魏剛

【摘 要】現(xiàn)代教學(xué)中多媒體技術(shù)的不斷引進(jìn)提高了教學(xué)效率，但傳統(tǒng)黑板作為必備的教具依然是重要的存在。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)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(nèi)，學(xué)生和老師成為了被動(dòng)的“吸塵器”。本設(shè)計(jì)通過(guò)自動(dòng)控制將擦拭和吸塵結(jié)合，提供合理的控制界面，可以達(dá)到人不在場(chǎng)完成黑板擦拭，減少粉筆灰的四散和人的被動(dòng)吸塵，并將系統(tǒng)設(shè)計(jì)延伸為一個(gè)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】PLC；HMI；黑板；自動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)： F426.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(tǒng)黑板在現(xiàn)代教學(xué)中依然大量使用，雖然在書(shū)寫(xiě)的時(shí)候采用了低塵處理，但在去除黑板上遺留的粉筆印跡時(shí)必須擦拭，傳統(tǒng)的擦拭過(guò)程中大量粉塵飄散于空氣中，對(duì)在場(chǎng)的學(xué)生和老師帶來(lái)不少的煩惱。對(duì)傳統(tǒng)黑板進(jìn)行一定的改進(jìn)，增加一定的自動(dòng)化吸塵裝置可以有效的解決被動(dòng)吸塵現(xiàn)象，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人在場(chǎng)的自動(dòng)擦拭并吸塵過(guò)程。

1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)原有黑板增加水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)裝置[1]，在移動(dòng)裝置上安裝電動(dòng)毛刷用于黑板的擦拭，并對(duì)擦拭下落的粉塵直接吸收，從而使粉塵在空氣中的存在時(shí)間盡量短。系統(tǒng)的控制采用獨(dú)立開(kāi)關(guān)或連接控制屏實(shí)現(xiàn)，這樣就不用人在現(xiàn)場(chǎng)了，避免了被動(dòng)吸入粉塵過(guò)程。通過(guò)對(duì)移動(dòng)部分的控制，實(shí)現(xiàn)黑板的全部或局部擦拭?？刂撇糠纸Y(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 電控系統(tǒng)框圖

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

控制器采用PLC實(shí)現(xiàn)。PLC是適合工廠(chǎng)環(huán)境下使用的可編程控制器，由于教室環(huán)境存在高粉塵，并且PLC的擴(kuò)展性、操作性比較好，在整體電路實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單[2]。西門(mén)子S7-200型PLC是西門(mén)子公司的老產(chǎn)品，型號(hào)眾多，性能優(yōu)越，速度快，擴(kuò)展性強(qiáng)，軟件易操作。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象的估算，即對(duì)輸入信號(hào)的采集和輸出信號(hào)的控制，并對(duì)系統(tǒng)留有一定的擴(kuò)展空間和擴(kuò)展接口，設(shè)計(jì)中采用CPU224，其共有24個(gè)接口，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)要求和一定的擴(kuò)展性。

擦拭過(guò)程覆蓋整個(gè)黑板，通過(guò)控制電機(jī)在固定軌道上按程序移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)X-Y軸的水平移動(dòng)系統(tǒng)，可覆蓋全部黑板。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊在絲杠來(lái)回移動(dòng)，將毛刷電機(jī)安裝在滑塊之上完成高速轉(zhuǎn)動(dòng)完成擦拭黑板過(guò)程。

說(shuō)明：1.底板 2.黑板區(qū)域 3.軌道支持點(diǎn) 4.水平運(yùn)行軌道 4a 水平滑塊及電機(jī) 5.垂直運(yùn)行軌道6.垂直軌道滑塊及電機(jī) 7.吸塵部分 8.電機(jī)及轉(zhuǎn)動(dòng)毛刷 9.主控制板

