基于PLC的自適應無級調(diào)控系統(tǒng)設計

肖慧嬌，熊中剛，賀曉瑩，李慧嫻，鄧江濤，李先順

(桂林航天工業(yè)學院 機電工程學院，廣西 桂林 541000)

0 引言

隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的飛速發(fā)展以及在全世界的普遍應用，產(chǎn)品信息化水平不斷提高，電吹風的智能化變成了一種必然趨勢。為了解決目前市場上電吹風存在的安全隱患問題，幾大電吹風知名廠商，像博朗、飛利浦、飛科、松下、戴森等都紛紛推出旗下研發(fā)的智能化電吹風產(chǎn)品[1]。飛利浦公司推出一款新的靜音HP4363FL型智能開關式電吹風，其特點是在電吹風手柄上設有自動傳感開關，即使電吹風已啟動，當使用者放下電吹風，無需關掉電源它便會自動停止工作，若再次提起，又會繼續(xù)啟動。另外，該產(chǎn)品備有6個不同的熱度/風速檔次,良好的組合使之適用于不同的頭發(fā)類型、結構和樣式，其中兩個冷卻檔次替頭發(fā)定型，使發(fā)型保持得更持久。該電吹風采用靜音設計，操作時無明顯噪聲[2]。本文也開展了自適應智能無級電吹風調(diào)控系統(tǒng)的研究工作，采用PLC作為控制中樞，利用壓力傳感器調(diào)控電源通斷，如此設計出一種能滿足現(xiàn)如今大多數(shù)用戶需求的智能電吹風。

1 控制系統(tǒng)結構組成

整個控制系統(tǒng)采用模塊化設計，其主要由PLC中央控制模塊、電機驅(qū)動模塊、壓力檢測模塊、濕度檢測模塊、溫度檢測模塊以及發(fā)熱模塊幾部分組成。PLC的一般工作方式為循環(huán)掃描，一個掃描周期維持得很短，能實現(xiàn)無間斷的運行。在本系統(tǒng)中，采用傳感器對溫濕度等信號進行采集，由PLC對數(shù)據(jù)進行分析處理后控制相應的機構進行動作[3，4]。在程序編寫中主要采用梯形圖，其方便使用、易于修改，適合編輯較簡單的程序。當系統(tǒng)的各參數(shù)發(fā)生變化時，PLC將通過程序來控制機構運行，例如：當濕度降低時，PLC控制加熱機構停止加熱降低溫度，控制驅(qū)動機構降低電動機轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)與預設的程序功能相符合。控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構框圖

2 智能吹風機控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊原理圖如圖2所示，其中包括中央控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、發(fā)熱模塊、壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊以及數(shù)碼管顯示模塊的硬件電路。采用FX2N-PLC作為該控制系統(tǒng)的中央控制器，分別在吹風機的出風口上下端和吹風機的右端安裝溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器，其作用是用來檢測周圍環(huán)境的溫濕度和壓力的變化，同時將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制模塊，中央控制模塊根據(jù)接收到的信息執(zhí)行相應操作，驅(qū)動電機模塊執(zhí)行風扇運轉(zhuǎn)指令，發(fā)熱模塊執(zhí)行加熱指令[5，6]。

圖2 中央控制模塊原理圖

2.2 溫濕度傳感器模塊

溫度檢測原理圖如圖3所示，能夠感受到溫度變化，并能將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出信號。該電阻測量溫度原理為根據(jù)熱敏電阻隨溫度的變化而變化的特性來采集溫度數(shù)據(jù)，溫度升高電阻值隨之增加，溫度降低電阻值隨之減少[7]。PT100鉑電阻采集溫度后通過溫度變送器將數(shù)據(jù)輸入到PLC工控板的A/D轉(zhuǎn)換端口，存入寄存器D8031中。

圖3 PT100溫度檢測原理圖

選用DHT11濕敏電阻傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，其主要功能是測量大氣相對濕度，它擁有一個數(shù)字開關量輸出口和一個模擬量輸出口，并能通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻來改變檢測濕度的范圍，額定工作電壓為3.3 V～5 V，檢測濕度范圍為20%RH～100%RH[8]。通過濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入到PLC工控板的A/D轉(zhuǎn)化端口，然后將數(shù)據(jù)存入寄存器D8030中，完成濕度數(shù)據(jù)的采集工作。濕度檢測原理圖如圖4所示。

圖4 DHT11濕度檢測原理圖

2.3 壓力傳感器模塊設計

選用IMS-C20型壓阻式壓力薄膜傳感器，通過壓力檢測來控制系統(tǒng)的啟動與停止。該壓力傳感器輸出的電信號為0和1，分別表示為斷和通；適合開關量場合使用，在沒有按下時輸出高電平，按下壓力達到預值時輸出低電平；適用于各種強烈電磁干擾的場合，并能通過可調(diào)電阻改變力度的大小。本設計中壓力傳感器的輸出接口連接PLC的X0，當壓力達到預設值，輸出低電平將X0接通使系統(tǒng)啟動。壓力開關電路原理圖如圖5所示。

