李立新 邱忠超 姚振靜

（防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院 河北·廊坊 065201）

0 引言

隨著PLC在我國(guó)各行業(yè)的大力應(yīng)用和快速發(fā)展，普及可編程控制器的技術(shù)對(duì)提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率有著十分重要的意義。因此，PLC作為自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)課日益顯出其重要性。該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力、新技術(shù)應(yīng)用開發(fā)能力、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有不可替代的作用。由于PLC課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系比較緊密，因此PLC課程的實(shí)驗(yàn)除了基本的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還有很多應(yīng)用型的綜合實(shí)驗(yàn)。例如：交通信號(hào)燈控制、水塔水位自動(dòng)控制、自動(dòng)軋鋼機(jī)、自動(dòng)送料裝車系統(tǒng)和電梯控制等。這些實(shí)驗(yàn)中大學(xué)生日常生活中常見的如交通信號(hào)燈控制和電梯控制比較受學(xué)生的歡迎，容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)和探索的興趣?；谝陨显?，作者開發(fā)了一種基于松下FP0R系列PLC的智能居所實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，與日常生活聯(lián)系緊密，編程方法多樣，知識(shí)覆蓋面較廣，有一定的綜合性，受到了學(xué)生的熱烈歡迎。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

智能居所的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括 PLC、遙控開關(guān)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、門、窗、監(jiān)控裝置和霍爾速度傳感器。其主要功能是在一個(gè)居住環(huán)境里，人們按下手中的遙控器就可以控制室內(nèi)的門、窗、燈和門口的監(jiān)控裝置的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)居所內(nèi)的主要設(shè)施的自動(dòng)控制。另外系統(tǒng)還添加了一個(gè)霍爾速度傳感器，用于檢測(cè)風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)利用PLC的高速計(jì)數(shù)功能可將居所的門窗自動(dòng)關(guān)閉。下面對(duì)系統(tǒng)所采用的主要部件及其功能做簡(jiǎn)要介紹。

圖1：智能居所實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 PLC

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器件，其主要的功能是接收遙控開關(guān)和霍爾速度傳感器的輸入信號(hào)，然后控制燈的開關(guān)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和監(jiān)控裝置的啟動(dòng)與停止。主要的控制邏輯由PLC的程序來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)使用的是松下 FP0R-C16小型PLC，另外為了系統(tǒng)擴(kuò)展方便，同時(shí)擴(kuò)展了一個(gè)FP0R-E16擴(kuò)展單元，兩個(gè)單元均選用繼電器輸出型I/O接口。FP0R是松下系列PLC中體積最小，且功能強(qiáng)大的一款小型PLC。它的控制單元高速僅為90mm，寬度僅為25mm，即使擴(kuò)展至最大3臺(tái)擴(kuò)展單元，寬度也僅為100mm。

1.2 遙控器

遙控開關(guān)選用了市面上非常容易購(gòu)買的12輸入數(shù)字遙控器，價(jià)格低廉，性能較穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)12個(gè)輸入控制信號(hào)。分別用來控制門，兩個(gè)窗，兩盞燈和監(jiān)控裝置的開關(guān)控制。具體控制邏輯可通過輸入端子的分配和PLC編程來實(shí)現(xiàn)。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電機(jī)

電機(jī)采用的是DC 12V，300rpm的小型直流電機(jī)，并配合L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。由于PLC輸出電壓為DC 24V，所以PLC輸出的信號(hào)需要經(jīng)過相應(yīng)的分壓或降壓電路才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

