毕业设计（论文）-基于PLC的校园节能路灯设计

西华大学毕业设计说明书 校园路灯的节能控制系统 摘 要：校园路灯的节能控制是节能建设的一项重要内容，为了高效的进行校园路灯管理，本设计提出了一种基于三菱PLC的校园路灯节能控制系统设计方案。本设计主要应用于路灯的节能控制领域。整个系统主要分为五大模块即：传感器检测模块、时间调整和显示电路模块、强弱电配电模块、PLC控制电路模块、上位监控模块。本设计实现了以下功能，当傍晚时间和光照同时满足要求时校园路灯全部开启，进入第一种工作模式；当夜深人静时间到达1:00后路灯全部关闭变为由声音和压力共同控制路灯的开关，进入第二种工作模式；当天亮后路灯全部熄灭，声音和压力传感信号也不再起作用。本设计利用PLC作为控制系统，采用了多模式工作来控制路灯的开启和关闭，最终实现了校园路灯节能控制的目的。 关键词：校园路灯节能，三菱PLC，上位监控，多模式工作 Abstract: The campus street lamp energy-saving control is an important content of the construction of energy-efficient, for the efficient of campus street lamp management, the design put forward a design which based on Mitsubishi PLC campus street lamp energy-saving control system.This design is mainly used in the energy saving control of street lamps.The whole system is divided into five modules: sensor detection module, time adjust and display circuit module, the strength of electrical power distribution module and PLC control circuit module, monitor module. The design and implementation of the following functions, the light all open when the time and light meet the requirements of campus street lamp at the same time , this is the first mode; when in the still of night time arrived at 1:00 the lights are closed by sound and pressure control street lamp switch, to enter the second mode of work; when dawn lights all went out, sound and pressure sensor signal will no longer work. This design uses PLC as the control system, uses the multi mode work to control the street lamps turn on and the turn off, and finally this design realizes the campus street lamp energy conservation control goal. Keywords: Campus street lamp energy saving , Mitsubishi PLC , Upper monitoring , Multi mode operation 目 录1前言12系统总体方案设计22.1方案比较2 2.1.1方案一的设计2 2.1.2方案二的设计3 2.1.3方案三的设计3 2.1.4方案四的设计32.2 方案论证与选择43单元模块设计63.1光敏传感电路设计63.2声音传感电路设计73.3压力传感电路设计83.4时间调整和显示电路设计93.5 PLC硬件电路设计10 3.5.1输入输出端口分析10 3.5.2电气主电路接线图设计11 3.5.3 PLC端口接线图设计123.6三菱FX2N-48MR PLC 介绍144系统软件设计164.1编程软件介绍164.2 编程方案选择16 4.2.1经验设计控制法16 4.2.2顺序控制设计法164.3程序总流程图设计174.4 时间子程序设计19 4.4.1 秒脉冲程序的设计20 4.4.2 分显示程序的设计20 4.4.3 时显示程序的设计21 4.4.4 数字显示原理234.5路灯控制子程序设计255易控上位演示界面设计265.1易控软件介绍265.2系统易控演示功能设计27 5.2.1易控演示画面设计27 5.2.2实时数据库的变量设置27 5.2.3动画连接28 5.2.4用户程序的编写28 5.2.5通道连接295.3组态软件与PLC连接316系统调试356.1 PLC梯形图的仿真调试356.2易控组态监控系统独立调试366.3系统联调367结论378总结与体会389致谢3910参考文献40附录1：PLC端口接线图41附录2：系统上位运行图42附录3：系统PLC程序梯形图43附录4：外文资料翻译47I 1前言近年来随着能源的急剧紧张，“节能”这一话题成为了各行各业的一个重要的关注话题。