基于PLC的校园照明智能控制系统设计

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学 院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 指导教师：

完成日期 2012 年 5 月

****学院本科生毕业设计（论文）

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

Intelligent Control of Campus Lighting Based on

Programmable Logical Controller

总 计： 27 页 表 格： 2 个 插 图： 15 幅

***** 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

Intelligent Control of Campus Lighting Based on

Programmable Logical Controller

学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 104091120032 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期：

****学院

Nan yang Institute of Technology

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

基于PLC的校园照明智能控制系统设计

电气工程及其自动化

* * *

［摘 要］目前，大多数校园照明系统仍然使用人工控制，其缺点是控制复杂、修理困难、容易发生误动作。针对这种情况，本设计使用西门子S7-200PLC代替传统的人工控制校园照明系统。采用了PLC智能控制，系统稳定可靠，完全满足学校的照明要求，校园照明系统主要有道路控制输出信号、景观灯输出信号、公共绿地输出信号，根据PLC控制原理对其进行I/0分配和绘制照明系统流程图及编写校园照明智能控制系统梯形图控制程序。最后经过模拟仿真运行，能够实现当设备发生故障或出现某些不正常运行情况时，由自动控制变换人工控制，在排除故障后再次实现自动控制满足照明智能控制系统的要求。

［关键词］照明系统；西门子S7-200；输出信号；智能控制

Intelligent Control of Campus Lighting Based on

Programmable Logical Controller

Electrical Engineering And Automation Specialty * * *

Abstract: At present the illumination system of the majority of our campus is still using the traditional manual control system, whose disadvantages are complex control, difficult to repair, prone to malfunction. For this situation, this paper uses the Siemens S7-200 and designs the system to control the campus lighting system instead of traditional artificial control，Programmable Logical Controller intelligent control system was adopted on the new campus, the control system is reliable enough to meet the requirement of campus lighting, The system mainly includes incident the output signal of the road、the decorative lights and the green fields. Which composes the I/0 allocation tables and flowing diagram and the ladder diagram control programs of the illumination system of the campus. Through the simulation, it is able to turn to manual control from the automatic system when the facilities generate the phenomenon of the malfunction and abnormal,the automatic system turn on after people to find and orderly deal with the malfunction ,and fulfills the requirements of the system of the intelligent control.

Key words: The illumination system; Siemens S7-200; the output signal; intelligent control

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

目 录

1 引 言 ................................................................... 1 1.1 选题背景和意义 ...................................................... 1 1.2 PLC在国内外的发展状况 ............................................... 1 1.3 设计的主要内容及技术要求 ............................................ 2 1.3.1 主要内容 ........................................................ 2 1.3.2 具体技术要求 .................................................... 2 2 智能照明控制系统总体方案设计 ............................................ 3 2.1 照明系统的功能需求分析 .............................................. 3 2.2 系统设计的基本步骤及功能组成 ........................................ 3 2.2.1 智能照明控制系统设计过程简述 .................................... 3 2.2.2 智能照明控制系统设计基本步骤和方法 .............................. 3 2.2.3 智能照明控制系统设计的功能组成 .................................. 4 3 硬件设计 ................................................................ 5 3.1 线路结构设计 ........................................................ 5 3.1.1 控制线路设计 .................................................... 5 3.1.2 控制器件的选型 .................................................. 6 3.2 PLC的设计 ........................................................... 7 3.2.1 PLC在控制系统中的要求 ........................................... 7 3.2.2 PLC选型 ......................................................... 8 3.2.3 S7-200系列PLC .................................................. 8 3.2.4 I/O地址分配 ..................................................... 9 4.软件设计 ............................................................... 10 4.1 程序流程 ........................................................... 10 4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件 ....................................... 11 4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面及基本组成 ................... 11 4.2.2 梯形图的编写 ................................................... 12 4.2.3 时钟设置及读写 ................................................. 12 4.3 系统的控制程序 ..................................................... 14 4.3.1 分时控制方案 ................................................... 14

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4.3.2 分时智能控制程序编制 ........................................... 14 4.3.3 三时段控制程序 ................................................. 15 4.3.4 季节自动选择程序 ............................................... 15 5 控制程序的调试与仿真 ................................................... 16 5.1 程序调试 ........................................................... 16 5.2 系统仿真 ........................................................... 16 结束语 ................................................................... 20 参考文献 ................................................................. 21 附录 ..................................................................... 22 致谢 ..................................................................... 27

