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【摘要】为了提高PLC实验课的教学效果，设计了一种基于松下FP0R系列PLC的智能居所实验系统。该系统模拟一个居所内的环境，设置有灯、门、窗和门口监控装置。通过遥控开关可以控制居所内所有设备的自动开关。该实验系统作为PLC实验课的一项综合实验项目，不但锻炼了学生综合设计PLC系统的能力，还增强了学生的学习兴趣，取得了很好的效果。
【关键词】PLC；智能居所；实验系统
Design of Intelligent Home Experimental System based on PLC
Li Li-xin， Cai Jian-xian， Jiang Yun-fang
【Abstract】In order to improve the teaching effect of PLC laboratory course， an intelligent home experimental system based on PLC was designed. It is an house which have lamps， a door， two windows and monitoring apparatus out of the door. One can control all of the device open or close with a remote switch. This experimental system was used for a comprehensive experiment of PLC acquired good teaching effect. Students can Improve integrated design ability and like to reach PLC.
【Key words】PLC； Intelligent home； Experimental system
中图分类号：TP203，N945.12，TP312 文献标识码：A
项目支持：防灾科技学院教研教改项目，项目编号：2013B29
1. 引言 随着PLC在我国各行业的大力应用和快速发展，普及可编程控制器的技术对提高我国工业自动化水平和生产效率有着十分重要的意义。因此，PLC作为自动化相关专业的一门专业课日益显出其重要性[1-3]。该课程实践教学环节对于学生工程设计能力、新技术应用开发能力、创新意识和创新精神的培养具有不可替代的作用[4]。由于PLC课程与实践环节联系比较紧密，因此PLC课程的实验除了基本的验证实验还有很多应用型的综合实验。例如：交通信号灯控制、水塔水位自动控制、自动轧钢机、自动送料装车系统和电梯控制等。这些实验中大学生日常生活中常见的如交通信号灯控制和电梯控制比较受学生的欢迎，容易引起学生的学习和探索的兴趣。基于以上原因，作者开发了一种基于松下FP0R系列PLC的智能居所实验系统。该系统实验简单，与日常生活联系紧密，编程方法多样，知识覆盖面较广，有一定的综合性，受到了学生的热烈欢迎。
2.系统结构和原理 智能居所的基本结构图如图1所示。该系统包括PLC、遥控开关、电机驱动、门、窗、监控装置和霍尔速度传感器。其主要功能是在一个居住环境里，人们按下手中的遥控器就可以控制室内的门、窗、灯和门口的监控装置的开启和关闭，实现居所内的主要设施的自动控制。另外系统还添加了一个霍尔速度传感器，用于检测风速，当风速达到一定值时利用PLC的高速计数功能可将居所的门窗自动关闭。下面对系统所采用的主要部件及其功能做简要介绍。
2.1 PLC
PLC是整个系统的核心控制器件，其主要的功能是接收遥控开关和霍尔速度传感器的输入信号，然后控制灯的开关，电机的正反转和监控装置的启动与停止。主要的控制逻辑由PLC的程序来实现。本系统使用的是松下FP0R-C16小型PLC，另外为了系统扩展方便，同时扩展了一个FP0R-E16扩展单元，两个单元均选用继电器输出型I/O接口。FP0R是松下系列PLC中体积最小，且功能强大的一款小型PLC 。它的控制单元高速仅为90mm，宽度仅为25mm，即使扩展至最大3台扩展单元，宽度也仅为100mm。
2.2 遥控器
遥控开关选用了市面上非常容易购买的12输入数字遥控器，价格低廉，性能较稳定，可实现12个输入控制信号。分别用来控制门，两个窗，两盏灯和监控装置的开关控制。具体控制逻辑可通过输入端子的分配和PLC编程来实现。
2.3 电机驱动及电机
电机采用的是DC 12V，300rpm的小型直流电机，并配合L298N双H桥直流电机驱动设备。由于PLC输出电压为DC 24V，所以PLC输出的信号需要经过相应的分压或降压电路才能驱动电动机。
2.4 灯、门、窗和监控装置、霍尔速度传感器
