基于PLC控制的防疫空氣凈化隔離建筑電氣控制系統

陳鐵鋼，高岳民，王少華

（

1．湖南聯紳機電科技有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南三一工業職業技術學院智能制造分院，湖南 長沙 410129；3.湖南生物機電工程職業技術學院機電分院，湖南 長沙 410126）

1 本課題的研究背景和目的

防疫與隔離在城市建筑中的應用是十分重要和必要的。縱觀人類歷史，在面對未知的易感染病癥和瘟疫蔓延時人類卻顯得非常無力和無助。現代科學技術為人類了解自然征服病魔提供了強有力的工具和手段，其中凈化工程就為我們展示了她獨到而科學的靚麗身姿。本設計就是基于PLC控制在建筑防疫凈化工程中的應用實例。其優點是它構造簡便，功能強大，抗干擾能力強，運行穩定可靠，而且實用價值高、空氣防疫隔離性能好，適應環境能力強。采用PLC控制是建筑凈化工程中實現空氣防疫隔離的一種最佳的控制方式。低速時能保持隔離間負壓相對穩定性好；高速時風機提速平滑性好，效率高；而且它的調速范圍較大、精度高，風機電動機的起動電流低，結合風道閥門控制技術，不僅使空氣防疫隔離增加許多人性化服務效果，而且節能明顯。

保持隔離間空氣負壓控制是實現病員房間與公共過道空氣隔離的有效方式，有多種方法可以實現，如：基于變頻器的選頻控制，基于雙速電機的變速控制，基于百葉窗閥門的風道控制。本文研究的是綜合應用三種控制方式，應用工業計算機PLC作為系統控制核心，控制隔離間負壓的風量閃變、風速提升方式、負壓保持、門窗開閉等不同驅動需求，使空氣隔離間的負壓風量效果依據門窗開閉的變化而改變，讓置身病員間的人員可以舒適的居住和正常的生活。這對具有易感染特點的未知病癥的隔離觀察和病理調研是十分有利的。

2 國內外研究狀況及已有成果

用于醫院實驗室、防疫站等防疫目的凈化工程技術在國內發展已逐漸成熟，市場的供需現狀、市場規模和發展潛力，隨著凈化工程技術與研發狀況的發展也在不斷拓展，我們對凈化工程產業供應鏈系統，包括生產商、供應商、服務商和終端用戶等進行了系統、全面的調查、分析和預測后發現，在國外特別是歐美國家很早就已經使用凈化工程來進行健康與防疫檢測了，例如惡劣環境下的人類安全生活居住區建設等等。但是在國內還僅限于醫院和防疫站使用居多，用于安全居住生活區的建設尚為空白，而且各類產品的產家競爭激烈，所以在自然環境較差的地區建設適宜人類安全居住的凈化工程是會有一定的不可替代的市場發展前景。

中國已進入改革開放和科技生產力大發展時代，中國的進出口貨物逐漸增加，尤其以雙速控制為主的凈化工程產品進入市場后，以微機控制為主的人性化凈化控制的市場也會逐步增大。根據當前市場的需求預測，以微機控制為主的凈化安居工程已開始走入中國的凈化工程市場。

3 設計及研究方案

本課題主要研究的是以隔離間（門房），百葉窗風閥、風道、變頻器、變頻電機、PLC控制器、差動電容傳感器為主要研究對象的空氣防疫隔離控制系統。

本設計中負壓信號的獲取采用了膜片式差動電容傳感器，負壓檢測信號經過模數轉換電路、開關量整形電路送達PLC控制器，運行預設的PIC控制程序，分別驅動繼電式百葉窗風閥、變頻器、驅動變頻電機風機，通過風道抽風調節隔離間負壓，實現居住間與公共過道之間空氣的安全隔離。

4 設計及其研究內容

4.1 整體設計方案

空氣負壓信號的采集與調節首先，空氣負壓是相對于環境氣壓值而言的，主要是隔離間（門房）的空氣負壓，這樣才能使居住間與過道的氣流通過隔離間被抽走，相互之間不能有空氣對流，實現空氣的防疫隔離，避免有害氣體的擴散和污染。居住間的進氣是通過濾網和凈化消毒處理的潔凈無異味的清新自然空氣，人員長時間居住在這樣的環境中，負壓值不宜太高，通常只減小0.01~0.05個大氣壓力，在隔離間的空間中負壓值靜態呈梯度分布，風道抽氣口的負壓值較大，在百葉窗關閉狀態下，通常是0.95個大氣壓；過濾進氣口和門窗口的負壓值最小，通常取0.98個大氣壓，負壓值的動態變化主要是隔離間兩道門的開閉和送物窗口的開閉過程所引起的氣壓變化，所以氣壓傳感器的安裝位置十分重要，通常應靠近門窗位置安裝，這樣才能敏捷地捕捉到負壓的變化，及時啟動百葉窗風閥和變頻電機來調節風量，維持隔離間的負壓平衡。對于門窗分布較為分散的負壓檢測，需要使用多個氣壓傳感器。氣壓的差動式電容傳感器的輸出通常是模擬電壓量，需要后繼轉換成數字量或開關量才能送給PLC控制器，作進一步的控制處理。