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

1 引 言

1.1 选题背景和意义

随着工业化高速发展，能源问题成为人们关注的焦点，因为能源的消耗除了其直接的经济损失外，还会带来碳排放量的增加，恶化环境，所以节约能源一直是生活、生产中的一个主题。提到节能人们往往忽视了照明用电，因为它单体容量较小，安装比较分散，所以，看起来无关紧要，其实照明用具数量最多，分布最广，随着城市的扩张和道路的延伸，无论是单体容量还是总容量都在大幅增加，美化环境的长明灯更是越来越耀眼。现在很多大学都坐落在郊区，建筑容积率较低，因此，诸如道路、广场、景观等公共照明占的比重相当高，且路灯和景观灯的单体容量大，工作时间长，绝对是学校能源消耗的主体。要说学校节能，只要把这些公共照明控制得当即可。

校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼字自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路监控等子系统。但近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化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[1]。在新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也应意识到智能照明的重要性。相对商业楼字而言，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。而可编程控制器（Programmable Logical Controller，简称PLC）作为自动控制的重要组成部分，已成为大多数自动化系统的设备基础。可编程控制器是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门都有广泛应用。它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入/输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现对系统过程的自动控制。而校园具有现代化气息，道路宽且长，绿地和景观用地也有相当的比例。在进行道路和景观绿地照明设计时，在节能和延长光源寿命方面取得了明显的效果。

本设计研究项目属于采用西门子S7-200PLC代替传统的人工控制照明系统，在校园智能照明系统中装置PLC，可以达到线路简单、易于安装、便于维护、编程简单、工作可靠、抗干扰能力强，实现对照明系统的综合自动化控制[2]。

1.2 PLC在国内外的发展状况

可编程控制器是六十年代发展起来的一种自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，

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它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能，既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。而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。在传统的楼字自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路监控等子系统。但近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化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。而在新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也应意识到智能照明的重要性。相对商业楼字而言，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[3]。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。

针对节约电能、保护全球环境的可持续发展的要求，美国环保署于1991年1月提出“绿色照明”概念，引起了其他国家的重视。我国也于1993年11月启动“中国绿色照明工程”，并于1996年正式列入国家计划[4]。但是我国智能化照明技术的应用还不广泛,大多数校园仍然使用传统的照明控制方式。 因此完善校园路灯智能化监控建设，进一步扩大监控系统点位，自动实时监控和远程控制校园照明设施的开关灯，合理控制道路照明和景观灯的运行和停止具有重要的现实意义。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.3 设计的主要内容及技术要求

1.3.1 主要内容

本设计采用S7-200控制器控制照明系统，根据校园照明系统的工作特点,采用PLC实现对照明系统的控制，总体设计主要包括硬件线路的设计和软件的设计。硬件线路设计主要包括线路图设计和排线布线设计。软件设计根据控制的要求，对事道路、宿舍、公共绿地、景观灯等进行I/0分配，同时编制了系统梯形图控制程序，最后进行仿真与调试，达到校园照明系统的要求。 1.3.2 具体技术要求

（1）学生是一个特殊群体，活动的时间性、规律性非常突出，因此对道路和其他公共照明实行智能分时控制。

（2）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。

（3）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。 （4）为了保证PLC事故情况下的道路照明，在设计时考虑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。

（5）在设计时考虑夏、秋时制和冬、春时制的识别。

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2 智能照明控制系统总体方案设计

智能照明控制系统由可编程控制器、中间继电器、各种照明灯和刀开关组成。通过软件编程软件编写分时段程序控制校园道路、公共绿地和景观灯等照明设备，使各照明设备在规定的时间工作。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。

2.1 照明系统的功能需求分析

（1）节能 据专业资料统计，智能建筑的照明用电占整个校园用电的85%左右。其实在大多数情况下很多区域并不需要把灯全部打开或者开到最亮，过度的照明不仅形成光污染还会造成能源浪费。在当今能源紧张、国家大力倡导节能的形势下，使用智能照明管理系统最大程度地节能具有非常实际的意义。校园照明回路数量较多，容量较大，如何在保证所需照度的前提下，综合运用多种控制手段，减少不必要的电能浪费，是个极其重要的问题。