能源节约和环保问题越来越被世人所关注，对于我国来说飞速发展的经济对能源的要求所面临的问题就更加突出。校园路灯的节能控制是节能建设的一项重要内容，为了高效的进行校园路灯管理，各国都在不断的进行研究，利用各种先进技术，提高路灯的控制效率，保障路灯的可靠运行。现在城市化的程度越来越高，而路灯一般采用的是高压钠灯，因此路灯在日常生活和校园电能的消耗中占有的比例也越来越重，根据相关资料显示，路灯在城市生活中的电能消耗比例基本上占到了30%左右。而在我们的日常校园生活中我们不难发现，有时校园路灯在该开启时没有开启，而在夜深人静的时候很多灯在无人时又全部开启的，这就浪费了大量的能源。因此，校园路灯节能问题是值得研究和重视的，校园路灯的节能控制的推广对于节约学校的开支和节能减排都有着极其重大的意义。校园路灯的节能问题一般应从两个方面来思考和解决,一是使用效率高、寿命长、安全性能高的照明灯具。另一方面是开发高效的智能控制系统，通过合理的路灯开启和关闭来降低能源的损耗，在人流量和车流量高峰期开启路灯实现人们的安全出行，而在深夜无人时可采用其他的控制方案，来达到节能的目地。本次的设计就是从开发更加实用的智能控制系统这个方面来达到节能设计目地的。根据了解，目前国内外在校园的路灯的控制方面主要有以下几种方式：自控型路灯控制系统、有线型路灯控制系统、常规无线型数传电台控制系统。随着现在城市化程度越来越高，校园的路灯控制也越来越复杂，以上几种控制方式已经越来越不能满足节能控制的目地。基于对以上控制系统的优缺点的分析，本次设计提出了一种基于三菱PLC的多模式校园智能节能系统的设计。2系统总体方案设计本次系统设计的总体要求是利用PLC技术，通过声音、压力、光照强度、时间等因数控制路灯的开关、亮暗，以达到节能的目的。系统设计的功能要求为：1）通过PLC组成控制系统实现校园路灯的节能控制；2）利用声音传感器和光敏传感器完成路灯的数据采集；3）设计出软件框图并编写程序调试运行；4）编写上位机程序，完成显示操作界面；5）完成易控上位监控设计并演示实现的功能；2.1方案比较2.1.1方案一的设计对于校园节能路灯的控制系统方案一为采用单片机作为控制中心，单片机控制方式的优缺点如下：1）单片机具有低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗的优点。2）具有高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用。3）单片机内部有ROM结构，以便小批量生产，减少MASK风险。4）单片机的程序开发具有程序保密功能，防止拷贝，保护成果。5）拥有方便的开发工具即仿真器与烧入器但在工业控制中其抗干扰能力弱，并且需要单独设计系统的电源，使得系统稳定性和可靠性不高，其系统的维护与跟新换代也比较麻烦，这是其最大的缺点。单片机控制的系统结构图如下图2.1所示。图2.1 单片机控制系统结构框图2.1.2方案二的设计方案二节能路灯的控制方法为采用PLC作为控制系统的时间因素控制法。但结合实际的校园生活调查情况来看时间单模式控制法不适应季节的变化和天气情况突变等自然情况。因为一年四季的黑夜到来时间不一，这样单独以时间作为控制因素的话，就使得系统的控制过于复杂，并且很不实用。有时天气的影响也会使得黑夜提前到来，如果此时校园路灯不能及时开启的话将会对校园行人的安全带来极大影响。此方案的系统框图如下图2.2所示。图2.2 PLC钟控法系统结构框图2.1.3方案三的设计方案三节能路灯的控制方法为采用PLC作为控制系统的“光强控制”法。但“光强控制”法容易受外部环境的干扰，比如有时遇下雨多云的天气，光照强度就会达到傍晚路灯开启的条件，路灯就会开启，但此时往往又是不需要开灯的。并且光控法灵敏度低且可靠性也较差。光控法的系统框图如下图2.3所示。图2.3 PLC光控法系统结构框图2.1.4方案四的设计方案四为采用PLC作为控制系统的“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”多因素综合控制的校园路灯节能控制系统。结合各高校的校园生活来看，校园道路的人流量和车流量在夜间19:00一1:00 是最高峰的时段，而在凌晨1：00过后的人流量和车流量则会显著的降低，基本无人和车辆通行。因此这种情况下对光照强度的要求和实际用电需求也应有所降低，不必开启全部灯。但根据实际的情况来看，在深夜各校园的路灯基本都是全亮的。因此，当夜深人静时，保持原有设计的照度的照明就是一种浪费，此时就可以利用声音加压力来控制路灯的自动开关。根据上述问题，提出了以下方案，通过双条件开启路灯，并结合声音和压力在深夜的时候自动的开启和关闭路灯。不仅保障了行人的安全，还起到了节能的目地，从而达到最佳的效果。本设计的路灯开启参考时间是可调的。