4.2 百葉窗風閥開度對調節負壓的作用

隔離間負壓的變化主要是人員進出門的開閉和送物窗口的開閉導致短時間大量空氣的流動導致的，其共同特點是突發性變化，其中門的開閉比窗的開閉引起的變化量要大。為了適應這種氣流突發性的變化，調節百葉窗風閥的張開度來調節負壓風量是一種很好的選擇，比調節風機轉速在短時間內來的更快捷更靈敏。較長時間穩定的負壓風量調節還是要依靠風機轉速的提升。百葉窗在門窗開閉的突發瞬間發揮了快速調節負壓的作用。根據門窗開閉的狀態，百葉窗風閥的開度與變頻器輸出應有多種不同的響應。

①只開送物窗口的響應：百葉窗開度10%，變頻器輸出10Hz。

②只開一扇門的響應：百葉窗開度35%，變頻器輸出25Hz。

③開一扇門和一扇窗的響應；百葉窗開度45%，變頻器輸出35Hz。

④同時開兩扇門的響應：百葉窗開度70%，變頻器輸出45Hz。

⑤同時開兩扇門和一扇窗的響應：百葉窗開度100%，變頻器輸出50Hz。

門窗開閉的狀態都反映在負壓大小的變化上，是依靠壓力傳感器自動檢測，經模數轉換分辨出來的，如果一扇窗的面積是一扇門面積的1/4，則要求模數轉換的量化級數大于8，相應的轉換數據位數應大或等于4，才能滿足百葉窗開度的調節需求。實際調節量需要根據現場負壓變化做適當調節。

4.3 變頻器的調速與風量調節作用

PLC控制器根據負壓信號的采集數值調節變頻器的輸出頻率。用以適應負壓動態變化對風量的要求，如前所述采集數字應不小于4位，則變頻器調速應不小于16級。常用的頻點相應于百葉窗開度的調節，不少于5種。

變頻器的頻率作為負壓風量的持續調節量，對維持隔離間負壓的持續平衡有著十分重要的作用。變頻器輸出頻率受PLC控制器的控制，PLC運行預制的控制程序，根據當前的負壓檢測狀態和預設的控制要求，確定當前對變頻器的輸出控制。

變頻器在風扇異步電機的軟啟動、升降轉速的S曲線、節能調速、U/f曲線設置、上下限頻率設置、跳頻點設置、過載保護、電機功率因數補償等功能。使風機電動機的運行安全平穩、節能環保。設計時對風機最高轉速、最大風量、電動機與變頻器、百葉窗開度等的匹配度方面做出定量的計算與設置。

5 空氣防疫隔離凈化工程的控制系統總體設計方案

百葉窗安裝在風道壁上，氣壓傳感器安裝在隔離間天花板上，風機電動機安裝在樓頂消毒間的風道中，變頻器和PLC控制器、觸摸屏安裝在監控工作室內，空氣防疫隔離平面示意圖如圖1所示。

圖1 空氣防疫隔離平面示意圖

空氣防疫隔離PLC變頻調控系統總體原理圖2所示。

圖2 空氣防疫隔離系統總體原理圖

系統總體控制原理如圖2。隔離間氣壓經過差動式電容傳感器采集后，將對應于氣壓大小的模擬電壓送入A/D模數轉換電路，模數轉換電路完成滿足控制精度需求的數字信號，此數字信號經開關量調整電路送入PLC控制器，PLC控制器通過運行預設的控制程序，根據當前檢測的氣壓狀態確定百葉窗風閥的開度、確定變頻器的輸出頻率，調整風機電動機的轉速，通過風道和百葉窗風閥調節隔離間的氣流量，維持隔離間負壓平衡狀態，實現空氣防疫隔離。

