潘頌哲 季俠毅 高 峰 黃子軒 陳信奉

(溫州職業(yè)技術學院瑞安學院，浙江 溫州 325035)

0 引言

陽光是人類最重要的能源，同時也是人們生長發(fā)育的必要條件，更是保持身心健康的關鍵因素[1]。當前大多數(shù)老房子較為陳舊，且采光效果差，致使屋內(nèi)環(huán)境過于潮濕、發(fā)霉，不利于居住者的身心健康成長[2-3]。

針對上述問題，設計和研發(fā)了一種基于PLC的陽光搬運裝置，能實現(xiàn)陽光的自動追蹤，并通過光纖搬運至室內(nèi)指定位置，在不對原居住房屋較大改造的基礎上，有效改善室內(nèi)采光效果，為舊房光線改造提供低成本高效率的解決方案。

1 整體設計方案

基于PLC的陽光搬運裝置設計與研發(fā)的整體設計方案如下圖1所示，包括2個部分：一是陽光光線的自動追蹤與采集，二是光源的傳遞。通過采集4個光敏傳感器的光線強度數(shù)據(jù)，并采用雙軸跟蹤技術[4]，從而實時調(diào)整對光位置。光線的傳遞由光纖傳遞至室內(nèi)的指定位置，光纖傳遞路線可以沿墻布置，僅需鉆若干孔即可完成光線傳遞[5]。

圖1 整體設計方案

2 工作原理分析

2.1 陽光光線強度信號采集

在光線接收板上布置4個對稱分布且與接收板呈一定角度的光敏傳感器A、B、C、D。傳感器A和C對稱分布，B和D對稱分布。當太陽斜射時，傳感器A和C或傳感器B和D因受到光照強度不同，采集得到模擬數(shù)據(jù)值存在較大的差異，當偏差值超過一定數(shù)值后，控制相應的步進電機旋轉(zhuǎn)，直到數(shù)值相差不大為止。當入射光線與光線接收板垂直時，因入射光線可以被認為近似平行，此時4個傳感器接收到的光照強度基本一致。因此，通過對比分析4個傳感器采集到的模擬數(shù)據(jù)值，以此判斷太陽的入射角度。

2.2 光線的自動追蹤

本裝置采用雙軸跟蹤技術，即采用2個步進電機作為裝置動力輸出，通過控制脈沖輸出數(shù)量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，從而達到調(diào)速的目的。

2.3 光線強度靈敏度調(diào)整

實際使用中，如果遇到陰雨等光線不佳天氣時，為避免搬運裝置因光敏傳感器無法采集足夠強度的光線信號而罷工的情況，因而在系統(tǒng)軟件中設置光線強度的靈敏度調(diào)整參數(shù)，即靈敏度越高，搬運裝置反應越靈敏，反之則反應遲鈍。

3 電控方案設計

陽光搬運裝置的電路控制系統(tǒng)主要包括PLC、模擬量輸入模塊、人機交互、步進電機及驅(qū)動器等，如圖2所示。

圖2 陽光搬運裝置的電控系統(tǒng)

(1)可編程控制器PLC是搬運裝置的核心，其主要功能包括光源強度模擬量信號輸入控制、數(shù)據(jù)處理、步進電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角控制、邏輯控制等。

(2)人機交互作用主要用于搬運裝置控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，并實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，參數(shù)調(diào)整包括裝置靈敏度設置、步進電機轉(zhuǎn)速和加減速設置、自動調(diào)試和手動調(diào)試切換等調(diào)整功能。

(3)模擬量輸入模塊用于四路光敏傳感器的采集，其采集信號為0～10V的電壓信號。

(4)步進電機及驅(qū)動器用于陽光光源的自動追蹤，包括進退和旋轉(zhuǎn)2個電機。其旋轉(zhuǎn)速度和角度由PLC的脈沖信號控制。

4 軟件設計

陽光搬運裝置的軟件流程如下圖3所示。

圖3 控制流程圖

當裝置啟動之后，四路光敏傳感器實時采集光照信號，并作對比，傳感器A和C控制進退步進電機的旋轉(zhuǎn)方向，傳感器B和D控制旋轉(zhuǎn)步進電機的轉(zhuǎn)動方向。如果傳感器之間的電壓偏差超過0.15V(靈敏度可由觸摸屏設置)，則實現(xiàn)相應的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

5 結語

通過試驗得出，基于PLC的陽光搬運裝置結構可靠，操作方便，控制效果良好。在室外向陽處安裝本裝置，并沿墻布置光纖，就能夠?qū)崿F(xiàn)陽光的“搬運”功能，具有較強的市場推廣潛力。