基于西門子PLC的路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計

研究背景和意義1.1智能路燈的背景當(dāng)前,中國現(xiàn)代化和智能化國家的管理體制和管理能力依然高歌猛進(jìn),但隨著"創(chuàng)新型、協(xié)同、綠化、開放式、資源共享"等國家理念的日漸深刻民心，當(dāng)前智能網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略方針、國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略方針、“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略行動計劃的實行和建設(shè)數(shù)字化中國理念的不斷穩(wěn)步發(fā)展，城市被給予了新的內(nèi)在意義和新的需求，導(dǎo)致了舊時代所理解的智慧城市向新時代智慧城市演進(jìn)，更將絕無僅有的發(fā)展機(jī)遇帶給了新型智慧城市建設(shè)。在目前中國社會發(fā)展的情況下，所有高級城市在謀求發(fā)展的過程中將必須承載越來越多人口增長的負(fù)擔(dān)。一直到目前為止，這個時間點上正是我國正加速發(fā)展城鎮(zhèn)化的最重要的時間，還有部分地區(qū)的“城市病”狀態(tài)特別突出。為了破除這些阻礙城市發(fā)展前進(jìn)的難題，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的理念，建設(shè)智慧城鎮(zhèn)已成為城市發(fā)展中重要的一個過度點，為更好發(fā)展經(jīng)濟(jì)打下良好基礎(chǔ)。\o"zigbee模塊"智能路燈就是建設(shè)智慧城鎮(zhèn)中不可缺少的一環(huán)，設(shè)計一套完善的路燈智能控制系統(tǒng)更是重中之重。城鎮(zhèn)路燈智能管理系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài):城市道路智能照明管理系統(tǒng),是指人類在生活中所必須用上的巨大的公共設(shè)施管理系統(tǒng),其總量很大,到目前為止中國約有上億盞城市的道路燈具,在使用過程中占照亮系統(tǒng)所耗費的能量總額的百分之三十以上,超過了中國小耗用能量總額的百分之十,甚至等于每一座三峽水電站在年中的總發(fā)電量。而其中,大約有百分之三十五的電能被耗費。所以節(jié)電減排也已是變成了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)中的一項重大目標(biāo)。充分利用科技達(dá)到減少能源消耗來推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展是非常重要的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的提高,節(jié)能燈具設(shè)計和控制方法也都在進(jìn)一步發(fā)展。路燈控制系統(tǒng)發(fā)展階段：路燈控制器發(fā)展階段:路燈控制器主要由燈具本身和智能控制與監(jiān)管系統(tǒng)二部分所構(gòu)成。在能源消耗下上，除了采用節(jié)能燈具外，擁有一個可以實時調(diào)控、檢測的智能控制系統(tǒng)對于節(jié)能減排上也起著重要作用。路燈的控制方法也在不斷發(fā)展與變化,目前大致有這樣的幾個發(fā)展階段：第一個階段：全手動控制路燈電路開關(guān)（就是在需要路燈照明的時候通過在電路控制端手動閉合或斷開電源的方法實現(xiàn)路燈照明操作）第二個階段：時鐘源控制定時開關(guān)（通過基礎(chǔ)的時鐘板塊進(jìn)行定時，可在固定時間打開和關(guān)閉燈，并在不同時間打開。）第三個階段：光敏控制自動開關(guān)（通過光敏感測器來獲取外界亮度從而控制路燈的開關(guān)，這種方式可自動操作）第四個階段：區(qū)域控制遠(yuǎn)程開關(guān)（將GPRS通信技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，讓其可遠(yuǎn)程控制每一條線路。配合了時鐘和經(jīng)緯度，讓其根據(jù)身處環(huán)境天氣變化及特殊突發(fā)事件的照明要，實行手自動切換的區(qū)域性控制）第五個階段:單路燈控制(在區(qū)域控制的基礎(chǔ)上,還采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),使控制臺能夠感知任何路燈的所有電氣參數(shù),還可以對任意路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程操控)有關(guān)智能路燈控制系統(tǒng)發(fā)展的政策背景：1.在節(jié)能減排的"十二五"規(guī)劃中明確提出了要求,要把綠色照明工程節(jié)源轉(zhuǎn)化工程項目、合約能量管理應(yīng)用工程項目等,作為國家節(jié)能減排的重大工程項目。2.綠化燈具方面《"十二五"都市綠化燈具發(fā)展規(guī)劃大綱》中指出,要推動都市燈具信息化平臺工程建設(shè),主動引進(jìn)先進(jìn)高效燈具產(chǎn)業(yè),推進(jìn)都市燈具節(jié)源技術(shù)改造,并積極組織進(jìn)行都市燈具產(chǎn)品、技術(shù)、新方式的試驗示范。