基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞智能家居PLC智能控制組態(tài)王2第一章引言近年來就有很多公司和企業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)出相對(duì)應(yīng)的智能家居產(chǎn)品與技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)第二章系統(tǒng)任務(wù)總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析2.1.1智能家居工作原理經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶動(dòng)了科技的進(jìn)步，就目前來說，市面有就有許多高科技的產(chǎn)品，線連接計(jì)算機(jī)和PLC控制器進(jìn)行通訊連接，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。進(jìn)行設(shè)計(jì)：溫度控制單元、濕度控制單元、亮度控制單元、紅外線控制單元。智能家居控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過電動(dòng)機(jī)和各類繼電器完成的，電動(dòng)機(jī)控制窗簾的拉開與收合，通過繼電器的通斷控制空調(diào)、加熱器、除濕器、加濕器、燈等家居的工作狀態(tài)，通過電動(dòng)機(jī)控制窗簾的工作。通過傳感器獲得環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過PLC輸入的程序控制繼電器和電機(jī)，從而達(dá)到自動(dòng)控制家居運(yùn)作。模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊下下位機(jī)PC輸出接口輸出接口空調(diào)燈2.1.2分析被控對(duì)象和控制要求智能家居控制系統(tǒng)是指家居在通電情況下，傳感器通過檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)來對(duì)空調(diào)、窗簾、加熱器、除濕器等家完成開關(guān)的工作。整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)被控對(duì)象由燈、42.2上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)第三章硬件設(shè)計(jì)3.1智能家居控制器的概述主要是為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V直流電源，使達(dá)到額定電壓，正常工作。圖3-1為PLC的基本6擴(kuò)展接口0擴(kuò)展接口展展單元外部設(shè)備接口存儲(chǔ)器(RAM/ROM)外部設(shè)備接口中央處理器編程器打印機(jī)條碼讀取器輸入接口電源輸出接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備3.2PLC的選型同，適用的場(chǎng)合也會(huì)各有不同。因此，合理選用PLC,對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)PLC的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合本設(shè)計(jì)的需求，本設(shè)計(jì)決定采用西門子公司S7系列200的PLC。是西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列中的一款。表3-1為CPU226型號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)。名稱參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)字量I/O點(diǎn)24輸入/16輸出允許最大擴(kuò)展模塊7個(gè)程序存儲(chǔ)空間8192字最大輸入點(diǎn)/輸出點(diǎn)256個(gè)數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)空間5120字電源電壓允許范圍高速計(jì)算器6個(gè)/30Khz輸入電流高速脈沖輸出2個(gè)/20Khz最大負(fù)載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器256個(gè)輸出電壓允許范圍圖3-2為CPU226模塊的外形圖。圖3-3溫濕度傳感器QFA20608該款傳感器的接線端子少，使用方便，適用于智能家居系統(tǒng)。它僅僅含有4個(gè)接線端。如圖3-4所示。其中G和G0為工作電壓；U1為相對(duì)濕度的信號(hào)輸出；U2為溫度理，無緣繼電器輸出。主要的技術(shù)參數(shù)見表3-1。名稱參數(shù)工作電壓頻率功耗溫度測(cè)量范圍相對(duì)溫度輸出信號(hào)濕度測(cè)量范圍相對(duì)濕度輸出信號(hào)精度溫度：13~35℃時(shí)±0.8K;-35~50℃時(shí)±1K濕度：30~70%時(shí)±3%;0~95%時(shí)±5%接線4線時(shí)間常數(shù)溫度小于8.5min,濕度小于20s防護(hù)等級(jí)表3-1溫濕度傳感器QFA2060的主要技術(shù)參數(shù)GR2=0..50度光照強(qiáng)度傳感器對(duì)弱光具有很高的靈敏度并且測(cè)量范圍大、線性度好、使用方便等特點(diǎn)。