車廂門把手的自動(dòng)化消毒裝置設(shè)計(jì)

崔少晨

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電工程學(xué)院， 陜西，西安 710026)

0 引言

新型冠狀病毒肺炎因其潛伏期癥狀不明顯、傳染能力強(qiáng)、防控難度大，對(duì)中國(guó)及世界的人類健康、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響[1]。交通運(yùn)輸行業(yè)是受新冠肺炎疫情影響較為嚴(yán)重的領(lǐng)域之一[2-3]。隨著春運(yùn)臨近，國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸客流量的不斷增大，車廂內(nèi)疫情傳播的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。根據(jù)相關(guān)研究，新冠肺炎傳播的途徑主要有呼吸飛沫傳播、接觸傳播等[4]。盡管正確佩戴口罩可以使飛沫傳播的幾率降低，然而乘客接觸被污染的車廂內(nèi)門把手等物品后仍然存在交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。目前，列車車廂等公共車輛的消毒仍然采取人工擦拭的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且間隔較長(zhǎng)，難以保證對(duì)乘客頻繁接觸的物品進(jìn)行實(shí)時(shí)、徹底的消毒，而針對(duì)車廂物品的自動(dòng)化消毒裝置尚未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)[5]。因此，開發(fā)新型自動(dòng)消毒裝置，對(duì)于當(dāng)前的車廂消毒以及疫情防控具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

由于門把手是乘客最常接觸的物品之一，為避免乘客觸碰到被污染的門把手而被感染，應(yīng)在乘客觸摸門把手后及時(shí)進(jìn)行噴殺消毒?？删幊炭刂破?programmable logic controller, PLC)是以微處理器為基礎(chǔ)的一種工業(yè)控制裝置，具有硬件配置要求低，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。鑒于此，本研究利用PLC、運(yùn)動(dòng)傳感器、電磁閥驅(qū)動(dòng)噴頭以及消毒液體75%乙醇，構(gòu)建出一種新型自動(dòng)化消毒裝置，利用運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)門把手是否被轉(zhuǎn)動(dòng)并將信號(hào)傳送給PLC，繼而發(fā)出信號(hào)噴出消毒液對(duì)門把手消毒，從而實(shí)現(xiàn)“一使用、一消毒”，具有安裝簡(jiǎn)單、占用空間少、可靠靈活等優(yōu)點(diǎn)，適用于包含列車車廂在內(nèi)的多種室內(nèi)場(chǎng)景，對(duì)公共空間的疫情防控具有較大的實(shí)用價(jià)值[9]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該自動(dòng)消毒裝置由檢測(cè)模塊、控制模塊、噴灑模塊、電源模塊、報(bào)警模塊組成。裝置總體設(shè)計(jì)如圖1所示。電源模塊提供自動(dòng)消毒裝置在工作時(shí)所需的電壓。檢測(cè)模塊檢測(cè)門把手是否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并將信號(hào)傳遞給控制模塊，控制模塊經(jīng)過程序運(yùn)算，輸出結(jié)果，控制噴灑系統(tǒng)是否噴出消毒液體，從而對(duì)門把手進(jìn)行消毒。報(bào)警模塊在檢測(cè)到消毒液體低于正常量或有其他特殊情況發(fā)生(例如噴灑系統(tǒng)狀態(tài)異常)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 自動(dòng)消毒裝置總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)消毒裝置的硬件系統(tǒng)由電源模塊、檢測(cè)模塊、噴灑模塊和報(bào)警模塊4大部分組成。

2.1 電源模塊

電源模塊設(shè)計(jì)參考了文獻(xiàn)[7]。設(shè)定輸出電壓為24 V，分別分配給控制模塊、檢測(cè)模塊和噴灑模塊和報(bào)警模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊工作原理示意圖

2.2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊由加速度傳感器和液位傳感器組成。加速度傳感器設(shè)置在門把手內(nèi)側(cè)， 檢測(cè)是否有人旋轉(zhuǎn)門把手。由于晶體變形可產(chǎn)生電壓，利用加速度可造成內(nèi)部晶體變形并產(chǎn)生壓電效應(yīng)這一特性，通過計(jì)算所產(chǎn)生電壓和加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出，判斷門把手是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)[8]。當(dāng)門把手發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給控制模塊?？刂颇K處理該信號(hào)后，控制噴灑模塊工作，噴出消毒液體，開始對(duì)使用過的門把手進(jìn)行消毒。