系统中的灯都为发光二级管。门和窗都是木制手工制作。门窗的运动都由电动机及驱动配合相应滑轮、皮带和限位装置完成。监控装置采用的是2.8英寸TFT ，STM32-Camera-R1主板和OV7670 CAMERACHIPTM图像传感器。 图像传感器采集门口信息送入STM32-Camera-R1主板进行显示。TFT的开关受PLC的控制。可以实时显示门口的状态。窗外装有一个小风扇，有风的时候风扇转速由霍尔转速传感器检测，通过PLC的高速计数器功能判断风速的大小并决定关窗的时间。图2 智能居所实验系统模型。
3. 实验系统的功能及实验安排 该实验系统结构简单，贴和实际。不但可以让学生通过该实验联系基础的PLC编程，还可以让学生了解自动化装置的组成及控制方式。另外该实验系统还可以开发学生的创造性。实验时PLC可通过RS232C编程线与计算机相连，学生设计好程序后可直接下载至PLC中，并现场对设备进行调试。 3.1 基本指令应用设计
松下可编程序控制器课程中基本的指令主要包括基本顺序指令（基本的输入输出、微分等）、基本功能指令（定时器、计数器、移位寄存器）、基本的控制指令（跳转、循环、子程序和中断等）。该实验系统中，灯、门、窗和监控装置的控制都可以是简单的开关量控制，因此学生可根据基本的控制时序来设计程序。例如课程实验中要求每天早8点将灯和监控装置关闭，并开窗通风。晚6点开启灯和监控装置，关闭门窗。如此要求学生只需编写简单的输入输出和时间控制程序即可。目前该实验模型系统可以进行的基础实验主要有（1）多按键开关门、窗和灯的控制。（2）门、窗和灯的定时开关控制。（3）一键多意义创意控制。图3为
3.2 高级功能应用设计
该实验系统除了可以进行基本指令的实验，还可以进行高级指令的试验。系统中窗外装有一个小风扇，有风的时候风扇转速由霍尔转速传感器检测，通过PLC的高速计数器功能判断风速的大小并决定关窗的时间。由于该实验装置采用遥控开关进行输入控制，所以可以通过遥控开关编写系统的密码保护程序。图4为密码保护功能的部分梯形图程序。
3.3 创新型应用设计
该实验可以作为PLC实验课程教学的综合实验，也可以作为实验室开放时的兴趣实验。实验过程中指导教师需要先行规定PLC的I/O分配和主要实现的功能，剩下的程序设计部分由学生来完成。设计成功的程序可实现门、窗、监控装置和灯的遥控开关。实验完成后学生必须提交完整的任务报告。包括程序、电路原理和说明、调试与测试纪录以及自己的心得体会和建议[5]。
4. 结语 智能居所实验系统是根据PLC的教学特点和学生的兴趣爱好开发出来的一款新型实验系统。该实验贴近学生生活，原理简单有一定的综合性。在实验教学中取得了非常好的教学效果。但由于该系统目前完全是手工制作，设备紧凑性不好，内部控制线路较多，实验灵活性不高。在后续的研究中希望能将整个系统进行模块化设计，使学生在实验过程中能自行组装，提高实验灵活性。
参考文献
[1] 秦兵，何汉武， 可视化虚拟PLC实验系统的研究， 现代制造工程（J），2009，1：131-135
[2] 石岗， 耿艳峰， PLC测控网络实验系统的构建，实验室研究与探索（J），2009，Vol（28），No.29：58-61
[3] 汪洋，基于三菱FX系列的PLC的实验系统的设计，咸宁学院学报，2009，Vol（29）.No.3：81-82
[4] 苗红霞，齐本胜， 实验技术与管理（J），2010，27（3）：136-139
[5] 李瑞程，陈国联， PLC工程应用实验教学平台的开发， 电气电子教学学报（J），2008， Vol.30 No.4： 58-60
作者简介： 李立新（1979-），女，河北承德人，硕士，讲师，研究方向：PLC控制技术。
【关键词】PLC；智能居所；实验系统
Design of Intelligent Home Experimental System based on PLC
Li Li-xin， Cai Jian-xian， Jiang Yun-fang
【Abstract】In order to improve the teaching effect of PLC laboratory course， an intelligent home experimental system based on PLC was designed. It is an house which have lamps， a door， two windows and monitoring apparatus out of the door. One can control all of the device open or close with a remote switch. This experimental system was used for a comprehensive experiment of PLC acquired good teaching effect. Students can Improve integrated design ability and like to reach PLC.