根據(jù)不同的環(huán)境，適配不同的量程。本設(shè)計(jì)主要通過傳感器的測(cè)量范圍，選用了E5031PE型號(hào)的亮度傳感器來測(cè)量室內(nèi)環(huán)境的亮度，從而控制窗簾的拉合。表3-3為亮度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。電源電壓亮度測(cè)量范圍亮度調(diào)節(jié)范圍時(shí)間常數(shù)/預(yù)熱時(shí)間溫度范圍/濕度范圍表3-3亮度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)圖3-4亮度傳感器E5031PE而實(shí)現(xiàn)智能控制、節(jié)約能源。名稱參數(shù)安裝高度C-BUS輸入電壓C-BUS總線電流消耗環(huán)境溫度單網(wǎng)絡(luò)最大安裝數(shù)量探測(cè)角度探測(cè)范圍安裝方式定時(shí)范圍100個(gè)360度約6m*6m墻裝或吸頂表3-4紅外線傳感器的主要技術(shù)參數(shù)紅外線亮度傳感器5753L的外形如圖3-5所示。圖3-5紅外線傳感器5753L3.4輸出設(shè)備3.4.1固態(tài)繼電器圖3-6固態(tài)繼電器接觸器有交流接觸器和直流接觸器兩種，應(yīng)用的場(chǎng)合主要是電力、配電與用電。接觸器顧名思義是指利用線圈流過電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，使觸頭閉合，從而控制負(fù)載的電器元件工作。接觸器的工作原理是：當(dāng)接觸器線圈通電后，線圈電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使靜鐵芯產(chǎn)生電磁力吸引動(dòng)鐵芯閉合，并帶動(dòng)交流接觸器點(diǎn)動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸使觸點(diǎn)復(fù)原，常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)閉合本設(shè)計(jì)主要通過兩個(gè)接觸器互鎖聯(lián)動(dòng)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制窗簾的運(yùn)作。圖3-9為接觸器與電機(jī)的接線圖。nM圖3-9接觸器與電機(jī)接線圖傳感器檢測(cè)溫度、濕度和光照強(qiáng)度的物理量為模擬量，然而PLC不能處理模擬量信號(hào)。因此需要一個(gè)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的模塊。本文采用PLC配套的EM231模擬模擬量擴(kuò)展模塊與PLC輸入端口連接，然后通過PLC內(nèi)部的總線傳輸數(shù)據(jù)。擴(kuò)展(4)電流輸入范圍：0~20mA,最大輸入電流：32mA;數(shù)字量EM223擴(kuò)展模塊主要用于控制、處理室內(nèi)傳感器收集到數(shù)字信號(hào)。該擴(kuò)展模塊擁有6種輸入輸出類型，在這里我們選擇24VDC16輸入/16繼電器輸出型的EM223,圖3-11為EM223模塊的端子接線圖。數(shù)字量擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能有鋯誤!末(3)數(shù)字量輸出：16個(gè)輸出口，繼電器輸出，輸出電壓允許范圍5~30VDC或保護(hù)。繼電器輔出端,,可選DC接地繼電器線圈電源的M一定要3.6I/O口分配本設(shè)計(jì)PLC的I/O分配如下列表格所示。輸入端子地址注釋輸入端子地址注釋自動(dòng)控制開關(guān)加濕器開關(guān)I0.1手動(dòng)控制開關(guān)窗簾拉開限位空調(diào)開關(guān)窗簾合閉限位加熱器開關(guān)中斷運(yùn)行除濕器開關(guān)I1.1燈具開關(guān)表3-1數(shù)字量輸入分配表輸入端子地址注釋輸入端子地址注釋溫度傳感器濕度傳感器亮度傳感器紅外線傳感器表3-2模擬量端子分配表輸出端子地址注釋輸出端子地址注釋Q0.0自動(dòng)控制指示燈除濕器Q0.1手動(dòng)控制指示燈Q0.5加濕器Q0.2空調(diào)Q0.6窗簾拉開Q0.3加熱器Q0.7窗簾合閉Q1.0燈具表3-3輸出端子分配表自動(dòng)控制開關(guān)手動(dòng)控制開關(guān)空調(diào)開關(guān)加熱器開關(guān) 除濕器開關(guān) 加濕器開關(guān)窗簾拉開開關(guān)窗簾合閉開關(guān)燈具開關(guān))04J?手動(dòng)控制指示燈空調(diào)加熱器除濕器加濕器窗簾拉開窗簾合上溫度傳感器濕度傳感器亮度傳感器紅外線傳感器第四章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)這款編程軟件有LAD(梯形圖)、STL(語句表)、FBD(功能塊圖)三種編程方法?？刂瞥绦蚓幾g完成后，將寫好的控制程序下載到PLC中，然后運(yùn)行PLC,進(jìn)行程序的(1)保障系統(tǒng)穩(wěn)定。智能家居控制系統(tǒng)中的子控制程序較多，因此系統(tǒng)可能會(huì)出(3)節(jié)能高效。設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制功能，如果遇到了室內(nèi)無人時(shí)而工作設(shè)備仍在運(yùn)行(4)系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)。