基于PLC教室照明自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、泰泰 山山 學(xué)學(xué) 院院本本科科畢畢業(yè)業(yè) 論論文文基于 PLC 的教室照明自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院 機(jī)械與工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 申請(qǐng)學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 工 學(xué) 年 級(jí) 二一一級(jí)（3+2） 學(xué) 生 姓 名 、 學(xué)號(hào) 丁曉忠 2011170270 指導(dǎo)教師姓名 、職稱 陳宏圣 副教授 完 成 日 期 二一三年五月三十日 摘要I摘 要本文的教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)是利用紅外感應(yīng)接收器來(lái)準(zhǔn)確感知每位同學(xué)在教室的位置，將采集的信號(hào)通過(guò)傳輸電路傳輸給PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)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(guò)控制接觸器的接通與斷開(kāi)來(lái)控制教室中的每一盞照明燈的接

2、通與斷開(kāi)。從而使整個(gè)教室的照明實(shí)現(xiàn)智能控制。避免了因不能及時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)導(dǎo)致電能的大量浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的目的。充分體現(xiàn)了當(dāng)代的節(jié)能減排的創(chuàng)新理念。該系統(tǒng)具有控制方便，可靠性高，專用性強(qiáng)，安全，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：紅外感應(yīng)，智能控制，PLC，節(jié)能AbstractIIABSTRACTThis classroom lighting control system is the use of infrared sensors to accurately perceive the receiver each student in the

3、 classroom location, the collected signals transmitted through the transmission circuit to the PLC control system. After the analysis of the control system after treatment, the control signal is output to the actuator of the contactor. By controlling the contactor turned on and off to control the cl

4、assroom each lamp lights turned on and off. So that the entire classroom lighting intelligent control. Avoided because they can not turn off switch causes wasting a lot of energy to achieve energy-saving purposes. Fully embodies the contemporary energy saving innovative ideas. The system is easy to

5、control, high reliability, dedicated and strong, safety, energy conservation, etc., to meet the various large, colleges classroom lighting control requirements, to a large extent to save energy.Keywords: infrared sensors, intelligent control, PLC, energy-saving目錄III目錄1 引言.11.1 教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題.11

6、.2 研究的內(nèi)容及意義.11.3 本課題需要解決的問(wèn)題.22 教室照明控制器簡(jiǎn)介.32.1 系統(tǒng)控制器簡(jiǎn)介.32.2 控制方案分析.33 照明系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì).43.1 控制按鈕.43.2 人體紅外傳感器.43.2.1 人體紅外傳感器簡(jiǎn)介.43.2.2 主動(dòng)紅外傳感器工作原理.53.2.3 主動(dòng)人體紅外傳感器功能特點(diǎn)：.53.2.4 主動(dòng)紅外探測(cè)器的安裝使用要點(diǎn)：.63.3 光敏傳感器.73.3.1 光敏電阻工作原理.83.3.2 光敏電阻的主要功用.83.4S7-200PLC 概況.93.4.1 PLC 的定義.93.4.2 S7-200PLC 的特點(diǎn).103.4.3 PLC 的基本組

7、成及各部分作用.113.4.4 S7-200PLC 的工作原理.134 照明系統(tǒng)控制模塊的程序設(shè)計(jì).155 照明系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行及問(wèn)題分析.22目錄IV5.1PLC 系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟.225.2 出現(xiàn)的主要問(wèn)題及分析解決.23總結(jié) .24參考文獻(xiàn) .25致謝 .26附錄 .27泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文11 引言1.1 教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，高等教育在全社會(huì)愈加被關(guān)注和重視，高校作為受教育者主要場(chǎng)合，數(shù)量在不斷地增加規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。為了使師生有更加舒適的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境，這就需要我們?cè)诹λ芗暗姆秶鷥?nèi)對(duì)教室的面積、設(shè)施和照度等進(jìn)行一系列的改進(jìn)1。然而，