（2）高效管理 如何提高运行的稳定性和可靠性，使控制和操作更加简单、方便、灵活，使管理更加自动化、高效化，减少大量简单重复的劳动，是我们在设计时考虑的重点。我们根据不同区域的特点进行设计，确保使用方便灵活，管理高效。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少照明系统的运行维护费用，并带来较大的投资回报[5]。

（3）人性化 使用智能照明管理系统，不仅要实现基本的灯光控制，还应通过场景、自动控制等手段，努力提高照明环境的品质，使人们在一个舒适温馨、高品质的光环境中愉快高效地工作和学习，真正做到“科技以人为本”。

2.2 系统设计的基本步骤及功能组成

2.2.1 智能照明控制系统设计过程简述

校园照明控制系统配置设计一般都在控制时间和照明电气部份设计之后进行的，根据校园的照明要求结合电气设计图进行系统配置。首先根据校园道路、景观灯等照明的分布情况，设计硬件线路；其次依据照明灯具的大小、数量计算出总的电压、电流等电气参数，通过计算出的参数进行电器元件的选型；再此就是软件编程，根据设计要求编写软件程序；最后通过仿真调试不断修改设计，直至满足校园照明智能控制要求。在实际设计过程中，也可依据实际情况对设计方案进行修改。 2.2.2 智能照明控制系统设计基本步骤和方法

第一步 编制照明回路负载清单，核对照明回路中的灯具和光源性质，进行整理[6]。

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(1)每条照明回路上的光源应当是同一类型的光源，不要将不同类型的光源如白炽灯，日光灯，景观灯混在一个回路内。

(2)分清照明回路性质是普通供电还是节能供电。

(3)每条照明回路的最大负载功率应符合开关控制器允许的额定负载容量，不应超过额定负载容量运行。

(4)根据灯光设计师对照明场景的要求，对照明回路划分进行审核，如不符合照明场景所要求的回路划分。可作些适当回路调整，使照明回路的划分能适应灯光场景效果的需要，能达到灯光与室内装璜在空间层次，光照效果和视觉表现力上的亲密融合，从而使各路灯光组合构成一个优美的照明艺术环境。

第二步 根据照明控制要求选择控制面板和其它控制部件

控制面板是控制照明系统的主要部件，也是操作者直接操作使用的界面，选择不同功能的控制面板应满足操作者对控制的要求[7]，控制系统一般有以下几种控制输入方式：

(1)采用时间管理器控制方式，根据不同时间自动控制。 (2)采用按键式手动控制面板，随时对照明进行调节控制。 (3)采用电脑集中进行控制。

(4)采用PLC实时时钟进行不同时段分时控制。 第三步 选择附件及集成方式

控制系统如需与其它相关智能系统集成，可选用相应的附件。 第四步 施工图纸设计及设备配置清单编制

(1)施工图纸设计，该部分内容可见智能照明系统电气设计相关教程。

(2)编制系统配置清单，如系统中各产品型号、数量、使用区域、备注等相关信息。 2.2.3 智能照明控制系统设计的功能组成

（1）智能照明控制系统的结构和组成

一般智能照明控制系统都为数字式照明管理系统，它由系统单元，输入单元和输出单元三部分组成。除电源设备外，每一单元设置唯一的单元地址，并用软件设定其功能。

通过输出单元来控制各负载回路，各种形式的单元简述如下：

? 系统单元：主系统对各区域实施相同的控制和信号采样的网络，子系统则对各分区实施不同具体控制的网络。主系统和子系统之间通过信息等元件连接，实现数据传输。

? 输入单元：用于将外部控制信号变换成控制系统上传输的信号，如可编程的多功能(开/关、调光、定时、软启动/软关断等)输入开关、红外线接收开关及红外线遥控器(实现灯光调光或开/关功能)。各种型式及多功能的控制板，可进行多点控制、时序控制等，调整照明，以达到使周围环境保持适宜的照度，节约电能[8]。

? 输出单元：智能控制系统的输出单元是用于接受来自控制器的定时信号，控

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制相应回路的输出以实现实时控制。输出单元有各种型式的继电器。系统一般采用集中控制和管理、分散执行的方式，亦即配置智能控制照明柜，智能控制柜内装有可编程控制器的有关自动及手动控制开关，空中灯具开/关状态，手动控制开关可在异常情况下采取处理措施。 （2）采用智能照明控制系统的优越性

