一種智能綠色工作環境精準調控系統

姚增輝，張 昊，石景秀，羅蕓蕓，孫甲政，梁春英

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

當前生活節奏快，工作時間長、強度大，會使人心情焦躁、情緒不穩定，本文設計一種智能綠色工作環境調控系統，可以提供舒適的工作環境，提高人們的工作效率[1-3]。

1 系統功能與結構組成及選型

1.1 系統功能與結構組成

該系統對工作環境中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數進行采集、綜合分析、自動控制，從而達到系統精準調控的要求。系統總體結構如圖1 所示，監測系統由下位機三菱FX2N-16MR-001 系列和上位機PC 機(監測中心)組成。根據項目需求設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，濕度子系統，二氧化碳子系統組成，其中溫度子系統包括加熱設備，降溫設備;濕度子系統包括加濕設備，除濕設備;二氧化碳子系統由排氣設備組成，完成了PLC 外部接線圖設計，同時對PLC 的I/O 口進行分配，畫出了與之對應的I/O 接線圖。根據滿足電路需求，達到節約成本的原則，該系統選擇了三菱FX2N-16MR 的PLC。該PLC 滿足項目需求，同時滿足線路圖的I/O 口數目，根據I/O 口及項目要求設計出了相關的初步軟件程序，程序中對輔助繼電器進行相關分配，采用RS485 通信模板與傳感器進行數據傳輸，通信語言使用的是MODBUS 通信協議，達到了數據傳輸的高效和精確性，數據處理及時、準確，為以后項目設計提供堅實基礎。

圖1 系統總體結構框圖

1.2 系統設備選型

1.2.1 三菱PLC 的選型

本監控系統控制器以三菱FX2N-16MR-001 系列的可編程控制器為核心。FX2N-16MR-001 系列采用模塊化結構，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勢，具有8 個輸入、8 個輸出端口，在國內的很多監控系統中都有廣泛應用。而且FX2N 系列PLC 擁有高速的運算能力和外部擴展的高靈活性，該設備常見的與之匹配的擴展模塊有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、顯控等)，通用性強。FX2N 系列PLC 可采用多種通信協議，可以通過編程進行網絡設置，設置內容包括網絡設備地址、網絡通訊數據內容、網絡數據通信速度等，可以根據系統的不同要求靈活轉換。

1.2.2 傳感器的選擇

二氧化碳變送器可根據上位機的指令，進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。在考慮經濟、便利、工作條件、精度需求等方面該設備選擇了型號為RSCO2WS-N01 的傳感器。其參數如表1 所示。

2 PLC 主電路圖

根據工作需求主電路圖的整體設計思路如圖2：

圖2 設計思路

當設備正常上電工作，傳感器開始正常工作，對整體環境進行監測。通過傳感器將采集到的數據上傳給PLC，PLC 將數據傳給上位機，在PLC 中將數據與PLC 中默認設定的閾值進行比較，當溫度小于設定的閾值時，PLC 控制閉合KM1，加熱設備啟動工作，并且低溫指示燈亮;當溫度高于設定的溫度閾值時，PLC 控制閉合KM2，降溫設備啟動工作，并且高溫指示燈亮。當濕度小于設定的閾值時，PLC 控制閉合KM3，加濕設備自動開啟、低濕顯示燈亮;當二氧化碳濃度大于或小于設定的閾值時，PLC 控制閉合KM5，排氣設備自動開啟，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定范圍內。圖3 為主電路圖。

圖3 主電路圖

3 PLC 的I/O 分配

該系統通過三菱FX2N 系列來控制整套系統，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QS 閉合后，按下SB1 按鈕開關，系統程序開始運行，當需要停止工作時，可按下SB2 停止程序運行;220V 交流供電線路通過在COM 端和公共節點兩邊串接熔斷器以防交流電壓不穩燒壞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備的啟停;Y1 接KM2 線圈，該線圈主要用于降溫設備的啟停，以此類推直到Y4。

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。當按下X0 時，同時X1，X3處于開啟狀態時，程序將啟動，啟動后PLC 會將默認設定的溫濕度光照閾值寫入指定寄存器內，與此同時所有指令將會被移入發送寄存器，數據采集完成后通過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 已經設定好的閾值進行比較大小。下面以溫度比較為例。

圖6 總程序梯形圖

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

圖7 高工作狀態時溫度比較

6 結束語

智能綠色工作環境精準調控系統是由溫度調控、濕度調控、二氧化碳濃度調控等部分組成，該系統能夠智能精準的接收和處理數據，實現對環境的自動化調節，同時也提供手動調節功能，能夠使辦公者處于一種舒適的工作環境中，提高工作效率的同時，也可以促進身心健康享受高效、健康的辦公環境。