8、由于現(xiàn)在大學(xué)開(kāi)放式的管理風(fēng)格，節(jié)能意識(shí)十分淡薄，在教室內(nèi)無(wú)人或人數(shù)很少的情況下，開(kāi)啟了教室中絕大部分的照明燈。夜晚離開(kāi)教室不關(guān)燈導(dǎo)致長(zhǎng)明燈現(xiàn)象比比皆是。這種有形和無(wú)形的浪費(fèi)，大大增加了電力支出的負(fù)擔(dān)。以泰山學(xué)院為例，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)我校教照明燈數(shù)量約 6000 余盞，以每天僅亮燈 8小時(shí)來(lái)計(jì)算，一年中扣除假期后，教室燈的耗電量約為 50 萬(wàn)度，學(xué)校在教室用電的經(jīng)費(fèi)上就得支出約為 30 萬(wàn)元人民幣。而以每天浪費(fèi) 2 小時(shí)用電來(lái)計(jì)算，一年大約要浪費(fèi) 13 萬(wàn)度的電量，占教室照明用電經(jīng)費(fèi)的四分之一。依此計(jì)算，放眼我省，乃至全國(guó)，隨著高校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)大，如果有更多的電力設(shè)備，雖然提高了課堂管理設(shè)備，

9、然而用電負(fù)荷可想而知，更多的能源浪費(fèi)不可估量2-4。出于這些原因，提高教室電能利用率變得重要，學(xué)校節(jié)能措施也變得十分必要，因此 PLC 課堂教學(xué)為主的自動(dòng)照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)疑將成為研究的重要課題之一。1.2 研究的內(nèi)容及意義 此系統(tǒng)的工作原理是將采集的信號(hào)通過(guò)傳輸電路傳輸給PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)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(guò)控制接觸器的接通與斷開(kāi)來(lái)控制教室中的每一盞照明燈的接通與斷開(kāi)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室里每一盞照明燈的單一智能控制 ，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室里每一個(gè)地點(diǎn)的照明控制。這樣能更加合理的利用電能。對(duì)教室照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制后，當(dāng)同學(xué)進(jìn)入教室后照明燈會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟

10、。同學(xué)不會(huì)再因?yàn)橥砩峡床灰?jiàn)照明開(kāi)關(guān)而煩惱，同時(shí)當(dāng)同學(xué)離開(kāi)教室的時(shí)候也不會(huì)因?yàn)橥涥P(guān)燈而發(fā)生教室一整泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文2晚上都亮著燈的事件。從而方便了同學(xué)們進(jìn)入教室，同時(shí)此設(shè)計(jì)增加了控制的安全性，節(jié)約了電能。1.3本課題需要解決的問(wèn)題本課題通過(guò)各種試驗(yàn)來(lái)研究教室燈光的各種控制，主要解決如下關(guān)鍵問(wèn)題:1.環(huán)境光感采集問(wèn)題2.紅外傳感器采集以及輻射區(qū)域的問(wèn)題3.傳感器與教室照明燈的合理安裝問(wèn)題4.控制系統(tǒng)總圖以及程序的設(shè)定泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文32 教室照明控制器簡(jiǎn)介2.1 系統(tǒng)控制器簡(jiǎn)介教室照明控制器可實(shí)現(xiàn)教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體發(fā)出的紅外信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)等，當(dāng)周圍環(huán)境光的強(qiáng)度達(dá)到一

11、定值時(shí)燈不亮，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度在指定值以下且有人存在時(shí)開(kāi)燈，經(jīng)試驗(yàn)證明用這種方式來(lái)對(duì)教室燈進(jìn)行智能控制可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。教室照明控制器盡可能安裝在教室內(nèi)避開(kāi)照明燈直射的位置，且紅外傳感器安置時(shí)應(yīng)使人體活動(dòng)方向與傳感器中兩個(gè)熱釋電元連線方向互相垂直，這樣可以更好地采集信號(hào)，使控制變得更加靈敏、可靠，同時(shí)還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感，達(dá)到預(yù)期的控制結(jié)果5。2.2控制方案分析 控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為主要的輸入?yún)?shù)。來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。當(dāng)自然光線較強(qiáng)時(shí)，無(wú)論人是否存在，都不開(kāi)燈;當(dāng)自然環(huán)境光較弱時(shí)，有人存在且停留時(shí)間超過(guò)一定值時(shí)，控制器自動(dòng)打開(kāi)照明燈，直到人離開(kāi)后再延時(shí)一定時(shí)間后