? 良好的节能效果 采用智能照明控制系统的主要目的是节约能源，智能照明控制系统借助各种不同的预设置控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。

? 延长光源的寿命 延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，降低了照明系统的运行费用，管理维护也变得简单了。

? 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。良好的设计，合理地选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量[9]。

? 实现多种照明效果 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。以某工程为例，建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同的效果，采用相应的预设置场景进行控制，可以达到丰富的艺术效果。

3 硬件设计

3.1 线路结构设计

3.1.1 控制线路设计

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。在设计时采用高于一般居住区而低于商业区的标准。为了便于分时控制，在灯具布置时采用双侧交错布置，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。

路灯采用双侧交错布置，每一侧的路灯由2个单独的控制回路进行间隔控制，如：1#回路控制左侧的单编号灯具，2#回路控制同一侧的双编号灯具。3#、4#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，满足最低照明需求即可。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

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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[10]。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1个景观区域和1个公共绿地的供电系统图。

KM11QF1KM12KM13KM141#公共绿地1#草坪2#草坪3#草坪4#草坪KM21QFQF22#景KM23观KM24灯KM221#花坛2#花坛3#花坛4#花坛KM31KM32QF3右侧双数灯3#右侧单数灯KM33道路左侧双数灯KM34左侧双数灯

图1 供电系统示意图

3.1.2 控制器件的选型

在校园智能照明系统中由人工和自动两种控制方式，人工控制需要能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流的开关装置即断路器。自动控制因学校照明电路多总功率较大，因此自动控制开关器件选用接触器。目前PLC的输出有2种型号：晶体管和继电器。继电器能够支持AC220V的电压。也就是说继电器的型号能够控制AC220V的回路，但并不推荐直接用于AC220V的回路中，尤其是频繁动作的回路中，故此在设计过程中增加中间继电器来实现[11]。

本设计所选用的断路器用照明保护用，选用DZ47-63小型断路器DZ47-63/3 C型DZ47-63高分断小型断路器是一种具有过载与短路保护的限流型断路器，适用于交流50Hz，单极电压230V及以下，二、三、四极电压400V及以下的工业和商业照明配电系统的过地短路保护，亦可在正常情况下作线路的不频繁通断转换之用。该断路器外型美观，体积小，重量轻，分断能力高，脱扣迅速，导轨安装，壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料，性能优良可靠。

接触器(Contactor)在工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器分为交流接触器和直流接触器，交流接触器又可分为电磁式和真空式两种。

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交流接触器的选择：

（1）持续运行的设备。接触器按67～75%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67～75A以下的设备。

（2）间断运行的设备。接触器按80%算。即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。

（3）反复短时工作的设备。接触器按116～120%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116～120A以下的设备[12]。

中间继电器(intermediate relay)的工作原理和交流接触器一样，都是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位。JZ-21H、22H系列断电延时中间继电器(以下简称继电器),用于交、直流操作的各种保护或自动控制回路中[13]。JZ-2IH为单路延时继电器，JZ-22H为双路延时继电器。

3.2 PLC的设计

3.2.1 PLC在控制系统中的要求

（1）用PLC进行照明控制系统改造时遵循原则

? 完备性:包括了常规的照明系统的全部功能，同时还考虑了校园综合自动化改造后对照明系统信息量、信息格式的要求。

? 可靠性:在满足完备性的前提下，尽量简化附加的前后向通道。通过自动和和人工两种控制方式，使照明系统在发生故障时可以灵活控制照明系统。

? 适应性:系统脉冲起动电流可调，以适应老式的白炽灯和新型的发光二极管脉冲电流的不同特点。 （2）PLC控制的优点

? 前后向通道简单。前向通道除脉冲形成回路稍许复杂外，其他都是简单的光耦电路;后向通道更加简单，直接由PLC输出。

? 抗干扰性能好。除PLC的I/O本身进行隔离外，对前向通道又进行隔离，有效地抑制了共模干扰。同时系统的功能全部由PLC按照预定的程序完成，避免了由于某个继电器损坏造成的误动或拒动。

? 灵敏度高，过载能力强。PLC控制照明系统的脉冲形成和响应在物理上是独立的，能够做到具有很高的灵敏度和承受较大的过负荷能力。

? 维护简单。PLC程序采用继电保护人员熟悉的梯形图编制，直观明了。可直

接利用PLC编程器对自动复归时间等定值进行修改。同时由于PLC的高可靠性，基本上可做到免维护。

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3.2.2 PLC选型

在PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的PLC以达到真正需要，而又能符合经济效益，是一个重要问题。PLC本身的特点是：体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。针对上述说明，选择符合功能需求与经济效益的PLC是十分必要的。