方案四的系统总体框图如下图2.4所示。图2.4 方案四控制法系统结构框图2.2 方案论证与选择对于方案一来说，若选择单片机作为控制系统的话，其花费的成本相对较低，但是其稳定性和可靠性就大不如PLC作为控制的核心。因为PLC现在已经广泛的应用于各种工业复杂条件下的工业设备控制，其可靠性能基本上是现在所有控制领域中最高的，并且其是可编程的，对于系统的升级、扩容和更新换代都是很方便的，随着其普及程度的提高，其价格也相对合理。因此，相对于方案一来说选择选择PLC作为控制系统核心更为合理。更能满足校园路灯节能控制系统的可靠性和稳定性。对于方案二，三来说，时间控制法不适应季节的变化与天气突变等自然情况，而光照强度控制法容易受外部环境的干扰，灵敏度较低可靠性也较差，二者单独使用都不能实现校园路灯的合理化、科学化控制。因此，只有二者结合设计，才能使路灯的控制更加科学更加合理更加可靠和稳定。综上所述，对校园路灯这个控制对象来说，选择PLC作为核心控制器，辅以外部电气控制电路，通过“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”多因素综合控制路灯的开关是校园节能路灯设计的最佳选择。并且以PLC为控制的校园节能路灯系统将更加方便，价格也相对便宜，更重要的是其可靠性更高，维修和更新换代也更加方便。综合以上考虑，本次设计选用以PLC为控制核心的“时间”、“光照强度”、“声音”和“压力”多因素综合控制的校园节能路灯控制系统设计方案。3单元模块设计3.1光敏传感电路设计本电路采用YSQ2008-A型光照传感器来检测环境的光照强度，当光强达到1000lux时相当于天黑后灯亮信号，输出一个高电平的开关量到PLC的一个输入口。当光强达到5000lux时相当于天亮后灯熄灭信号，输出一个高电平的开关量到PLC的另一个输入口，其实物图如下图3.1所示。 图3.1 YSQ2008-A型光照传感器其主要性能参数如下：1）量程: 0200K lux2）反应时间: 100ms 3）精度：5% 4）环境温度：-2080C 5）供电电压：9V24V DC所设计的光敏传感电路如下图3.2所示。 图3.2 光敏传感电路 3.2声音传感电路设计本电路用YHT399 声音传感器检测声音分贝大小，当达到50db时输出一个高电平的开关量到PLC的一个输入口。其实物图如下图3.3所示。 图3.3 YHT399声音传感器其主要性能参数如下：1）量程：20140 dB 2）精 度：1% 3）供电电压：5V24V DC 4）频率范围：20HZ20K HZ所设计的声音传感电路如下图3.4所示。 图3.4 声音传感电路3.3压力传感电路设计本电路利用YF-LN-5 压力传感器来检测压力大小，当检测到压强大于或等于9800pa时，相当于一个小孩子站在路面所产生的压强大小，此时视为压力产生。输出一个高电平的开关量到PLC输入口。压力传感器的实物如下图3.5所示。 图3.5 YF-LN-5 压力传感器其主要的性能参数如下：1）量 程：-0.1200MPa 2）供电电压：+24VDC、+12VDC、+5VDC3）精 度：1% 4）工作环境：-20C 75C压力传感电路设计如下图3.6所示。 图3.6 压力传感电路3.4时间调整和显示电路设计时间调整电路由四个按键构成，分别用来调整时间显示的时和分。分别接入PLC的X2-X5输入端口。时间显示电路是由4个共阴的7段数码显示管构成，由于PLC用的是24V的电压输出口，因此还加了7个分压电阻，然后分别接入PLC的Y0-Y6输出端口。用三菱PLC中的特殊继电器来提供秒脉冲信号，秒脉冲可以通过一个发光二极管LED进行指示。时间调整电路和时间显示电路分别如图3.7和图3.8所示11。 图3.7 时间调整电路图3.8 时间显示电路3.5 PLC硬件电路设计3.5.1输入输出端口分析根据本次设计的需要和易控演示的需要对于本次PLC校园节能路灯的设计采样8个路灯来实现具体显示功能。因此启动和停止需占用两个输入端口，时间调整按键需占用4个输入端口，光照、声音和压力传感器共需占用10个输入端口。而对于输出来说，秒脉冲显示需占用1个输出端口，时间显示需占用11个输出端口，路灯的开启关闭需要4个输出端口。为了满足输入输出口的个数以及故障备用等各综合因素的考虑，本次PLC选用的三菱FX2N-48MR。输入输出端口和具体功能列表如下表3.1所示1。表3.1 输入输出端口分配表 输入信号 输出信号 名称代码输入点编号名称代码输入点编号启动按钮SB1X0数码管a段aY0停止按钮SB2X1数码管 b段bY1分个位调整SB3X2数码管c段cY2分十位调整SB4X3数码管d段dY3时个位调整SB5X4数码管e段eY4时十位调整SB6X5数码管f段fY5光强aSQ7X6数码管g段gY6光强bSQ8X7数码管公共端D1Y10路灯L1，5压力SQ9X10数码管公共端D2Y11路灯L1, 5声音SQ10X11数码管公共端D3Y12路灯L2，6压力SQ11X12数码管公共端D4Y13路灯L2，6声音SQ13X13秒闪烁发光二极管POINTY20路灯L3，7压力SQ14X14 路灯L1，5亮KA1Y21路灯L3，7声音SQ15X15 路灯L2，6亮KA1Y22路灯L4，8压力SQ16X16 路灯L3，7亮KA3Y23路灯L4，8声音SQ17X17 路灯L4，8亮KA4Y243.5.2电气主电路接线图设计PLC采用市电AC 220V供电，在PLC的输入口各个旋钮开关和传感器检测元件，一头接入PLC的输入点，一头接PLC的+24V端,中间采用1.5K电阻分压。