【Key words】PLC； Intelligent home； Experimental system
中图分类号：TP203，N945.12，TP312 文献标识码：A
项目支持：防灾科技学院教研教改项目，项目编号：2013B29
1. 引言 随着PLC在我国各行业的大力应用和快速发展，普及可编程控制器的技术对提高我国工业自动化水平和生产效率有着十分重要的意义。因此，PLC作为自动化相关专业的一门专业课日益显出其重要性[1-3]。该课程实践教学环节对于学生工程设计能力、新技术应用开发能力、创新意识和创新精神的培养具有不可替代的作用[4]。由于PLC课程与实践环节联系比较紧密，因此PLC课程的实验除了基本的验证实验还有很多应用型的综合实验。例如：交通信号灯控制、水塔水位自动控制、自动轧钢机、自动送料装车系统和电梯控制等。这些实验中大学生日常生活中常见的如交通信号灯控制和电梯控制比较受学生的欢迎，容易引起学生的学习和探索的兴趣。基于以上原因，作者开发了一种基于松下FP0R系列PLC的智能居所实验系统。该系统实验简单，与日常生活联系紧密，编程方法多样，知识覆盖面较广，有一定的综合性，受到了学生的热烈欢迎。
2.系统结构和原理 智能居所的基本结构图如图1所示。该系统包括PLC、遥控开关、电机驱动、门、窗、监控装置和霍尔速度传感器。其主要功能是在一个居住环境里，人们按下手中的遥控器就可以控制室内的门、窗、灯和门口的监控装置的开启和关闭，实现居所内的主要设施的自动控制。另外系统还添加了一个霍尔速度传感器，用于检测风速，当风速达到一定值时利用PLC的高速计数功能可将居所的门窗自动关闭。下面对系统所采用的主要部件及其功能做简要介绍。
2.1 PLC
PLC是整个系统的核心控制器件，其主要的功能是接收遥控开关和霍尔速度传感器的输入信号，然后控制灯的开关，电机的正反转和监控装置的启动与停止。主要的控制逻辑由PLC的程序来实现。本系统使用的是松下FP0R-C16小型PLC，另外为了系统扩展方便，同时扩展了一个FP0R-E16扩展单元，两个单元均选用继电器输出型I/O接口。FP0R是松下系列PLC中体积最小，且功能强大的一款小型PLC 。它的控制单元高速仅为90mm，宽度仅为25mm，即使扩展至最大3台扩展单元，宽度也仅为100mm。
2.2 遥控器
遥控开关选用了市面上非常容易购买的12输入数字遥控器，价格低廉，性能较稳定，可实现12个输入控制信号。分别用来控制门，两个窗，两盏灯和监控装置的开关控制。具体控制逻辑可通过输入端子的分配和PLC编程来实现。
2.3 电机驱动及电机
电机采用的是DC 12V，300rpm的小型直流电机，并配合L298N双H桥直流电机驱动设备。由于PLC输出电压为DC 24V，所以PLC输出的信号需要经过相应的分压或降压电路才能驱动电动机。
2.4 灯、门、窗和监控装置、霍尔速度传感器
系统中的灯都为发光二级管。门和窗都是木制手工制作。门窗的运动都由电动机及驱动配合相应滑轮、皮带和限位装置完成。监控装置采用的是2.8英寸TFT ，STM32-Camera-R1主板和OV7670 CAMERACHIPTM图像传感器。 图像传感器采集门口信息送入STM32-Camera-R1主板进行显示。TFT的开关受PLC的控制。可以实时显示门口的状态。窗外装有一个小风扇，有风的时候风扇转速由霍尔转速传感器检测，通过PLC的高速计数器功能判断风速的大小并决定关窗的时间。图2 智能居所实验系统模型。