圖5 IMS-C20壓力開關電路圖

3 智能吹風機控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序流程圖

本設計均采用三菱GX-Developer編程軟件，利用梯形圖編輯方式編輯程序。主程序具體工作流程為：先進行系統(tǒng)初始化，再通過壓力檢測模塊開啟電源，完成濕度數(shù)據(jù)采集工作[9]，將其輸入PLC中后通過子程序處理驅(qū)動電熱絲與電機進行動作，當濕度超過預設的最低值時，PLC控制電熱絲停止工作，電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)20 s后系統(tǒng)停止。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖

3.2 壓力檢測與溫濕度采集程序設計

首先檢測壓力數(shù)據(jù)，當達到預設壓力值時系統(tǒng)啟動采集溫濕度數(shù)據(jù)，溫度分為3個檔位：低溫、中溫、高溫，其范圍分別為32 ℃～33 ℃，33 ℃～34 ℃，34 ℃～35 ℃。濕度也分為3個區(qū)間：50%RH以下、50%RH～60%RH、60%RH以上，分別對應溫度的3個檔位。在溫度區(qū)間內(nèi)設一個上限值和下限值，溫濕度以電壓信號輸入到PLC中，當溫度小于下限值將加熱，大于上限值將停止加溫，由PLC通過運算后轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存入到D8030與D8031寄存器中，然后在程序中將上述兩個寄存器數(shù)據(jù)讀出存放到D0與D1寄存器中實現(xiàn)溫濕度的采集與控制。壓力檢測與溫濕度采集流程如圖7所示。

圖7 壓力檢測與溫濕度采集流程

4 仿真分析

本文選用組態(tài)王軟件作為主要仿真測試工具，組態(tài)王主界面如圖8所示。要進行組態(tài)王監(jiān)控與仿真測試，首先選中左側(cè)工具欄中的設備，再選擇通信端口，設定PLC的類型與各個參數(shù)；然后在數(shù)據(jù)詞典界面對每個模塊的I/O口地址進行設定，再選擇命令語言中的應用程序命令語言編輯命令；最后點擊畫面進行主畫面的編輯工作。在建立好主畫面后，對動畫畫面進行變量的連接，再點擊view進行PLC的監(jiān)控。

圖8 組態(tài)王主界面

4.1 仿真結果

檢查各模塊接線情況，無誤后按壓壓力薄膜，當壓力達到設定閾值時壓力模塊輸出低電平，PLC上X0端口LED燈亮起表示其已被接通，放開壓力薄膜LED燈熄滅表示X0斷開。濕度模塊和溫度模塊連接PLC模擬量輸入端，通電后改變環(huán)境中的濕度和溫度，可從GX-Developer和組態(tài)王中檢測到溫濕度都發(fā)生了變化，證明溫濕度模塊正常工作。在濕度發(fā)生變化時，脈寬同時變化改變電機的占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，手動調(diào)節(jié)濕度大小可觀察到連接電熱絲的Y2指示燈斷斷續(xù)續(xù)亮滅，表示系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)溫度大小，以適應濕度的變化。經(jīng)過單項功能測試，各模塊基本能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能。組態(tài)與實物連接測試結果如圖9所示。

圖9 組態(tài)與實物連接測試結果

4.2 實物分析

在實驗調(diào)試過程中我們分別模擬濕度范圍在60%RH以上、50%～60%RH、50%RH以下，溫度保持于32 ℃～34 ℃時，電機轉(zhuǎn)速隨著溫濕度的變化情況，截取部分數(shù)據(jù)，如圖10、圖11、圖12所示。實驗結果表明：濕度數(shù)據(jù)在曲線圖中勻速平緩下降，電機轉(zhuǎn)速與濕度成正比例關系，時間間隔也大致相同，溫度也能一直保持在一個穩(wěn)定范圍之內(nèi)。各功能模塊穩(wěn)定運行，能實時采集溫濕度，控制電機轉(zhuǎn)速與溫度，系統(tǒng)整體功能達到了預期的效果。

圖10 電機轉(zhuǎn)速隨溫度變化曲線

圖11 濕度變化曲線

5 結束語

本文設計了一種基于PLC自適應無級調(diào)速電吹風調(diào)控裝置，該裝置利用壓力傳感器感應壓力進行系統(tǒng)啟?？刂?，對濕度和溫度用采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對電機無級調(diào)速與溫度控制。利用該控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)可靠性與準確性，優(yōu)化了控制過程，提高了系統(tǒng)控制效率，不僅節(jié)省了成本與時間，而且提高了電吹風工作時的安全性，使得用戶體驗更加舒適，符合目前智能化發(fā)展的要求。

圖12 溫度變化曲線