王繼楠，張 偉，謝新博，姚 凱

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215200）

0 引言

自從2019 年底新冠疫情爆發(fā)以來，人們越來越重視室內(nèi)的空氣質(zhì)量，特別是醫(yī)院、商場、車站等公共場所的空氣質(zhì)量。越來越多的室內(nèi)空氣凈化設(shè)備在公共場所使用[1]?？諝鈨艋O(shè)備一般是將室內(nèi)的空氣通過風(fēng)機(jī)的動(dòng)力吸入內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，在設(shè)備中通過各類濾網(wǎng)、薄膜達(dá)到去除空氣中顆粒物的目的，將處理后的潔凈空氣送回環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)空氣凈化的目的。然而，目前市面上的空氣凈化設(shè)備均存在一些問題，使其不能滿足當(dāng)下疫情防控對于大型公共場所的空氣凈化的新需求。一些空氣凈化設(shè)備面向家用設(shè)計(jì)，并不能實(shí)現(xiàn)大通量送風(fēng)，在公共場所中的換氣效率較低[2]；另外一些面向工業(yè)的空氣凈化設(shè)備功能單一，只能進(jìn)行單獨(dú)的PM2.5等參數(shù)的檢測及處理，不具備高效的殺菌消毒作用，并且沒有甲醛、濕度、二氧化碳等指標(biāo)的監(jiān)測與調(diào)控能力，對于避免各類感染和抑制病毒傳播沒有幫助。更重要的是，大部分的工業(yè)空氣凈化設(shè)備不具備友好的人機(jī)工程界面，使得醫(yī)務(wù)人員以及一般工作人員、保潔人員不能通過簡單的學(xué)習(xí)，迅速操作和使用設(shè)備[3]。

近年來，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)的發(fā)展不斷向前，與之相配套的人機(jī)界面設(shè)備使用也越來越廣泛。目前在國內(nèi)，對于基于PLC 的公共場所空氣凈化設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)較少，尤其是具有殺菌消毒、多參數(shù)控制的研究較少[4]。因此，本文介紹一種室內(nèi)空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，為國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究提供一些依據(jù)和借鑒。

1 空氣凈化設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)方案

空氣凈化設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由電源、六合一數(shù)字傳感器、PLC控制器、組態(tài)屏幕、等離子發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)、超聲霧化器、風(fēng)機(jī)控制器、風(fēng)機(jī)以及紫外線消毒燈組成，系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。本文基于PLC、Modbus 通訊、工業(yè)組態(tài)等關(guān)鍵技術(shù)，對多傳感器融合的室內(nèi)空氣凈化設(shè)備控制系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1 硬件組成框圖

PLC 是一種以微型計(jì)算機(jī)和電子電路技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置，由于它內(nèi)部具有光耦隔離電路和穩(wěn)定的濾波電路，因此可以應(yīng)對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，保證了空氣凈化器可以長時(shí)間穩(wěn)定工作。同時(shí)，PLC 以順序掃描、不斷循環(huán)的方式工作，采用梯形圖方式編程，編程方式簡單易學(xué)。其中，國產(chǎn)品牌信捷XD3-16T 系列的PLC，由于其可靠性和性價(jià)比高，近年來被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制系統(tǒng)中。

Modbus 協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，由于它已經(jīng)公開發(fā)表開源，并且非常易于設(shè)置和維護(hù)，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)設(shè)備之間最常用的連接方式[5]。多個(gè)傳感器在進(jìn)行數(shù)字融合的過程中，可以通過從站設(shè)備底層固件的設(shè)置，將不同傳感器的輸出值存儲(chǔ)在不同的寄存器中，寄存器的地址符合Modbus 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的規(guī)范即可。使用Modbus 主站設(shè)備，可以將多個(gè)傳感器的數(shù)值依次從各寄存器中讀出，送到PLC 中進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

工業(yè)組態(tài)屏是一種以微型CPU 為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，一般由高亮度TFT 液晶顯示屏和電阻觸摸屏組成，同時(shí)預(yù)裝嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理能力[6]。工業(yè)組態(tài)屏的廣泛使用，提高了工業(yè)產(chǎn)品的人機(jī)交互水平，降低了操作難度。威綸通TK6071 系列觸摸屏由于其穩(wěn)定性和可靠性，在工業(yè)控制系統(tǒng)之中也被廣泛使用。通過EasyBuilder 開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以快速地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)與調(diào)試。

加濕和除濕是通過兩種不同的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。加濕采用浸入式電極加濕技術(shù)，該方法是通過電極來進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，即采用電加熱的方式使水達(dá)到沸點(diǎn)，從而利用蒸汽來增加空氣的濕度。除濕采用的是冷卻除濕法，又可以叫做露點(diǎn)法，其原理是利用壓縮機(jī)工作降低通道內(nèi)的溫度，使?jié)駳怏w中的水蒸氣凝結(jié)，達(dá)到除濕的目的。

從硬件組成框圖可以看出，六合一傳感器把環(huán)境參數(shù)通過Modbus-485 協(xié)議傳到PLC 中，PLC 協(xié)調(diào)控制離子發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)、超聲霧化器、風(fēng)機(jī)控制器以及紫外消毒燈，實(shí)現(xiàn)對于空氣濕度、PM2.5的控制，不間斷地進(jìn)行殺菌消毒。通過組態(tài)屏幕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，進(jìn)行運(yùn)行模式、各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)完成對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。系統(tǒng)中的PLC、工業(yè)組態(tài)屏、傳感器、通信協(xié)議的詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 系統(tǒng)組成詳細(xì)信息表

