【《智能家居PLC控制系统的硬件和软件设计案例》6900字（论文）】

智能家居PLC控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8557智能家居PLC控制系统的硬件和软件设计案例 11403第1章智能家居硬件设计 1227801.1PLC及硬件设备的选择和确定 1273651.1.1PLC的选择 1116721.1.2温、湿度传感器的选择 2253861.1.3亮度传感器的选择 4216731.1.4红外线传感器的选择 6266211.2电路设计 6233561.2.1主电路设计 630041.2.2控制电路设计 7260381.2.2PLC接线图设计 914028第2章基于三菱PLC的梯形图设计 15560第3章组态王的介绍及设计 2543523.1组态王6.55软件的介绍 25191463.2组态王软件的设计 25325573.2组态王画面的建立 27第1章智能家居硬件设计1.1PLC及硬件设备的选择和确定1.1.1PLC的选择PLC作为控制核心，是整个家居系统智能化运行的大脑，负责数据存储以及逻辑运算功能，它的选择格外重要。输入继电器和输出继电器是PLC中非常重要的组成部分，外部所有的信号必须经由输入继电器才能传送给PLC。而PLC对外界设备的控制要通过输出继电器，外界设备与输出继电器相连接，接收PLC发出的指令，做出相应的动作。PLC的输入和输出信号都只能是数字量信号，为此三菱专门配备有多种型号的A/D和D/A转换模块，可以与PLC直接进行连接使用，用户可以根据需要进行选择使用。根据设计方案的要求，智能家居系统的设计中共计使用了32个输入，18个输出。三菱FX2N系列的PLC是高性能小型化PLC，性价比高，编程容易，接线操作简单。其拥有的输入输出点从16到256不等，可以满足多种情况下的使用要求。根据下表3-1：FX2N系列PLC的I/O继电器元件号，选择FX2N-64MR，在有额外需求时，可以选择添加扩展模块使用，拥有富裕输入输出点，可供改造使用。表3-1FX2N系列PLC的I/O电器元件号形式型号FX2N-16MRFX2N-32MRFX2N-48MRFX2N-64MRFX2N-80MR输入X0~X78点X0~X1716点X0~X2724点X0~X3732点X0~X4740点输出Y0~Y78点Y0~Y1716点Y0~Y2724点Y0~Y3732点Y0~Y4740点1.1.2温、湿度传感器的选择本课题选用QFA2060型温、湿度传感器对室内温度和湿度同时进行监控，实时获得室内温、湿度数据。QFA2060型温、湿度传感器是利用环境温、湿度变化引起电容以及电阻的变化测得室内的温度和湿度，再由QFA2060的输出端直接输出测量的模拟量信号。由于模拟量不能直接传送给PLC，选择FX-2AD模拟量输入模块，将传感器输出模拟量进行转换，再传送至PLC中，由PLC进行运算。根据设置的温、湿度数据进行调控，使得室内温度和湿度保持在舒适的范围内。QFA2060型温、湿度传感器体积小、外形美观，可直接固定在室内的墙壁之上，不会对室内的环境美观造成影响。QFA2060型温、湿度传感器的外形实物图如下图3-1所示。图3-1QFA2060型温、湿度传感器实物图QFA2060的接线端子少，安装方便，适用于家居系统使用。它含有4个接线端子分别为：G、GO、U1和U2。其中G和GO为工作电压，U1为相对湿度的信号输出，U2为温度的信号输出。传感器的接线图如下图3-2所示。图3-2QFA2060型温、湿度传感器接线图QFA2060型温、湿度传感器对温度测量的原理是随着温度变化，传感器中敏感元件的阻值按照一定规律随之变化，通过转换元件和电路将环境中的温度数据转换成直流0到10伏的电压信号并向外界输出。对湿度的测量原理是室内湿度的变化引起传感器内部敏感元件电容值的变化，通过这种变化得到室内相对湿度的值。温、湿度传感器的详细参数如下表3-2所示。表3-2温、湿度传感器的详细参数名称参数型号QFA2060电源AC24VorDC11.5-35V温湿度输出信号DC0-10V湿度测量范围0-95%温度测量范围0-50゜Cor-35-35゜C测量精度23゜C时，精度为±5%时间常数湿度<2min,温度<3min防护等级IP30接线4线1.1.3亮度传感器的选择本课题针对智能家居控制系统室内亮度整体调控的考虑选用了E2000系列的E5031PE亮度传感器。