3.物聯(lián)網(wǎng)《物聯(lián)網(wǎng)"十二五"發(fā)展規(guī)劃》中明確,把發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)科技上升至國家的戰(zhàn)略層次,將大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),并整合關(guān)聯(lián)行業(yè),以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。。4自動化城市《國家智慧城市試點暫行管理辦法》強調(diào)，有關(guān)部門在近期公示出了兩個批次一共將近兩百個實行打造智慧城市試造點清單，其中的路燈智能控制系統(tǒng)作為打造自動化城市的核心子系統(tǒng)被重點推廣。非智能路燈控制系統(tǒng)面臨的問題如下：1.管理方法的落后，路燈管理方式還停留在半自動、光控、定時控制等傳統(tǒng)方法上,受季節(jié)、氣候和人為因素的影響較大,管理智能化水平比較低下。2.信息化管理水平較低、信息處理任務(wù)也越來越重,業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力也沒有提高。數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢越來越不方便,無法自動生成的各類報表管理工作任務(wù)也越來越重,但業(yè)務(wù)管理能力卻不能提高。由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢越來越不方便,無法自動生成的各類報表。3.能源浪費問題嚴(yán)重在無智能控制的方式下,路燈往往該亮?xí)r不亮,該滅時不滅,且無法按照實際需求設(shè)定好亮燈時間和方式策略,造成了不必要的能量浪費。4．運營維修的困難主要采取了人工巡檢模式,不但工程量大,同時還花費大批人才、物資、錢財。而故障發(fā)生原因大多來自于巡查工作人員的上報,由于沒有主動、適時行和可靠度,因此無法真實、精確、全方位地監(jiān)測整個路燈系統(tǒng)的運行狀況。1.2智能路燈的意義日益增長的城市公用照明規(guī)模,和相對落后的城市公用照明管理工作方法形成了強烈沖突,信息化管理水平低下、運營維修成本高昂、能源浪費突出等社會問題也逐步凸顯了起來。怎樣對公用燈飾基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)綜合調(diào)度與數(shù)字化管理、減少運營維修成本以及提升企業(yè)經(jīng)營水平、節(jié)約能源,是燈飾產(chǎn)業(yè)乃至在城市化發(fā)展的過程中,均須嚴(yán)正對待與落實的重大發(fā)展現(xiàn)實問題。這也是智能路燈的主要目的和含義。1.智能路燈,代替了傳統(tǒng)市政路燈、治安監(jiān)控、道路交通標(biāo)志牌等單立桿獨立施工的傳統(tǒng)管理模式,大幅改善了市容市貌,有效提升了城市交通的管理水平。2.通過比較節(jié)能的LED路燈,相對大功率的高壓鈉電池,在保證既有路面的光照要求下,能夠做到把功耗降低至原來高壓鈉電池功耗的百分之五十以內(nèi)。如此下來的直接后果,是節(jié)電,于是電費就降下來了。3.除采取時控和集中控制措施之外,還可以根據(jù)季節(jié)和環(huán)境的變化動態(tài)地實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,從而達(dá)到智能管理。系統(tǒng)利用感應(yīng)裝置自動監(jiān)控日出及日落狀況以合理調(diào)整開關(guān)的照明時間,根據(jù)不同天氣情況采取不同的照明策略,并依據(jù)照明時間及各處電路供應(yīng)狀況自行調(diào)節(jié)照明電壓,以達(dá)到節(jié)電節(jié)能。4.路燈數(shù)量較多,對運行維修人員的管理任務(wù)就更加艱巨。智能路燈系統(tǒng)依托國家智能路燈綜合管控平臺對路燈實施遠(yuǎn)程監(jiān)測調(diào)試,并支持了故障告警、故障監(jiān)測、故障處置情況等跟蹤功能,大大減少了人工巡檢工作,提高了信息化管理水平。5.智慧路燈的商業(yè)運作,也是一個看點。LED顯示屏作廣告宣傳收益,5G微基站出租收益,充電樁業(yè)務(wù)運營等都是公司后期收回建設(shè)成本的好途徑。而未來智能路燈系統(tǒng)還將搭載更多的設(shè)備設(shè)施,并帶來更多利民業(yè)務(wù)。1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀智能路燈系統(tǒng)于八十年代末期進(jìn)入中國國內(nèi),但開始時進(jìn)展相對較慢。一九八九年常州人民政府還對原縣城的路燈實施了改建與革新,以適應(yīng)了原縣城路燈變革的需要,方向十分正確。但是由于當(dāng)時路燈智能化技術(shù)并沒在國內(nèi)實現(xiàn)。所以到一九九零年,上海、北京等路燈科研單位還召開了智能化監(jiān)控路燈的可行性研討會,為未來路燈系統(tǒng)的研究發(fā)展趨勢明確了方向,為今后的研究工作奠定了寶貴的經(jīng)驗與理論基石,以及此后路燈監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)展也開始迅速。