其中+24V电压来自PLC的输出+24V电源。输入端的公共端M1,M2和M端相连。路灯全部采用的高压钠灯，为了方便维护和各电气器件的安全，输出端的控制没有直接和负载连接，而是通过中间继电器相连来控制路灯的开关，其中中间继电器全部采用2P的+24V中间继电器，中间继电器的供电电压来自PLC的+24V电源模块。各电气元件的选型列表如下表3.2所示5。表3.2 各电气原件的选择及其原件参数序号代号元 件 名 称型 号规 格件 数作 用1SB1-SB6按钮LA19-116PLC输入2 SQ7-SQ16 传感器输入 10 PLC输入3 L1-L8 高压钠灯 NG400 400/W 8 显示4FU1熔断器RL160A、熔体25A2电源保护5FU2熔断器RL115A、熔体10A2L1,5短路保护6FU3熔断器RL115A、熔体10A2L2,6短路保护7FU4熔断器RL115A、熔体10A2L3,7短路保护8FU5熔断器RL115A、熔体10A2L4,8短路保护9FU6熔断器RT1832A,熔体2A2PLC短路保护10BT隔离变压器380V/220V380V/24V500VA1提供PLC及附属电源11KA1-KA4中间继电器4控制路灯开关校园路灯节能控制系统的PLC控制仿真电路电气接线图设计效果图如下图3.9所示。图3.9 电气接线图3.5.3 PLC端口接线图设计校园路灯节能控制系统的PLC控制电路端口接线图设计效果图如下图3.10所示。 图3.10 PLC端口接线图3.6三菱FX2N-48MR PLC 介绍20世纪60年代末，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转换为小批量多品种的生产。而当时生产线的控制电路多是由继电器构成，它不但体积大，耗电多、可靠性低，特别是生产的程序不好改变。市场的需求急需一种可编程的新型控制系统产生，于是PLC就在这样的环境和历史条件下诞生了。当时人们把这样一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器（Programmable LogicController)，简称PLC。它将继电-接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想变为了现实，较好的把继电-接触器控制简单易懂，使用方便，价格便宜等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，从而基本上解决了当时工业控制继电器-接触器控制系统在可靠性、灵活性、以及通用性方面存在的各种问题。随着计算机技术的日新月异，PLC还增加了算术运算、数据传输与处理以及对模拟量进行控制等功能。如今PLC还实现了的远程控制和通信功能，通过以太网、蓝牙或者互联网实现各个系统的连接和通信，便于人们对PLC实施远程的控制和监控。新的控制器PLC的诞生，带来了全新的控制理念，全新的控制系统结构。如今PLC在工业控制和其他控制领域的使用已经全面普及。PLC的功能也越来越强大，逐步取代了单片机等各种控制系统在工业控制中的地位，得到了各行各业的一致认可。可编程控制器的技术指标是由使用者首先提出来的，与其他控制设备相比，它具有如下独一无二的特点，其特点如下：1）高可靠性PLC采用了一些优质器件，在硬件方面采用了较先进的电源，以防止由电源回路串入的干扰。软件方面设置了警戒时钟WDT、自诊断等措施。这一系列措施使PLC的平均无故障时间可达30万小时。2）灵活性高、通用性强、扩展性好它不仅可以代替继电器控制系统，使硬件软化，提高系统的可靠性，而且可以很方便的通过用户程序的修改来适应各种工艺流程变更的需求。3）功能强大PLC具有自诊断、监控和各种报警的功能，即可完成顺序控制，又可以进行闭环回路的调节控制。随着技术的进一步发展，PLC的功能也变得越来越强大，可以说，PLC在控制灵越内几乎无所不能。4）性价比高，适应性强PLC是一开始是专门为工业环境下应用而设计的工业计算机，其性价比高，适应性强，是现场工人易于掌握和接受的新一代控制领域的蓝领1。目前在市面上使用得最广泛的PLC是德国的西门子系列PLC和日本的三菱PLC，前者主要用于高端的复杂控制领域，后者主要用于中低端的控制领域。本次设计的校园节能路灯控制系统属于中型控制系统，结合相关参数和控制的要求以及成本的考虑，本次设计采用的就是日本三菱FX2N-48MR PLC，其主要的性能和参数如下表3.3所示13。表3.3 三菱FX2N-48MR PLC主要参数型号I/O口总数 输入 输出尺寸mm（英寸）宽*厚*高数目类型 数目 类型FX2N-48MR 4824漏型24 继电器 182*87（7.2*3.4*3.5） 晶体管本次设计采用的三菱FX2N-48MR PLC实物图如下图3.11所示。