12、關(guān)燈，而針對(duì)需要開(kāi)啟照明燈的數(shù)目，本課題提出了一種結(jié)合了人體紅外感應(yīng)傳感器探測(cè)器和人數(shù)探測(cè)模型的綜合判斷的方法。本文所研究的教室照明控制器主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)控制系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它為軟件程序運(yùn)行提供了平臺(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)到控制教室照明的效果。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文43 照明系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì) 該控制系統(tǒng)是以 PLC 主控模塊為核心的，由控制按鈕、人體紅外感應(yīng)傳感器、PLC 控制器、光敏傳感器、投影儀開(kāi)啟信號(hào)等組成?？刂瓶驁D如下：控制按鈕紅外傳感器光敏傳感器PLC 控制器及 IO

13、擴(kuò)展模塊照明燈 1照明燈 2照明燈 3照明燈 n投影儀信號(hào)圖1 系統(tǒng)控制圖3.1控制按鈕控制按鈕是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的主令電器。主要功用：白天當(dāng)我們?cè)诮淌倚枰褂猛队皟x時(shí)，我們拉上窗簾時(shí)，教室內(nèi)的光線會(huì)立刻變暗，達(dá)到照明燈自動(dòng)開(kāi)啟的亮度，該按鈕主要用于控制此時(shí)此刻照明燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。3.2人體紅外傳感器3.2.1 人體紅外傳感器簡(jiǎn)介人體紅外傳感器又稱紅外傳感器，它是一種利用探測(cè)生物體發(fā)射出來(lái)的紅外線，而輸出電信號(hào)的傳感器。在上世紀(jì)四十年代，曾經(jīng)有人提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但沒(méi)有引起各界的高度重視，直到上世紀(jì)六七十年代，隨著激光，紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，它們也可以有效的促進(jìn)熱釋電效應(yīng)，熱

14、釋電晶泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文5體的研發(fā)和應(yīng)用。熱釋電晶體已被廣泛用于紅外光譜儀等設(shè)備，紅外遙感和熱輻射探測(cè)器，它可以作為一個(gè)理想的紅外激光探測(cè)器。它作為應(yīng)用目標(biāo)，正被廣泛地應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置。除了在我們熟知的居民樓防盜報(bào)警以及教室樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用前景亦被看好。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)等。電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上等應(yīng)用6-7。目前，紅外傳感器可以分為主動(dòng)紅外傳感器和被動(dòng)紅外傳感器。此設(shè)計(jì)我們選用主動(dòng)紅外傳感器。3.2.2 主動(dòng)紅外傳感器工作原理主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光

15、束，被紅外接收機(jī)接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)被探測(cè)目標(biāo)侵入該警戒線時(shí)，紅外光束被部分或全部遮擋，此時(shí)接收機(jī)接收的信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，它經(jīng)放大與信號(hào)處理后，即控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 主動(dòng)紅外的發(fā)射光源，通常用紅外發(fā)光二極管，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗小，交直流供電都能工作，晶體管、集成電路都能直接驅(qū)動(dòng)。還有一些半導(dǎo)體激光器，如砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器等，也工作在紅外波段，因而也是一種主動(dòng)紅外傳感器。主動(dòng)紅外傳感器的光源通常采用脈沖調(diào)制的脈沖波形，其發(fā)射機(jī)采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源，使它產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形，去調(diào)制紅外二極管發(fā)光，以發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣，就降低了