液位傳感器用來檢測(cè)儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)的消毒液體是否充足，主要基于液位改變時(shí)有關(guān)物理參數(shù)變化的規(guī)律而設(shè)計(jì)，常見的液位測(cè)量方式有應(yīng)變式、浮體式、光電式、電容式、電極式、流量計(jì)、超聲波式和機(jī)器視覺法等[9]。液位傳感器設(shè)計(jì)放在儲(chǔ)液瓶上，當(dāng)儲(chǔ)液瓶里的消毒液體低于正常工作值時(shí)，液位傳感器將信號(hào)傳遞給控制模塊，控制模塊處理信號(hào)后，使報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒列車員消毒液不足以便于及時(shí)補(bǔ)充。

2.3 噴灑模塊

噴灑模塊的功能為完成消毒液體的噴出工作，主要包括噴頭、電磁閥、水泵和儲(chǔ)液瓶。

2.3.1 噴頭

自動(dòng)消毒裝置安裝在已投入使用的列車上，因此需要結(jié)合列車的實(shí)際結(jié)構(gòu)安裝噴頭。噴頭的主要作用為噴出消毒液體，對(duì)列車門把手進(jìn)行消毒。為保證消毒效果，噴頭需安裝在門把手附近。噴頭的安裝位置分為3種，如圖3所示。

在圖3(a)中，噴頭安裝在門把手后上方，在消毒液體噴出時(shí)，門把手下方為消毒盲區(qū)。在圖3(b)中，噴頭安裝在門把手固定側(cè)，在消毒液體噴出時(shí)，門把手非固定側(cè)為消毒盲區(qū)。在圖3c中，噴頭安裝在門把手非固定側(cè)，在消毒液體噴出時(shí)，門把手固定側(cè)為消毒盲區(qū)。但是，乘客在使用門把手時(shí)，一般不會(huì)碰觸到門把手固定側(cè)。所以上述3種噴頭安裝圖中，將噴頭安裝在把手非固定端側(cè)面，即按照?qǐng)D3(c)所示位置進(jìn)行安裝，可保證消毒液體噴出時(shí)覆蓋的門把手區(qū)域最廣泛，消毒效果最好。

(a) 噴頭安裝在門把手上方 (b) 安裝位置為門把手固定側(cè) (c) 安裝位置為把手非固定端側(cè)面

2.3.2 壓力泵

要想在電磁閥導(dǎo)通時(shí)，消毒液體順利噴出，就需要消毒液體帶有一定的壓力，可借鑒自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防噴淋水泵、氣壓設(shè)備供水、高位水箱等原理[10]，并結(jié)合列車運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：一種方法是將儲(chǔ)液瓶設(shè)計(jì)在整個(gè)列車的頂部，利用重力勢(shì)能為消毒液體提供所需的壓力；另一種方法是使用壓力泵為消毒液體提供壓力。因?yàn)樽詣?dòng)消毒裝置需要安裝在已經(jīng)生產(chǎn)并投入運(yùn)行中的列車上，在列車頂部安裝儲(chǔ)液瓶難以實(shí)現(xiàn)，因此選擇壓力泵為消毒液體提供一定的壓力。

2.3.3 儲(chǔ)液瓶

儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)部存儲(chǔ)消毒液體，消毒液體在電壓力泵的作用下，達(dá)到電磁閥。在乘客使用門把手后，控制系統(tǒng)接收到傳感器信號(hào)，繼而發(fā)出指令，使電磁閥工作將消毒液體噴出。為了更好地節(jié)省空間，設(shè)計(jì)儲(chǔ)液瓶形狀為扁平型，安裝于列車車門上。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊用來顯示自動(dòng)消毒裝置的工作狀態(tài)是否正常。當(dāng)自動(dòng)消毒裝置正常工作時(shí)，正常工作指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到儲(chǔ)液瓶?jī)?nèi)消毒液體低于最低位、或者是其他特殊情況發(fā)生(噴灑系統(tǒng)狀態(tài)異常、檢測(cè)模塊輸入異常)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組成控制模塊的PLC是以微處理器為基礎(chǔ)并綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展而來的一種工業(yè)控制裝置，是整個(gè)自動(dòng)消毒裝置的核心。