图3.11 三菱FX2N-48MR PLC实物图4系统软件设计4.1编程软件介绍 此次设计的软件编程和软件调试是在三菱GX7编程软件上完成的，GX7是一种模拟调试PLC梯形图的一种软件可以进行PLC的运行仿真，它的出现给PLC工业控制带来了巨大的进步。本次设计就是利用GX7来完成编写程序，调试程序以及仿真效果软元件监视等功能的，利用这些功能设计出梯形图，经过反复的修改、调试、运行一直达到自己所要实现的目的。这样就可以在设计中节约成本，提高经济利用率，进行模拟仿真可以检验程序的正确与否，总之在PLC电路的设计和应用中起到了良好的运用。4.2 编程方案选择软件是系统的核心，清晰、正确、易读的程序才能更好地实现系统的功能，才能跟便于程序的维护和修改。随着PLC的发展，PLC的编程方法也比较多，目前在实际应用中以经验设计法和顺序控制设计法为主。下面将对这两种方法进行简单的介绍和优缺点分析。4.2.1经验设计控制法经验设计法编写PLC程序一般需要多次反复地调试和修改，增加一些触点或中间编程元件，最后才能得到一个较为满意的结果。这种方法设计的梯形图比较简洁，但各“步”之间相互牵扯，相互影响。但在实际工程中一些经验比较老道的PLC编程者一般都喜欢使用的这种方法。由于经验控制方法编程没有一个固定的规律和准则可以遵循，具有很大随意性。因此，最后的结果也不是唯一的，设计所用的时间，设计的质量与设计者的经验和能力也有很大的关系，这种方法一般用于比较简单的梯形图的设计。经验控制法有很多模块化的程序是可以直接根据以往的经验和使用直接运用于新系统的，一些电工手册中还给出了大量的常用的继电器控制电路，因而在使用经验设计法设计梯形图时，可以直接参考这些电路的梯形图设计模块。4.2.2顺序控制设计法使用顺序控制法编程的PLC控制系统一般都有比较严密的逻辑顺序，编程前要先画出系统的工作顺序流程图，然后在逐步编写各“步”的PLC程序。该方法编程方便，可读性最好。只要能分出个程序的“步”，使用此法能快速地编出复杂的程序，而且使用极为方便，可进行跳转、多流程和多种工作方式的设计，还可以与方便指令FNC60配合，设计出具有自动回零、手动方式、单步方式、单周期方式和连续运行方式的梯形图，非常具有使用价值，因而在实际应用中采用顺序控制法进行PLC编程也使用得最为广泛1。 4.3程序总流程图设计根据经验设计法与顺序控制法的特点，我们知道，经验设计法适合用于简单的程序。而顺序控制法适合用于复杂的控制系统，尤其是顺序控制程序。本文设计的系统含有时间调整和显示电路，这是可以运用以前的经验直接编写这一模块的而且系统的流程也没有明显的逻辑顺序，整体来看编程也比较简单，因而本次设计采用的是经验控制法进行的程序设计和编写。该校园节能路灯控制系统的软件程序包括：时钟程序，显示程序、秒脉冲状态指示程序，路灯控制程序。系统在开启后执行时间子程序，首先开启时钟电路，控制时钟电路开始工作，之后需要调整系统时钟电路的时间，时间必须与当前具体时间一致。然后进入校园节能路灯的控制程序，首先读取亮度采集电路的参数判断光强是否等于或小于1000lux,然后判断时间是否到了设定的时间，当时间和光强同时满足时，路灯全部开启直到凌晨1：00全部关闭，然后进入声音压力控制路灯工作程序，最后当光强大于或等于5000lux时声音压力传感器不起作用，进入白天工作程序，如此一次反复执行。在这个设计中，当天黑后同时满足时间大于19:00和光强低于1000lux时（即视为黑夜到来），此时所有路灯都开启，至1:00点为第一工作状态，此时为校园人流集中时间。 当1；00点后进入第二工作状态，此时由于校园内基本没有行人和车辆，则将路灯全部关闭，利用声音和压力传感器来控制路灯的开光，当早晨光强大于5000lux时（即视为白天到来）时路灯就不再亮了，这样通过两种工作状态来达到校园路灯的节能目的，同时也能满足校园行人和安全的保证。本次设计的校园路灯的节能控制系统软件程序流程图如下图4.1所示。图4.1 软件程序结构流程图4.4 时间子程序设计本次路灯节能控制系统设计的时间子程序的流程图如下图4.2所示。 图4.2 时间显示子程序的流程图4.4.1 秒脉冲程序的设计节能路灯PLC控制器秒脉冲程序梯形图如图4.3所示。图4.3 节能路灯PLC控制器秒脉冲程序梯形图如上图的PLC梯形图所示，当按下系统启动按钮时X0闭合，发出启动信号，中间继电器M200线圈得电并自锁。由计时器T0、T1组成1s时钟脉冲输出信号 ,由M0、C0组成一分钟输出一次脉冲信号,Y020为秒闪烁输出。4.4.2 分显示程序的设计 PLC控制器分显示程序梯形图如图4.4所示。图4.4 PLC控制器分显示程序梯形图PLC程序的分显示程序原理如下：由辅助继电器M1-M10分别接分个位显示程序。当M1闭合时，分个位显示“0”；当M2闭合时，分个位显示“1”；当M3闭合时，分个位显示“2”；当M4闭合时，分个位显示“3”依次类推。辅助继电器M13-M18分别接通分十位显示程序。当M13闭合时，分十位就显示“0”；当M14闭合时，分十位显示“1”；当M15闭合时，分十位显示“2”，当M16闭合时，分十位显示“3”，如此依次类推。需要对分进行时间调整改变时间时，只需要按下按钮SB4，此时X3闭合，计数器C10计数。经过1次计数后，其常开触点闭合，使得状态继电器S5得电，其一常开触点闭合，产生一个分位脉冲，改变分的当前显示，与此同时状态继电器S5的另一常开触点闭合，使计数器C10复位，为下一次计数作好准备。