一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可以从以下几个方面来考虑：

(1)对输入/输出点数的选择

要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20%留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需PLC的点数。

(2)对存储容量的选择

PLC存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入与输出点数之和乘以8，就是所需PLC存储器的存储容量（单位为bit）。

(3)对I/O响应时间的选择

PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。

(4)根据是否联网通信选型

若PLC控制的系统需要联入校园自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

(5)对PLC结构形式的选择

在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。

目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。经过反复比较及对系统控制规模和控制要求的分析，选用了目前较流行的、有较高性价比的西门子S7-200系列小型PLC。该型号的PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。而且该机型的指令及编程运作与计算机通用编程语言更加接近，易学易懂。 3.2.3 S7-200系列PLC

S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC。其许多功能能够达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛关注。它可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。其价格低廉、结构小巧、

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可靠性高、运行速度快，继承和发展了它在大、中型PLC领域的技术优势，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比非常高，所以它在各行各业中的应用得到迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。

S7-200有五种CPU，其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221，CPU222，CPU224，CPU224XP和CPU226五种CPU。本课题设计使用CPU224，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

S7-200的STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以满足各种小规模控制系统的要求。 3.2.4 I/O地址分配

本设计对象为校园智能照明系统，首先对校园照明系统所有设备进行分类统计，道路信号输出4个，分别为左侧单数灯、左侧双数灯、右侧单数灯、右侧双数灯；公共绿地信号输出2个，景观灯信号输出2个。根据对分时控制信号和照明输出信号分类统计，估计PLC输入开关量个数，由此可知信号总个数为13个。

本设计以道路、公共绿地、景观灯的控制为例，在工程实际或产品设计生产中，可根据实际需求进行扩展，其梯形图程序的修改非常方便。I/O地址输入/输出分配如表1所示。

表1 I/O地址输入/输出分配表

分类 名称 实时时钟输入 启动开关 输入信号 停止开关 冬春启动开关 夏秋启动开关 1#草坪 2#草坪 输出信号 3#草坪 4#草坪 地 址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 输出信号 分类 名称 1#花坛 2#花坛 3#花坛 4#花坛 右侧双数灯 右侧单数灯 左侧单数灯 左侧双数灯 9

地 址 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7

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4.软件设计

4.1 程序流程

程序首先对时间进行冬春、夏秋时制判别，然后判别各个时段从而进行输出。本设计输出为继电器形式输出即高低电平的输出。通过程序判断输出高低电平，控制照明灯具。

校园照明控制程序流程图如图2所示。

开始时制判别冬、春夏、秋时段判别时段判别第一时段所有灯具全部开放第二时段关闭一半灯具第三时段公共绿地景观灯全熄道路灯开启1/4第一时段所有灯具全部开放第二时段关闭一半灯具第三时段公共绿地景观灯全熄道路灯开启1/4是执行程序 否结束 图2 控制系统流程图

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4.2 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件

S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件进行编程。

SIMATIC工业软件STEP7是用于西门子S7、M7、C7系列可编程控制器的标准工具。STEP7-Micro/WIN V4.0是西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器设计开发的。它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。为了生成用户所写程序，STEP7提供了标准的PLC编程语言：语句表（STL）、梯形图（LAD）、顺序功能流程图（SFC）、功能块图（FBD）。

4.2.1 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面及基本组成

（1）STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件，它的主界面窗口组件如图3所示。

图3 STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件主界面窗口

（2）STEP7项目包括下列基本组件：

? 程序块:由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序、可选子程序和中断程序组成。

? 数据块:由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。

? 系统块:用来设置系统的参数，例如存储器的断电保持范围、PLC的输出状态、模拟量与数字量输入滤波值等。

? 符号表:允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。

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? 状态表:用来观察程序执行时指定的内部变量的状态，状态表并不下载到