16、電源的功耗，提高了靈敏度，和系統(tǒng)抗雜散光的干擾能力。 對(duì)光束遮擋型的探測(cè)器，要適當(dāng)選取有效的報(bào)警最短遮光時(shí)間。因?yàn)檎诠鈺r(shí)間選得太短，會(huì)引起不必要的噪聲干擾，如小鳥(niǎo)飛過(guò)、小動(dòng)物穿過(guò)都會(huì)引起報(bào)警；而遮光時(shí)間選得太長(zhǎng)，又可能導(dǎo)致漏報(bào)。因此，通常以 10m/s 的速度通過(guò)鏡頭的遮光時(shí)間，來(lái)定最短遮光時(shí)間。如人的最小寬度為 20cm，則最短遮斷時(shí)間為20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光時(shí)間大于 20ms，系統(tǒng)報(bào)警；遮光時(shí)間小于20ms，則不報(bào)警。3.2.3 主動(dòng)人體紅外傳感器功能特點(diǎn)：泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文6主動(dòng)紅外傳感器多采用雙光路，可提高其抗干擾、防誤報(bào)的能力。這種主動(dòng)紅外傳感器壽命長(zhǎng)、

17、價(jià)格低、易調(diào)整，因此被廣泛使用在電視監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)工程中。 當(dāng)主動(dòng)紅外傳感器用在室外自然環(huán)境時(shí)，比如無(wú)星光和月亮的夜晚，以及夏日中午陽(yáng)光的背景輻射的強(qiáng)度比可超過(guò) 100dB 時(shí)，這就使接收機(jī)的光電傳感器工作環(huán)境相差太大。通常采用截止濾光片，濾去背景光中的極大部分能量（主要濾去可見(jiàn)光的能量） ，使接收機(jī)的光電傳感器在各種戶外光照條件下的使用條件基本相似。 此外，大霧還會(huì)引起傳輸中紅外光的散射，縮短主動(dòng)紅外探測(cè)器的有效探測(cè)距離，在安防工程中必須考慮。如實(shí)測(cè)某紅外傳感器：在無(wú)霧時(shí)有效探測(cè)距離7km；淺霧時(shí)有效探測(cè)距離 2.5km；輕霧時(shí)有效探測(cè)距離 1km；中霧時(shí)有效探測(cè)距離 0.6km；重霧時(shí)有效探

18、測(cè)距離 0.3km。 激光與一般光源相比，有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，所以當(dāng)要求距離遠(yuǎn)時(shí)，可采用紅外半導(dǎo)體激光器來(lái)代替紅外發(fā)光二極管作紅外光源。由于能量集中，可以在光路上加反射鏡，反射激光，圍成光墻。從而用一套激光探測(cè)器可以封鎖一個(gè)場(chǎng)地的四周，或封鎖幾個(gè)主要的通道路口 8。3.2.4 主動(dòng)紅外探測(cè)器的安裝使用要點(diǎn)：1.按方向安裝在穩(wěn)固的物體上，并使發(fā)射與接收器在同一高度上。首先，根據(jù)所需布防的距離與方向，一定要安裝在穩(wěn)固的物體上。因?yàn)榘l(fā)射器與接收器距離較遠(yuǎn)時(shí)，輕微的晃動(dòng)就會(huì)引起誤報(bào)警。并且，還要使發(fā)射器與接收器盡可能地安裝在同一高度上，以方便光束對(duì)準(zhǔn)調(diào)試。 2.要避開(kāi)樹(shù)葉搖晃

19、及晾曬衣物等的影響。主動(dòng)紅外傳感器是防備人的非法通行，中間要嚴(yán)格防止樹(shù)葉搖晃及晾曬衣物等，對(duì)紅外光束的遮擋引起的誤報(bào)。 3.避免紅外光束的交叉誤射。當(dāng)使用多對(duì)主動(dòng)紅外傳感器，用來(lái)組成警戒封鎖區(qū)或警戒封鎖網(wǎng)，乃至組成立體警戒封鎖區(qū)時(shí)，千方要各對(duì)主動(dòng)紅外傳感器使用不同的頻率，要盡量避免紅外光束的交叉誤射。否則，容易引起失誤。 4.線路不能明敷，要穿管暗設(shè)。為防止主動(dòng)紅外傳感器的供電線路被人破壞，泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文7不能明敷，必須穿管暗設(shè)。 5.安裝位置要能防寵物與小動(dòng)物等引起的誤報(bào)。一般設(shè)置在通道上的主動(dòng)紅外探測(cè)器，探頭的位置一般應(yīng)距離地面 50cm 以上；柵欄與圍墻頂上安裝的紅外傳感器，其探頭

