基于PLC的教室空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王賀迪++高學(xué)金

摘 要 使用西門子公司S7-200型號(hào)的PLC作為控制核心，設(shè)計(jì)教室空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)。本系統(tǒng)首先使用PM2.5濃度變送器對(duì)教室中的PM2.5濃度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值傳入PLC中，由PLC將其與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，再輸出相應(yīng)的指令智能控制空氣凈化器開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞 教室空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)；PLC；PM2.5

中圖分類號(hào)：G474 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）03-0023-02

1 設(shè)計(jì)初衷

近年來全國大范圍霧霾頻發(fā)，多地PM2.5爆表，嚴(yán)重影響人們的日常工作與生活，大氣環(huán)境污染已然成為威脅人類健康與生存的重大問題。室外環(huán)境空氣中的顆粒物是室內(nèi)空氣中顆粒物的主要來源之一。最新研究表明，北京PM2.5濃度峰值與人類流感病例的延遲增加效應(yīng)有極其重要的關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)室內(nèi)空氣污染進(jìn)行控制和治理是目前改善人類生存環(huán)境的有效途徑。

對(duì)于絕大部分時(shí)間都在學(xué)校教室進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，室內(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)重影響到了他們的身心健康。為此，自2015年開始，北京市各中小學(xué)陸續(xù)安裝空氣凈化器。例如：北京市第十五中學(xué)南口學(xué)校已先后安裝150余臺(tái)新風(fēng)空氣凈化器；2016年正式投入使用的清華附中將臺(tái)路校區(qū)給教學(xué)樓的30間教室配備了新風(fēng)換氣系統(tǒng)，以保障師生的身心健康。日前，北京市教育委員會(huì)已部署中小學(xué)、幼兒園安裝空氣凈化設(shè)備試點(diǎn)工作，要求積極穩(wěn)妥、有序推進(jìn)。

在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的同時(shí)，節(jié)約電能需要進(jìn)一步考慮。PLC（可編程邏輯控制器）能夠出色地完成數(shù)據(jù)的采集、判別及控制作用。因此，本文針對(duì)教室內(nèi)的空氣凈化器，設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的空氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

2 PLC與空氣凈化器簡介

PLC介紹 PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，它的硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)基本相同，構(gòu)成為電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊和通信模塊。當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，它的工作過程一般來說分為3個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行與輸出刷新。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出第一臺(tái)PLC——PDP-14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制。這是第一代可編程邏輯控制器。1974年，中國研制出第一臺(tái)PLC。20世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30%～40% 。在這時(shí)期，PLC在各方面的能力都得到大幅度提高。

空氣凈化器介紹 空氣凈化器主要是由馬達(dá)、風(fēng)扇、空氣過濾網(wǎng)等模塊組成的，其工作原理為：機(jī)器內(nèi)的馬達(dá)與風(fēng)扇使室內(nèi)的空氣循環(huán)流動(dòng)，污染的空氣通過機(jī)內(nèi)的空氣過濾網(wǎng)后，將各種污染物清除或吸附，達(dá)到清潔、凈化空氣的目的?？諝鈨艋髟诰蛹摇⑨t(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用，居家領(lǐng)域以單機(jī)類的家用空氣凈化器為市場的主流產(chǎn)品，最主要的功能是去除空氣中的顆粒物，如PM2.5。由于相對(duì)封閉的空間中空氣污染物的釋放有持久性和不確定性的特點(diǎn)，因此使用空氣凈化器凈化室內(nèi)空氣是國際公認(rèn)的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法之一。

3 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求 教室空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)的PM2.5濃度，在保證教室空氣質(zhì)量正常的情況下，利用PLC自動(dòng)控制的能力，對(duì)空氣凈化器開關(guān)實(shí)行智能控制，有效地提高工作效率，以達(dá)到節(jié)能的效果。

總體設(shè)計(jì)方案 普通的教室面積一般在50 m2左右。考慮到由于通風(fēng)，教室門口和室內(nèi)PM2.5濃度有所差異，同時(shí)也避免由于傳感器異常造成的測(cè)量錯(cuò)誤，本文選擇在教室的前中后3個(gè)位置各安裝PM2.5濃度變送器，取其平均值作為標(biāo)準(zhǔn)輸入值。一般的空氣凈化器適用面積在20～40 m2，

所以本文選擇在教室的前后各安裝1臺(tái)空氣凈化器。當(dāng)教室內(nèi)出現(xiàn)輕微污染時(shí)，PLC給出相應(yīng)的控制信號(hào)，開啟1臺(tái)空氣凈化裝置；當(dāng)教室內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重污染時(shí)，開啟2臺(tái)空氣凈化裝置。如果自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)手動(dòng)模式進(jìn)行控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 硬件選擇

PLC類型選擇 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從保證系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和可擴(kuò)展性等方面入手。本控制系統(tǒng)采用可靠性和可擴(kuò)展性很好的西門子S7-200系列的PLC作為控制器。用PM2.5濃度變送器來檢測(cè)教室內(nèi)的空氣污染情況，并將信號(hào)輸入PLC中。

PM2.5濃度變送器選擇 本文選擇的是北京盛創(chuàng)達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的SC03PM2.5變送器，它可用于各類商業(yè)綜合體、政府大樓、醫(yī)院、學(xué)校以及住宅的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

空氣凈化器選擇 本文選擇的是TCL生產(chǎn)的型號(hào)為TKJ312F-A1的空氣凈化器，適用面積為23～40 m2，空氣凈化器風(fēng)量為301～400 m3/小時(shí)，適用于辦公室、教室等中小型場所。

5 軟件設(shè)計(jì)

按圖1將硬件接好線后，將編寫好的控制程序裝載到PLC中。按下啟動(dòng)按鈕，總啟動(dòng)燈亮，并選擇自動(dòng)模式，此時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，3個(gè)傳感器檢測(cè)當(dāng)前的PM2.5濃度，并將測(cè)得的信號(hào)求取平均值送入PLC中，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前的污染程度：若為輕度污染，則開啟1臺(tái)空氣凈化器；若為重度污染，則2臺(tái)空氣凈化器全部開啟；若系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則報(bào)警燈亮，此時(shí)可以切換到手動(dòng)模式進(jìn)行手動(dòng)控制。系統(tǒng)中需要設(shè)置自動(dòng)模式與手動(dòng)模式互鎖，保證系統(tǒng)只運(yùn)行在一種模式下。程序框圖如圖2所示。

6 結(jié)束語

本文使用西門子S7-200系列PLC編程軟件，完成了教室空氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作模式，自動(dòng)模式為正常運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)模式用于應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。系統(tǒng)中如果需要修改PM2.5濃度的設(shè)定值，更改程序的設(shè)定值即可實(shí)現(xiàn)。教室空氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)只是智能控制模型中的一個(gè)典型應(yīng)用，科技發(fā)展日新月異，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)取得更加迅猛的發(fā)展，各種裝備與設(shè)備上嵌入式計(jì)算與系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使智能系統(tǒng)將逐步走進(jìn)人們的生活。

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