基于西門子PLC 控制的智能公廁系統(tǒng)

張 波，王嘉昊，李 金，趙 航，田皓元

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引言

目前，大多數(shù)公廁都采用傳統(tǒng)的手按式?jīng)_洗方式，而這種傳統(tǒng)方式存在許多缺點(diǎn)，不方便、不衛(wèi)生，并且不符合國(guó)家的節(jié)能減排精神。因此，本文設(shè)計(jì)一款通過(guò)西門子S7-1500 來(lái)控制公廁的自動(dòng)控制系統(tǒng)。公廁系統(tǒng)結(jié)合了最新的泡沫式?jīng)_水，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，又可以防止一些接觸性傳播疾病的發(fā)生，為人們提供一個(gè)良好舒適的如廁環(huán)境[1]。

1 系統(tǒng)控制流程

本系統(tǒng)主要解決使用者立式和蹲式兩種模式的入廁，本文主要講述蹲式入廁的控制模式。首先，系統(tǒng)通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)是否有人進(jìn)入，當(dāng)檢測(cè)到有人入廁，自動(dòng)門打開(kāi)，照明燈、換氣扇隨即開(kāi)啟。當(dāng)使用者開(kāi)始蹲下，蹲位傳感器檢測(cè)到有人，觸摸屏開(kāi)始播放電視新聞。使用者開(kāi)始使用后5 min 自動(dòng)沖水（防止排泄物粘在便器表面不好清理），期間，使用者可以控制觸摸屏進(jìn)行沖洗。若出現(xiàn)忘記沖洗的情況，也可以通過(guò)蹲位傳感器檢測(cè)到使用者離開(kāi)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)沖洗[2]。當(dāng)檢測(cè)到有30人次使用該公廁時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行2 min 的地面清潔。整個(gè)使用流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體功能

2.1 節(jié)水控制

智能公廁的首要目的是實(shí)現(xiàn)節(jié)水控制。使用者在使用蹲式如廁時(shí)，系統(tǒng)每5 min 進(jìn)行一次沖水。使用者如廁結(jié)束時(shí)，可選擇觸摸屏控制沖水。如使用者忘記沖水，則系統(tǒng)的蹲位傳感器會(huì)在檢測(cè)到使用者離開(kāi)后自行沖水。沖水系統(tǒng)采用的是最新的泡沫式?jīng)_水，利用常態(tài)水和發(fā)泡劑混合產(chǎn)生的水體泡沫會(huì)比傳統(tǒng)式?jīng)_水更加環(huán)保，并且耗水量大約是傳統(tǒng)式?jīng)_水的1/3。

2.2 照明控制

紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入時(shí)，公廁的照明功能自動(dòng)打開(kāi)；當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人離開(kāi)，公廁的照明功能自動(dòng)關(guān)閉。若出現(xiàn)多人進(jìn)入或離開(kāi)，則當(dāng)所有人離開(kāi)時(shí)，照明功能關(guān)閉。為了避免出現(xiàn)特殊情況，觸摸屏上還設(shè)置了開(kāi)關(guān)燈按鈕[3]。

2.3 空氣控制

本系統(tǒng)設(shè)定為：當(dāng)有人進(jìn)入公廁，換氣扇閥門打開(kāi)，控制換氣扇與室外空氣進(jìn)行交換，并打開(kāi)空氣清新劑，以此來(lái)保證公廁內(nèi)部無(wú)異味。每隔12 h，殺菌燈將進(jìn)行為時(shí)30 min 的殺菌操作，這段時(shí)間完全能夠殺死公廁內(nèi)殘留的細(xì)菌和微生物，若開(kāi)的時(shí)間太長(zhǎng)反而會(huì)有副作用[4]。

2.4 報(bào)警控制

本系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏查看公廁是否能夠使用和對(duì)其進(jìn)行控制，通過(guò)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)泡沫水箱內(nèi)沖洗劑的容量，如果容量足夠，公廁可以繼續(xù)使用，如果容量不夠，觸摸屏閃亮紅燈并顯示無(wú)法使用。觸摸屏實(shí)現(xiàn)沖水、照明等過(guò)程，是通過(guò)屏幕上的按鈕進(jìn)行控制的。同時(shí)，觸摸屏還可以播放新聞聯(lián)播等節(jié)目[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件介紹