20、位置應(yīng)高出柵欄與圍墻頂 25cm，以防小貓小鳥(niǎo)等引起誤報(bào)。如果是在柵欄與圍墻靠近頂部的側(cè)面作墻壁式安裝，可避開(kāi)小貓小鳥(niǎo)等的活動(dòng)干擾 9-11。下圖為主動(dòng)人體紅外傳感器：圖2 紅外傳感器3.3光敏傳感器光敏傳感器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器 。傳感器圖如下：泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文8圖 3 光敏傳感器3.3.1 光敏電阻工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)

21、等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有

22、極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文9 圖4 工作原理圖3.3.2光敏電阻的主要功用按照國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)校教室的平均照度值最低一般在300Lx。工作電壓一般在DC9-16V,工作電流一般在2mA左右，工作溫度一般在0-45，光感的范圍一般在5Lx-500Lx，光感的復(fù)位一般控制在30s左右。光敏電阻主要用于檢測(cè)教室的照明度，決定照明控制系統(tǒng)是否正常開(kāi)啟。在實(shí)際中，我們還必須考慮檢測(cè)裝置實(shí)際安裝位置的問(wèn)題，該系統(tǒng)中光敏傳感器的安裝要考慮到教室中光照的角度的問(wèn)題，以及在不同位置所感應(yīng)光照的程度。為了

23、能確保設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確性，安裝照度計(jì)時(shí)最好選擇安裝在燈光和自然燈都照不到的位置，一般選擇安裝在教室的背光面。3.4 S7-200PLC 概況3.4.1 PLC 的定義 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) 1987 年對(duì) PLC 作了如下定義: PLC 是一種專門(mén)為在工業(yè)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(lái)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(guò)程?？删幊炭刂破鲗?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?？删幊绦蚩刂破髦饕芍醒胩幚韱卧?、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊、編程

24、器和電源五大部分組成。近年來(lái)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)理念泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文10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。SIMATIC S7-200 系列 PLC 發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU 單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216.第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在 21 世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置

25、的 CPU 單元：CPU 221，CPU 222，CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加擴(kuò)展模塊。下圖為 S7-200PLC 圖： 圖 5 S7-200PLC3.4.2 S7-200PLC 的特點(diǎn)可編程控制器 PLC 對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)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)。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文111.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(guò)程和工藝步驟，由于內(nèi)部的設(shè)計(jì)電

26、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(kāi)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。可用于各種規(guī)模的工業(yè)控制應(yīng)用。近年來(lái) 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)

27、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.易學(xué)易用，深受工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員歡迎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(yǔ)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(kāi)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(yǔ)言的人使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，打開(kāi)了方便之門(mén)。4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了外部接線的控制裝置，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工周期短得多，但它變得容易維護(hù)。更重要的是，在同一臺(tái)設(shè)備后，改變程序改變生產(chǎn)過(guò)

28、程中盡可能。它非常適合于多品種，小批量的生產(chǎn)應(yīng)用。5. 體積小，重量輕，能耗低比如以超小型為例，現(xiàn)在推出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100 mm，重量小于 150 g，功耗僅為數(shù)瓦。由于體積小，很容易裝入到機(jī)械的內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)一體化的理想控制設(shè)備13。3.4.3 PLC 的基本組成及各部分作用泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文12PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。如下圖所示。圖 6 PLC 硬件系統(tǒng)的基本組成圖按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 可分為整體式和組合式兩類。下面針對(duì) PLC 的組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：1.中央處理單元(CPU)：CPU 在 PLC 中的作用就相當(dāng)于人體的大腦神經(jīng)中

