基于PLC控制的自動黑板擦系統設計

魏剛

【摘 要】現代教學中多媒體技術的不斷引進提高了教學效率，但傳統黑板作為必備的教具依然是重要的存在。長期以來，學生和老師都為黑板的擦拭苦惱，擦拭中大量的粉筆灰四散在教室內，學生和老師成為了被動的“吸塵器”。本設計通過自動控制將擦拭和吸塵結合，提供合理的控制界面，可以達到人不在場完成黑板擦拭，減少粉筆灰的四散和人的被動吸塵，并將系統設計延伸為一個集中控制系統設計。

【關鍵詞】PLC；HMI；黑板；自動

中圖分類號： F426.63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0057-002

Based on the PLC Control System Design of Automatic Blackboard Eraser

WEI Gang

（China Communications Construction Second Engineering Bureau Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710119，China）

【Abstract】Modern multimedia technology in teaching of introduction of the teaching efficiency，but the traditional blackboard is their needed teaching aid is still an important presence.For a long time，the students and teachers as a blackboard with a distressed，in a large amount of wiping dust scattered in the classroom，students and the teacher become the passive of " cleaner".This design is improved by automatically controlling the wiping and vacuuming in combination，provide reasonable control of the interface，it is possible to reach people and in the presence of a complete wiping blackboard，chalk and reduction of the scattered people of passive，and designing the system to extend as a centralized control system design.

【Key words】PLC；HMI；Blackboard；Automatic

0 引言

傳統黑板在現代教學中依然大量使用，雖然在書寫的時候采用了低塵處理，但在去除黑板上遺留的粉筆印跡時必須擦拭，傳統的擦拭過程中大量粉塵飄散于空氣中，對在場的學生和老師帶來不少的煩惱。對傳統黑板進行一定的改進，增加一定的自動化吸塵裝置可以有效的解決被動吸塵現象，并且實現無人在場的自動擦拭并吸塵過程。

1 設計原理

對原有黑板增加水平移動和垂直移動裝置[1]，在移動裝置上安裝電動毛刷用于黑板的擦拭，并對擦拭下落的粉塵直接吸收，從而使粉塵在空氣中的存在時間盡量短。系統的控制采用獨立開關或連接控制屏實現，這樣就不用人在現場了，避免了被動吸入粉塵過程。通過對移動部分的控制，實現黑板的全部或局部擦拭。控制部分結構圖如圖1。

圖1 電控系統框圖

2 功能實現

2.1 硬件實現

控制器采用PLC實現。PLC是適合工廠環境下使用的可編程控制器，由于教室環境存在高粉塵，并且PLC的擴展性、操作性比較好，在整體電路實現上比較簡單[2]。西門子S7-200型PLC是西門子公司的老產品，型號眾多，性能優越，速度快，擴展性強，軟件易操作。通過對系統控制對象的估算，即對輸入信號的采集和輸出信號的控制，并對系統留有一定的擴展空間和擴展接口，設計中采用CPU224，其共有24個接口，滿足控制系統要求和一定的擴展性。

擦拭過程覆蓋整個黑板，通過控制電機在固定軌道上按程序移動即可實現一個X-Y軸的水平移動系統，可覆蓋全部黑板。當電機旋轉時，滑塊在絲杠來回移動，將毛刷電機安裝在滑塊之上完成高速轉動完成擦拭黑板過程。

說明：1.底板 2.黑板區域 3.軌道支持點 4.水平運行軌道 4a 水平滑塊及電機 5.垂直運行軌道6.垂直軌道滑塊及電機 7.吸塵部分 8.電機及轉動毛刷 9.主控制板

2.2 軟件實現

2.2.1 功能描述

當按下系統電源按鈕后，工作指示燈點亮，整個系統處于待機狀態。需要擦拭黑板時，可選擇按下擦拭按鈕；擦拭過程，水平方向電機和左、右垂直方向電機同時運轉，同時啟動毛刷電機和吸塵電機，到啟動點后，先垂直向下運行，到達下邊沿后水平移動固定距離，再垂直方向向上運行，即按“S”路線運轉；當到達中心結束位置后回退到原點。運動過程中，吸塵口始終在毛刷下方，保證粉塵的最大吸收。根據黑板使用特點還可增加選擇左半邊擦拭按鈕或右半邊擦拭按鈕，水平方向電機和左（右）垂直方向電機同時運轉，同時左邊部分啟動毛刷電機和吸塵電機，到啟動點后，先垂直向下運行，到達下邊沿后水平移動固定距離，再垂直方向向上運行，即按“S”路線運轉；當到達中心結束位置后回退到原點。

2.2.2 編程軟件

為實現上述控制功能，PLC需采用西門子公司對應的編程軟件，最近一款為STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9，編程軟件功能強大，下載方便，可采用三種方式完成程序設計，較為直觀的一種就是FBD梯形圖設計，大多數具有一點電氣控制知識的就能夠看懂，所以比較容易上手。endprint

對上述要實現的功能進行總結后可獲得整個系統需要的輸入輸出點位，并進行具體的劃分和定義，避免在具體編程時候相互混亂，具體描述表1如下：

2.2.3 部分梯形圖

為增加程序的可讀性和可維護性，整個程序采用模塊化設計，分為多個子程序完成不同的調用，梯形圖3如上。

3 系統擴展性與成本

3.1 系統擴展

系統設計中著重考慮擦拭功能的實現，現實應用時還有很多在設計中逐漸體現出系統的缺陷。如控制系統中只有機械開關控制，可通過PLC的組態給系統增加人機界面（HMI），可實現可視化控制過程[3]；還可以利用PLC的網絡模塊，擴展其網絡控制功能，實現整個教學樓內所有教室中自動擦拭黑板的擦拭功能，配合以教室攝像頭，可以對沒有及時擦拭的黑板進行中央控制命令完成。

3.2 成本比較

基于成本的考慮，PLC的先期投入確實比較高，在加上數量不等的電機、HMI等，整個系統實現的價格不菲。但相對于MCU來說，PLC在高塵、強磁干擾、模塊化應用方面還是有一定優勢，特別是電機控制能力。近年來國產化的PLC功能不斷增強，如果系統采用這些PLC，其成本會下降許多。

4 系統的現實應用

對于單個教室中的黑板實現自動擦拭，其控制系統可能比較簡單，該設計可作為相關專業學生的一次課內實驗。如果系統考慮到整個教學樓中多達二三十教室的控制，系統就可以作為一個DCS來設計，其中必須添加更為高級的S7-300控制器為服務器使用，這樣，這個項目就可作為本科畢業生的畢業設計或自動化專業的實訓項目。

5 結束語

利用PLC完成主要控制部分，其性能可靠，編程簡單，但相對于MCU來說成本較高。經過樣機的基本測試，發現電機控制易于實現，各部分動作可靠，但在吸塵方面還有待改進，需要增加大功率設備，才能達到粉塵不擴散的效果。

【參考文獻】

[1]毛制怒，馮浩，李憲章.基于上位機與MCS-51單片機的X-Y軸定位驅動系統[J].制冷與空調，2005（2）：46-49

[2]廖常初.PLC編程及應用[M].北京.機械工業出版社，2014.

[3]黃永紅.電氣控制與PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2011.endprint