在一九九三年上海路燈監(jiān)測管理系統(tǒng)的研發(fā)取得成功,具備了遙測、遙信、遙調(diào)等多項功用,并順利的投入到上海市內(nèi)主要道路的路燈管理上繼上海以后,廣州市政府又針對當(dāng)前城市管理的實際狀況與要求,又引進(jìn)了城市燈光監(jiān)測管理系統(tǒng)RDD-3000。該管理系統(tǒng)除了可以進(jìn)行遙測、遙信、遙調(diào),操作方法也很靈巧可靠。特點有根據(jù)各地的經(jīng)緯度手動監(jiān)控的時候、以及遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈工作時的電流電壓技術(shù)參數(shù)等。另外,該控制系統(tǒng)還擁有對行駛故障手動曝光、并可以精確提示故障位置、給出分析報表的多項功用。通過RDD-3000城市燈光監(jiān)測系統(tǒng),為城市照明工作、維護(hù)、擴(kuò)展進(jìn)行了全方位的解決方案與支持,標(biāo)志著中國城市的照明運行管理水平達(dá)到了全新的高度。在二零零三年,長沙市首次利用了GPRS行動通訊技術(shù)對市區(qū)路燈進(jìn)行了集中管理。此后,廣西省柳州市政府又運用了GPRS技術(shù)并使用了更領(lǐng)先的路燈監(jiān)測與管理系統(tǒng)。應(yīng)該說由于移動通訊技術(shù)的迅速發(fā)展,集投資成本低、聯(lián)網(wǎng)方法簡便靈活、信息覆蓋力強等特點眾多優(yōu)點于一身的GPRS無線通訊技術(shù),目前已應(yīng)用于城市路燈的監(jiān)測系統(tǒng)中近年來,由上海龍創(chuàng)信恒技術(shù)公司開發(fā)的數(shù)字城市燈光系統(tǒng)(DCMS)在中國許多一二級城市獲得了普遍的運用。該系統(tǒng)利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與監(jiān)測管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,將監(jiān)測終端用戶直接設(shè)置于燈光終端用戶上,以電力載波通信方式與集中控制設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)。通過基站控制器接收、執(zhí)行、轉(zhuǎn)送監(jiān)測管理中心的指令,并利用監(jiān)測端口對各盞城市道路燈光實現(xiàn)開關(guān)調(diào)節(jié)和亮度調(diào)整,以進(jìn)行更加靈活的遠(yuǎn)程管理。同時,集中控制器還能夠利用內(nèi)置輸出界面完成對所有路燈回路的監(jiān)測,以及利用監(jiān)測端口監(jiān)視每盞路燈的實際狀況,還能夠利用模擬量、數(shù)字量的輸入輸出界面,將現(xiàn)場的燈光、溫度控制等信息及時反饋至監(jiān)測中心,以完成對城市路燈照明技術(shù)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理,雖然城市路燈監(jiān)測控制系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展得相當(dāng)很快,不過在各大中城市的使用與普及上還是面臨著不少問題。(1)監(jiān)控的智能化程度亟待提升。全國多數(shù)地方仍然是定時監(jiān)控,縣級以下地方甚至是傳統(tǒng)的人工控制。(2)節(jié)電效果較低。中國目前的城市照明主要以高壓鈉燈等放電燈類居多。而供電電網(wǎng)中當(dāng)負(fù)載較大時,電壓也較低。負(fù)荷時,電壓相對較高。而對于交通照明的這類氣體放電裝置,由于前零點五夜行人車輛較多時處在供電高峰期,因此電流相對較低亮度也較暗。隨著后零點五夜的供電負(fù)載逐漸減少,電流巨升使其亮度變化異常明顯。而在交通流量相對較小地段仍然亮度較高,因此大量耗費了電力。(3)路燈監(jiān)控設(shè)備相對散亂,不集中。一個規(guī)模不大的縣城往往被細(xì)分成若干控制區(qū),很難統(tǒng)籌資源調(diào)配,也就很難獲取有價值的電力數(shù)據(jù)。1.4本設(shè)計研究的內(nèi)容本論文采用S7-1200系列中的214-1AG40-0XB0型號PLC進(jìn)行設(shè)計智能路燈控制系統(tǒng)。(1)通過對各重要技術(shù)方面的機(jī)理特征、性價比等綜合分析,并且最后用組態(tài)管理軟件對所實現(xiàn)的組態(tài)模擬,確定了應(yīng)用西門子S7-1200系列PLC將成為智能路燈系統(tǒng)的重要監(jiān)控技術(shù)設(shè)備。(2)在確定了所要求的傳感器等模塊基礎(chǔ)上完成了PLC的I/O分撥,并繪制硬件方面的連線圖形,然后再按照智能路燈控制器的實際動作進(jìn)行梯形圖程序編寫調(diào)試修改。(3)通過外部傳感器獲取信息,形成模擬信號傳入PLC中,再通過PLC中的部分指令輸出信號,通過控制繼電器來調(diào)節(jié)路燈的亮度和開閉。(4)在配套PLC等模擬軟件系統(tǒng)使用的基礎(chǔ)上,先在組態(tài)中編寫組態(tài)圖像畫面和組態(tài)數(shù)據(jù)分析后,再接入組態(tài)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)分析和圖像畫面。