留有一定的I/O接口，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。4.2智能家居控制系統(tǒng)功能到PLC控制器仲，由PLC控制器對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出控制模式溫度傳感器空調(diào)開關(guān)否是空調(diào)啟動(dòng)加熱器啟動(dòng)結(jié)束空調(diào)啟動(dòng)加熱器啟動(dòng)結(jié)束圖4-1溫度控制單元流程圖自動(dòng)/手動(dòng)模式自動(dòng)手動(dòng)否是結(jié)束高于低于除濕器啟動(dòng)加濕器啟動(dòng)結(jié)束圖4-2濕度控制單元流程圖(3)亮度控制單元：亮度控制單元流程圖如圖4-3所示。在自動(dòng)模式下：按下自動(dòng)模式的按鈕，亮度傳感器會(huì)不斷檢測(cè)室外的光照強(qiáng)度，檢測(cè)到的光照強(qiáng)度會(huì)與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果高于設(shè)定值，就會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，合閉窗簾；如果低于設(shè)定值，就會(huì)使電機(jī)正轉(zhuǎn)，拉開窗簾。在自動(dòng)模式下：用戶根據(jù)自己對(duì)室內(nèi)外光照自動(dòng)/手動(dòng)亮度傳感器窗簾拉開開關(guān)窗簾合閉開關(guān)否是否達(dá)標(biāo)是電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)結(jié)束大于小于電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)結(jié)束圖4-3亮度控制單元流程圖(4)紅外線控制單元：紅外線控制單元流程圖如圖4-4所示。開始模式手動(dòng)手動(dòng)黑夜亮度傳感器紅外傳感器燈具開關(guān)燈亮結(jié)束否是燈亮結(jié)束有傳感器繼續(xù)工作，對(duì)整個(gè)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。用戶可以通過采集到的數(shù)據(jù)，))))))圖4-5手動(dòng)控制程序(1)溫度轉(zhuǎn)換程序較。溫度傳感器測(cè)量范圍為0-50℃,S7-200內(nèi)部0-20mA的電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字范圍是0~32000,取溫度線性部分4-20mA,則對(duì)應(yīng)6400~32000數(shù)字，所以0~50℃的溫度范圍6400.0IN2圖4-6溫度轉(zhuǎn)換程序(2)溫度控制程序開與10.2空調(diào)開關(guān)I0.3加熱器開關(guān)閉合時(shí)，傳感器檢測(cè)到的溫度高于24℃,空調(diào)就會(huì)圖4-7溫度控制程序(1)濕度轉(zhuǎn)換程序濕度采集程序濕度采集程序 圖4-8濕度轉(zhuǎn)換程序(2)濕度控制程序人體適宜的濕度范圍為40%~60%,因此在考慮設(shè)計(jì)方案的過程中，室內(nèi)濕度的設(shè)4.3.4系統(tǒng)亮度控制單元程序本設(shè)計(jì)通過亮度傳感器來檢測(cè)室內(nèi)外光照強(qiáng)度的數(shù)值，然后判斷當(dāng)前時(shí)刻是白天還100lux~1000lux。本文主要以夏季的日照強(qiáng)度為例，分別以100lux和5lux作為白天和夜高度控制單元高度控制單元圖4-10亮度控制單元程序4.3.5系統(tǒng)紅外線控制單元程序首先通過亮度傳感器檢測(cè)室內(nèi)亮度，以10lux作為臨界值，當(dāng)室內(nèi)亮度低于10lux燈具進(jìn)行控制。圖4-7為紅外線控制單元程序。10.0)))圖4-11紅外線控制單元程序控制算法對(duì)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)u積分(I)中8圖4-12傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)原理圖 ))第五章系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)5.2智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求圖5-1所示錯(cuò)誤!未找到引用源。通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，要求實(shí)現(xiàn)以下基本功能：(1)控制模式選擇畫面，溫度控制畫面，濕度控制畫面，窗簾控制畫面的設(shè)置與(2)能對(duì)執(zhí)行設(shè)備的設(shè)定值進(jìn)行修改，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，程序運(yùn)行，控制設(shè)備工(4)故障報(bào)警系統(tǒng)畫面的設(shè)計(jì)收集/收集/O點(diǎn)的參數(shù)定義/O說備式是西究成5.3智能家居控制系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)圖5-2所示。圖5-2控制模式選擇界面如圖5-3所示圖5-3溫度控制界面制界面如圖5-4所示圖5-4濕度控制界面窗簾控制界面如圖5-5所示圖5-5窗簾控制界面5.4組態(tài)王與PLC的通訊選項(xiàng)，如圖5-6所示，對(duì)PLC的參數(shù)進(jìn)行