PLC控制教室畢業(yè)論文-第二章基于PLC的教學(xué)樓照明節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、第2章 基于PLC的教學(xué)樓照明節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 PLC的選擇及設(shè)計2.1.1 PLC的簡介可編程控制器，簡稱PLC（ProgrammablelogicController）,是指在繼電器控制的基礎(chǔ)上，以微處理器為核心，將自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。PLC的特點有：1.使用方便，

2、編程簡單采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。2.功能強，性能價格比高一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電

3、磁閥和小型交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。4.可靠性高，抗干擾能力強PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。5.系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法來設(shè)計。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖的時間比設(shè)計相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要

4、少得多。PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。6.維修工作量小，維修方便PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故PLC的基本結(jié)構(gòu)與微型計算機相同，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。如圖2-1 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示，主要由，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出

5、單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與CPU的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設(shè)連接。圖2-1 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖PLC的工作方式為循環(huán)掃描方式，當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。其工作過程大致分為3個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行和輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC的編程語言分為五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和指令表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。順序功能圖是

6、一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖，梯形圖和功能模塊圖是圖形化語言，指令表、結(jié)構(gòu)文本兩種文本語言，梯形圖的應(yīng)用直觀，與指令表可以相互轉(zhuǎn)換。 PLC的選擇PLC的選擇原則是以工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)?？删幊踢壿嬁刂破骷坝嘘P(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定可編程邏輯控制器的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的可編程邏輯控制器和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。一、輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)估算時應(yīng)考

7、慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。二、存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。按數(shù)字量I/O點數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。三、控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。四、可編程邏輯控制器的類型可編程邏輯控制器按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類

8、；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。五、 轉(zhuǎn)換原理1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實現(xiàn)。數(shù)字信號先進行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電平，形成階梯狀信號，然后進行低通濾波。2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的系統(tǒng)，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程。PLC產(chǎn)品的種類繁多。PLC的型號不同,對應(yīng)著其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等均各不相同,適用的場合也各有側(cè)重。因此,合理選用PLC,對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。PLC的選擇主要應(yīng)從PL

9、C 的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應(yīng)主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應(yīng)的功能要求,響應(yīng)速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機型盡量統(tǒng)一等因素。一、合理的結(jié)構(gòu)型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜,且體積相對較小；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大,且維修方便,一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。二、安裝方式的選擇PLC系統(tǒng)的安

10、裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。三、相應(yīng)的功能要求一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能,對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。對于以開關(guān)量控制為主,帶少量模擬量控制的系統(tǒng),可選用能帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元,具有加減算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強型低檔PLC。對于控制較復(fù)雜,要求實現(xiàn)PID運算 、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能,可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度,選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴,一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。四、響應(yīng)速度要求PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器,不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨

11、范圍使用PLC,或者某些功能或信號有特殊的速度要求時,則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度,可選用具有高速I/O處理功能的PLC,或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。五、系統(tǒng)可靠性的要求對于一般系統(tǒng)PLC的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng),應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。六、機型盡量統(tǒng)一一個企業(yè),應(yīng)盡量做到PLC的機型統(tǒng)一。主要考慮到以下三方面問題：1)機型統(tǒng)一,其模塊可互為備用,便于備品備件的采購和管理。2)機型統(tǒng)一,其功能和使用方法類似,有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。3)機型統(tǒng)一,其外部設(shè)備通用,資源可共享,易于聯(lián)網(wǎng)通信,配上位計算機后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)

12、。三菱公司是日本生產(chǎn)PLC的主要廠家之一，先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX2、FX1、FX2C、FX0N、FX2N、FX2NC而 FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。綜上所述，再根據(jù)本課題設(shè)計4X4的教學(xué)樓共有16間教室，需要的IO點數(shù)。按照要求是要選擇FX2N-64MR，可是學(xué)校中實驗室都為FX2N-48MR。所以本課題研究選擇FX2N-48MR型號的PLC。2.

13、1.3 PLC的輸入輸出分配表及接線圖1、下表2-1為PLC的輸入輸出分配表，左邊為輸入部分，右邊為輸出部分，將設(shè)備名稱、代號、編號都列入表格內(nèi)中。表2-1 PLC輸入輸出分配表輸 入輸 出設(shè)備名稱代號輸入點編號設(shè)備名稱代號輸出點編號啟動按鈕SB1X000101照明控制繼電器KM1Y000停止按鈕SB2X001102照明控制繼電器KM2Y001時間調(diào)節(jié)按鈕SB3X003103照明控制繼電器KM3Y002101光電傳感器SB4X004104照明控制繼電器KM4Y003102光電傳感器SB5X005201照明控制繼電器KM5Y004103光電傳感器SB6X006202照明控制繼電器KM6Y0051

14、04光電傳感器SB7X007203照明控制繼電器KM7Y006201光電傳感器SB8X010204照明控制繼電器KM8Y007202光電傳感器SB9X011301照明控制繼電器KM9Y010203光電傳感器SB10X012302照明控制繼電器KM10Y011204光電傳感器SB11X013303照明控制繼電器KM11Y012301光電傳感器SB12X014304照明控制繼電器KM12Y013302光電傳感器SB13X015401照明控制繼電器KM13Y014303光電傳感器SB14X016402照明控制繼電器KM14Y015304光電傳感器SB15X017403照明控制繼電器KM15Y0164

