基于FP0R PLC的智能居所實驗系統(tǒng)的設計

李立新 邱忠超 姚振靜

（防災科技學院電子科學與控制工程學院 河北·廊坊 065201）

0 引言

隨著PLC在我國各行業(yè)的大力應用和快速發(fā)展，普及可編程控制器的技術對提高我國工業(yè)自動化水平和生產效率有著十分重要的意義。因此，PLC作為自動化相關專業(yè)的一門專業(yè)課日益顯出其重要性。該課程實踐教學環(huán)節(jié)對于學生工程設計能力、新技術應用開發(fā)能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)具有不可替代的作用。由于PLC課程與實踐環(huán)節(jié)聯系比較緊密，因此PLC課程的實驗除了基本的驗證實驗還有很多應用型的綜合實驗。例如：交通信號燈控制、水塔水位自動控制、自動軋鋼機、自動送料裝車系統(tǒng)和電梯控制等。這些實驗中大學生日常生活中常見的如交通信號燈控制和電梯控制比較受學生的歡迎，容易引起學生的學習和探索的興趣?；谝陨显?，作者開發(fā)了一種基于松下FP0R系列PLC的智能居所實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)實驗簡單，與日常生活聯系緊密，編程方法多樣，知識覆蓋面較廣，有一定的綜合性，受到了學生的熱烈歡迎。

1 系統(tǒng)結構和原理

智能居所的基本結構圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括 PLC、遙控開關、電機驅動、門、窗、監(jiān)控裝置和霍爾速度傳感器。其主要功能是在一個居住環(huán)境里，人們按下手中的遙控器就可以控制室內的門、窗、燈和門口的監(jiān)控裝置的開啟和關閉，實現居所內的主要設施的自動控制。另外系統(tǒng)還添加了一個霍爾速度傳感器，用于檢測風速，當風速達到一定值時利用PLC的高速計數功能可將居所的門窗自動關閉。下面對系統(tǒng)所采用的主要部件及其功能做簡要介紹。

圖1：智能居所實驗系統(tǒng)結構圖

1.1 PLC

PLC是整個系統(tǒng)的核心控制器件，其主要的功能是接收遙控開關和霍爾速度傳感器的輸入信號，然后控制燈的開關，電機的正反轉和監(jiān)控裝置的啟動與停止。主要的控制邏輯由PLC的程序來實現。本系統(tǒng)使用的是松下 FP0R-C16小型PLC，另外為了系統(tǒng)擴展方便，同時擴展了一個FP0R-E16擴展單元，兩個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，即使擴展至最大3臺擴展單元，寬度也僅為100mm。

1.2 遙控器

遙控開關選用了市面上非常容易購買的12輸入數字遙控器，價格低廉，性能較穩(wěn)定，可實現12個輸入控制信號。分別用來控制門，兩個窗，兩盞燈和監(jiān)控裝置的開關控制。具體控制邏輯可通過輸入端子的分配和PLC編程來實現。

1.3 電機驅動及電機

電機采用的是DC 12V，300rpm的小型直流電機，并配合L298N雙H橋直流電機驅動設備。由于PLC輸出電壓為DC 24V，所以PLC輸出的信號需要經過相應的分壓或降壓電路才能驅動電動機。

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)光二級管。門和窗都是木制手工制作。門窗的運動都由電動機及驅動配合相應滑輪、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主板進行顯示。TFT的開關受PLC的控制。可以實時顯示門口的狀態(tài)。窗外裝有一個小風扇，有風的時候風扇轉速由霍爾轉速傳感器檢測，通過PLC的高速計數器功能判斷風速的大小并決定關窗的時間。圖2智能居所實驗系統(tǒng)模型。

圖2：智能居所實驗系統(tǒng)模型

2 實驗系統(tǒng)的功能及實驗安排

該實驗系統(tǒng)結構簡單，貼合實際。不但可以讓學生通過該實驗聯系基礎的PLC編程，還可以讓學生了解自動化裝置的組成及控制方式。另外該實驗系統(tǒng)還可以開發(fā)學生的創(chuàng)造性。實驗時PLC可通過RS232C編程線與計算機相連，學生設計好程序后可直接下載至PLC中，并現場對設備進行調試。

2.1 基本指令應用設計

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（定時器、計數器、移位寄存器）、基本的控制指令（跳轉、循環(huán)、子程序和中斷等）。該實驗系統(tǒng)中，燈、門、窗和監(jiān)控裝置的控制都可以是簡單的開關量控制，因此學生可根據基本的控制時序來設計程序。例如課程實驗中要求每天早8點將燈和監(jiān)控裝置關閉，并開窗通風。晚6點開啟燈和監(jiān)控裝置，關閉門窗。如此要求學生只需編寫簡單的輸入輸出和時間控制程序即可。目前該實驗模型系統(tǒng)可以進行的基礎實驗主要有（1）多按鍵開關門、窗和燈的控制。（2）門、窗和燈的定時開關控制。（3）一鍵多意義創(chuàng)意控制。

圖3：定時開關窗部分程序

2.2 高級功能應用設計

該實驗系統(tǒng)除了可以進行基本指令的實驗，還可以進行高級指令的試驗。系統(tǒng)中窗外裝有一個小風扇，有風的時候風扇轉速由霍爾轉速傳感器檢測，通過PLC的高速計數器功能判斷風速的大小并決定關窗的時間。由于該實驗裝置采用遙控開關進行輸入控制，所以可以通過遙控開關編寫系統(tǒng)的密碼保護程序。圖4為密碼保護功能的部分梯形圖程序。

圖4：密碼數據初始化

2.3 創(chuàng)新型應用設計

該實驗可以作為PLC實驗課程教學的綜合實驗，也可以作為實驗室開放時的興趣實驗。實驗過程中指導教師需要先行規(guī)定PLC的I/O分配和主要實現的功能，剩下的程序設計部分由學生來完成。設計成功的程序可實現門、窗、監(jiān)控裝置和燈的遙控開關。實驗完成后學生必須提交完整的任務報告。包括程序、電路原理和說明、調試與測試紀錄以及自己的心得體會和建議。

3 結語

智能居所實驗系統(tǒng)是根據PLC的教學特點和學生的興趣愛好開發(fā)出來的一款新型實驗系統(tǒng)。該實驗貼近學生生活，原理簡單有一定的綜合性。在實驗教學中取得了非常好的教學效果。但由于該系統(tǒng)目前完全是手工制作，設備緊湊性不好，內部控制線路較多，實驗靈活性不高。在后續(xù)的研究中希望能將整個系統(tǒng)進行模塊化設計，使學生在實驗過程中能自行組裝，提高實驗靈活性。