29、樞，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù):(1)接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的各種用戶程序和數(shù)據(jù)；(2)可以診斷出 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和程序的語(yǔ)法是否正確；(3)用掃描的方式輸入外部輸入信號(hào)，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器并保存起來(lái)；2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器按照在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用可分以下幾種:(1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器:PLC 也有它自己固定的解釋程序和監(jiān)控程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。(2)用戶程序存儲(chǔ)器: 用戶控制功能，根據(jù)應(yīng)用程序的要求。用戶程序存儲(chǔ)在用戶的程序存儲(chǔ)器中。因?yàn)橛脩艚?jīng)常需要調(diào)試和程序的變化，所以用戶可以隨時(shí)程序存儲(chǔ)器讀，寫(xiě)更多的

30、RAM。因?yàn)閿嚯姾?，RAM 中的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，所以這個(gè)時(shí)候應(yīng)該有備用電池，防止失去用戶程序的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完成后，不希望被任意地改變，用戶程序可以被寫(xiě)入到 EPROM 的。(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常存取、經(jīng)常變化的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。數(shù)據(jù)表可以存放我們需要的數(shù)據(jù)，它主要泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文13存儲(chǔ)一些用戶程序執(zhí)行時(shí)的可變參數(shù)值，比如計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。還可以用來(lái)儲(chǔ)存輸入模塊轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)學(xué)運(yùn)算后的結(jié)果等。為了滿足需要，利用后備電池部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時(shí)可以維持其當(dāng)前值。3.I/0 單元PLC 與工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系是通過(guò) I/0 單元模塊

31、。輸入單元接收如限位開(kāi)關(guān)，選擇開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)等各種控制信號(hào)。4.電源部分PLC 一般使用的電源為交流 220V，中央處理器、存儲(chǔ)器等電路所需要的電由內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源提供 5V、+12V、+24V 的直流電源，這樣 PLC 就能夠正常工作。電源部件的位置形式可有多種，對(duì)于整體式結(jié)構(gòu)的 CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部。5.編程器編程器的作用是為用戶進(jìn)行編輯、編制、監(jiān)視和調(diào)試程序。3.4.4 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(guò)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(guò)反復(fù)

32、執(zhí)行用戶的程序來(lái)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(guò)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(guò)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)

33、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泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文14一個(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(shuō)，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

34、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(lái)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(guò)程中，如果你使用立即 I / O 指令，你可以直接訪問(wèn) I / O 點(diǎn)。使用 I/ O 指令，然后輸入過(guò)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(guò)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

35、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14-16。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文154 照明系統(tǒng)控制模塊的程序設(shè)計(jì) 教室照明系統(tǒng)在上述原有硬件的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個(gè)比較完善的照明系統(tǒng)。用戶系統(tǒng)的硬件與軟件有著密切的關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件及輸入輸出方法確定后，程序軟件就可以完全獨(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)用。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用合理的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的編程語(yǔ)言有順序功能圖語(yǔ)言、梯形圖語(yǔ)言、功能塊語(yǔ)言、語(yǔ)句表等各種語(yǔ)言之間可以通過(guò)軟件進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)程序如下： 泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文

36、16泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文17圖 7 系統(tǒng)控制圖泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文18表 1 輸入 I/O 地址分配信號(hào)名稱I/O 地址照度計(jì)I0.0首排按鈕I0.1中排按鈕I0.2后排按鈕I0.3紅外探測(cè)儀 1I0.4紅外探測(cè)儀 2I0.5紅外探測(cè)儀 3I0.6紅外探測(cè)儀 4I0.7紅外探測(cè)儀 5I1.0紅外探測(cè)儀 6I1.1投影儀信號(hào)I1.2手動(dòng)/自動(dòng)按鈕I1.3表 2 輸出 I/O 地址分配信號(hào)名稱I/O 地址KA1 中繼線圈Q0.0KA2 中繼線圈Q0.1KA3 中繼線圈Q0.2KA4 中繼線圈Q0.3KA5 中繼線圈Q0.4KA6 中繼線圈Q0.5程序注釋：LD SM0.1 R M10.1, 3 R

