基于无人控制的太阳能全自动消毒装置设计与制作

□陈澍弘 邢子杰 黄云煜皓 褚晓尧 郑长山

一、引言

新冠肺炎疫情突然爆发，在全国范围内疯狂传播，封路、封航、封城，国家以一切可以利用的手段去阻止病毒的侵袭。医院、车站、商场等人流密集场所的情况最为严峻，这些区域需全面消毒，并且在非疫情防控期间，全国传染病医院、医院的传染科都需要穿防护服清洁消毒。

传染病医院、医院中的传染科，还有餐厅、学校、机场等众多区域都需要进行集中性的消毒处理，但此时的消毒多为人力，是人背着消毒液喷洒，或者人工驾驶消毒装置进行杀毒灭菌，人穿防护服参与消毒，危险系数高，人工消毒灭菌面临诸多严峻考验和不确定因素，比如责任心、人的情绪等，都会影响到消毒效果，还要耗费大量防护服，还要支付人工工资费用。那么就急需一种现场无人控制的、智能型的消毒装置代替人工消毒，实现机器换人。

二、系统功能

无人控制的太阳能可移动式全自动消毒装置，由PLC控制器、消毒装置装有喷消毒液的喷头，PLC自动启动消毒装置沿设置轨道移动。所需电能均来自于蓄电池，蓄电池由太阳能电池板充电。无人控制是指PLC自动提取系统时间，通过执行程序，自动启动消毒车和消毒设备喷洒，沿着设定好的轨迹消毒。消毒结束，回到指定位置充电，过一段时间自动启动消毒车和喷洒，循环往复。消毒装置控制系统功能框示意图如图1所示。

三、消毒装置硬件系统设计

根据上述系统功能进行输入和输出信号器件分析，选择合适的PLC硬件，分别为电源模块(PS 307 5A)、CPU模块(CPU 314C-2 DP)；选择MM420作为本装置的变频器；还有太阳能电池板，两节12V蓄电池，控制器，逆变器，喷药器等；小车采用工厂加工制作。

四、控制系统软件设计

(一)消毒车的I/O地址分配。根据系统任务要求和输入/输出分析，进行I/O地址分配，如表1所示。

表1 消毒装置的I/O地址分配表

(二)根据系统功能，进行程序编写，选取典型部分程序如下。程序段1：S7-300 PLC系统时钟的提取，功能FC6从格式OB1_DATE_TIME提取数据类型格式DATE，DATE值在限定值DATE#1990-1-1和DATE#2089-12-31之间，此指令可在STEP7库中找到。MOVE指令把MW10里的日期送到MD20里。如图2所示。

图2 程序段1

程序段2：功能FC8从格式DATE_AND_TIME提取数据类型格式TIME_OF_DAY，提取每天时间(时分秒毫秒)，此指令可在STEP7库中找到。如图3所示。

图3 程序段2

五、仿真调试程序

(一)打开电脑右下角设置时间装置，进行时间设置操作，将年月日设定为：2021年3月16日，时间设定为：8:0:0。

(二)当时间为8:0:0时，M0.0，M0.1，M0.3得电，以正转低频频率1为10Hz启动运动，喷头喷药(喷雾)，如图4所示。

图4 正转运动和喷药(喷雾)

(三)至8:0:10，以正转低频频率1为10Hz启动运动进行工作十秒，改为以正转高频频率2为20Hz启动运动工作。

(四)从8:0:10开始至8:3:0时间段内，以正转高频频率2为20H为运动和喷药。

(五)在8:3:0时瞬时停止，等待一分钟，准备进入反转状态。

(六)时间从8:4:0开始持续至8:4:10，这一段时间内，此时消毒装置以反转低频为频率1和频率3的组合频率15Hz启动运动，同时喷头喷药，持续时间十秒。

(七)时间从8:4:10持续到8:7:0时间段内，消毒装置此时以反转高频为频率2和频率3的组合频率25Hz为运动，喷药同时工作。

(八)时间至8:7:0，这一阶段喷洒工作结束，装置停止运动，喷头停止喷药。循环往复以上工作状态，按照指令运动和喷药，直至工作结束。

六、实物模型制作及联机调试过程

(一)实物模型的制作过程。

1.车辆大底由轮毂、轴、底板相互连接，电动机固定在底板上，如图5所示。

图5

2.PLC、变频器、电动机以及消毒喷头相互之间的组合。如图6所示。

图6

3.逆变器、蓄电池、太阳能控制器、太阳能板之间的相互组合。

4.消毒设备整体组合。

(二)联机调试。

1.设置时间，将时间设置到PLC中规定的时间，第一步双击桌面右下角的日期时间得到弹框。

2.点击“更改日期和时间”，得到弹出框，然后更改时间为2021年3月16日8：0：0。

3.打开程序文档界面单击“PLC”—“设置时钟”，并且单击应用。

(1)消毒装置无人控制自动启动，无人控制自动喷药。现在消毒装置为初始状态，运行前的准备。按照设定程序，在8:0:0前，进行等待。

(2)等待至8:0:0时，开始运动。按照程序，消毒装置以正转低频频率1为10Hz运动，带动消毒喷头进行喷药，此状态一直持续至8:0:10。

(3)从8:0:10至8:3:0这段时间内，消毒装置以正转高频频率2为20Hz开始向前运动，同时喷头喷药，在这段时内，一直以此状态运动。消毒装置前进并喷药，如图7所示。

图7 装置运动和喷药

(4)时间至8:3:0，停止运动和喷药，等待1分钟，进行等待状态并进入反转准备工作。

(5)时间从8:4:0到8:4:10，装置反转低频为频率1和频率3的组合频率15Hz运动，喷头喷药。

(6)时间从8:4:10持续到8:7:0时间段内，消毒装置以反转高频为频率2和频率3的组合频率25Hz，装置运动并喷药。

(7)时间8:7:0，装置停止运动和喷药，待程序命令进入下一阶段时，重复以上动作。

七、结语

消毒装置无人控制启动以及消毒喷药，在设定好的时间点进行运作，喷药的同时进行前进动作。前进至某一时间点时，消毒装置停止移动和喷药，进入等待状态。到达指定时间，开始进行装置反转。反转开始后，进行喷药以及动作行进，当到达指定地点后，完成一套流程的动作指示。

无人控制自动启动消毒装置，沿着设定好的轨迹消毒，消毒结束，回到指定位置，通过太阳能电池板充电，过一段时间再自动启动消毒装置，循环往复，达到预期效果。