6 系統硬件選擇

6.1 PLC選擇

根據本次設計要求從而實現隔離間的負壓控制，兩個四位執行機構的控制點可并接，一個四位數據輸入，共需要控制4個輸出點，4個檢測數據輸入點，一共是8個點；因此可選三菱FX2N-16M型PLC。可同時控制兩個隔離間的負壓平衡。

6.2 氣壓傳感器選型

某些氣壓傳感器主要的傳感元件是一個對壓強敏感的薄膜，它連接了一個柔性電阻器。當被測氣體的壓強降低或升高時，這個薄膜變形，該電阻器的阻值將會改變。電阻器的阻值發生變化。從傳感元件取得0-5V的信號電壓，經過A/D轉換由數據采集器接受，然后數據采集器以適當的形式把結果傳送給計算機。有些氣壓傳感器的主要部件為變容式硅膜盒。當該變容硅膜盒外界大氣壓力發生變化時，單晶硅膜盒隨著發生彈性變形，從而引起硅膜盒平行。氣壓傳感器的主要部件為變容式硅膜盒。當該變容硅膜盒外界大氣壓力發生變化時，單晶硅膜盒隨著發生彈性變形，從而引起硅膜盒平行板電容器電容量的變化。

高精度氣壓傳感器一般是利用MEMS技術在單晶硅片上加工出真空腔體和惠斯登電橋，惠斯登電橋橋臂兩端的輸出電壓與施加的壓力成正比，經過溫度補償和校準后具有體積小，精度高，響應速度快，不受溫度變化影響的特點。輸出方式一般為模擬電壓輸出和數字信號輸出兩種，其中數字信號輸出方式由于和單片機連接方便，是市場上的主流。

國家標準GB 7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。氣壓傳感器是由一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動化檢測和控制的首要環節。雖然GPS接收機上很少見到氣壓傳感器的身影，但其實高精度氣壓傳感器GPS接收機上可以有很廣泛的應用。

空氣壓縮機的氣壓傳感器主要的傳感元件是一個對氣壓傳感器內的強弱敏感的薄膜和一個頂針開控制，電路方面它連接了一個柔性電阻器。當被測氣體的壓力降低或升高時，這個薄膜變形帶動頂針，同時該電阻器的阻值將會改變。電阻器的阻值發生變化。從傳感元件取得0-5V的信號電壓，經過A/D轉換由數據采集器接受，然后數據采集器以適當的形式把結果傳送給計算機。很多空氣的氣壓傳感器的主要部件為變容式硅膜盒。當該變容硅膜盒外界大氣壓力發生變化時頂針動作，單晶硅膜盒隨著發生彈性變形，從而引起硅膜盒平行板電容器電容量的變化來控制氣壓傳感器

6.3 HS1101參數及特性曲線

表1 最大參數值（Ta=25℃）

6.4 HS1101輸出特性曲線

輸出特性曲線如圖3所示。

圖3 輸出特性曲線

6.5 模數轉換芯片選型

模數轉換方式有很多，例如：基于計數的積分型模數轉換，還有壓頻變換計數型模數轉換，再有逐次逼近型模數轉換，等等。其中以逐次逼近性模數轉換的轉換速度較快，電路結構簡單，產品性價比較高。

逐次逼近型模數轉換ADC0809芯片內有數模轉換轉換工作原理。以數模轉換為內核，模數轉換過程初始是以數據最高位置1，其余全為0的半數值產生的模擬值與測量值比較，小于測量值則保留高位的1，大于則去除高位的1，最高位確定后，再比較次高位，這樣逐位比較至最低位，全部數據就確定了。圖4是采用模數轉換芯片ADC0809的仿真電路。

模數轉換芯片ADC0809計算機仿真電路圖如圖4所示。

圖4 ADC模數轉換仿真電路

7 接口電路設計

7.1 開關量調理電路設計

PLC接收的是具有一定電壓值的開關信號，將數字量轉換成開關量的調理電路主要由數字譯碼器和電平轉換電路共同實現的。其中數字量是依據數據輸入位數選擇譯碼器的，確定著系統需要分辨的細節，譯碼輸出和電位轉換電路可以根據驅動需要選擇相應的譯碼輸出端，并轉換成PLC所需的輸入端開關脈沖。調理電路原理如圖5所示。

圖中左端來自模數轉換的數字信號，譯碼后接由晶體管組成的電位轉換電路，其中+E端接三菱PLC輸入端的COM端子，電路右端可直接連接PLC光耦輸入端。

開關量調理電路原理圖見圖5。

圖5 開關量調理原理圖

7.2 百葉窗風閥的電磁驅動電路設計

百葉窗風閥的驅動是感性電磁閥，PLC輸出的是經過隔離的直流電壓開關量驅動信號，為了使電路在直流開關工作過程中避免強電磁干擾，驅動電路中設有電磁泄放支路，如圖6所示。