智能路燈的功能2.1控制過程先確定好了所使用的PLC型號和CPU類型。在模擬量輸入引腳通過接入光照度變控器模塊。然后設(shè)定在指定的時間內(nèi)讓系統(tǒng)運行，當(dāng)?shù)搅艘?guī)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)在外界光照度變化的同時，此模塊會形成相對應(yīng)的模擬量反饋給PLC，在PLC中通過編寫相應(yīng)程序，將模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成PWM的方波信號輸給路燈電路中的繼電器，在繼電器接受脈沖后，導(dǎo)致一定頻率的電路開關(guān)。形成系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)路燈亮度的方式。比如在規(guī)定的18點過后，傳感器接收到外界亮度變暗，導(dǎo)致輸入的模擬信號降低。PLC轉(zhuǎn)化出的脈沖信號頻率也變強，最終導(dǎo)致路燈電路中的路燈變亮。但在沒有到達(dá)規(guī)定時間時，路燈不會運行工作。在規(guī)定時間內(nèi)，外界亮度隨時間一直變化，最后路燈的亮度也隨之變化，外界暗時，路燈變亮，外界亮?xí)r，路燈變暗。2.2模擬圖路燈智能控制系統(tǒng)開燈輸出監(jiān)控手動自動系統(tǒng)時間讀取12手動控制自動控制手動開燈照度設(shè)定值手動關(guān)燈照度實際值圖2-1模擬圖2.3系統(tǒng)構(gòu)架圖圖2-2系統(tǒng)構(gòu)架圖