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對PLC 的I/O 端口進(jìn)行分配，共用到了RS-485 通信接口以及7 個(gè)繼電器類型的輸出端口，如表2 所示。

表2 I/O 分配表

根據(jù)I/O 分配表，繪制系統(tǒng)電氣原理圖如圖2所示。電氣原理圖既可以在后續(xù)的編程過程中提供依據(jù)，也可以指導(dǎo)實(shí)際的安裝調(diào)試。

圖2 空氣凈化系統(tǒng)電氣原理圖

2 系統(tǒng)的PLC 程序

2.1 兩種工作模式

系統(tǒng)共有手動(dòng)和自動(dòng)兩種不同的工作模式。在手動(dòng)模式下，可以單獨(dú)控制風(fēng)機(jī)的啟停與濕度的增減，在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，打開紫外線消毒以及等離子發(fā)生器，對室內(nèi)空氣進(jìn)行消毒。手動(dòng)的特點(diǎn)在于加濕或者除濕可以人工選定。在加濕狀態(tài)下，通過Y5 端口控制霧化加濕器工作，將液態(tài)水霧化到空氣中，增加空氣濕度；在除濕狀態(tài)下，通過Y4 端口控制壓縮機(jī)工作，進(jìn)行液化除濕，降低空氣濕度。手動(dòng)狀態(tài)下的風(fēng)速也可以在人機(jī)界面上設(shè)定，共分為高、中、低共3 個(gè)檔位。

在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)界面上設(shè)定的濕度控制上限與下限，自動(dòng)控制Y5 或者Y4 端口。當(dāng)環(huán)境濕度值低于預(yù)設(shè)的下限時(shí)開啟加濕，當(dāng)環(huán)境濕度值高于設(shè)定的上限時(shí)，開啟除濕。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的工作速度也根據(jù)環(huán)境的PM2.5數(shù)值確定，在高、中、低3 種速度檔位下智能切換。

2.2 傳感器數(shù)值的讀取與處理

傳感器與PLC 之間采用Modbus-RTU 485 通信，通信參數(shù)設(shè)置為波特率9 600 bps，傳感器地址設(shè)為0x01，不同環(huán)境量的測量結(jié)果存放在不同的寄存器地址，每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)占兩個(gè)字節(jié)，如表3所示。

表3 傳感器寄存器存儲(chǔ)地址

各環(huán)境參數(shù)讀進(jìn)PLC 之后，數(shù)據(jù)并不能直接使用，需要經(jīng)過特定的轉(zhuǎn)換才能使用，各參數(shù)的轉(zhuǎn)換方式如以下計(jì)算式所示。

式中：CO2_H是CO2濃度的高字節(jié)，CO2_L是CO2濃度的低字節(jié)。

式中：TVOC_H是TVOC 濃度的高字節(jié)；TVOC_L是TVOC濃度的低字節(jié)。

式中：CH2O_H是CH2O濃度的高字節(jié)；CH2O_L是CH2O濃度的低字節(jié)。

式中：PM2.5_H是PM2.5濃度的高字節(jié)；PM2.5_L是PM2.5濃度的低字節(jié)。

式 中：Temperaturte_H是溫度的高字節(jié)；Temperaturte_L是溫度的低字節(jié)。

式中：Humidity_H是濕度的高字節(jié)；Humidity_L是濕度的低字節(jié)。

3 工業(yè)組態(tài)屏設(shè)計(jì)

3.1 編程環(huán)境

EasyBulider Pro 是一款專業(yè)的威綸通觸摸屏編程軟件，即威綸通觸摸屏人機(jī)界面的專用編程軟件，簡稱“EBpro”，適用于威綸通eMT、cMT、iE、MT（iP）以及TK（iP）機(jī)型，由設(shè)計(jì)、分析測試、傳輸、維護(hù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換五大類共幾十個(gè)工具組成，是威綸通觸摸屏人機(jī)界面設(shè)備開發(fā)人員的必備工具。

3.2 界面設(shè)計(jì)

為了方便操作室內(nèi)空氣凈化設(shè)備，本文設(shè)計(jì)了扁平化的人機(jī)操作界面，如圖3 所示。

圖3 室內(nèi)空氣凈化設(shè)備人機(jī)操作界面

操作界面以陣列的方式分別顯示出傳感器讀回的環(huán)境參數(shù)，并且把目前的凈化設(shè)備工作狀態(tài)圖標(biāo)也顯示在界面中。當(dāng)風(fēng)機(jī)、紫外線、等離子、加濕、除濕等功能開啟，圖標(biāo)顯示為彩色，當(dāng)某功能關(guān)閉，圖標(biāo)顯示為黑白。同時(shí)，人機(jī)界面中還設(shè)置了定時(shí)窗口、設(shè)置窗口、濕度上下限設(shè)置窗口，便于對相應(yīng)功能進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)語

本文通過多參數(shù)傳感器和PLC 的配合，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)空氣凈化設(shè)備的控制，以PLC 作為系統(tǒng)的控制核心，按照手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式進(jìn)行控制，控制風(fēng)機(jī)、紫外線、等離子、加濕、除濕等不同功能按需啟動(dòng)。本系統(tǒng)解決了空氣凈化設(shè)備的多參數(shù)聯(lián)動(dòng)控制，用組態(tài)屏幕實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)工程界面，為公共場所的空氣凈化提供了可靠的解決方案。