3.1 控制要求

自動(dòng)消毒裝置的工作模式可以分為2種：緊急情況下的“一用一消”和正常情況下的“一日一消”。前者可用于疫情嚴(yán)重的時(shí)期或地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)門把手每使用一次就進(jìn)行一次消毒，后者可用于疫情得到有效控制，發(fā)生疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)極低的情況下，可選擇性地對(duì)門把手進(jìn)行每日一次的消毒。

自動(dòng)消毒裝置的控制要求為：使用轉(zhuǎn)換按鈕確定自動(dòng)消毒裝置的工作模式，按下起動(dòng)按鈕后，如果安裝在門把手上的加速度傳感器檢測(cè)到了信號(hào)輸入，即有人使用了門把手，需要對(duì)門把手進(jìn)行消殺。該信號(hào)通過PLC使電磁閥導(dǎo)通，從而使噴頭噴出消毒液體。當(dāng)自動(dòng)消毒裝置開始正常工作時(shí)，開始工作指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)自動(dòng)消毒裝置檢測(cè)到異常輸入信號(hào)(如加速度傳感器一直有輸入信號(hào))或儲(chǔ)液瓶液體不足時(shí)，開始工作指示燈閃爍，報(bào)警指示燈閃爍并發(fā)出報(bào)警聲。

3.2 軟件編程設(shè)計(jì)

自動(dòng)消毒裝置通過實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)模塊傳感器的輸入信號(hào)，將采集到的所有信息傳送給PLC。根據(jù)自動(dòng)消毒裝置的控制要求，傳感器信號(hào)占用2個(gè)輸入點(diǎn)，啟停和方式切換占用4個(gè)輸入點(diǎn)，輸出有1個(gè)電磁閥和2個(gè)指示燈。自動(dòng)消毒裝置需要的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)分別為6點(diǎn)和3點(diǎn)。確定西門子公司s7-200系列中的CPU 224 PLC。自動(dòng)消毒裝置PLC的I/O接線原理圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)消毒裝置PLC的I/O接線原理

隨后通過編寫PLC的內(nèi)部程序，控制噴灑裝置和報(bào)警模塊進(jìn)行工作，程序框圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)消毒裝置流程圖

程序結(jié)構(gòu)由主程序和子程序兩部分組成。主程序完成復(fù)位、通訊和調(diào)用子程序。子程序共有3個(gè)，分別為一用一消工作模式的程序、一日一消工作模式的程序和報(bào)警程序。

4 總結(jié)

對(duì)門把手等車廂內(nèi)物品及時(shí)消毒，是避免乘客觸碰到污染物品而發(fā)生交叉感染的重要手段之一。針對(duì)疫情期間交通設(shè)施內(nèi)的感染防控現(xiàn)狀，陳怡等[11]提出地鐵車輛空調(diào)內(nèi)增加等離子空氣凈化器、紫外線殺菌消毒裝置等建議，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)消毒，但是無法對(duì)物品進(jìn)行消毒，而且需要對(duì)列車設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的重新組裝，工程量大、成本難以控制；北京地鐵[12]嘗試引入智能消毒機(jī)器人，通過自動(dòng)噴灑霧化雙氧水消毒液對(duì)封閉環(huán)境進(jìn)行消毒，可深入至人工消毒不到的細(xì)微縫隙，缺點(diǎn)在于成本較高、無法對(duì)門把手等高頻接觸物品進(jìn)行觸摸后即時(shí)消毒。本研究利用PLC技術(shù)和運(yùn)動(dòng)傳感器等硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)出一種新型自動(dòng)化消毒裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門把手是否被乘客轉(zhuǎn)動(dòng)并及時(shí)進(jìn)行噴灑消毒，不受時(shí)間限制，真正實(shí)現(xiàn)了“一用一消”，和佩戴口罩的預(yù)防策略相輔相成，能夠有效降低車廂內(nèi)疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。此外，本裝置硬件安裝簡(jiǎn)便快捷、成本可控、程序編寫可靠靈活，可適用于不同的室內(nèi)場(chǎng)景，期望今后能對(duì)公共場(chǎng)所的疫情防控做出一定的貢獻(xiàn)。