路燈智能控制系統(tǒng)的硬件3.1PLC的概述3.1.1PLC的定義、原理及其優(yōu)點PLC又叫做可編程邏輯控制器，可以比較完善的聯(lián)通電驛管理以及PLC控制技術(shù)、計算機(jī)與通信技術(shù)等。它能夠利用編制特定規(guī)則的程序,來完成邏輯控制功能,并根據(jù)軌跡改變進(jìn)入量的動態(tài),以達(dá)到根據(jù)輸出量監(jiān)控對應(yīng)的受控對象或生產(chǎn)流程。用戶就可憑據(jù)對某一操控對象的具體情況動作需求,在編制好具體的動態(tài)程序以后,再利用專門編寫程序的軟件把編制好的動態(tài)程序直接燒入PLC的編程存放庫中,被控對象的具體情況動態(tài)就即可使用PLC來進(jìn)行操控了。經(jīng)常使用在第二產(chǎn)業(yè)中。PLC中的程序執(zhí)行方法和普通微小計算機(jī)系統(tǒng)的程序執(zhí)行方法有較大的差別,在普通微小計算機(jī)系統(tǒng)中編程進(jìn)行時通常出現(xiàn)終止命令時,編程將會手動終止進(jìn)行。而PLC中從程序存儲器的第一字節(jié)起始進(jìn)行,在途中不會停頓或跳轉(zhuǎn)的情況下,編程過程將沿著程序存儲器的存儲序列一段然后一段進(jìn)行,在出現(xiàn)終止命令之后,隨著編程進(jìn)行的一段時間而終止。然后程序又從頭開始運作,并循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)行上一周期的操作指令,直至使用者撥動停止開關(guān)或是意外停電。這便是PLC的掃描工作方法。而程序每進(jìn)行完一次流程,就是下一次的掃描循環(huán)。另外,PLC也是集中并統(tǒng)一處理輸入、輸出控制的信息,而微型計算機(jī)則是實時處理這些信息。PLC的掃描方式主要有三個部分所組成,分別為在輸入時的掃描、程序的執(zhí)行以及在輸出時刷新。PLC的優(yōu)點：可靠PLC系統(tǒng)不需要大量的活動元器件和連接電子元件。它的內(nèi)部連通問題也就大大減少。而與此同時,由于系統(tǒng)的維修相對簡單,而且維修時間較短。所以Plc系統(tǒng)就使用了一種高可靠性設(shè)計的方法進(jìn)行了整機(jī)設(shè)計。如:冗余的系統(tǒng)設(shè)計。斷電保護(hù),故障診斷和信息存儲以及恢復(fù)等。而PLC則是為工業(yè)生產(chǎn)過程管理所而專門設(shè)計的控制裝置,它具有比一般計算機(jī)管理更簡單的編程語言和更安全的軟硬件功能。并使用了更精簡的系統(tǒng)編程。易操作PLC系統(tǒng)具有較高的易操控性。它具備了程序簡易,操作簡單,維護(hù)方便等優(yōu)點,且一般并不容易出現(xiàn)操作的出錯情況。對PLC系統(tǒng)的使用,包括了程序錄入和編程修改的方法。編程的輸入可直接或可接顯示,而修改程序的方法,也可以通過按照所需要的ip地址編號或接點號進(jìn)行查詢或程序檢查,之后再進(jìn)行更改。目前PLC中已經(jīng)有很多種編程語言可供使用。用于梯形圖,與電氣原理圖比較接近。更容易學(xué)習(xí)和了解。PLC所具備的自動判斷功能,對維護(hù)人員及維修技術(shù)的需求也大大降低。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,借助于對硬件和軟件的自檢測,維護(hù)人員就能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障的部位。靈活PLC使用的主要程序設(shè)計句子有階梯圖形、布爾助記符、功能代表圖、各種功能模板,以及語句表示程序設(shè)計句子。程序設(shè)計方式的多樣化使程序簡單化、使用面擴(kuò)大。運行非常靈活簡單,觀察和控制變量十分方便。3.1.2PLC的選擇西門子S7-1200PLC一些優(yōu)點：1、西門子S7-1200PLC既具備了靈巧和擴(kuò)展,也達(dá)到了最緊湊型系統(tǒng)設(shè)計下的效率高,但同時也依然適用在較低的運行性能范疇內(nèi),完成最復(fù)雜的工作任務(wù)。2、S7-1200,在程序設(shè)計上和S7-300的程序設(shè)計方式差不多,組態(tài)完硬件界面,直接調(diào)出軟件功能塊就即可,非常簡單,不像S7-200必須對SM執(zhí)行動作。S7-1200和S7-300在串口通信方面相比來說大體上相同,只是在做Modbus的通訊時候不要求另外的Dongle來支援。3、可以擴(kuò)展三個通訊模塊。4、有些硬件上的提高當(dāng)然也是很好的,例如串口模塊,模擬量模擬的分辨率也就提升了。希望以后再出幾個新的模塊。5、高速脈沖定位控制相比S7-200有了很多的改善。6、關(guān)于高速計數(shù)器的應(yīng)用,也比之前要簡單些,而且不用再啰嗦地設(shè)定每一個控制字,這對初研究者來說是個福音。7、LAD編程實現(xiàn)了"側(cè)向水平串連"的功用,例如我要置位Q0.0、Q0.2、Q0.4,就應(yīng)該在同一個水平線上串聯(lián)出來,從而節(jié)約了縱向水平空隙(在之前的程序設(shè)計軟件系統(tǒng)里則應(yīng)該是縱向水平對齊的。)3.2光照度變送器的概述3.2.1光照度變送器的原理光照度變送器運用了熱點作用效應(yīng)基本原理,主要是選用了對弱旋光性有較高反應(yīng)速度的熱探測元件,而這個傳感器原件實際上就如同數(shù)碼相機(jī)的感光矩陣一般,里面裝有繞線電鍍廢水式的多接點熱電堆,其表層涂有高吸收度的黑色涂料,熱接點在感應(yīng)塊表層,而冷結(jié)點則在機(jī)體內(nèi)部,冷熱接點形成了溫度的差異與電勢能。在線性范圍內(nèi),輸出數(shù)值和太陽輻射量成正比。通過濾光片的可見光照射到進(jìn)口光敏二極管,而光敏二極管再通過熱成像將強弱光轉(zhuǎn)換成電信號,接著電訊號就會流入變送器的處理器系統(tǒng),之后再產(chǎn)生所要求獲得的二進(jìn)制信息。將其輸出信號端接入PLC中提供實時的外部光照度,從而改變路燈的燈光亮度。3.2.2光照度變送器的選擇及其參數(shù)技術(shù)參數(shù)：直流供電（默認(rèn)）10-30VDC最大功耗0.4W精度濕度±3%RH(60%RH,25℃)溫度±0.5℃（25℃）光照強度±7%(25℃)光照強度量程0~65535Lux；0~20萬Lux溫濕度量程-40℃~+60℃，0%RH~80%RH長期穩(wěn)定性溫度≤0.1℃/y濕度≤1%/y光照強度≤5%/y回應(yīng)時間溫度≤18s(1m/s風(fēng)速)濕度≤6s(1m/s風(fēng)速)光照強度0.1s輸出信號RS485(Modbus-RTU協(xié)議)模擬量型：直流供電（默認(rèn)）10-30VDC（0~10V型產(chǎn)品只能DC24V供電）最大功耗最大功耗1.2W電壓輸出1.2W精度光照強度±7%(25℃)光照強度量程0~20萬Lux范圍內(nèi)可選（默認(rèn)0~65535Lux）工作環(huán)境-40℃~+60℃，0%RH~80%RH長期穩(wěn)定性光照強度≤5%/y回應(yīng)時間光照強度0.1s輸出信號電流輸出4mA~20mA電壓輸出0~5V/0~10V負(fù)載能力電壓輸出輸出電阻≤250Ω電流輸出≤600Ω圖3-1光度變送器參數(shù)圖3.3固態(tài)繼電器的概述3.2.1固態(tài)繼電器工作原理固態(tài)繼電器（SolidStateRelay,縮寫SSR），是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。3.2.2固態(tài)繼電器的選擇及其參數(shù)額定電流：5A-120A控制電壓：3-32VDC或90-280VAC絕緣電壓：≥2500V輸出電壓范圍：40-660VAC隔離電壓：≥2500V導(dǎo)通方式：分為過零型和隨機(jī)型LED輸入顯示兩個可控硅反并聯(lián)，壽命長，散熱好