4.4.3 时显示程序的设计时显示程序由辅助继电器M21-M35来完成，由辅助继电器M33-M35接时十位显示。当M33闭合时，时十位显示“0”；当M34闭合时，时十位显示“1”；当M35闭合时，时十位显示“2”。M21-M30接通时个位显示。当M21闭合时，时个位显示“0”；当M22闭合时，时个未显示“1”；当M23闭合时，时个位显示“2”，如此依次类推。PLC的时显示程序梯形图如图4.5所示。 图4.5 PLC控制器时显示程序梯形图当需要对系统时状态进行手动调整以改变系统时间时，只需按下按钮SB5，此时X4闭合，计数器C11得电并开始计数。经过一次计数满后，其常开触点闭合，使得状态继电器S6得电，其一常开触点闭合，产生一个时个位移位脉冲，改变时的当前显示。而状态继电器S6的另一常开触点闭合，使计数器C11复位，为下一次计数作好准备。4.4.4 数字显示原理当系统开机时，时间显示为00时00分。数字显示的原理如下图4.6所示。图4.6 数字显示原理PLC的输出点Y0-Y6分别接通七段数码管的a-g端口。要显示数字只需要Y0-Y6有输出信号。例如，显示1只需Y1和Y2有信号输出，它的十进制常数为K6=12+14,即K6转换为二进制数正好满足要求。再把常数值K6有MOV指令传送到相应的数码管中就可以显示数字了。显示数字0-9的常数值如下表4.1所示。 表4.1 显示数字0-9的常数值显示数字输出点状态常数值Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y000111111K6310000110K621011011K9131001111K7941100110K10251101101K10961111101K12570000111K781111111K12791101111K11各辅助继电器与其对应的时间如表4.2所示。表4.2 各辅助继电器所对应的时间0123456789分个位M1M2M3M4M5M6M7M8M9M10分十位M13M14M15M16M17M18时个位M21M22M23M24M25M26M27M28M29M30时十位M33M34M35初始状态时，辅助继电器M10闭合，特殊辅助继电器M8011每闭合一次，计数器C3就计数一次，其常开触点得电闭合并接通辅助继电器M110。然后，辅助继电器M110的常开触点又使计数器C3复位。辅助继电器M110的另一常开触点将产生一个移位脉冲，移位脉冲指令将辅助继电器M100的当前状态“1”送到辅助继电器M101中，使辅助继电器M101的当前状态变为“1”。当移到最高位时，辅助继电器M105得电闭合，其常开触点闭合，使辅助继电器M101-M104复位，如此反复的远行。PLC控制器数码管动态扫描梯形图如图4.7所示。 图4.7 PLC控制器数码管动态扫描梯形图 4.5路灯控制子程序设计在路灯控制子程序设计中，当天黑后同时满足时间大于19:00和光强低于1000lux时（即视为黑夜到来），此时所有路灯都开启，至1:00点为第一工作状态。当1；00点后进入第二工作状态，此时路灯全部关闭，利用声音和压力传感器来控制路灯的开光，当早晨光强大于5000lux时（即视为白天到来）时路灯就不再亮了。为了方便仿真本次设计只使用了8个高压钠灯作为演示。且将L1,L5作为一组并联起来；将L2,L6作为一组并联起来；将L3,L7作为一组并联起来；将L4,L8作为一组并联起来。当夜晚路灯开启后L1-L8全部开启，1:00后全部熄灭，并且每组路灯都有对应的一组压力和声音传感器信号输入端口当检测到信号后来控制路灯的开关，并且开启后将会延时2min后熄灭。当光强大于5000lux后路灯就全部熄灭，不再受压力和声音信号的影响了。综合以上，设计出的路灯控制子程序梯形图如下图4.8所示。图4.7路灯控制子程序梯形图 图4.8路灯控制子程序梯形图5易控上位演示界面设计5.1易控软件介绍在本次上位监控设计中，校园节能路灯控制系统的功能演示设计软件采用的是易控组态王软件。现对易控上位监控软件做简要介绍。 易控简单易学，是目前使用比较广泛的控制系统上位监控和功能演示设计软件。本次上位设计使用的是易控（INSPEC)2009版。软件基于分布式和开放式的架构设计，稳定可靠，其无与伦比的图形系统、多语言用户程序等众多功能给客户带来人机体验的卓越提升。能使用户很快的掌握使用该软件进行上位监控设计，易学易用。其有如下几个优点。1） 卓越的可视化 易控拥有非常丰富的动画图形，庞大的图形库和各种精美的画面，用户还可以根据自己的需要插入外部的图形。2） 超越组态应用 易控能使用C语言和VB等简单语言进行程序编写，还可以调用三方程序。还能自动的检测和定位错误的程序，帮助用户进行程序的编写和修改，可以实现轻松的编程。3） 构建大系统 易控采用的是分布式的网络架构，提供面向未来的可灵活配置的结构，并且网络结构有很好的伸缩性，因而可以很方便的构建大系统。4） 高度集成创新 易控软件高度集成，提供了多种手段和其他监控层和管理层的软件系统进行数据交互，可与用户的各种方案连接。5） 易学易用 易控能实现工程的快速开发，一切以用户为中心，采用大量的人性化的界面设计，全程操作提示、错误检测和提示。