基于PLC的自適應(yīng)無(wú)級(jí)調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖慧嬌，熊中剛，賀曉瑩，李慧嫻，鄧江濤，李先順

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及在全世界的普遍應(yīng)用，產(chǎn)品信息化水平不斷提高，電吹風(fēng)的智能化變成了一種必然趨勢(shì)。為了解決目前市場(chǎng)上電吹風(fēng)存在的安全隱患問(wèn)題，幾大電吹風(fēng)知名廠商，像博朗、飛利浦、飛科、松下、戴森等都紛紛推出旗下研發(fā)的智能化電吹風(fēng)產(chǎn)品[1]。飛利浦公司推出一款新的靜音HP4363FL型智能開(kāi)關(guān)式電吹風(fēng)，其特點(diǎn)是在電吹風(fēng)手柄上設(shè)有自動(dòng)傳感開(kāi)關(guān)，即使電吹風(fēng)已啟動(dòng)，當(dāng)使用者放下電吹風(fēng)，無(wú)需關(guān)掉電源它便會(huì)自動(dòng)停止工作，若再次提起，又會(huì)繼續(xù)啟動(dòng)。另外，該產(chǎn)品備有6個(gè)不同的熱度/風(fēng)速檔次,良好的組合使之適用于不同的頭發(fā)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和樣式，其中兩個(gè)冷卻檔次替頭發(fā)定型，使發(fā)型保持得更持久。該電吹風(fēng)采用靜音設(shè)計(jì)，操作時(shí)無(wú)明顯噪聲[2]。本文也開(kāi)展了自適應(yīng)智能無(wú)級(jí)電吹風(fēng)調(diào)控系統(tǒng)的研究工作，采用PLC作為控制中樞，利用壓力傳感器調(diào)控電源通斷，如此設(shè)計(jì)出一種能滿(mǎn)足現(xiàn)如今大多數(shù)用戶(hù)需求的智能電吹風(fēng)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其主要由PLC中央控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、壓力檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊以及發(fā)熱模塊幾部分組成。PLC的一般工作方式為循環(huán)掃描，一個(gè)掃描周期維持得很短，能實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷的運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，采用傳感器對(duì)溫濕度等信號(hào)進(jìn)行采集，由PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作[3，4]。在程序編寫(xiě)中主要采用梯形圖，其方便使用、易于修改，適合編輯較簡(jiǎn)單的程序。當(dāng)系統(tǒng)的各參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PLC將通過(guò)程序來(lái)控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行，例如：當(dāng)濕度降低時(shí)，PLC控制加熱機(jī)構(gòu)停止加熱降低溫度，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)與預(yù)設(shè)的程序功能相符合。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能吹風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊原理圖如圖2所示，其中包括中央控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)熱模塊、壓力檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊以及數(shù)碼管顯示模塊的硬件電路。采用FX2N-PLC作為該控制系統(tǒng)的中央控制器，分別在吹風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口上下端和吹風(fēng)機(jī)的右端安裝溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器，其作用是用來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫濕度和壓力的變化，同時(shí)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制模塊，中央控制模塊根據(jù)接收到的信息執(zhí)行相應(yīng)操作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊執(zhí)行風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)指令，發(fā)熱模塊執(zhí)行加熱指令[5，6]。

圖2 中央控制模塊原理圖

2.2 溫濕度傳感器模塊

溫度檢測(cè)原理圖如圖3所示，能夠感受到溫度變化，并能將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出信號(hào)。該電阻測(cè)量溫度原理為根據(jù)熱敏電阻隨溫度的變化而變化的特性來(lái)采集溫度數(shù)據(jù)，溫度升高電阻值隨之增加，溫度降低電阻值隨之減少[7]。PT100鉑電阻采集溫度后通過(guò)溫度變送器將數(shù)據(jù)輸入到PLC工控板的A/D轉(zhuǎn)換端口，存入寄存器D8031中。

圖3 PT100溫度檢測(cè)原理圖

選用DHT11濕敏電阻傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，其主要功能是測(cè)量大氣相對(duì)濕度，它擁有一個(gè)數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出口和一個(gè)模擬量輸出口，并能通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻來(lái)改變檢測(cè)濕度的范圍，額定工作電壓為3.3 V～5 V，檢測(cè)濕度范圍為20%RH～100%RH[8]。通過(guò)濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入到PLC工控板的A/D轉(zhuǎn)化端口，然后將數(shù)據(jù)存入寄存器D8030中，完成濕度數(shù)據(jù)的采集工作。濕度檢測(cè)原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11濕度檢測(cè)原理圖

2.3 壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)

選用IMS-C20型壓阻式壓力薄膜傳感器，通過(guò)壓力檢測(cè)來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止。該壓力傳感器輸出的電信號(hào)為0和1，分別表示為斷和通；適合開(kāi)關(guān)量場(chǎng)合使用，在沒(méi)有按下時(shí)輸出高電平，按下壓力達(dá)到預(yù)值時(shí)輸出低電平；適用于各種強(qiáng)烈電磁干擾的場(chǎng)合，并能通過(guò)可調(diào)電阻改變力度的大小。本設(shè)計(jì)中壓力傳感器的輸出接口連接PLC的X0，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，輸出低電平將X0接通使系統(tǒng)啟動(dòng)。壓力開(kāi)關(guān)電路原理圖如圖5所示。