3.4硬件電路圖圖3-2硬件電路圖電路的圖中主要分為PLC供電電路和路燈供電與控制電路。其中PLC供電電路用來做此系統(tǒng)的控制器，當(dāng)開始執(zhí)行時，如果需要亮燈，則Q0.0閉合，PLC會發(fā)特定的PWM信號，通過固態(tài)繼電器來控制電路通斷，繼而控制路燈亮度。

路燈智能控制系統(tǒng)的軟件4.1IO口分配圖4-1IO口分配圖設(shè)置地址IW64為照度反饋，數(shù)據(jù)類型為word，是通過光照度變送器獲得外界光照數(shù)據(jù)，從此地址反饋給單片機(jī)。設(shè)置地址Q0.0為PWM輸出，將PLC發(fā)出的PWM數(shù)據(jù)輸送給外界，從而得到路燈的光亮變化。設(shè)置M0.0為手動開燈指令。用于在非智能控制時間，需要打開照明系統(tǒng)時，可自行打開的按鈕設(shè)置M0.1為手動關(guān)燈指令。用于在非智能控制時間，需要打開照明系統(tǒng)時，可自行關(guān)閉的按鈕

4.2邏輯框圖圖4-2邏輯框圖

4.3程序編寫與調(diào)試第一行程序：圖4-3第一行程序RD_SYS_T指令能夠讀取CPU當(dāng)前的系統(tǒng)時間量，這個指令擁有一個輸出參數(shù)（OUT）和一個返回值（RET_VAL）.返回值RET_VAL的數(shù)據(jù)類型為整型（INT），用于返回指令執(zhí)行的狀態(tài)，其編碼如下所示：RET_VAL：錯誤代碼（16進(jìn)制）描述0000沒有錯誤8081OUT輸出值的范圍超出界限輸出值OUT為指令讀取到的時間，該時間值不包括本地時區(qū)或夏令時偏移量等信息，其數(shù)據(jù)類型根據(jù)CPU類型的不同有所不同。此行功能解釋：讀取系統(tǒng)時間，將當(dāng)前時間讀取之后，將數(shù)據(jù)保存在“數(shù)據(jù)塊_1”_.SYS_T變量中輸出。