圖中左端接于PLC開關量輸出端，右端接于百葉窗電磁驅動輸入端，電磁閥在開關過程中產生的電磁能量通過二極管支路得到泄放。

圖6 百葉窗電磁驅動電路

7.3 系統控制電路接口設計

①PLC端子分配。PLC是整個負壓控制系統的核心，所有開關信號的采集、執行機構的控制都由PLC發出命令，PLC的輸入、輸出端子分配表如表2所示。

表2 端子分配

②PLC端子接線電路。PLC輸入、輸出端子接線圖如圖7所示。（1個隔離間的閉環控制）PLC輸入、輸出端子接線圖

圖7 PLC端子接線圖

7.4 失壓報警與電磁門封鎖電路設計

失壓報警與電磁門封鎖電路在大多數正常情況下是不工作的。如果系統因為故障或其他非正常狀態，系統將啟動失壓報警流程，同時執行電磁門封鎖功能。

失壓是指隔離間失去負壓或負壓過大過小不能達標的狀態，這種狀態的檢測部分與正常狀態一樣，僅為測量值的異常。失壓的原因有多方面的因素，例如：氣壓傳感器故障或傳感器老化、百葉窗風閥損壞、風道壁損壞、風機和變頻電機損壞都可能導致隔離間負壓不正常。系統初裝調試交付運行后，各部分元器件都有一個安全保質期，通常為5年，之后的運行如果要確保系統安全可靠，必須定期對雖尚未損壞但已超過保質期的元器件實施保養與更換。器件的老化有一過程，首先表現在負壓值經常發生在臨界狀態出現報警。因此必須認真對待每一次報警，不僅要找到故障點排除報警，更要對每次報警產生的原因作出科學合理的評估，及時更換已超出保質期的元器件。

電磁門封鎖電路有兩種工作模式，一種是故障時為防止交叉感染而設立的封鎖狀態，另一種是正常運行時為減小負壓落差和變化范圍，結合軟件控制而執行的一開一鎖的封鎖方式。例如：正常運行時為防止兩扇門同時打開而設立的一開一鎖功能，即：只有在兩扇門都關閉狀態下，才能打開任一扇門，一扇門被打開后在沒有關閉之前，另一扇門處在被鎖定狀態而不能打開。這種設置不僅有效的減小了因開關門而造成的負壓落差，減小了交叉感染的概率，還可以有效減少電機功率消耗，達到省電節能的目的，因此得到廣泛的應用。

8 系統軟件設計

8.1 PLC程序流程圖

PLC通過FX2N-232-DB與外部氣壓檢測電路相連，從而獲得氣壓各個要素的參數，經過比較分類，選出并執行應有的響應。其流程圖如圖8所示。

8.2 組態設計

組態主要是實現遠程監控，通過對上位機的操作就可以實現對PLC的控制，主要的通信變量有負壓值、百葉窗、變頻器參數等。

9 結語

本文主要闡述了從選題分析、到元件選取、到元件參數資料、到硬件電路設計、最后給出了將軟件流程圖，實現了空氣防疫隔離控制自動化和環保節能控制，此項目在聯紳機電科技有限公司的工程實踐中得到了實際應用。

圖8 PLC控制流程圖

本次設計整個系統主要完成的工作有：獲取隔離間負壓信號，將氣壓的負壓信號轉化為需求的電信號，并從中反映出的氣壓信號參數經調理生成PLC需求的開關信號。采用工業級抗干擾傳輸給PLC，讓得到的信號量值跟預先設定的數值相比較，當過高、過低或相等時PLC驅動相應的執行機構發出相應的動作執行命令，可實時監控現場，也可以根據外界變化遠程改變設定值。

在器件選型、控制模式確定方面，選取了多個凈化控制工程的優點，有的控制算法還有待進一步的實踐檢驗。

系統可進一步改進與完善的地方有：

組成多路多機控制和大規模工程應用，要計算成本進一步提高性價比。

整個設計只做了部分電路的計算機仿真，缺乏組態后的整體仿真，應將整個設計應用到實際工程當中，以檢驗設計的正確性與合理性。

雖有實際工程的應用實例，但那是公司使用的專用軟件控制系統。限于成本等多方面原因，本設計尚未實際應用于工程實踐中。