基于PLC教室智能照明控制系统设计

PLC与DCSPLCandDCS《自动化技术与应用》2020年第39卷第9期

TechniquesofAutomation&Applications基于PLC教室智能照明控制系统设计

李帅,王守城,胡秀秀,程媛,马芸芸（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061）

摘要:本文介绍了PLC在教室照明控制系统领域的应用，阐述了利用什么样的控制方法来实现智能控制。西门子S7-200PLC对教室照明完成智能控制的基本原理：使用热传感器和光敏三级管收集四周环境的信号，而后将模拟信号转化为数字信号送给PLC，判断教室是否有人及光照条件充分程度，是否能达到学生看书学习的需求，设置好合理开灯的条件后，教室智能控制系统还能对环境信息做相关的智能判断，以实现教室照明的智能控制，完成节约用电的目的。最后，对教室智能控制还进行了软件编程和梯形图程序设计，验证了智能控制系统实现的可能性。关键词:教室智能照明控制系统；S7-200PLC；热传感器；关敏三极管中图分类号：TP273文献标识码:B文章编号:1003-7241(2020)09-0064-05

DesignofIntelligentLightingControlSystemforClassroom

BasedonPLCLIShuai,WANGShou-cheng,HUXiu-xiu,CHENGYuan,MAYun-yun(MechanicalandEngineeringCollege,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061China)Abstract:ThispaperintroducestheapplicationofPLCinthefieldofclassroomlightingcontrolsystem,andexpoundswhatkindofcontrolmethodisusedtorealizeintelligentcontrol.ThebasicprincipleofSiemensS7-200PLCforintelligentcontrolofclassroomlightingisasfollows:usingthermalsensorsandphotosensitivethree-leveltubestocollectsignalsfromthesur-roundingenvironment,thenconvertinganalogsignalsintodigitalsignalsandsendingthemtothePLCtojudgewhethertherearepeopleintheclassroomandthesufficientlightingconditions,whetherthecanmeetthestudent'sneedsofread-ingandlearning,andaftersettingreasonableconditionsforlighting,theclassroomintelligentcontrolsystemcanalsomakerelevantintelligentjudgmentonenvironmentalinformationtorealizeintelligentcontrolofclassroomlightingandachievethepurposeofsavingelectricity.Finally,thesoftwareprogrammingandladderdiagramprogrammingarealsocar-riedouttoverifythepossibilityofrealizingtheintelligentcontrolsystem.Keywords:classroomintelligentlightingcontrolsystem;S7-200PLC;thermalsensor;sensortriode收稿日期:2019-04-301引言目前，我们面临的主要矛盾是能源短缺和经济持续快速发展之间的矛盾，成为了制约我国经济可持续发展的主要问题之一，怎样解决能源过度消耗的问题，需要我们想出解决问题的对策。学校用电存在严重的浪费现象，为了实现学校的节约用电，本文着重对教室照明进行了分析研究，然后设计出了智能教室照明控制系统，它通过PLC控制完成教室照明的自动化，智能化。教室智能照明控制系统不仅节约用电，而且为节约资源奠定了良好的基础[1]。

2系统控制方案的设计要做到教室照明的智能化，首先要进行的就是对系统控制的方案进行设计，其内容包括两个部分：其一，对分区分时控制方案的设想。其二分析智能照明控制系统。2.1系统控制方案的分析智能照明控制系统离不开传感器，传感器是通过对红外线的感应和光敏三极管对信号的测试来进行输入的。它即不是手动控制，也不是独立的系统自控，而是采用两者紧密结合的方式。当教室的光照比较暗，环境的64《自动化技术与应用》2020年第39卷第9期PLC与DCSPLCandDCS

TechniquesofAutomation&Applications光照达不到系统的设定值，则系统可以自动的开灯，但开灯的前提是：红外探测器对教室进行检测，观察教室里是否有人，如果检测到有人的存在，则开灯，检测到没人，依然保持关闭。待教室里人全部走尽，PLC通过延时继电器的延时作用，延时一段时间后，系统会把所有灯关闭；如果教室环境的光照值超过了系统的设定值，灯保持关闭状态[2]。2.2分区和分时控制方案的构想

图1传感器在教室的分区控制图

3硬件系统设计3.1选择PLC类型PIC作为一种现代化智能化的核心部件，虽然生产厂家特别多，生产出的产品也不少。这些PLC尽管在型号上不相同，但他们的工作原理和使用方法却相差无几，S7-200系列的PLC具有稳定好，抗干扰能力强，体积跟质量较小，维修方便，成本较低，结构简单，易使用等多个特点。所以让它作为主要元器件符合设计要求。

图2教室智能照明控制系统框图通过分析图1(传感器在教室的分区控制图)，教室照明控制系统输入点由1个启动开关、停止开关、投影开关和5个光敏传感器、红外探测传感器组成，输出点由5个节能灯，分别布置在图2的五个区域内。教室智能照明控制系统框图如图2所示。3.2数据采集电路和环境光采集电路教室的灯光强度是主要的收集任务。光敏三极管集结了光敏二极管的光敏特性和晶体管灵敏度的稳定性，是最合适的一种选择[3]。