RD_SYS_T指令在數(shù)據(jù)塊中的取值范圍：圖4-4RD_SYS_T指令取值范圍所有數(shù)據(jù)：其中YEAR的數(shù)據(jù)類型為UInt，得到的是CPU中系統(tǒng)的年份數(shù)據(jù)，此時范圍是1970-2021.其中MONTH的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)月份數(shù)據(jù)，此時范圍是1-11。其中DAY的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)日期數(shù)據(jù)，此時范圍是1-20。其中WEEKDAY的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)星期數(shù)據(jù)，此時范圍是5-7。其中HOUR的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)小時數(shù)據(jù)，此時范圍為0-12。其中MINUTE的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)秒數(shù)據(jù)，此時范圍為0-26。其中SECOND的數(shù)據(jù)類型為UsInt，得到的是CPU中系統(tǒng)分鐘數(shù)據(jù)，此時范圍為0-56。此時都是在范圍內(nèi)設(shè)定好的值，之后也可更改，之后所得出的時間數(shù)據(jù)都是從此條程序中讀取出的。第二行程序：圖4-5第二行程序這一行用上了比較數(shù)字大小的指令，此指令主要有等于，不等于，大于或等于，小于或等于，小于，大于六種。此時用于比較的數(shù)據(jù)類型為USInt，也就是無符號短整型。“數(shù)據(jù)塊_1”SYS_T.HOUR讀取的是第一行中取得時間數(shù)據(jù)里的小時數(shù)。通過數(shù)據(jù)的比較，將開燈時間控制在系統(tǒng)設(shè)定的范圍內(nèi)，比如此時設(shè)定的是，從系統(tǒng)中實時取得的小時數(shù)與0、6、20、23比較，當(dāng)讀取的數(shù)大于等于0且小于等于6時，則上部分變成通路，“數(shù)據(jù)塊_1”.KD_XK接通，代表著路燈通電，當(dāng)讀取的數(shù)大于20且小于23時，則也會連通。通過這一行可以設(shè)置路燈開關(guān)時間，在凌晨0-6點和夜晚20-23點亮燈，其余時間都時熄滅狀態(tài)，此處還多加了一個手動開關(guān)“數(shù)據(jù)塊_1”.MODE,用來手動調(diào)整。在此基礎(chǔ)上還可以添加月份，用來在不同季節(jié)下的不同時間來智能管控路燈開關(guān)閉合。第三行程序：圖4-6第三行程序其中用到了NORM_X指令和SCALE_X，它們作用是對模擬量進(jìn)行工程量的轉(zhuǎn)換，收線看下這兩種指令使用的計算公式：NORM_X：OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)SCALE_X：OUT=[VALUE?(MAX–MIN)]+MIN圖4-7NORM_X圖像圖4-8SCALE_X圖像在使用過程中，有幾點需要注意：NORM_X的數(shù)據(jù)類型不能進(jìn)行隱式轉(zhuǎn)換，編譯會報錯。但是SCALE_X可以進(jìn)行隱式轉(zhuǎn)換，編譯不會出錯。要想消除NORM_X未指定類型的常量編譯報錯問題，需要給三個參數(shù)中的任一參數(shù)常量指定數(shù)據(jù)類型即可。NORM_X和SCALE_X指令的MAX參數(shù)值為0時，計算結(jié)果并不會按照以上定義的計算公式計算，結(jié)果將保留為參數(shù)VALUE的值，很多時候我們希望此時結(jié)果為0，所以在使用過程中一定要注意。在對模擬量用NORM_X指令進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化時，可以把它理解為在我們設(shè)定的最小值和最大值之間放入一個數(shù)值，這個數(shù)值在最小值和最大值之間所占的比例，此時我們設(shè)置的最大值為27648，最小值為0。比如當(dāng)一個量程為0-10V的模擬量進(jìn)來，如果為0V時，則對應(yīng)最小值0，如果為10V時，則對應(yīng)最大值27648。最后通過輸出0-1之間的數(shù)來表示模擬量的占比。在應(yīng)用NORM_X指令進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，再接著用SCALE_X指令進(jìn)行縮放，將標(biāo)準(zhǔn)化后的值輸入SCALE_X后，也進(jìn)行最大最小值設(shè)置，然后輸出模擬量的實時值。整體來說，這一行程序是對光照度變送器送外界反饋回的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由上文選取的光照度變送器，其量程為0~20萬Lux。此時%IW64便是輸入的模擬量，被NORM_X指令進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，再由SCALE_X縮放為浮點數(shù)值輸出。第四行程序：圖4-9第四行代碼此行用上了S7-1200PID功能，S7-1200中的PID功能有三條指令可供選擇，分別為PID_Compact，PID_3Step，PID_Temp。其中我們選取的是PID_Compact。PID功能用于對閉環(huán)過程進(jìn)行控制。PID控制適用于溫度，壓力，流量等物理量，是工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式，其原理是，對被控對象設(shè)定一個給定值，然后將實際值測量出來，并與給定值比較，將其差值送入PID控制器，PID控制器按照一定的運算規(guī)律，計算出結(jié)果，即為輸出值，送到執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中的P,I,D指的是比例，積分，微分，是一種閉環(huán)控制算法。通過這些參數(shù)，可以使被控對象追隨給定值變化并使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，自動消除各種干擾對控制過程的影響。REF_Ref97051507\r\h[2]PID控制器功能主要依靠三部分實現(xiàn)，循環(huán)中斷塊，PID指令塊，工藝對象背景數(shù)據(jù)塊。用戶在調(diào)用PID指令塊時需要定義其背景數(shù)據(jù)塊，而此背景數(shù)據(jù)塊需要在工藝對象中添加，稱為工藝對象背景數(shù)據(jù)塊。PID指令塊與其相對應(yīng)的的工藝對象背景數(shù)據(jù)塊組合使用，形成完整的PID控制器。循環(huán)中斷塊可按一定周期產(chǎn)生中斷，執(zhí)行其中的程序。PID指令塊定義了控制器的控制算法，隨著循環(huán)中斷塊產(chǎn)生中斷而周期性執(zhí)行，其背景數(shù)據(jù)塊用于定義輸入輸出參數(shù)，調(diào)試參數(shù)以及監(jiān)控參數(shù)。此背景數(shù)據(jù)塊并非普通數(shù)據(jù)塊，需要在目錄樹視圖的工藝對象中才能找到并定義。PID選擇：圖4-10PID選擇PID指令塊的參數(shù)分為兩部分，輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)。其指令塊的視圖分為擴(kuò)展視圖與集成視圖，在不同的視圖下所能看見的參數(shù)是不一樣的，在集成視圖中可看到的參數(shù)為最基本的默認(rèn)參數(shù)，如給定值，反饋值，輸出值等。定義這些參數(shù)可實現(xiàn)控制器最基本的控制功能，而在擴(kuò)展視圖中，可看到更多的相關(guān)參數(shù)，如手自動切換，模式切換等，使用這些參數(shù)可使控制器具有更豐富的功能。參數(shù)輸入包括PID的設(shè)定值，過程值，手自動切換，故障確認(rèn)，模式切換和PID重啟參數(shù)：參數(shù)數(shù)據(jù)類型說明SetpointREALPID控制器在自動模式下的設(shè)定值InputREALPID控制器的反饋值（工程量）Input_PERINTPID控制器的反饋值（模擬量）DisturbanceREAL擾動變量或預(yù)控制值ManualEnableBOOL出現(xiàn)FALSE->TRUE上升沿時會啟動“手動模式”，與當(dāng)前Mode的數(shù)值無關(guān)。當(dāng)ManualEnable=TRUE，無法通過ModeActivate的上升沿或使用調(diào)試對話框來更改工作模式。出現(xiàn)TRUE->FALSE下降沿時會啟動由Mode指定的工作模式。ManualValueREAL用作手動模式下的PID輸出值，須滿足Config.OutputLowerLimit<ManualValue<Config.OutputUpperLimit。ErrorAckBOOLFALSE->TRUE上升沿時，錯誤確認(rèn)，清除已經(jīng)離開的錯誤信息。ResetBOOL重新啟動控制器：FALSE->TRUE上升沿，切換到“未啟動”模式，同時復(fù)位ErrorBits和Warnings，清除積分作用（保留PID參數(shù)）。只要Reset=TRUE，PID_Compact便會保持在“未啟動”模式下(State=0)。TRUE->FALSE下降沿，PID_Compact將切換到保存在Mode參數(shù)中的工作模式。ModeActivateBOOLFALSE->TRUE上升沿，PID_Compact將切換到保存在Mode參數(shù)中的工作模式。輸出參數(shù)包括PID的輸出值（REAL、模擬量、PWM），標(biāo)定的過程值，限位報警（設(shè)定值、過程值），PID的當(dāng)前工作模式，錯誤狀態(tài)及錯誤代碼。參數(shù)數(shù)據(jù)類型說明ScaledInputREAL標(biāo)定的過程值OutputREALPID的輸出值（REAL形式）Output_PERINTPID的輸出值（模擬量）Output_PWMBOOLPID的輸出值（脈寬調(diào)制）SetpointLimit_HBOOL如果SetpointLimit_H=TRUE，則說明達(dá)到了設(shè)定值的絕對上限(Setpoint≥Config.SetpointUpperLimit)。SetpointLimit_LBOOL如果SetpointLimit_L