37、 M20.1, 6R T37, 12手動(dòng)：LD SM0.0AN I1.3LPS A I0.1= M10.1LRD泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文19A I0.2= M10.2LPPA I0.3= M10.3自動(dòng)狀態(tài)下，光線變暗時(shí)，紅外感應(yīng)探測(cè)器 1 動(dòng)作 1min 后，M20.1 線圈得電：LD SM0.0A I1.3A I0.0A I0.4TON T37, 60TOF T38, 60A T37AN T38= M20.1第二盞燈：LD SM0.0A I1.3A I0.0A I0.5TON T39, 60TOF T40, 60A T39AN T40= M20.2第三盞燈：LD SM0.0泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文

38、20A I1.3A I0.0A I0.6TON T41, 60TOF T42, 60A T41AN T42= M20.3第四盞燈：LD SM0.0A I1.3A I0.0A I0.7TON T43, 60TOF T44, 60A T43AN T44= M20.4第五盞燈：LD SM0.0A I1.3A I0.0A I1.0TON T45, 60TOF T46, 60A T45AN T46泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文21= M20.5第六盞燈：LD SM0.0A I1.3A I0.0A I1.1TON T47, 60TOF T48, 60A T47AN T48= M20.6手動(dòng)狀態(tài)：LD SM0.0LP

39、SA M10.1= Q0.0= Q0.1LRDA M10.2= Q0.2= Q0.3LPPA M10.3= Q0.4= Q0.5有投影儀信號(hào)時(shí)：LD SM0.0泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文22A I1.3A I1.2= M20.0自動(dòng)狀態(tài)：LD SM0.0LPSA M20.1AN M20.0= Q0.0LRDA M20.2AN M20.0= Q0.1LRDA M20.3= Q0.2LRDA M20.4= Q0.3LRDA M20.5= Q0.4LPPA M20.6= Q0.5以上即為該系統(tǒng)的軟件控制程序，通過(guò)該控制程序以及結(jié)合所應(yīng)用的硬件，這樣可以有效地控制照明燈的開(kāi)與關(guān)。使整個(gè)控制系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行

40、。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文235 照明系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行及問(wèn)題分析 教室的整個(gè)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，要進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)行調(diào)試，來(lái)排除硬件和軟件的故障，同事來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性，使系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)的調(diào)試主要分兩個(gè)步驟:PLC 系統(tǒng)調(diào)試以及整個(gè)控制系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試。5.1PLC 系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟PLC 系統(tǒng)的調(diào)試應(yīng)包括硬件及軟件兩部分，主要是通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)硬件及軟件中存在的問(wèn)題，查看其運(yùn)行結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。 并行的硬件和軟件的發(fā)展，可以是相互獨(dú)立的，但是，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性的附加工具，他們需要提供的調(diào)試環(huán)境。當(dāng)硬件和軟件分調(diào)整完成后，他們將軟件和硬件聯(lián)邦調(diào)查局，調(diào)試，找出問(wèn)題，確定問(wèn)題的根源，修改硬

41、件和軟件。 在實(shí)際調(diào)試系統(tǒng)，應(yīng)該首先完成對(duì)靜態(tài)的硬件調(diào)試，在初步調(diào)試系統(tǒng)軟件后，再對(duì)其中的軟件和硬件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，并最終使系統(tǒng)正常工作。1.靜態(tài)調(diào)試: 靜態(tài)調(diào)試的主要目的是明顯的硬件故障排除。電路結(jié)構(gòu)后，查看端口是否正確連接，連接可靠。我們可以用一個(gè)萬(wàn)用表檢查電路是否開(kāi)路，短路，電源接地連接是可靠的。檢查焊接處有無(wú)虛焊，焊縫，焊接等不足。當(dāng)?shù)诫娐钒迳系男酒?，傳感器和其他組件，以確保整個(gè)電源的極性，電壓是正確的，以防止電源電壓過(guò)高的極性反轉(zhuǎn)，或損壞的芯片或傳感器。此外，插入的設(shè)備，必須是在斷電的情況下，特別要注意，不要將芯片插入相反的方向。2.軟件調(diào)試：在程序編制好以后，通過(guò)電腦軟件對(duì)源程序進(jìn)行