图3环境光采集电路原理图把光转换成电的传感器是光电传感器。除了光电二极管光敏三极管的应用能够将光信号转换成电信号，并且还可以放大电信号。在没有光线的情况下，晶体管(三极管)的穿透电流十分小，为暗电流Iceo。当有光时，增加产生的Ib并成为光电流Ie。光电流的大小与光的强度成正比的关系，因而能够在负载上取得随光强变动的电信号。如下图3所示(环境光采集电路的原理图)。当自然光照强度超过一定限度时，光敏晶体管(三极管)D1显示低阻态小于1K的电阻状态，晶体管(三极管)Q1管饱和导通，Q1的基极电压增大，Q1的集电极输出低电平。当自然光照强度低于一定限度，光敏晶体管D1显示高阻态高于100k的电阻状态，使晶体管Q1的集电极输出高阻断。65PLC与DCSPLCandDCS《自动化技术与应用》2020年第39卷第9期

TechniquesofAutomation&Applications该可变电阻R1可以调整，调整电阻R1的大小，使Q1晶体管受环境光的亮度传导合适。3.3PLC的外围接线输入输出设备的设计和PLC外围接线图的负载电源类型与系统的控制要求相结合[4]。教室照明智能控制接线图如图4所示。

图4PLC外围连线图

4软件系统设计4.1程序流程图设计教室智能照明控制系统的程序框图，如图5所示。模块连接，然后通过调试，改进，控制要求。4.2输入输出地址系统输入点和地址：I0.0-启动开关，I0.1-停止开关，I0.2-投影仪开关，I0.3～I0.7光传感器，I1.0～I1.4红外检测器。定时器：T37和T38。为了使输出点数变少，一个区域对应一个输出点，分配的地址为Q0.0～Q0.4。如表1所示：I/O地址分配表。4.3梯形图程序设计如图6所示：用SETP7软件语句表编写的控制程序

梯形图。图5程序流程图表1I/O地址分配表输入点元件名称启动开关停止开关投影开关光照探测器红外探测器地址编码I0.0I0.1I0.2I0.3～I0.7I1.0～I1.4输出点元件名称讲台区域灯(灯1)区域2灯区域3灯区域4灯区域5灯地址编码Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4网络1：关闭I0.0后，中间继电器～M0.0，通电并自锁，除非按下停止开关～I0.1时，否则M0.0不断开。网络2和网络3：M0.0接通后，T37定时器定时3000*100ms=5分钟以后，T37的常开触点闭合，常闭触点断开，网络2随之断开，这时C1计数器计数一次，T37常闭在T37启动时间后，触点再次闭合，定时器T37从新开始计数，以此反复，当计数器计数到达288C1=288*5min=1440min，为24小时，计数器复位，并开始重新计数。网络4，5，6：该系统在模拟运行时，初始设定时间为6:00，C1>=0，当计数器计数在0～144的范围内时，为12小时，中间继电器M0.1保持导通。此外，M10.1在保持导通状态，在6点-18点时间段内；M0.2保持传导状态，在18点-23点之间的一段时间；M0.3表示时间周期在23点-6点保持传导状态。然而，为了确定M0.1，M0.2，M0.3这3个时间段的继电器，在任何时候只有一个可以保持开启状态。网络7：关于系统的输出梯形图程序，其中I0.3至I0.7，分别代表光照探测器控制触点，I1.0至I1.4，分别代表红外探测器控制触点，Q0.0至Q0.4，为教室5个区域66《自动化技术与应用》2020年第39卷第9期PLC与DCSPLCandDCS

TechniquesofAutomation&Applications的照明灯。

图6控制程序梯形图这个程序设计的基本工作过程如下：(1)在6点到18点的时间，M0.1作为常开触点保持导通状态，假设在教室的5个区域中，每个区域都有人存在，红外探测器在每个区域都会发现并感应到人，并且常开触点I1.0-I1.4处于关闭导通状态，如果教室光照充足，在光照探测器的作用下，常开触点I0.3-I07处于断开状态。相反，如果缺少光照，光照探测器会使其关闭，使整个环路接通，各个区域的灯亮。假如教室的每个区域性都有人，而且灯全被点亮，一个区域的人忽然全部消失，在该区域里，人的存在情况会迅速的被红外探测器所感应，并反馈给控制器的常开触点，以便控制灯的开启和关闭。此外还有一种情况，这种情况为特殊情况，当网络8投影机开关I0.2处于打开时，T38定时器开始计时，当时间为600*100ms即60s时，7个常闭触点中的网络将关闭，使讲台区域灯熄灭[5]。(2)在18点到23点这个时间段内，当M0.2处于接通状态时，由于处于晚上没有光照，所以不需要光照探测器，这时主要靠红外探测器，来感应是否有人，有人则开灯，否则关闭。(3)在23点到6点这个时间段内，老师不会在讲台讲课，学生也回宿舍休息，这时M0.3的常闭触点会断开，全部的探测器保持休眠状态，同时保留手动控制开灯和关灯[6]。4.4程序设计LDI0.0OM0.0ANI0.1=M0.0LDNT37AM0.0TONT37,3000LDT37LDC1CTUC1,288LDW>=C1,0AW=C1,144AW<=C1,192=M0.2LDW>=C1,192AW<=C1,288=M0.367