PLC，仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具[14]。 4.2.2 梯形图的编写

（1）打开项目

执行“文件”→“新建”命令，可以新建一个项目。可以保存为扩展名为“.mwp”的新建项目。或执行“文件\打开\命令\可以打开项目。

（2）输入指令

输入梯形图指令可以通过指令树、工具条按钮等方式进行。指令树中包含了几乎所有的指令，或在工具条上直接放常用的指令。或用快捷键F4、F6、F9键进行操作。

（3）创建逻辑网络

用梯形图编写的程序就是将组件排列成逻辑网络。可以通过工具栏或者右键快捷菜单进行程序编辑，形成程序网络。

（4）输入地址

在梯形图输入指令时，参数最初是由“？？？”显示的，表示参数未赋值，可以用绝对值或者符号标明程序中的指令操作数。绝对引用是指使用内存区的位或者字节位置标识地址，符号引用则是指使用数字、字母的字符组成标识地址。如果有未赋值的参数，程序将不能正常编译。

（5）编译与保存

编译可以通过工具栏按钮或者PLC菜单进行。可通过“PLC”菜单中的“编译”命令，或者工具栏上的“编译”按钮，编译当前被激活的编辑器中的程序。若选择“PLC”菜单中的“全部编译”命令，则按照顺序编译程序块（主程序、全部子程序、全部中断程序）、数据块、系统块等全部块。使用“全部编译”，与哪一个窗口是活动的无关。编译结束后，输出窗口显示编译信息。可以通过工具栏的“保存”按钮、“文件”菜单中的“保存”命令及“另存为”进行保存。 4.2.3 时钟设置及读写

（1）实时时钟 S7-200的硬件实时时钟可以提供年、月、时、分、秒的日期/时间数据。

CPU221、CPU222没有内置的实时时钟，需要外插“时钟/电池卡”才能获得此功能。CPU224、CPU226和CPU226 XM都有内置的实时时钟[15]。

S7-200的时钟精度典型值是2分钟/月（25°C），最大误差7分钟/月（0～55°C）。 为了提高运算效率，应当避免每个程序周期都读取实时时钟。实际上可读取的最小时间单位是1秒，可每秒读取一次（使用SM0.5上升沿触发读取指令）。

使用程序读取的实时时钟数据为BCD格式，可在状态图中使用十六进制格式查看。

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CPU靠内置超级电容（＋外插电池卡）在失去供电后为实时时钟提供电源缓冲；缓冲电源放电完毕后，再次上电后时钟将停止在缺省值，并不开始走动。

要设置日期、时间值，使之开始走动，可以：

用编程软件（Micro/WIN）的菜单命令PLC > Time of Day Clock...，通过与CPU的在线连接设置，完成后时钟开始走动

编用户程序使用Set_RTC（设置时钟）指令设置 Micro/WIN可以通过任何编程连接实现实时时钟的设置。

（2）用Micro/WIN设置时钟 通过编程软件Micro/WIN设置CPU的时钟，必须先建立编程通信连接。

在Micro/WIN菜单中选择“PLC>实时时钟”命令，打开“PLC时钟操作”对话框：

图4 PLC 实时时钟设置界面

图中参数设置如下：

要设置时钟的CPU网络地址，取决于在“通信”界面中的选择。

设置日期：选择需要修改的数据字段，直接输入数字，或者使用输入框右侧的上下按钮调整。

设置时间：选择需要修改的数据字段，直接输入数字，或者使用输入框右侧的上下按钮调整。

读取PC时钟：按此按钮可以读取安装Micro/WIN的PC机的本机时间[16]。 读取PLC时钟：按此按钮读取PLC内部的实时时钟数据。

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根据需要选择夏时制调整选项。

按“设置”按钮，将上面的时钟日期数据写入PLC。 时钟读写指令缓冲区格式

Read_RTC（读时钟）和Set_RTC（设置时钟）指令靠数据缓冲区在用户程序与硬件芯片间交换数据，它们的缓冲区格式相同。

表2 时钟缓冲区

地址偏移 数据内容 T 年 T+1 T+2 T+3 T+4 T+5 T+6 T+7 月 日 小时 分钟 秒 0 星期 0 0-7* 数值范围 00-901-101-300-200-500-5BCD 9 2 1 3 9 9 （16进制） * 1 = 星期日，7 = 星期六，0 = 表示禁止计星期 T 就是缓冲区的起始字节地址，可以由用户自由设置（在CPU允许的V存储区范围内）。如果设置T为VB100，那么读取时钟后，“年”的信息就会保存在VB100中，“月”保存在VB101中。