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 功能描述

當(dāng)按下系統(tǒng)電源按鈕后，工作指示燈點(diǎn)亮，整個(gè)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。需要擦拭黑板時(shí)，可選擇按下擦拭按鈕；擦拭過(guò)程，水平方向電機(jī)和左、右垂直方向電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)毛刷電機(jī)和吸塵電機(jī)，到啟動(dòng)點(diǎn)后，先垂直向下運(yùn)行，到達(dá)下邊沿后水平移動(dòng)固定距離，再垂直方向向上運(yùn)行，即按“S”路線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)?shù)竭_(dá)中心結(jié)束位置后回退到原點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，吸塵口始終在毛刷下方，保證粉塵的最大吸收。根據(jù)黑板使用特點(diǎn)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(jī)和左（右）垂直方向電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)左邊部分啟動(dòng)毛刷電機(jī)和吸塵電機(jī)，到啟動(dòng)點(diǎn)后，先垂直向下運(yùn)行，到達(dá)下邊沿后水平移動(dòng)固定距離，再垂直方向向上運(yùn)行，即按“S”路線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)?shù)竭_(dá)中心結(jié)束位置后回退到原點(diǎn)。

2.2.2 編程軟件

為實(shí)現(xiàn)上述控制功能，PLC需采用西門(mén)子公司對(duì)應(yīng)的編程軟件，最近一款為STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9，編程軟件功能強(qiáng)大，下載方便，可采用三種方式完成程序設(shè)計(jì)，較為直觀的一種就是FBD梯形圖設(shè)計(jì)，大多數(shù)具有一點(diǎn)電氣控制知識(shí)的就能夠看懂，所以比較容易上手。endprint

對(duì)上述要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行總結(jié)后可獲得整個(gè)系統(tǒng)需要的輸入輸出點(diǎn)位，并進(jìn)行具體的劃分和定義，避免在具體編程時(shí)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(hù)性，整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，分為多個(gè)子程序完成不同的調(diào)用，梯形圖3如上。

3 系統(tǒng)擴(kuò)展性與成本

3.1 系統(tǒng)擴(kuò)展

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中著重考慮擦拭功能的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時(shí)還有很多在設(shè)計(jì)中逐漸體現(xiàn)出系統(tǒng)的缺陷。如控制系統(tǒng)中只有機(jī)械開(kāi)關(guān)控制，可通過(guò)PLC的組態(tài)給系統(tǒng)增加人機(jī)界面（HMI），可實(shí)現(xiàn)可視化控制過(guò)程[3]；還可以利用PLC的網(wǎng)絡(luò)模塊，擴(kuò)展其網(wǎng)絡(luò)控制功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)教學(xué)樓內(nèi)所有教室中自動(dòng)擦拭黑板的擦拭功能，配合以教室攝像頭，可以對(duì)沒(méi)有及時(shí)擦拭的黑板進(jìn)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(shí)比較高，在加上數(shù)量不等的電機(jī)、HMI等，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的價(jià)格不菲。但相對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，PLC在高塵、強(qiáng)磁干擾、模塊化應(yīng)用方面還是有一定優(yōu)勢(shì)，特別是電機(jī)控制能力。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)化的PLC功能不斷增強(qiáng)，如果系統(tǒng)采用這些PLC，其成本會(huì)下降許多。

4 系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

對(duì)于單個(gè)教室中的黑板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擦拭，其控制系統(tǒng)可能比較簡(jiǎn)單，該設(shè)計(jì)可作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。如果系統(tǒng)考慮到整個(gè)教學(xué)樓中多達(dá)二三十教室的控制，系統(tǒng)就可以作為一個(gè)DCS來(lái)設(shè)計(jì)，其中必須添加更為高級(jí)的S7-300控制器為服務(wù)器使用，這樣，這個(gè)項(xiàng)目就可作為本科畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)或自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用PLC完成主要控制部分，其性能可靠，編程簡(jiǎn)單，但相對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)成本較高。經(jīng)過(guò)樣機(jī)的基本測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)控制易于實(shí)現(xiàn)，各部分動(dòng)作可靠，但在吸塵方面還有待改進(jìn)，需要增加大功率設(shè)備，才能達(dá)到粉塵不擴(kuò)散的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛制怒，馮浩，李憲章.基于上位機(jī)與MCS-51單片機(jī)的X-Y軸定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].制冷與空調(diào)，2005（2）：46-49

[2]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]黃永紅.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.endprint