一种智能绿色工作环境精准调控系统

姚增辉，张 昊，石景秀，罗芸芸，孙甲政，梁春英

(1.黑龙江八一农垦大学 电气与信息学院，黑龙江 大庆163319;2.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

当前生活节奏快，工作时间长、强度大，会使人心情焦躁、情绪不稳定，本文设计一种智能绿色工作环境调控系统，可以提供舒适的工作环境，提高人们的工作效率[1-3]。

1 系统功能与结构组成及选型

1.1 系统功能与结构组成

该系统对工作环境中的温度、湿度、二氧化碳浓度等参数进行采集、综合分析、自动控制，从而达到系统精准调控的要求。系统总体结构如图1 所示，监测系统由下位机三菱FX2N-16MR-001 系列和上位机PC 机(监测中心)组成。根据项目需求设计出了项目初步的主接线图，该接线图可以完成项目的初期需求，该主接线图由温度子系统，湿度子系统，二氧化碳子系统组成，其中温度子系统包括加热设备，降温设备;湿度子系统包括加湿设备，除湿设备;二氧化碳子系统由排气设备组成，完成了PLC 外部接线图设计，同时对PLC 的I/O 口进行分配，画出了与之对应的I/O 接线图。根据满足电路需求，达到节约成本的原则，该系统选择了三菱FX2N-16MR 的PLC。该PLC 满足项目需求，同时满足线路图的I/O 口数目，根据I/O 口及项目要求设计出了相关的初步软件程序，程序中对辅助继电器进行相关分配，采用RS485 通信模板与传感器进行数据传输，通信语言使用的是MODBUS 通信协议，达到了数据传输的高效和精确性，数据处理及时、准确，为以后项目设计提供坚实基础。

图1 系统总体结构框图

1.2 系统设备选型

1.2.1 三菱PLC 的选型

本监控系统控制器以三菱FX2N-16MR-001 系列的可编程控制器为核心。FX2N-16MR-001 系列采用模块化结构，供电电源额定频率为50Hz、额定电压为220(1±10%)V 的交流电，兼具工作可靠性高以及高性价比的优势，具有8 个输入、8 个输出端口，在国内的很多监控系统中都有广泛应用。而且FX2N 系列PLC 拥有高速的运算能力和外部扩展的高灵活性，该设备常见的与之匹配的扩展模块有FX2N-4AD 模拟量输入模块、FX2N-4DA模拟量输出模块以及FX2N-485BD 通信模块等，同时能与多家人机界面连接互动(如台达、显控等)，通用性强。FX2N 系列PLC 可采用多种通信协议，可以通过编程进行网络设置，设置内容包括网络设备地址、网络通讯数据内容、网络数据通信速度等，可以根据系统的不同要求灵活转换。

1.2.2 传感器的选择

二氧化碳变送器可根据上位机的指令，进行信息的采集和分析，这些信息包括了温度、湿度和二氧化碳浓度，并将采集到的信息传送给上位机。在考虑经济、便利、工作条件、精度需求等方面该设备选择了型号为RSCO2WS-N01 的传感器。其参数如表1 所示。

2 PLC 主电路图

根据工作需求主电路图的整体设计思路如图2：

图2 设计思路

当设备正常上电工作，传感器开始正常工作，对整体环境进行监测。通过传感器将采集到的数据上传给PLC，PLC 将数据传给上位机，在PLC 中将数据与PLC 中默认设定的阈值进行比较，当温度小于设定的阈值时，PLC 控制闭合KM1，加热设备启动工作，并且低温指示灯亮;当温度高于设定的温度阈值时，PLC 控制闭合KM2，降温设备启动工作，并且高温指示灯亮。当湿度小于设定的阈值时，PLC 控制闭合KM3，加湿设备自动开启、低湿显示灯亮;当二氧化碳浓度大于或小于设定的阈值时，PLC 控制闭合KM5，排气设备自动开启，并且二氧化碳过量显示灯亮起，提示此时的二氧化碳浓度值不在规定范围内。图3 为主电路图。

图3 主电路图

3 PLC 的I/O 分配

该系统通过三菱FX2N 系列来控制整套系统，I/O 分配如表2 所示。

表2 I/O 分配表

4 PLC 外部接线

如图4 外部接线图，SB1 为PLC 程序的主启动按钮，SB2 为手动停止按钮，当QS 闭合后，按下SB1 按钮开关，系统程序开始运行，当需要停止工作时，可按下SB2 停止程序运行;220V 交流供电线路通过在COM 端和公共节点两边串接熔断器以防交流电压不稳烧坏PLC，造成不必要的损失，PLC 输出端子Y0 接KM1 线圈，该线圈主要控制加热设备的启停;Y1 接KM2 线圈，该线圈主要用于降温设备的启停，以此类推直到Y4。

图4 外部接线图

5 软件程序

5.1 软件流程图

图5 软件流程图

5.2 软件程序分析

图6 为总程序梯形图。当按下X0 时，同时X1，X3处于开启状态时，程序将启动，启动后PLC 会将默认设定的温湿度光照阈值写入指定寄存器内，与此同时所有指令将会被移入发送寄存器，数据采集完成后通过ZCP、CMP 等比较指令判断，将测量的实际温度、湿度、二氧化碳浓度和PLC 已经设定好的阈值进行比较大小。下面以温度比较为例。

图6 总程序梯形图

如图7 高工作状态时温度比较，当总开关M100 和自动控制开关X002 为ON 时，将比较传感器所采集的温度与PLC 内部所设定的上下限值进行比较，第一种情况：当D1 中所采集到的温度数值小于K180 时，M101 为ON，加热设备开关M10 自动控制开起，加热设备开启，低温显示灯开关开启;第二种情况：当D1 中所采集到的温度数值大于K200 时，M103 为ON，降温设备开关M15 自动控制开起，降温设备开启，高温显示灯开关开启。湿度、二氧化碳浓度的程序与其类似。

图7 高工作状态时温度比较

6 结束语

智能绿色工作环境精准调控系统是由温度调控、湿度调控、二氧化碳浓度调控等部分组成，该系统能够智能精准的接收和处理数据，实现对环境的自动化调节，同时也提供手动调节功能，能够使办公者处于一种舒适的工作环境中，提高工作效率的同时，也可以促进身心健康享受高效、健康的办公环境。