E5031PE可以对室内亮度进行实时采集，把采集到的数据传送给PLC，由PLC进行数据计算然后调控灯光。E5031PE亮度传感器详细参数如下表3-3所示。表3-3E5031PE亮度传感器详细参数名称参数型号E5031PE电源DC15-36V电流消耗18mA工作温度0-45℃工作湿度0-95%RH亮度测量范围20-3000lx1.1.4红外线传感器的选择本课题采用5753L红外线检测设备检测室内是否有人在。5753L型亮度传感器探测角度大，可以达到360°无死角检测；探测范围可以达到12m×14m的椭圆，满足家居系统使用；工作湿度：0-95%RH，工作温度：0-45℃。5753L红外传感器实物图如下图3-3所示。图3-3红外传感器实物图1.2电路设计1.2.1主电路设计主电路图如下图3-4所示，采用单相220V交流电供电。主电路采用空气开关QF控制所有设备得电，并用熔断器FU进行短路、过载保护。采用2P-40A带漏保型空气开关，工作电压220V，允许通过最大电流40A。采用RT18-40A型熔断器，工作电压在380V以下，允许通过最大电流40A。M1是控制门开关的电动机，KM1主触点闭合时，实现控制门的电动机实现进行正转，此时可以控制门打开；KM2主触点闭合时，电动机则实现反转，此时控制门关闭。电容C1是门电动机单向正反转控制电容。采用YU632-4型单相电动机，工作电压220V，频率50Hz，功率90W。控制窗户和窗帘开关的电动机在主电路设计上采取和控制门的电路一样的电路设计。在空调、地暖、消防等电动机的电路上接入相对应的接触器主触点控制电路的通断。采用CJX2-4011型接触器，额定电流40A，三常开主触点，一开一闭辅助触点。图3-4主电路图1.2.2控制电路设计控制电路图如下图3-5所示，采用单相交流电源供电。采用S-60W-24V型开关电源将交流220V转换为直流24V。采用JZX-22F(D)/2Z-DC24V型继电器，线圈工作电压直流24V，触点可以在交流220V下使用。图3-5控制电路图采用KA1、KA2闭合控制KM1、KM2得电，通过KM1和KM2主触点的闭合控制门电动机的启动。当KA1动作时，KM1线圈得电，常开主触点立即闭合，电动机正转，控制门打开；反之，KA2动作时，电动机反转，实现窗户关闭动作。FR是热继电器的常闭触点，使用热继电器对电路进行过载保护，当电路发生长时间过载工作时，热继电器常闭触点断开，接触器线圈失电，主触点断开，电动机断电停止运转，使电路得到保护。KM1、KM2的常闭触点分别串接在对方线圈所在的电路上，形成互锁保护电路。当KM1的线圈得电时，常闭辅助触点自动断开，使得KM2的工作线圈电路断开；反之，KM2得电时，KM1工作线圈电路断开。通过使用KM1和KM2的常闭辅助触点进行互锁，使得KM1和KM2的线圈不能同时得电，即电动机正反转电路同一时刻不能都接通，保证电路可以安全可靠工作。窗户和窗帘的控制电路与门的控制电路同理。控制空调、地暖、加湿器、除湿机、消防和通风电动机设备运转的接触器，用继电器触点控制电路的通断，并在电路上串接热继电器触点进行保护。1.2.2PLC接线图设计按照智能家居系统的使用要求，对PLC的输入、输出点进行地址分配，得到I/O分配表如表3-4所示：表3-4PLC的I/O分配表输入输出器件号地址号功能说明器件号地址号功能说明S1X0门上红外感应KA1Y0开门S2X1窗户红外感应KA2Y1关门S3X2温度传感器KA3Y2开窗S4X3湿度传感器KA4Y3关窗S5X4燃气泄漏检测KA5Y4开窗帘S6X5亮度传感器KA6Y5关窗帘S7X6烟雾传感器KA7Y6空调S8X7人体红外感应KA8Y7地暖SQ1X10窗开启到位KA9Y10加湿器续表器件号地址号功能说明器件号地址号功能说明SQ2X11窗关闭到位KA10Y11除湿机SQ3X12门开启到位KA11Y12通风SQ4X13门关闭到位KA12Y13消防SB1X14手动开门HA1Y14闯入报警SB2X15手动关门HA2Y15火灾报警SB3X16手动开窗HA3Y16燃气泄漏报警SB4X17手动关窗EL1Y17照明灯SB5X20手动开窗帘EL2Y20卧室灯SB6X21手动关窗帘EL3Y21洗手间灯QS1X22手动开灯QS2X23卧室灯开关QS3X24洗手间灯开关QS4X25手动开空调QS5X26手动开地暖QS6X27照明断电QS7X30空调断电QS8X31地暖断电QS9X32加湿器断电QS10X33除湿机断电QS11X34外出模式QS12X35系统开启根据I/O分配表以及智能家居系统的控制电路，绘制PLC接线图如图3-6所示。