基于PLC的自適應無級調控系統設計

肖慧嬌，熊中剛，賀曉瑩，李慧嫻，鄧江濤，李先順

(桂林航天工業學院 機電工程學院，廣西 桂林 541000)

0 引言

隨著網絡技術和通信技術的飛速發展以及在全世界的普遍應用，產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的智能化電吹風產品[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，又會繼續啟動。另外，該產品備有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類型、結構和樣式，其中兩個冷卻檔次替頭發定型，使發型保持得更持久。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控系統的研究工作，采用PLC作為控制中樞，利用壓力傳感器調控電源通斷，如此設計出一種能滿足現如今大多數用戶需求的智能電吹風。

1 控制系統結構組成

整個控制系統采用模塊化設計，其主要由PLC中央控制模塊、電機驅動模塊、壓力檢測模塊、濕度檢測模塊、溫度檢測模塊以及發熱模塊幾部分組成。PLC的一般工作方式為循環掃描，一個掃描周期維持得很短，能實現無間斷的運行。在本系統中，采用傳感器對溫濕度等信號進行采集，由PLC對數據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。當系統的各參數發生變化時，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，控制驅動機構降低電動機轉速，保證系統與預設的程序功能相符合?？刂葡到y結構框圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

2 智能吹風機控制系統硬件設計

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、電機驅動模塊、發熱模塊、壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊以及數碼管顯示模塊的硬件電路。采用FX2N-PLC作為該控制系統的中央控制器，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境的溫濕度和壓力的變化，同時將檢測到的數據發送到中央控制模塊，中央控制模塊根據接收到的信息執行相應操作，驅動電機模塊執行風扇運轉指令，發熱模塊執行加熱指令[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，并能將采集的數據轉化成數字輸出信號。該電阻測量溫度原理為根據熱敏電阻隨溫度的變化而變化的特性來采集溫度數據，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據輸入到PLC工控板的A/D轉換端口，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據，其主要功能是測量大氣相對濕度，它擁有一個數字開關量輸出口和一個模擬量輸出口，并能通過調節可調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據，并將數據輸入到PLC工控板的A/D轉化端口，然后將數據存入寄存器D8030中，完成濕度數據的采集工作。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：先進行系統初始化，再通過壓力檢測模塊開啟電源，完成濕度數據采集工作[9]，將其輸入PLC中后通過子程序處理驅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，電機繼續運轉20 s后系統停止。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

首先檢測壓力數據，當達到預設壓力值時系統啟動采集溫濕度數據，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。在溫度區間內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通過運算后轉化為數字量存入到D8030與D8031寄存器中，然后在程序中將上述兩個寄存器數據讀出存放到D0與D1寄存器中實現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

本文選用組態王軟件作為主要仿真測試工具，組態王主界面如圖8所示。要進行組態王監控與仿真測試，首先選中左側工具欄中的設備，再選擇通信端口，設定PLC的類型與各個參數；然后在數據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的監控。

圖8 組態王主界面

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，通電后改變環境中的濕度和溫度，可從GX-Developer和組態王中檢測到溫濕度都發生了變化，證明溫濕度模塊正常工作。在濕度發生變化時，脈寬同時變化改變電機的占空比調節轉速，手動調節濕度大小可觀察到連接電熱絲的Y2指示燈斷斷續續亮滅，表示系統在自動調節溫度大小，以適應濕度的變化。經過單項功能測試，各模塊基本能夠實現預期功能。組態與實物連接測試結果如圖9所示。

圖9 組態與實物連接測試結果

4.2 實物分析

在實驗調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，電機轉速隨著溫濕度的變化情況，截取部分數據，如圖10、圖11、圖12所示。實驗結果表明：濕度數據在曲線圖中勻速平緩下降，電機轉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定范圍之內。各功能模塊穩定運行，能實時采集溫濕度，控制電機轉速與溫度，系統整體功能達到了預期的效果。

圖10 電機轉速隨溫度變化曲線

圖11 濕度變化曲線

5 結束語

本文設計了一種基于PLC自適應無級調速電吹風調控裝置，該裝置利用壓力傳感器感應壓力進行系統啟?？刂?，對濕度和溫度用采集模塊進行數據采集，實現對電機無級調速與溫度控制。利用該控制系統，提高了系統可靠性與準確性，優化了控制過程，提高了系統控制效率，不僅節省了成本與時間，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，符合目前智能化發展的要求。

圖12 溫度變化曲線