本系統(tǒng)主要使用西門子TIA 博途軟件。博途軟件可以對(duì)西門子S7-300/400，S7-1200 及S7-1500 進(jìn)行組態(tài)、編程及調(diào)試。TIA 博途軟件是一個(gè)系統(tǒng)，里面包含多種軟件，可以滿足用戶在不同自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的各種需求。

3.2 觸摸屏界面

本系統(tǒng)利用TIA Portal V15.1 軟件中HMI 觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的各種功能。公廁使用者和工作人員能夠使用的功能不一樣，工作人員可以控制更多的功能，公廁使用者的觸摸屏界面如圖2 所示。

圖2 公廁使用者的觸摸屏界面

公廁使用者的觸摸屏主要分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域是系統(tǒng)的電視畫(huà)面部分，當(dāng)使用者開(kāi)始如廁，觸摸屏開(kāi)始播放電視新聞；另一個(gè)區(qū)域是系統(tǒng)的控制部分（非工作人員的控制），使用者可以對(duì)公廁的沖水、照明、電視及殺菌進(jìn)行控制。畫(huà)面的右下角有一個(gè)報(bào)警燈，停水時(shí)該燈用來(lái)提醒使用者謹(jǐn)慎使用。

3.3 系統(tǒng)程序

TIA Portal V15.1 軟件包含了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）編程和仿真功能，幾乎適用于所有自動(dòng)化系統(tǒng)的任務(wù)。借助該軟件平臺(tái)，軟件開(kāi)發(fā)人員可以更快、更方便地開(kāi)發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)。智能公廁系統(tǒng)通過(guò)該軟件中S7-1500 PLC 與HMI 的連接，將系統(tǒng)的多個(gè)功能集成到觸摸屏上，讓用戶更方便地實(shí)現(xiàn)各種功能。

3.3.1 I/O 點(diǎn)表

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求確立I/O 點(diǎn)表，其中包含9個(gè)輸入信號(hào)和9 個(gè)輸出信號(hào)，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)I/O 點(diǎn)表

3.3.2 系統(tǒng)部分控制程序

PLC 編程方法主要有語(yǔ)句表編程、梯形圖編程及功能塊圖編程，本系統(tǒng)所使用的編程方法為梯形圖編程。此編程方法容易理解，并且可以更直觀明了地體現(xiàn)出系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能。

整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制模塊包括自動(dòng)開(kāi)關(guān)門、自動(dòng)沖水、自動(dòng)照明、自動(dòng)殺菌及自動(dòng)地面清潔等，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。如圖3 所示，為自動(dòng)照明換氣控制和自動(dòng)地面清潔控制的梯形圖編程。

圖3 是自動(dòng)照明換氣控制的梯形圖。其中，I0.0 是觸摸屏控制的進(jìn)出門開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)控制該按鈕進(jìn)行開(kāi)關(guān)門操作，或者通過(guò)進(jìn)門傳感器I0.2 探測(cè)到有人進(jìn)門后，打開(kāi)照明和換氣功能。M0.0 和M0.2 為中間繼電器，出門開(kāi)關(guān)和出門傳感器與進(jìn)門開(kāi)關(guān)相互制約，出門之后，常閉觸點(diǎn)接通，照明和換氣功能關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明換氣控制。

圖3 自動(dòng)照明換氣控制梯形圖

圖4 為自動(dòng)地面清潔控制的梯形圖。其中，CTU 為加計(jì)數(shù)器，其功能為當(dāng)有使用者出入30 次后，對(duì)地面進(jìn)行一次清潔。清潔完畢后，對(duì)該計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位操作，等待出入人數(shù)達(dá)到下一個(gè)30 次，從而進(jìn)行下一次地面清潔。

圖4 自動(dòng)地面清潔控制梯形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于西門子PLC 控制的智能公廁系統(tǒng)，真正做到了全自動(dòng)如廁的智能化功能，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能等功能。在國(guó)家大力支持節(jié)能減排的今天，使用該系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。