将AC220V接PLC的电源入口L和N，给PLC供电。24V直流电压接PLC的COM端，使PLC输出端得到24V直流电压。图3-6PLC接线图第2章基于三菱PLC的梯形图设计梯形图是PLC进行编程的形式之一，逻辑关系明显，程序绘制简单。本课题按照智能家居系统实现的功能要求，使用GX-Developer绘制智能家居控制系统的梯形图程序。下面对梯形图实现的动作进行逐一分析。开门程序如图4-1所示：PLC输入端X0、X1采用上升沿触发，当烟雾传感器或者燃气泄漏检测有信号输入时，输出端Y0输出信号，控制门打开，当门打开完成时，接触到行程开关，门开到位常闭触点X12断开，此时电动机停止运行，开门动作结束。这是自动控制，此外还可以选择手动控制，按下手动开门按键，Y0有输出，开门常开触点Y0闭合，形成自锁，控制门打开。并且和关门Y0的常闭触点形成互锁，当开门时，关门程序断开。图4-1开门的梯形图程序控制关门的梯形图如图4-2所示：安装在门上和窗户上的红外感应有信号输出时，即表示正在有人试图闯入室内，此时PLC发出指令控制电动机执行关门动作，关门动作完成时，行程开关常闭触点X13断开，电动机失电，关门动作停止。关门与开门之间同样构成互锁，当关门动作发生时，常闭触点Y0断开阻断开门动作的发生。PLC执行自动关门指令的前提是家中环境安全，即未发生燃气泄漏或者火灾。如果家中燃气泄漏或者发生火灾，则X4或者X6常闭触点断开，此时屏蔽闯入报警。也可以进行手动关门操作，程序原理与开门相同。图4-2关门的梯形图程序开窗程序如图4-3所示：X6和X4采取上升沿触发，当室内发生火灾时X6闭合，当发生燃气泄露时X4闭合时。只要X6和X4其中一个闭合，Y2就会输出信号控制电动机执行开窗动作，窗开启完全时限位开关X10常闭触点断开，开窗动作停止。也可以选择手动开窗操作。图4-3开窗的梯形图程序关窗的梯形图如图4-4所示：当门上或者窗户上的红外感应检测到信号时，X0和X1闭合，此时Y3发出信号控制电动机执行关窗动作，窗关闭完全时，行程开关常闭触点X13断开，电动机断电，关门动作结束。关门与开门之间同样构成互锁，当开门动作发生时，常闭触点Y0断开阻断关门动作的发生。图4-4关窗的梯形图程序室内照明系统程序如图4-5所示：采用亮度传感器检测室内光照强度，采用人体红外感应检测室内是否有人。当室内光线弱时X5自动闭合，当检测到室内有人时X7自动闭合。当X7和X5同时闭合时，Y17才可以输出指令，控制室内照明灯工作。如果手动操作断开照明断电按钮X31，此时照明系统将一直处于关闭状态，屏蔽传感器指令。除了可以使用系统自动控制室内照明外，还可以选择手动闭合X24，打开室内灯光设备。图4-5照明系统的梯形图程序温度控制程序如图4-6所示：使用温度传感器实时采集室内温度，通过A/D转换模块后传送给PLC，通过TO和FROM指令将数据存储在地址D0中，通过PLC的触点比较指令，调控室内温度变化。当传感器测得室内的温度大于空调开启温度时，Y6有输出，控制空调运转，常开触点Y6闭合形成自锁，当室内温度小于空调开启温度时，Y6依旧可以输出信号控制空调运转，直到室内温度降到空调停止温度时，Y6停止输出，空调运转结束。当室内温度小于地暖开启温度时，PLC通过Y7输出信号控制地暖运转，常开触点Y7闭合形成自锁，此时室内温度升高至大于地暖开启温度，Y7依旧输出信号控制地暖运转，当室内温度升高至地暖停止温度时，指令输出端Y7停止指令输出，地暖停止运转。通过设定空调开启温度、空调停止温度、地暖开启温度和地暖停止温度使室内温度处于舒适的范围之内。除了系统自动根据室内的温度控制空调和地暖的开启与关闭来调节室内温度之外，还可以通过手动操作空调开关X27和地暖开关X30开调节室内的温度。图4-6温度控制的梯形图程序湿度控制程序如图4-7所示：使用湿度传感器采集室内湿度信息，通过A/D转换模块后传送给PLC，通过TO和FROM指令将数据存储在地址D1中，通过PLC的触点比较指令，调控室内湿度变化。当D1的值大于D6和D7的值时，Y11输出指令控制除湿机运转，降低室内湿度，常开触点Y11闭合形成自锁，当室内湿度小于湿度上限时，Y11依旧可以输出信号控制除湿机运转，直至室内湿度降为湿度下限，Y11停止输出，除湿机停止运转。