I1.0 至 I1.4 為紅外探測(cè)器的控制觸點(diǎn)，Q0.0 至 Q0.4 代表教室 5 個(gè)區(qū)域的燈。
本程序設(shè)計(jì)的基本原理和工作過程如下：
1）當(dāng)時(shí)間段在 6.00—18.00 時(shí)， 常開觸點(diǎn)M0.1 保持導(dǎo)通狀態(tài)，假設(shè)此時(shí)教室中 5 個(gè)區(qū)域都有人體存在，各個(gè)區(qū)域的紅外探測(cè)器會(huì)感應(yīng)到相應(yīng)區(qū)域的人體，并使常開觸點(diǎn)I1.0 至 I1.4 閉合導(dǎo)通， 如果教室中個(gè)區(qū)域光線很充足，光照探測(cè)器會(huì)使常開觸點(diǎn)I0.3 至 I0.7 保持?jǐn)嚅_， 反之，若光線不足，光線探測(cè)器會(huì)使其閉合，從而使整個(gè)回路導(dǎo)通，各個(gè)區(qū)域的燈會(huì)點(diǎn)亮。假設(shè)教室中全部區(qū)域都有人且燈都亮著，某區(qū)域的人突然全部走完了， 紅外探測(cè)器會(huì)自動(dòng)感應(yīng)到該區(qū)域的人體存在情況，從而反饋到其控制的常開觸 點(diǎn)，從而控制燈光的開和關(guān)。另外還有一種特殊的情況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò) 8 中投影儀開關(guān)I0.2 開啟后，定時(shí)器T38 開始計(jì)時(shí)，當(dāng)其計(jì)時(shí)到600*100ms 即 60s 時(shí)，其網(wǎng)絡(luò) 7 中的常閉觸點(diǎn)會(huì)斷開，從而會(huì)使講臺(tái)區(qū)域的燈關(guān)閉?？梢允雇瑢W(xué)們更好的看到多媒體的投影效果，不需人為的去關(guān)閉燈光。
2）當(dāng)時(shí)間段在18.00—23.00 時(shí)，此時(shí)M0.2 處于導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)一般光線比較暗，已不需要光照探測(cè)器工作， 只需紅外探測(cè)器來感應(yīng)人體的存在與否來控制教室相應(yīng)區(qū)域的燈光開關(guān)情況。
3）當(dāng)時(shí)間段位于 23.00—6.00 時(shí)，老師學(xué)生一般都不會(huì)在教室學(xué)習(xí)了，此時(shí) M0.3 的常閉觸點(diǎn)會(huì)斷開，無論是光照探測(cè)器還是紅外探測(cè)器，都會(huì)停止工作，此時(shí)只 能手動(dòng)來控制燈光的開與關(guān)了 。
5系統(tǒng)仿真
5.1 S7-200 V4.0 的仿真軟件
S7-200 V4.0 仿真軟件可以仿真大量的S7-200 指令（支持常用的位觸點(diǎn)指令、定時(shí)器指令、計(jì)數(shù)器指令、比較指令、邏輯運(yùn)算指令和大部分的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等， 但部分指令如順序控制指令、循環(huán)指令、高速計(jì)數(shù)器指令和通訊指令等尚無法支持[13]。仿真程序提供了數(shù)字信號(hào)輸入開關(guān)、兩個(gè)模擬電位器和 LED 輸出顯示， 仿真程序同時(shí)還支持對(duì)TD-200 文本顯示器的仿真，在實(shí)驗(yàn)條件尚不具備的情況下，完全可以作為學(xué)習(xí)S7-200 的一個(gè)輔助工具。
另外，仿真軟件還有讀取CPU 和擴(kuò)展模塊的信息、設(shè)置PLC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、控制循環(huán)掃描次數(shù)等功能。軟件的主界面如圖 11所示。
圖11 S7-200 仿真軟件主界面
圖中灰色部分為是CPU 224 類型的PLC 面板可顯示CPU 運(yùn)行狀態(tài)和I/O 點(diǎn)的狀態(tài)，燈亮為 1，燈滅為 0。CPU224 的右邊空白方框是擴(kuò)展模塊的位置，雙擊空白方框即可進(jìn)行模塊配置選擇，根據(jù)需要可選擇各種數(shù)字量和模擬量的擴(kuò)展模塊。
CPU 模塊的下方是用于輸入數(shù)字量信號(hào)的小開關(guān)面板，具有和 CPU224 對(duì)應(yīng)的 14 個(gè)輸入點(diǎn)，單擊面板中的開關(guān)按鈕可使其 0，1 狀態(tài)切換，在 CPU 面板上的模擬LED 燈對(duì)應(yīng)滅，亮。開關(guān)面板下方的SMB28,SMB29 是兩個(gè)直線電位器，分別是 CPU224 的兩個(gè)8 位模擬量輸入電位器對(duì)應(yīng)的特殊存儲(chǔ)器字節(jié)，可左右拖動(dòng)滑塊來設(shè)置它的值，范圍在 0-255 之間。
5.2仿真測(cè)試
在仿真軟件中點(diǎn)擊工具欄上 按鈕，啟動(dòng)運(yùn)行，使仿真 PLC 切換到 RUN 模式開始仿真測(cè)試。選擇 CPU224 模塊對(duì)梯形圖程序進(jìn)行仿真，其結(jié)果按要求分為以下幾種情況：
一、06：00—18：00，光照充足，教室無人
圖12 6 點(diǎn)至 18 點(diǎn)仿真結(jié)果圖（1）
如圖 12 所示，圖左為 S7—200 仿真運(yùn)行時(shí)的界面，最下排左邊的數(shù)字 0 代表啟動(dòng)開關(guān)I0.0，此時(shí)已向上撥動(dòng)，且中間的數(shù)字0 下方已亮燈，表示I0.0 已經(jīng)開啟；數(shù)字 1 和 2 依次代表停止開關(guān) I0.1 和投影儀開關(guān) I0.2，由圖中狀態(tài)表示未啟動(dòng)；而數(shù)字 3 至 7 依次表示 5 個(gè)光照探測(cè)器I0.3 至 I0.7，此時(shí)也沒向上撥動(dòng)， 表示光照充足；而右邊的數(shù)字 0 至 4 則表示 5 個(gè)紅外傳感器 I1.0 至 I1.4，此時(shí)也沒向上撥動(dòng)，表示現(xiàn)在教室無人。最上方的數(shù)字 0 至 4 則相應(yīng)的代表教室 5 個(gè)區(qū)域的燈，此時(shí)都未亮。圖右為系統(tǒng)仿真運(yùn)行狀態(tài)的 KOP 圖，淡紫色小正方形表示該觸點(diǎn)保持導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)楝F(xiàn)在時(shí)間為 6 點(diǎn)到 18 點(diǎn)，所以常開觸點(diǎn)M0.1=1， 始終保持導(dǎo)通。
二、06：00—18：00，教室光照不足，有人
圖13 6 點(diǎn)至 18 點(diǎn)仿真結(jié)果圖（2）
如圖 13 所示，下排左數(shù)字 3 至 7 的開關(guān)都向上撥動(dòng)，且指示燈亮了，表示教室 5 個(gè)區(qū)域的光線都不足，而右邊的數(shù)字 0 至 4 的開關(guān)也向上撥動(dòng)，表示教室5 個(gè)區(qū)域都有人存在，所以智能控制系統(tǒng)會(huì)使教室中5 個(gè)區(qū)域的燈都會(huì)開啟，即圖中最上排的燈 0 至 4 都亮著。圖右邊 KOP 圖中 I0.3 至 I0.7，I1.0
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