=

TRUE，則說明已達(dá)到設(shè)定值的絕對下限(Setpoint≤Config.SetpointLowerLimit)。InputWarning_HBOOL如果InputWarning_H=TRUE，則說明過程值已達(dá)到或超出警告上限。InputWarning_LBOOL如果InputWarning_L=TRUE，則說明過程值已達(dá)到或低于警告下限。StateINTState參數(shù)顯示了PID控制器的當(dāng)前工作模式?？墒褂幂斎?yún)?shù)Mode和ModeActivate處的上升沿更改工作模式:

State=0：未啟動

State=1：預(yù)調(diào)節(jié)

State=2：精確調(diào)節(jié)

State=3：自動模式

State=4：手動模式

State=5：帶錯誤監(jiān)視的替代輸出值ErrorBOOL如果Error=TRUE，則此周期內(nèi)至少有一條錯誤消息處于未決狀態(tài)。ErrorBitsDWORDErrorBits參數(shù)顯示了處于未決狀態(tài)的錯誤消息。通過Reset或ErrorAck的上升沿來保持并復(fù)位ErrorBits。這一行是在自動的時候起作用，當(dāng)開通許可“數(shù)據(jù)塊_1”.KD_XK輸出時，且“數(shù)據(jù)塊_1”.MODE為1時，根據(jù)“數(shù)據(jù)塊_1”.ZD_MBZ自動模式下設(shè)置的目標(biāo)值和數(shù)據(jù)塊_1”.ZD_SJZ輸出的實際值，自動計算輸出Q0.0。此時輸出的是脈沖調(diào)制，一個占空比。第五行程序：圖4-11第五行程序此行程序為手動模式控制下開燈。當(dāng)“數(shù)據(jù)塊_1”.MOD為0時，就為手動模式，此時控制M0.0后，會置為Q0.0，復(fù)位M0.0，就達(dá)到手動開燈目的，且按鈕自動復(fù)位。第六行程序：圖4-12第六號程序此行程序為手動模式控制下關(guān)燈。當(dāng)“數(shù)據(jù)塊_1”.MOD為0時，就為手動模式，此時控制M0.1后，會復(fù)位Q0.0，復(fù)位M0.1,就達(dá)到手動關(guān)燈目的，切按鈕自動復(fù)位。路燈智能控制系統(tǒng)仿真模擬5.1PLC接線圖圖5-1PLC接線圖5.2模擬仿真5.2.1模擬前設(shè)置在進(jìn)行程序仿真模擬時，用到的是軟件系統(tǒng)內(nèi)自帶的S7-1200PIDCompactV2組態(tài)。在使用功能前，必須先添加循環(huán)中斷，需要在循環(huán)中斷中添加PID_Compact指令。在循環(huán)中斷的屬性中，可以修改其循環(huán)時間。圖5-2添加循環(huán)中斷使用PID控制器前，需要對其進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，分為基本設(shè)置、過程值設(shè)置、高級設(shè)置等部分。以下為詳細(xì)介紹。

1、基本設(shè)置--控制器類型a.為設(shè)定值、過程值和擾動變量選擇物理量和測量單位。b.正作用：隨著PID控制器的偏差增大，輸出值增大。反作用：隨著PID控制器的偏差增大，輸出值減小。PID_Compact反作用時，可以勾選“反轉(zhuǎn)控制邏輯”；或者用負(fù)比例增益。c.要在CPU重啟后切換到“模式”(Mode)參數(shù)中保存的工作模式，請勾選“在CPU重啟后啟動模式”。圖5-3PID_Compact>基本設(shè)置>控制器類型對于此次模擬，我們需要用到的是照度單位，如下圖設(shè)置。圖5-4PID基本設(shè)置2、基本設(shè)置--定義Input/Output參數(shù)定義PID過程值和輸出值的內(nèi)容，選擇PID_Compact輸入、輸出變量的引腳和數(shù)據(jù)類型。圖55PIDInput/Output參數(shù)設(shè)置此處我們設(shè)置輸入量為input引腳的值，輸出量為Output_PWM引腳的信號。3、過程值設(shè)置--過程值限值必須滿足過程值下限<過程值上限。如果過程值超出限值，就會出現(xiàn)錯誤(ErrorBits=0001h)。圖5-6PID過程值限值設(shè)置此處我設(shè)置的上限為20下限為0。4、高級設(shè)置--輸出值限值a.在“輸出值的限值”窗口中，以百分比形式組態(tài)輸出值的限值。無論是在手動模式還是自動模式下，都不要超過輸出值的限值。b.手動模式下的設(shè)定值ManualValu必須介于輸出值的下限（Config.OutputLowerLimit）與輸出值的上限（Config.OutputUpperLimit）之間的值。c.如果在手動模式下指定了一個超出限值范圍的輸出值，則CPU會將有效值限制為組態(tài)的限值。d.PID_compact可以通過組態(tài)界面中輸出值的上限和下限修改限值。最廣范圍為-100.0到100.0，如果采用Output_PWM輸出時限制為0.0到100.0。圖5-7PID輸出值限值設(shè)置在此我設(shè)置的輸出值上線為100%，下限為0%。5、高級設(shè)置--手動輸入PID參數(shù)圖5-8PID手動輸入PID參數(shù)比例增益設(shè)置為10.0，積分作用時間為20.0s，微分作用時間為0.0s，微分延遲系數(shù)為0.2，比例作用權(quán)重為1.0，微分作用權(quán)重為1.0，PID算法采樣時間為1.0s?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)為PID。5.2.2仿真模擬圖5-9路燈控制系統(tǒng)MAN和AUTO為切換模式按鈕，按下MAN為手動，按下AUTO為自動控制。開燈許可監(jiān)視可以判斷出當(dāng)前時間自動下可否開燈，當(dāng)切換為手動模式時，則一直享有開燈許可。系統(tǒng)時間小時讀取值為當(dāng)前系統(tǒng)時間值。開燈輸出監(jiān)視是對路燈開關(guān)的實時監(jiān)視，判斷路燈是否開關(guān)。手動控制中有手動開燈手動關(guān)燈，當(dāng)切換到手動模式下，才會起作用，手動控制路燈的開閉，不受時間控制。自動控制中