当D1小于D6和D7的值时，PLC通过Y10输出信号控制加湿器运转，常开触点Y10闭合形成自锁，当室内湿度升高至湿度上限时，Y10停止信号输出，加湿器停止运转。通过设定湿度上限和湿度下限使系统自动调控室内湿度在舒适的范围之内。图4-7湿度控制的梯形图程序报警控制程序如图4-8所示：智能家居系统设计过程中共采用了三种报警装置，采用三种不同的报警装置，可以在发生报警时，让室内人员能够迅速做出相应的应对举措，尽可能减少人员的损失。Y14输出信号发生闯入报警，Y15输出信号发生火灾报警，Y16输出信号发生燃气泄漏报警。当门上红外检测或者窗户红外检测有信号时，触点X0或者X1闭合，Y14输出闯入报警信号，提醒人员发生闯入。当烟雾传感器有信号时，触点X6闭合，Y15输出火灾报警信号，同时Y12输出信号控制室内通风，Y13输出信号控制消防灭火。当系统检测到室内发生燃气泄漏时触点X4闭合，Y16输出燃气泄漏报警，同时Y12输出信号控制室内通风。图4-8报警控制的梯形图程序

第3章组态王的介绍及设计3.1组态王6.55软件的介绍北京亚控科技有限公司自成立以来一直致力于自动化软件的研究与开发，为国内外众多企业提供软件技术以及工业数据库服务，是我们国家自动化软件行业的领头羊。为了应对自动化科技技术的发展，满足工业生产中监控以及动画模拟的需求，北京亚控科技有限公司开发了组态王软件。用户可以使用组态王软件对生产过程进行动画模拟以及实时监控生产全过程，实时对整个生产过程中的所有数据进行整合以及处理。使企业更高效的获得最有效的信息，更快的把握时机做出应对，以实现最大的利益。组态王6.55版本拥有强大的数据处理和存储功能，使用非常方便，对电脑的配置要求比较低，一般配置的电脑就可以流畅使用组态王软件，这可以减少企业前期成本投入。组态王软件新的版本进一步对画面、变量定义和使用、报警和事件以及数据库等功能进行了改进，使得用户对软件的使用更加得心应手。工程建立简洁明了，变量、画面，命令语言清楚易懂，而且图库功能更加强大，图库种类完善齐全；集成了对KingHistorian的支持，使得组态王软件如虎添翼，功能更加强大，满足了厂商对于复杂化平台大数据运算与存储能力的需求。组态王具有以下主要功能特性：1、操作界面简单明了，容易上手，画面命令编程简单易懂，有简单的编程基础就可以使用，不需要花大量时间学习动画编程；2、如果有需要使用的图形，但图库中没有，用户可以使用点位图功能将外部图片放置软件中进行使用，并可以对其进行动画功能设置，使得模拟效果更具真实性；3、组态王软件的动画效果基础且全面，用户可以简单操作就建立出动画效果，可以模拟众多的实际生产监控场景，这使得组态王的应用非常广泛，最大程度降低了组态王使用的局限性；4、可以连接的设备丰富，基本可以连接所有型号的PLC设备，还可以连接其他智能设备。3.2组态王软件的设计根据本课题所设计的智能家居系统控制要求，使用组态王软件模拟智能家居系统整体控制过程。本课题组态王的设计流程是：1、设计上位机框架运行流程图；2、在组态王软件的数据词典中对需要使用到的变量进行定义；3、创建智能家居系统模拟监控画面；4对监控画面进行动画连接设计。系统的设计流程图如图5-1所示。图5-1设计流程图3.2组态王画面的建立双击组态王软件运行，弹出工程管理器界面，如图5-2所示。图5-2工程管理器界面如图5-3所示，点击新建图标，出现新建工程向导界面。根据向导界面提示选择新建工程文件所在的位置，以及为新工程命名。图5-3新建工程向导如图5-4所示，双击选定的工程，进入工程浏览器界面。在工程浏览器界面有画面、系统配置、数据、设备等设置选项。图5-4工程浏览器界面如图5-5所示，双击COM1，进入通讯串口设置，因为本课题选用的是三菱PLC，数据位要设置为7位。图5-5设置串口界面如图5-6所示，在设备选项中双击新建，弹出设备配置向导，选用三菱FX2N系列的PLC设备。图5-6设备配置向导界面如图5-7所示，在工程浏览器界面的数据词典里面建新数据变量，填写变量名称、选择变量类型以及选择变量的连接设备。图5-7定义变量界面如图5-8所示，单击画面图标，进入新建画面界面，双击新建命令，进入新画面界面。新画面界面的对话框中可以设置画面名称、画面位置以及画面风格。图5