3. 实验系统的功能及实验安排 该实验系统结构简单，贴和实际。不但可以让学生通过该实验联系基础的PLC编程，还可以让学生了解自动化装置的组成及控制方式。另外该实验系统还可以开发学生的创造性。实验时PLC可通过RS232C编程线与计算机相连，学生设计好程序后可直接下载至PLC中，并现场对设备进行调试。 3.1 基本指令应用设计
松下可编程序控制器课程中基本的指令主要包括基本顺序指令（基本的输入输出、微分等）、基本功能指令（定时器、计数器、移位寄存器）、基本的控制指令（跳转、循环、子程序和中断等）。该实验系统中，灯、门、窗和监控装置的控制都可以是简单的开关量控制，因此学生可根据基本的控制时序来设计程序。例如课程实验中要求每天早8点将灯和监控装置关闭，并开窗通风。晚6点开启灯和监控装置，关闭门窗。如此要求学生只需编写简单的输入输出和时间控制程序即可。目前该实验模型系统可以进行的基础实验主要有（1）多按键开关门、窗和灯的控制。（2）门、窗和灯的定时开关控制。（3）一键多意义创意控制。图3为
3.2 高级功能应用设计
该实验系统除了可以进行基本指令的实验，还可以进行高级指令的试验。系统中窗外装有一个小风扇，有风的时候风扇转速由霍尔转速传感器检测，通过PLC的高速计数器功能判断风速的大小并决定关窗的时间。由于该实验装置采用遥控开关进行输入控制，所以可以通过遥控开关编写系统的密码保护程序。图4为密码保护功能的部分梯形图程序。
3.3 创新型应用设计
该实验可以作为PLC实验课程教学的综合实验，也可以作为实验室开放时的兴趣实验。实验过程中指导教师需要先行规定PLC的I/O分配和主要实现的功能，剩下的程序设计部分由学生来完成。设计成功的程序可实现门、窗、监控装置和灯的遥控开关。实验完成后学生必须提交完整的任务报告。包括程序、电路原理和说明、调试与测试纪录以及自己的心得体会和建议[5]。
4. 结语 智能居所实验系统是根据PLC的教学特点和学生的兴趣爱好开发出来的一款新型实验系统。该实验贴近学生生活，原理简单有一定的综合性。在实验教学中取得了非常好的教学效果。但由于该系统目前完全是手工制作，设备紧凑性不好，内部控制线路较多，实验灵活性不高。在后续的研究中希望能将整个系统进行模块化设计，使学生在实验过程中能自行组装，提高实验灵活性。
参考文献
[1] 秦兵，何汉武， 可视化虚拟PLC实验系统的研究， 现代制造工程（J），2009，1：131-135
[2] 石岗， 耿艳峰， PLC测控网络实验系统的构建，实验室研究与探索（J），2009，Vol（28），No.29：58-61
[3] 汪洋，基于三菱FX系列的PLC的实验系统的设计，咸宁学院学报，2009，Vol（29）.No.3：81-82
[4] 苗红霞，齐本胜， 实验技术与管理（J），2010，27（3）：136-139
[5] 李瑞程，陈国联， PLC工程应用实验教学平台的开发， 电气电子教学学报（J），2008， Vol.30 No.4： 58-60
作者简介： 李立新（1979-），女，河北承德人，硕士，讲师，研究方向：PLC控制技术。