圖5 IMS-C20壓力開(kāi)關(guān)電路圖

3 智能吹風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

本設(shè)計(jì)均采用三菱GX-Developer編程軟件，利用梯形圖編輯方式編輯程序。主程序具體工作流程為：先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，再通過(guò)壓力檢測(cè)模塊開(kāi)啟電源，完成濕度數(shù)據(jù)采集工作[9]，將其輸入PLC中后通過(guò)子程序處理驅(qū)動(dòng)電熱絲與電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，當(dāng)濕度超過(guò)預(yù)設(shè)的最低值時(shí)，PLC控制電熱絲停止工作，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20 s后系統(tǒng)停止。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖

3.2 壓力檢測(cè)與溫濕度采集程序設(shè)計(jì)

首先檢測(cè)壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)采集溫濕度數(shù)據(jù)，溫度分為3個(gè)檔位：低溫、中溫、高溫，其范圍分別為32 ℃～33 ℃，33 ℃～34 ℃，34 ℃～35 ℃。濕度也分為3個(gè)區(qū)間：50%RH以下、50%RH～60%RH、60%RH以上，分別對(duì)應(yīng)溫度的3個(gè)檔位。在溫度區(qū)間內(nèi)設(shè)一個(gè)上限值和下限值，溫濕度以電壓信號(hào)輸入到PLC中，當(dāng)溫度小于下限值將加熱，大于上限值將停止加溫，由PLC通過(guò)運(yùn)算后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存入到D8030與D8031寄存器中，然后在程序中將上述兩個(gè)寄存器數(shù)據(jù)讀出存放到D0與D1寄存器中實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集與控制。壓力檢測(cè)與溫濕度采集流程如圖7所示。

圖7 壓力檢測(cè)與溫濕度采集流程

4 仿真分析

本文選用組態(tài)王軟件作為主要仿真測(cè)試工具，組態(tài)王主界面如圖8所示。要進(jìn)行組態(tài)王監(jiān)控與仿真測(cè)試，首先選中左側(cè)工具欄中的設(shè)備，再選擇通信端口，設(shè)定PLC的類(lèi)型與各個(gè)參數(shù)；然后在數(shù)據(jù)詞典界面對(duì)每個(gè)模塊的I/O口地址進(jìn)行設(shè)定，再選擇命令語(yǔ)言中的應(yīng)用程序命令語(yǔ)言編輯命令；最后點(diǎn)擊畫(huà)面進(jìn)行主畫(huà)面的編輯工作。在建立好主畫(huà)面后，對(duì)動(dòng)畫(huà)畫(huà)面進(jìn)行變量的連接，再點(diǎn)擊view進(jìn)行PLC的監(jiān)控。

圖8 組態(tài)王主界面

4.1 仿真結(jié)果

檢查各模塊接線情況，無(wú)誤后按壓壓力薄膜，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)壓力模塊輸出低電平，PLC上X0端口LED燈亮起表示其已被接通，放開(kāi)壓力薄膜LED燈熄滅表示X0斷開(kāi)。濕度模塊和溫度模塊連接PLC模擬量輸入端，通電后改變環(huán)境中的濕度和溫度，可從GX-Developer和組態(tài)王中檢測(cè)到溫濕度都發(fā)生了變化，證明溫濕度模塊正常工作。在濕度發(fā)生變化時(shí)，脈寬同時(shí)變化改變電機(jī)的占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，手動(dòng)調(diào)節(jié)濕度大小可觀察到連接電熱絲的Y2指示燈斷斷續(xù)續(xù)亮滅，表示系統(tǒng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度大小，以適應(yīng)濕度的變化。經(jīng)過(guò)單項(xiàng)功能測(cè)試，各模塊基本能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。組態(tài)與實(shí)物連接測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 組態(tài)與實(shí)物連接測(cè)試結(jié)果

4.2 實(shí)物分析

在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中我們分別模擬濕度范圍在60%RH以上、50%～60%RH、50%RH以下，溫度保持于32 ℃～34 ℃時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著溫濕度的變化情況，截取部分?jǐn)?shù)據(jù)，如圖10、圖11、圖12所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：濕度數(shù)據(jù)在曲線圖中勻速平緩下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速與濕度成正比例關(guān)系，時(shí)間間隔也大致相同，溫度也能一直保持在一個(gè)穩(wěn)定范圍之內(nèi)。各功能模塊穩(wěn)定運(yùn)行，能實(shí)時(shí)采集溫濕度，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與溫度，系統(tǒng)整體功能達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨溫度變化曲線

圖11 濕度變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC自適應(yīng)無(wú)級(jí)調(diào)速電吹風(fēng)調(diào)控裝置，該裝置利用壓力傳感器感應(yīng)壓力進(jìn)行系統(tǒng)啟停控制，對(duì)濕度和溫度用采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速與溫度控制。利用該控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)可靠性與準(zhǔn)確性，優(yōu)化了控制過(guò)程，提高了系統(tǒng)控制效率，不僅節(jié)省了成本與時(shí)間，而且提高了電吹風(fēng)工作時(shí)的安全性，使得用戶(hù)體驗(yàn)更加舒適，符合目前智能化發(fā)展的要求。

圖12 溫度變化曲線