因此，易控简单易学，使用易控开发上位工程设计能事半功倍。6）基于易控可完成以下工作：建立一个新工程设计画面流程定义数据变量进行动画连接添加模拟设备，使整个画面能模拟运行。5.2系统易控演示功能设计5.2.1易控演示画面设计根据本次设计的要求在易控演示画面应该画有手动按钮开关，路灯组，各传感器，时间显示等图。进入组态王运行系统，设计出校园节能路灯控制系统的易控组态王功能演示画面的界面如图5.1所示17。图5.1 校园节能路灯控制系统的组态画面设计5.2.2实时数据库的变量设置点击工程菜单栏，打开变量组，右键新建变量，根据需要更改变量名称和变量的类型，在此过程中也可以选择批量建立同类型变量比较多的变量，在进行变量设计时还要注意对初始状态的设置以及变量的上下限的设置，这样能避免系统的越限。此次易控设计新建变量如下图5.2所示。图5.2 变量配置5.2.3动画连接易控动画连接的表格如下图5.3所示。 图5.3 动画连接表格5.2.4用户程序的编写打开用户程序菜单，点击进行用户程序的编写，用户程序的编写包括变量改变程序编写、工程程序编写、画面程序编写以及条件程序编写，用户可以使用C语言或者VB语言进行程序编写，如下图5.4所示。 图5.4 用户程序编写5.2.5通道连接对于通道的连接，首先右键I/O通信，新建，选择串口1。新建通道如下图5.5所示。图5.5 新建通道本设计中采用的是三菱FX2N-48 系列可编程控制器，当其与上位机相连时，其设置的参数如下表5.1所示。表5.1 设备的通信参数设置项缺省值推荐值波特率96009600数据位长度78停止位长度11奇偶校验位偶校验奇校验其通道配置图如下图5.6所示。图5.6 配置通道然后选择工程浏览器左侧“设备 COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择三菱FX2N系列PLC产品中的“编程口”，检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。串口设置图如下图5.7所示。图5.7串口设置对话框 5.3组态软件与PLC连接1）MX Component 设置运行MELSOFT Application/MX Component/PLC Monitor Utility，再如图5.85.11所示进行设置。 图5.8 MX Component设置步骤1图 5.9 MX Component设置步骤2图 5.10 MX Component设置步骤3图 5.11 MX Component设置完成状态2）运行 GX Simulator启动梯形图逻辑测试功能，将编写的梯形图程序写入GX Simulator中，出现图5.12所示窗口，则GX Simulator成功运行。图 5.12梯形图逻辑测试功能图3） 运行易控的上位界面（F5）打开 PLC 控制变频器调速工程，编译，若编译为0错误、0警告，再运行（F5） ，出现图 5.13所示，选择忽略，则 PLC 控制变频器调速工程顺利运行，出现上位界面。图 5.13 易控运行提示本次校园节能路灯控制系统的上位设计运行后的易控界面如下图5.14所示。图5.14 系统上位运行图6系统调试6.1 PLC梯形图的仿真调试本次的PLC控制系统的软件控制程序的调试工作是在GX7编程软件上完成的，首先将本次设计的梯形图代码输入软件，形成了系统完整的梯形图代码，通过软件的编译和检测代码正误功能，发现了一些代码的不当之处，经检测发现错误代码的位置为灰色时，通过仔细的检测和修正，直到代码完全正确后运行程序进行虚拟仿真测试。运行成功后工作界面如下图6.1所示。图6.1 PLC仿真运行工作界面此时虚拟仿真PLC处于运行RNU状态，然后点击菜单启动选项，再选择继电器内存状态监视选项对X,Y,M继电器以及其他输出原件进行监视，通过虚拟按钮的操作就可以得知系统的运行状态，并在此基础上进行反复调试，最终实现了本次设计所要达到的目标。其软元件监视界面如下图6.2所示。图6.2 软元件监视与工作界面6.2易控组态监控系统独立调试本次上位监控界面的设计和调试是在易控组态软件上完成的，对于易控监控系统的独立调试首先需要完成上位监控界面的设计以及元器件的关联并建立组态王数据库，以及完成控制脚本程序的设计。在完成上述工作后就可以进行上位组态监控系统的独立调试，通过调试发现了一些校园节能路灯上位监控演示界面工作时的问题，比如在操作人机界面时，易控的工作与实际不一致以及开始时间不能控制等问题。经过仔细的检测以及通过老师同学的帮助，最终完成了上位监控界面的设计以及调试工作，达到了预期的目标。6.3系统联调本次校园路灯节能控制系统设计的系统联调由于实际的条件限制无法做出实际的校园节能路灯控制系统的模型，因此系统联调主要是用上位机与PLC虚拟软件控制系统的通信连机调试。在调试过程中首先要运行三菱GX7软件，并打开软元件监视界面，与此同时也要运行上位监控易控组态软件。然后要进行通信协议以及其他相关设置。设置完成后就可以在上位监控的人机界面进行操作，当发现操作上位人机界面的时候，能够在三菱GX7 PLC编程软件的继电器内存状态监控界面发现相关的数据变化正确，表明上位机和PLC虚拟软件控制系统的连机调试成功了，这就表明系统的设计和运行是正确和可靠的。