4.3 系统的控制程序

校园照明系统电气控制原理图比较复杂，但经由PLC控制后，程序简单可行，这样即满足了任务要求，又能保证其稳定运行。 4.3.1 分时控制方案

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，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。

4.3.2 分时智能控制程序编制

正如前面所述，每天的照明控制分3个时段，为了最大限度地节约能源，在具体编制程序时还考虑了不同季节的因素，一般在冬、春季，天黑得较早，18点左右自然光线

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就很弱了，而在夏天阳光可以维持到19点左右。因此，把一年四季分为2个区间，在设计时考虑了夏、秋时制和冬、春时制的识别，使节能效果更加明显。 4.3.3 三时段控制程序

在编制时段程序时，用了数据比较功能指令，相对普通指令而言程序较短，使程序大为简化。把5月1日至10月30日定义为夏、秋时制，它的3个时段划分为：19点至21点、2l点至23点、23点至凌晨5点。把11月1日至来年4月30日定义为冬、春时制，它的3个时段划分为：18点至21点、21点到23点、23点至凌晨6点。道路照明的PLC程序就是要实现这些不同季节的时段控制要求。在此需要说明的是，根据学校供电质量好、少停电的特点，下面的程序中没有编制时间自动校正程序，因此，第1次投入运行的时必须同步时钟或修正时钟，之后就会自动控制照明，不需要人工干预。

图中I0.0为启动开关的信号，当选择到自动工作制时，I0.0就处于使能状态，使PLC投入程序运行，I0.0闭合以后，自动控制程序启动。M2.0是不同时制的识别控制输出信号，当M2.0为高电平时程序进人夏、秋时制工作状态，M2.0为低电平时程序进入冬、春季节的工作状态。Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7分别控制道路两侧的灯具。从程序中可以看出：第1时段Q0.4,Q0.5,Q0.6,Q0.7全部为“1”，灯具全部点亮；第2时段Q0.4,Q0.6被复位为“0”，道路的两侧各有1/2灯具点亮；第3时段就只有Q0.5控制的回路工作了。 4.3.4 季节自动选择程序

为了最大限度地节能，不同季节亮灯的时间有所不同，季节选择程序主要是为夏、秋季和冬、春季节的不同时段控制而设置的。PLC有日期设定与识别功能，利用它可以完成季节的转换控制，实现不同季节的不同时段控制方案。程序中的M100是控制季节程序转换的信号，当M100使能时程序进入冬、春季控制，反之，程序为夏、秋时制控制方式。需要说明的是，该程序是根据校园所在地区的情况设计的，夏、秋时制的时间定为每年的5月1日0点至10月30日的24点，不同地区应适当调整。该程序是按2012年投入运行而编制的，在今后的运行中，每年必须对日期的设定调试一次，以保证运行无误。季节控制程序如图5所示。

图5 季节控制程序

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5 控制程序的调试与仿真

5.1 程序调试

（1）调试条件

①选择合适的CPU外电路，根据信号系统要求以及I/O资源配置进行模拟连接，输入端由PLC按键模拟，输出端由CPU上的指示灯逻辑指示即可；

②使用STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件进行编程； （2）程序调试步骤[17]

①打开STEP7-Micro/WINV4.0软件；

②在命令菜单中选择Debug > Program Edit in RUN； ③把以设计好的系统程序语句在RUN模式下输入； ④输入程序有误，系统提示不能运行；

⑤修改有误程序，继续输入程序直到系统检测无误为止；

⑥退出RUN模式在命令菜单中选择Debug > Program Edit in RUN，然后点击取消复选标志。

5.2 系统仿真

(1)S7-200仿真步骤[18]

①把在STEP7中编译正确的程序导出为123.awl文件； ②选择CPU型号，要与项目中的型号相同； ③点击“程序”—“载入程序”； ④将先前导出的123.awl文件打开；

⑤点击“运行”即可进行仿真（或工具栏上的绿色三角按钮）。

由于客观条件的限制，只能对照明控制系统进行模拟调试。实际输入信号用按钮或开关模拟，输出由PLC输出端的发光二极管显示负载状态。

仿真调试时，按信号装置的运行条件，依次设置输入信号，并观察输出正确与否，同时可通过编程器监控内部各点状态，在输入端接上手动按钮而在PLC的输出指示灯上看输出，输入信号完全靠手动来控制。观察输出指示灯能否在每个相应的点动状态得电。调试过程中观察各基本环节是否满足控制要求。

