姚增輝，張 昊，石景秀，羅蕓蕓，孫甲政，梁春英

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

當(dāng)前生活節(jié)奏快，工作時間長、強度大，會使人心情焦躁、情緒不穩(wěn)定，本文設(shè)計一種智能綠色工作環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，可以提供舒適的工作環(huán)境，提高人們的工作效率[1-3]。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)組成及選型

1.1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)對工作環(huán)境中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)進(jìn)行采集、綜合分析、自動控制，從而達(dá)到系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)控的要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，監(jiān)測系統(tǒng)由下位機三菱FX2N-16MR-001 系列和上位機PC 機(監(jiān)測中心)組成。根據(jù)項目需求設(shè)計出了項目初步的主接線圖，該接線圖可以完成項目的初期需求，該主接線圖由溫度子系統(tǒng)，濕度子系統(tǒng)，二氧化碳子系統(tǒng)組成，其中溫度子系統(tǒng)包括加熱設(shè)備，降溫設(shè)備;濕度子系統(tǒng)包括加濕設(shè)備，除濕設(shè)備;二氧化碳子系統(tǒng)由排氣設(shè)備組成，完成了PLC 外部接線圖設(shè)計，同時對PLC 的I/O 口進(jìn)行分配，畫出了與之對應(yīng)的I/O 接線圖。根據(jù)滿足電路需求，達(dá)到節(jié)約成本的原則，該系統(tǒng)選擇了三菱FX2N-16MR 的PLC。該PLC 滿足項目需求，同時滿足線路圖的I/O 口數(shù)目，根據(jù)I/O 口及項目要求設(shè)計出了相關(guān)的初步軟件程序，程序中對輔助繼電器進(jìn)行相關(guān)分配，采用RS485 通信模板與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信語言使用的是MODBUS 通信協(xié)議，達(dá)到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ш途_性，數(shù)據(jù)處理及時、準(zhǔn)確，為以后項目設(shè)計提供堅實基礎(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)備選型

1.2.1 三菱PLC 的選型

本監(jiān)控系統(tǒng)控制器以三菱FX2N-16MR-001 系列的可編程控制器為核心。FX2N-16MR-001 系列采用模塊化結(jié)構(gòu)，供電電源額定頻率為50Hz、額定電壓為220(1±10%)V 的交流電，兼具工作可靠性高以及高性價比的優(yōu)勢，具有8 個輸入、8 個輸出端口，在國內(nèi)的很多監(jiān)控系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。而且FX2N 系列PLC 擁有高速的運算能力和外部擴(kuò)展的高靈活性，該設(shè)備常見的與之匹配的擴(kuò)展模塊有FX2N-4AD 模擬量輸入模塊、FX2N-4DA模擬量輸出模塊以及FX2N-485BD 通信模塊等，同時能與多家人機界面連接互動(如臺達(dá)、顯控等)，通用性強。FX2N 系列PLC 可采用多種通信協(xié)議，可以通過編程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址、網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信速度等，可以根據(jù)系統(tǒng)的不同要求靈活轉(zhuǎn)換。

1.2.2 傳感器的選擇

二氧化碳變送器可根據(jù)上位機的指令，進(jìn)行信息的采集和分析，這些信息包括了溫度、濕度和二氧化碳濃度，并將采集到的信息傳送給上位機。在考慮經(jīng)濟(jì)、便利、工作條件、精度需求等方面該設(shè)備選擇了型號為RSCO2WS-N01 的傳感器。其參數(shù)如表1 所示。

2 PLC 主電路圖

根據(jù)工作需求主電路圖的整體設(shè)計思路如圖2：

圖2 設(shè)計思路

當(dāng)設(shè)備正常上電工作，傳感器開始正常工作，對整體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。通過傳感器將采集到的數(shù)據(jù)上傳給PLC，PLC 將數(shù)據(jù)傳給上位機，在PLC 中將數(shù)據(jù)與PLC 中默認(rèn)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度小于設(shè)定的閾值時，PLC 控制閉合KM1，加熱設(shè)備啟動工作，并且低溫指示燈亮;當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度閾值時，PLC 控制閉合KM2，降溫設(shè)備啟動工作，并且高溫指示燈亮。當(dāng)濕度小于設(shè)定的閾值時，PLC 控制閉合KM3，加濕設(shè)備自動開啟、低濕顯示燈亮;當(dāng)二氧化碳濃度大于或小于設(shè)定的閾值時，PLC 控制閉合KM5，排氣設(shè)備自動開啟，并且二氧化碳過量顯示燈亮起，提示此時的二氧化碳濃度值不在規(guī)定范圍內(nèi)。圖3 為主電路圖。

圖3 主電路圖

3 PLC 的I/O 分配

該系統(tǒng)通過三菱FX2N 系列來控制整套系統(tǒng)，I/O 分配如表2 所示。

表2 I/O 分配表

4 PLC 外部接線

如圖4 外部接線圖，SB1 為PLC 程序的主啟動按鈕，SB2 為手動停止按鈕，當(dāng)QS 閉合后，按下SB1 按鈕開關(guān)，系統(tǒng)程序開始運行，當(dāng)需要停止工作時，可按下SB2 停止程序運行;220V 交流供電線路通過在COM 端和公共節(jié)點兩邊串接熔斷器以防交流電壓不穩(wěn)燒壞PLC，造成不必要的損失，PLC 輸出端子Y0 接KM1 線圈，該線圈主要控制加熱設(shè)備的啟停;Y1 接KM2 線圈，該線圈主要用于降溫設(shè)備的啟停，以此類推直到Y(jié)4。

圖4 外部接線圖

5 軟件程序

5.1 軟件流程圖

圖5 軟件流程圖

5.2 軟件程序分析

圖6 為總程序梯形圖。當(dāng)按下X0 時，同時X1，X3處于開啟狀態(tài)時，程序?qū)?，啟動后PLC 會將默認(rèn)設(shè)定的溫濕度光照閾值寫入指定寄存器內(nèi)，與此同時所有指令將會被移入發(fā)送寄存器，數(shù)據(jù)采集完成后通過ZCP、CMP 等比較指令判斷，將測量的實際溫度、濕度、二氧化碳濃度和PLC 已經(jīng)設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較大小。下面以溫度比較為例。

圖6 總程序梯形圖

如圖7 高工作狀態(tài)時溫度比較，當(dāng)總開關(guān)M100 和自動控制開關(guān)X002 為ON 時，將比較傳感器所采集的溫度與PLC 內(nèi)部所設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，第一種情況：當(dāng)D1 中所采集到的溫度數(shù)值小于K180 時，M101 為ON，加熱設(shè)備開關(guān)M10 自動控制開起，加熱設(shè)備開啟，低溫顯示燈開關(guān)開啟;第二種情況：當(dāng)D1 中所采集到的溫度數(shù)值大于K200 時，M103 為ON，降溫設(shè)備開關(guān)M15 自動控制開起，降溫設(shè)備開啟，高溫顯示燈開關(guān)開啟。濕度、二氧化碳濃度的程序與其類似。

圖7 高工作狀態(tài)時溫度比較

6 結(jié)束語

智能綠色工作環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)是由溫度調(diào)控、濕度調(diào)控、二氧化碳濃度調(diào)控等部分組成，該系統(tǒng)能夠智能精準(zhǔn)的接收和處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境的自動化調(diào)節(jié)，同時也提供手動調(diào)節(jié)功能，能夠使辦公者處于一種舒適的工作環(huán)境中，提高工作效率的同時，也可以促進(jìn)身心健康享受高效、健康的辦公環(huán)境。