PLC控制教室毕业论文 第二章

第2章基于PLC的教学楼照明节能控制系统硬件设计

2.1 PLC的选择及设计

2.1.1 PLC的简介

可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指在继电器控制的基础上，以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC的特点有：

1.使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高，抗干扰能力强

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上

的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故

PLC的基本结构与微型计算机相同，由硬件系统和软件系统两部分构成。如图2-1 PLC硬件系统结构框图所示，主要由，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

图2-1 PLC硬件系统结构框图

PLC 的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和输出刷新。

PLC的编程语言分为五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言，梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。

2.1.2 PLC的选择

PLC的选择原则是以工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。

一、输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

二、存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。按数字量I/O 点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

三、控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

四、可编程逻辑控制器的类型

可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

五、转换原理

1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。

2. 模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。

PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。

一、合理的结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。

二、安装方式的选择

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。

三、相应的功能要求

一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂,要求实现PID 运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

四、响应速度要求

PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

五、系统可靠性的要求

对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

六、机型尽量统一

一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：

1)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。

2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，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家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

综上所述，再根据本课题设计4X4的教学楼共有16间教室，需要的IO点数。按照要求是要选择FX2N-64MR，可是学校中实验室都为FX2N-48MR。所以本课题研究选择FX2N-48MR型号的PLC。

2.1.3 PLC的输入输出分配表及接线图

1、下表2-1为PLC的输入输出分配表，左边为输入部分，右边为输出部分，将设备名称、代号、编号都列入表格内中。

表2-1 PLC输入输出分配表

2、下图2-2为FX2N-48MR的PLC外部接线图，左边为输入端，右边为输出端，共同连接一个外部电源24V。

图2-2 PLC外部接线图

2.2红外传感器及光电传感器的选择

2.2.1 红外传感器及光电传感器的选择

一、红外传感器

热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。其优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，抗干扰能力强，且价格低廉。

热释电红外传感器PIR200B系列符合ROHS指令、无铅无镉的要求。用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，生产的热释电红外感应器，提高了感应器的工作稳定性。主要应用：保险装置、防盗报警器、感应门、自动灯具、智能玩具等。

此系统设计将热释电红外传感器PIR200B系列定为4×4教学楼内101教室的红外传感器。如图2-3 为热释电红外传感器PIR200B系列的实物图

图2-3 PIR200B系列热释电红外传感器的实物图

二、光电传感器

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分

分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。

光照强度简称照度。一个被光线照射的表面上的照度（illumination/illuminance）定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS 上的光通量为dΦ，则此面元上的照度E 为：E=dΦ/dS 。照度的单位为lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/㎡。照度表示物体表面积被照明程度的量。

HZD10系列：输出方式电压DC 0-2V、电流4-20mA、RS485。NHZD10照度传感器采用进口专用照度传感核心，光学材料窗口，铝合金壳体结构；具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。可广泛用于环境、温室、实验室、养殖、建筑、高档楼宇、工业厂房等各类室内外光线强度测量。下图2-4 为HZD10系列光电传感器的实物图。

图2-4 HZD10系列光电传感器的实物图

2.2.2 红外传感器及光电传感器的工作原理

一、红外传感器

红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元

件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。下图2-5为PIR200B系列热释电红外传感器的等效电路。

图2-5 PIR200B系列热释电红外传感器的等效电路图

二、光电传感器

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的[1] 。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

下图2-6为HZD10系列光电传感器的等效电路图

图2-6 HZD10系列光电传感器的等效电路图

2.2.3 红外传感器及光电传感器的型号及参数

一、红外传感器的型号及参数

热释电红外传感器PIR200B系列PIR200B

材料符合ROHS指令、无铅无镉，某些材料的极性分子可以在特定条件下有序排列而形成自发极化，当材料吸收红外线热能产生温度变化时，分子状态发生变化，引起表面束缚电荷变化，这称为热释电效应。利用这种效应，配以不同的工艺结构和不同的红外滤光片，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，生产的热释电红外感应器，提高了感应器的工作稳定性。

此传感器用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，生产的热释电红外感应器，提高了感应器的工作稳定性。热释电红外传感器PIR200B系列PIR200B产品参数如表2-2

表2-2 热释电红外传感器PIR200B系列PIR200B产品参数

二、光电传感器的型号及参数

光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。以下是各种环境照度值：单位lux 黑夜：0.001—0.02；月夜：0.02—0.3；阴天室内：5—50；阴天室外：50—500；晴天室内：100—1000；夏季中午太阳光下的照度：约为10*6次方；

NHZD10照度传感器采用进口专用照度传感核心，光学材料窗口，铝合金壳体结构；具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。NHZD10照度传感器产品参数如下图2-3

HZD10系列：输出方式电压DC 0-2V、电流4-20mA、RS485、脉冲

NHZD10照度传感器采用进口专用照度传感核心，光学材料窗口，铝合金壳体结构；具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好，传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。工业厂房等各类室内外光线强度测量。

表2-3 NHZD10照度传感器产品参数