42、匯編，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標(biāo)代碼，在匯編過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，要及時(shí)糾正。在軟件調(diào)試用軟件仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)調(diào)試程序，而硬件仿真，模擬和運(yùn)行模擬指令完成軟件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。調(diào)試過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)，寄存器狀態(tài)，端口狀態(tài)，所以可以指定窗口的顯示區(qū)域，顯示這些程序的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行跟蹤，以確定程序運(yùn)行沒(méi)有錯(cuò)誤。3.動(dòng)態(tài)調(diào)試: 控制系統(tǒng)的軟件和硬件密切相關(guān)的軟件模擬硬件系統(tǒng)的一部分的發(fā)展不能診斷，但也不能在線模擬仿真，所以用戶程序還需跟硬件連接起來(lái)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，同時(shí)對(duì)軟件和硬件進(jìn)行檢查和診斷。PLC 系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試，需要使用硬件和軟件診斷電路仿真，調(diào)試。在應(yīng)用系統(tǒng)板調(diào)試成功，被加載到用戶程序的泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文24在線仿真器

43、，那么你就可以有效地執(zhí)行目標(biāo)程序，此外可能還需要設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)執(zhí)行用戶程序段。系統(tǒng)硬件故障也主要依靠在線模擬排除。用戶程序與硬件不接觸需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)試工具的幫助下，在網(wǎng)上找到的邏輯錯(cuò)誤，正確的邏輯錯(cuò)誤。對(duì)于一些硬件相關(guān)的用戶程序，如接口驅(qū)動(dòng)程序，你需要滿足硬件電路的調(diào)試，如果有一個(gè)邏輯上的錯(cuò)誤，也能及時(shí)更正。經(jīng)過(guò)調(diào)試，使用，使整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)并正常運(yùn)行，在線編程后將將程序固化后下載到 PLC。5.2 出現(xiàn)的主要問(wèn)題及分析解決 系統(tǒng)調(diào)試是一種復(fù)雜而仔細(xì)的工作，因此，在調(diào)試過(guò)程中需仔細(xì)耐心的檢查、認(rèn)真的解決出現(xiàn)的一切問(wèn)題。只有將可能發(fā)生的問(wèn)題都得到解決后，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在此教室照明系統(tǒng)中調(diào)試的過(guò)程中可能出現(xiàn)的主要問(wèn)題有：?jiǎn)栴} 1:有人進(jìn)入教室時(shí)，若停留時(shí)間沒(méi)有超過(guò)十秒時(shí)，傳感器會(huì)不會(huì)有信號(hào)輸出？ 分析解決:當(dāng)有人進(jìn)入教室時(shí)，若停留時(shí)間沒(méi)有超過(guò)十秒時(shí)，可以利用延時(shí)計(jì)時(shí)器，延時(shí)接通電路，使信號(hào)不進(jìn)行輸出。此問(wèn)題在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將有人體存在的狀態(tài)保持二至五分鐘再繼續(xù)采集信號(hào)，并加以處理。問(wèn)題 2:控制信號(hào)輸出后，繼電器沒(méi)按預(yù)定設(shè)計(jì)產(chǎn)生動(dòng)作。分析和解決：該輸出控制信號(hào)，控制繼電器，該晶體管的集電極端子的使用，以驅(qū)動(dòng)繼電器，最后驅(qū)動(dòng)負(fù)載。還要注意的是繼電器驅(qū)動(dòng)電路與所述繼電器線圈并聯(lián)的續(xù)流二極管上的驅(qū)動(dòng)晶體管，以增加保護(hù)。泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文25總結(jié)該課題適合應(yīng)