15、01光電傳感器SB16X020404照明控制繼電器KM16Y017402光電傳感器SB17X021403光電傳感器SB18X022404光電傳感器SB19X023101門外A點紅外SB20X024101門內(nèi)B點紅外SB21X025年、日、秒切換按鈕SB22X026月、分、星期切換按鈕SB23X0272、下圖2-2為FX2N-48MR的PLC外部接線圖，左邊為輸入端，右邊為輸出端，共同連接一個外部電源24V。圖2-2 PLC外部接線圖2.2.1 紅外傳感器及光電傳感器的選擇一、紅外傳感器熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測

16、元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出20米范圍內(nèi)人的行動。其優(yōu)點：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，抗干擾能力強，且價格低廉。熱釋電紅外傳感器PIR200B系列符合ROHS指令、無鉛無鎘的

17、要求。用雙靈敏元互補的方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，生產(chǎn)的熱釋電紅外感應(yīng)器，提高了感應(yīng)器的工作穩(wěn)定性。主要應(yīng)用：保險裝置、防盜報警器、感應(yīng)門、自動燈具、智能玩具等。此系統(tǒng)設(shè)計將熱釋電紅外傳感器PIR200B系列定為44教學(xué)樓內(nèi)101教室的紅外傳感器。如圖2-3 為熱釋電紅外傳感器PIR200B系列的實物圖圖2-3 PIR200B系列熱釋電紅外傳感器的實物圖二、光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它

18、可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電傳感器通常由三部分構(gòu)成，它們分別為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。光照強度簡稱照度。一個被光線照射的表面上的照度（illumination/illuminance）定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS 上的光通量為d，則此面元上的照度E為：E=d/dS 。照度的單位為lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/。照度表示物體表面積被照明程度的量。HZD10系列：輸出方式電壓DC

19、 0-2V、電流4-20mA、RS485。NHZD10照度傳感器采用進口專用照度傳感核心，光學(xué)材料窗口，鋁合金殼體結(jié)構(gòu)；具有結(jié)構(gòu)堅固、密封性好、使用壽命長、測量精度高、穩(wěn)定性好，傳輸距離長、抗外界干擾能力強等特點。可廣泛用于環(huán)境、溫室、實驗室、養(yǎng)殖、建筑、高檔樓宇、工業(yè)廠房等各類室內(nèi)外光線強度測量。下圖2-4 為HZD10系列光電傳感器的實物圖。圖2-4 HZD10系列光電傳感器的實物圖 紅外傳感器及光電傳感器的工作原理一、紅外傳感器紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。利用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又

20、稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成

21、分分析和無損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如采用紅外線傳感器遠距離測量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位，及時對疾病進行診斷治療（見熱像儀）；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對地球云層進行監(jiān)視，可實現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報；采用紅外線傳感器可檢測飛機上正在運行的發(fā)動機 的過熱情況等。下圖2-5為PIR200B系列熱釋電紅外傳感器的等效電路。圖2-5 PIR200B系列熱釋電紅外傳感器的等效電路圖二、光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的1。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光

22、束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。下圖2-6為HZD10系列光電傳感器的等效電路圖圖2-6 HZD10系列光電傳感器

23、的等效電路圖 紅外傳感器及光電傳感器的型號及參數(shù)一、紅外傳感器的型號及參數(shù)熱釋電紅外傳感器PIR200B系列PIR200B材料符合ROHS指令、無鉛無鎘，某些材料的極性分子可以在特定條件下有序排列而形成自發(fā)極化，當(dāng)材料吸收紅外線熱能產(chǎn)生溫度變化時，分子狀態(tài)發(fā)生變化，引起表面束縛電荷變化，這稱為熱釋電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，配以不同的工藝結(jié)構(gòu)和不同的紅外濾光片，采用雙靈敏元互補的方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，生產(chǎn)的熱釋電紅外感應(yīng)器，提高了感應(yīng)器的工作穩(wěn)定性。此傳感器用雙靈敏元互補的方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，生產(chǎn)的熱釋電紅外感應(yīng)器，提高了感應(yīng)器的工作穩(wěn)定性。熱釋電紅外傳感器PIR200B系列PIR200B產(chǎn)品參數(shù)如表2-2表2-2 熱釋電紅外傳感器PIR200B系列PIR200B產(chǎn)品參數(shù)型號PIR200B探測率（D*）1.4108cmHZ1/2w封裝形式TO-5雜訊峰值(Vp-p)70mv紅外接收電極21mm 2個靈敏元輸出平衡度75%工作溫度范圍-30-70oC輸出信號峰值（Vp-p）3500mv儲存溫度范圍-40-80oC靈敏度3300v/w二、光電傳感器的型號及參數(shù)光照度可用照度計直接測量。光照度的單位是勒克斯，是英文lux的音譯，也可寫為lx。被光均勻照射的物體，在1平方米面積上得到的光通量是1流明時，它的照度是1勒克斯。例如汽車前燈、手