1.4 燈、門、窗和監(jiān)控裝置、霍爾速度傳感器

系統(tǒng)中的燈都為發(fā)光二級(jí)管。門和窗都是木制手工制作。門窗的運(yùn)動(dòng)都由電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)配合相應(yīng)滑輪、皮帶和限位裝置完成。監(jiān)控裝置采用的是2.8英寸TFT，STM32-Camera-R1主板和OV7670 CAMERACHIPTM圖像傳感器。圖像傳感器采集門口信息送入 STM32-Camera-R1主板進(jìn)行顯示。TFT的開關(guān)受PLC的控制?？梢詫?shí)時(shí)顯示門口的狀態(tài)。窗外裝有一個(gè)小風(fēng)扇，有風(fēng)的時(shí)候風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)，通過PLC的高速計(jì)數(shù)器功能判斷風(fēng)速的大小并決定關(guān)窗的時(shí)間。圖2智能居所實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型。

圖2：智能居所實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能及實(shí)驗(yàn)安排

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，貼合實(shí)際。不但可以讓學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)聯(lián)系基礎(chǔ)的PLC編程，還可以讓學(xué)生了解自動(dòng)化裝置的組成及控制方式。另外該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)時(shí)PLC可通過RS232C編程線與計(jì)算機(jī)相連，學(xué)生設(shè)計(jì)好程序后可直接下載至PLC中，并現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

2.1 基本指令應(yīng)用設(shè)計(jì)

松下可編程序控制器課程中基本的指令主要包括基本順序指令（基本的輸入輸出、微分等）、基本功能指令（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器）、基本的控制指令（跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、子程序和中斷等）。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，燈、門、窗和監(jiān)控裝置的控制都可以是簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制，因此學(xué)生可根據(jù)基本的控制時(shí)序來設(shè)計(jì)程序。例如課程實(shí)驗(yàn)中要求每天早8點(diǎn)將燈和監(jiān)控裝置關(guān)閉，并開窗通風(fēng)。晚6點(diǎn)開啟燈和監(jiān)控裝置，關(guān)閉門窗。如此要求學(xué)生只需編寫簡(jiǎn)單的輸入輸出和時(shí)間控制程序即可。目前該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)可以進(jìn)行的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要有（1）多按鍵開關(guān)門、窗和燈的控制。（2）門、窗和燈的定時(shí)開關(guān)控制。（3）一鍵多意義創(chuàng)意控制。

圖3：定時(shí)開關(guān)窗部分程序

2.2 高級(jí)功能應(yīng)用設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除了可以進(jìn)行基本指令的實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行高級(jí)指令的試驗(yàn)。系統(tǒng)中窗外裝有一個(gè)小風(fēng)扇，有風(fēng)的時(shí)候風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)，通過PLC的高速計(jì)數(shù)器功能判斷風(fēng)速的大小并決定關(guān)窗的時(shí)間。由于該實(shí)驗(yàn)裝置采用遙控開關(guān)進(jìn)行輸入控制，所以可以通過遙控開關(guān)編寫系統(tǒng)的密碼保護(hù)程序。圖4為密碼保護(hù)功能的部分梯形圖程序。

圖4：密碼數(shù)據(jù)初始化

2.3 創(chuàng)新型應(yīng)用設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)可以作為PLC實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)，也可以作為實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)的興趣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中指導(dǎo)教師需要先行規(guī)定PLC的I/O分配和主要實(shí)現(xiàn)的功能，剩下的程序設(shè)計(jì)部分由學(xué)生來完成。設(shè)計(jì)成功的程序可實(shí)現(xiàn)門、窗、監(jiān)控裝置和燈的遙控開關(guān)。實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生必須提交完整的任務(wù)報(bào)告。包括程序、電路原理和說明、調(diào)試與測(cè)試紀(jì)錄以及自己的心得體會(huì)和建議。

3 結(jié)語(yǔ)

智能居所實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)PLC的教學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生的興趣愛好開發(fā)出來的一款新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)貼近學(xué)生生活，原理簡(jiǎn)單有一定的綜合性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了非常好的教學(xué)效果。但由于該系統(tǒng)目前完全是手工制作，設(shè)備緊湊性不好，內(nèi)部控制線路較多，實(shí)驗(yàn)靈活性不高。在后續(xù)的研究中希望能將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能自行組裝，提高實(shí)驗(yàn)靈活性。