7结论通过上面的PLC虚拟编程软件调试，上位机调试，以及系统的联调我们可以得出本次对于基于三菱PLC的校园路灯的节能控制系统设计是成功的，初步估计其可比时间控制路灯开关节能三分之一以上，其在实际校园的运用也是可行的。设计综合了计算机和PLC 的长处，计算机作为上位机提供良好的人机界面，可以进行全系统的监控和管理及时发现路灯的问题，PLC 作为下位机执行可靠有效的分散控制。监控系统不仅可以接受多种由PLC 发出的控制信号，亦可向PLC 发出各种命令信号，还可以与PLC 之间进行各种状态数据的传输。基于三菱FX2N-48PLC的校园路灯节能控制系统的设计正确，实现了校园路灯节能的目的，加强了远程监控的能力，提高了控制系统的准确性和稳定性。本次设计验证了基于三菱FX2N-48MR PLC的校园路灯节能的设计，达到了预期的目地与设计要求，实现了题目的设计和功能需求。本设计的实现成本也比较低，相信经过进一步的改进后，该设计一定能在实际的校园路灯中得到更好的应用和发展。本课题的设计，根据节能路灯对控制系统的要求，论证了总体方案，选择了我认为是最佳方案的PLC控制系统。通过对PLC的输入、输出信号的分析计算、论证，合理的对PLC进行了选型。绘制出了控制逻辑动作程序图及程序梯形图，据此编制出了PLC控制程序，并且进行了中间继电器、气动电磁阀和各开关的外部电路设计。从而，初步掌握了三菱PLC系统产品的设计过程、方法和要求。当然本设计还有很多的不足，还有待进一步的提高和优化。8总结与体会一开始拿到这个题目的时候，不知道从哪里开始下手，不知道校园路灯PLC控制系统要怎样进行具体设计，遇到了很多难题。后来在王萌老师的指导下，才知道要怎么开始做并确立了设计的方案。于是我就开始找资料，了解PLC的有关知识，学习电路、控制电路的设计原理，看不懂的时候就去问老师、同学。在这些都搞得比较明白后就开始进行流程图设计和系统硬件电路图设计，最后用了很长时间设计出了系统的PLC程序和上位监控画面，在老师和同学的帮助下，改正了多处有问题的地方。通过本次毕业设计，我在指导老师王萌老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，对当前工业控制产品领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，对PLC领域的学习对我今后进一步学习工业控制方面的知识有极大的帮助。在此，感谢在此次设计中给我们帮助的老师和同学。没有你们的帮助与支持，我不可能完成此次毕业设计。本课题的设计，根据校园路灯节能系统对控制系统的要求，论证了总体方案，选择了我们认为是最佳方案的PLC控制系统并辅以时间、声音、光照、声音等多因素作为控制路灯的开启和关闭条件。通过对PLC的输入、输出端口的分析、论证，合理的对PLC进行了选型。绘制出了控制系统逻辑动作程序图及程序梯形图，据此编制出了PLC控制程序，并且进行了中间继电器、气动电磁阀和各限位开关的外部电路设计。并进行了上位监控的设计。由于时间紧迫，能力有限，我在很多方面还没有完全弄懂。有些设计工作还有待完善，本次基于三菱PLC的校园节能路灯运用与实际还有待完善。为了安全的考虑，在某些校园的极其重要的路口的路灯可以不接入本控制系统，采用时间控制或人工控制在夜晚时常开或者应急条件下及时的开启和关闭。此次的毕业设计让我收获颇多，在以后的学习和工作中我会继续努力,提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。9致谢对于此次毕业设计有很多要感谢的人，在一开始拿到这个题目的时候，真的很茫然，不知道从哪开始下手，不知道校园路灯PLC控制系统要怎样进行具体设计。后来在王萌老师的指导下，才知道我要怎么着手开始做。于是我就开始找资料，了解PLC的有关知识，学习电路、控制电路的设计原理，看不懂的时候就去问老师、同学。在这些都搞得比较明白后就开始画设计流程图和电路图，最后用了很长时间才设计出自己的PLC程序和上位监控，在老师和同学的帮助下，改正了多处有问题的地方。并且王萌老师对此次毕业设计的方案选择和系统的设计以及对于书写的报告做了全方面的指导。通过本次毕业设计，丰富了我的实际设计经验，相信这对我以后的工作一定会有很大的帮助。最后，衷心的感谢在此次毕业设计的过程中给我帮助的老师和同学。感谢你们的帮助与支持，没有你们的帮助与支持，我不可能如此顺利的完成此次毕业设计。10参考文献1 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PLC基础及应用M.2版.北京：机械工业出版社，20076 吴中俊，黄永红. 可编程控制器原理及应用M.北京：机械工业出版社，20117 廖长初. 可编程序控制器的编程方法与工程应用M.重庆：重庆大学出版社，20118 卢巧，欧姆龙. PLC编程指令与梯形图快速入门M.北京：电子工业出版社，20109 罗杰，谢自美. 电子线路设计M.北京：电子工业出版,2008.410 康华光. 电子技术基础(第五版)M.北京：高等教育出版社，2012.311 张永瑞. 电路基础教程M.北京：科学出版社，200512 周美兰等.PLC电气控制