(2)系统仿真图

本系统仿真的主要示意图。

按下输入按钮I0.0，此时将设定的时间输入PLC内部时钟，下面为照明智能控制系统多种时间的仿真输出。

①9月5日18:58仿真示意图

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图6 夏秋时制无灯亮时仿真图

②9月11日19:30仿真示意图

图7 夏秋时制第一时段仿真图

③9月11日21:45仿真示意图

图8 夏秋时制第二时段仿真图

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④9月11日23:10仿真示意图

图9 夏秋时制第三时段仿真图

⑤12月5日17:59仿真示意图

图10 冬春时制无灯亮时仿真图

⑥12月5日19:10仿真示意图

图11 冬春时制第一时段仿真图

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⑦12月5日21:10仿真示意图

图12 冬春时制第二时段仿真图

⑧12月5日23:10仿真示意图

图13 冬春时制第三时段仿真图

通过设定时钟时间并将其输入CPU 224内部时钟，以此来观察仿真输出。在打开启动开关写入时间9月11日19:30后，PLC自动识别此时间为夏秋时制晚上第一时段，此时景观灯、公共绿地、道路灯全部打开，PLC输出端Q0.0～Q0.7全部输出高电平。改变时间使其进入第二时段，此时景观灯、公共绿地仍然全部打开即输出端Q0.0～Q0.3输出高电平，道路灯打开一半，Q0.4、Q0.6输出高电平，Q0.5、Q0.7输出低电平。以此多次改变时间观察仿真输出是否与设计结果一致，不断修改程序直到满足设计要求。

基于PLC的校园照明智能控制系统已经设计完毕，通过对该系统的调试与仿真，其功能基本达到要求。

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结束语

本设计以PLC为核心，通过对照明控制系统的详细分析，完成了控制系统的硬件和软件设计，实现了“集中手动、自动复归、重复动作”的电气控制。其中主要包括断路器、中间继电器、接触器型号的选取，I/O地址分配，程序流程图的绘制，PLC程序编写及电气原理图的绘制。并利用S7-200仿真软件对程序进行了调试与仿真，将PLC控制和照明控制系统进行了很好的连接。

通过校园照明智能控制，节电效果明显。采用PLC做控制元件，相对于市场上出售的智能控制器而言，投资小，故障率低，基本免维护。智能照明控制系统广泛应用在学校照明中，大大提高了学校照明电力的管理水平，为学校节省了大量的电费支出，同时，也为学校师生提供了更舒适、明亮和高效的学习和工作环境。采用智能控制后，灯具的寿命可延长2～3倍，节省直接投资至少在10万元以上。该系统设计、施工方便，可为学校或其他事业单位技术改造和新建项目提供借鉴。

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

参考文献

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[16]Misubish.Programmable Logic Controllers Operation Manual[J]．TOKYO，2008:112-113 [17]Siemens.SIMATIC S7-200 PLC System Manual[M]．2008.6:89-91

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Electrical Engineering and Automation, Qufu Normal University[M]．2009.10:86-88

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附录

照明系统控制程序梯形图

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

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基于PLC的校园照明智能控制系统设计

致谢

经过几个月的查资料、整理材料、编程设计、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文了。本次毕业设计是在我的努力和卢老师的精心指导下完成的，基本达到了预期效果。在系统设计、构建和修改的整个设计过程中，我遇到许多困难，并发现这当中许多问题在教学过程中是不可能遇到的。在解决问题的过程中，我都经历了彷徨、无助甚至煎熬，最终我凭借坚强的毅力坚持了下来，才取得了今天的成果。

衷心感谢卢老师在这期间给予我们的无私帮助。感谢卢老师在百忙之中仍抽出时间和我们研究、讨论设计中所遇到的难点，直到我们找到解决问题的途径。另外，我还要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。大学的老师都很无私，他们对学生有问必答。

在这几个月的中，经常跟同学在一起学习、共同解决问题、交流思想和知识。与其说是学习，我更感觉到我们是在一起工作。这让我对不久之后即将参加的工作无限向往，我想我更未来同事的合作也会像跟他们合作一样快乐的。在整个设计期间我还向其他一些同学请教了很多问题，衷心感谢他们给予我的无偿帮助。

感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！

通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t2t6.html