PLC 与多传感器融合的室内空气净化设备的控制设计

王继楠，张 伟，谢新博，姚 凯

（苏州信息职业技术学院，江苏 苏州 215200）

0 引言

自从2019 年底新冠疫情爆发以来，人们越来越重视室内的空气质量，特别是医院、商场、车站等公共场所的空气质量。越来越多的室内空气净化设备在公共场所使用[1]。空气净化设备一般是将室内的空气通过风机的动力吸入内部进行循环，在设备中通过各类滤网、薄膜达到去除空气中颗粒物的目的，将处理后的洁净空气送回环境中，实现空气净化的目的。然而，目前市面上的空气净化设备均存在一些问题，使其不能满足当下疫情防控对于大型公共场所的空气净化的新需求。一些空气净化设备面向家用设计，并不能实现大通量送风，在公共场所中的换气效率较低[2]；另外一些面向工业的空气净化设备功能单一，只能进行单独的PM2.5等参数的检测及处理，不具备高效的杀菌消毒作用，并且没有甲醛、湿度、二氧化碳等指标的监测与调控能力，对于避免各类感染和抑制病毒传播没有帮助。更重要的是，大部分的工业空气净化设备不具备友好的人机工程界面，使得医务人员以及一般工作人员、保洁人员不能通过简单的学习，迅速操作和使用设备[3]。

近年来，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术的发展不断向前，与之相配套的人机界面设备使用也越来越广泛。目前在国内，对于基于PLC 的公共场所空气净化设备的研究和设计较少，尤其是具有杀菌消毒、多参数控制的研究较少[4]。因此，本文介绍一种室内空气净化设备的设计细节，为国内相关系统的设计与研究提供一些依据和借鉴。

1 空气净化设备自动控制系统方案

空气净化设备的控制系统主要由电源、六合一数字传感器、PLC控制器、组态屏幕、等离子发生器、空气压缩机、超声雾化器、风机控制器、风机以及紫外线消毒灯组成，系统的硬件组成如图1 所示。本文基于PLC、Modbus 通讯、工业组态等关键技术，对多传感器融合的室内空气净化设备控制系统的架构进行了设计。

图1 硬件组成框图

PLC 是一种以微型计算机和电子电路技术为基础的工业控制装置，由于它内部具有光耦隔离电路和稳定的滤波电路，因此可以应对复杂多变的工作环境，具有很强的稳定性，保证了空气净化器可以长时间稳定工作。同时，PLC 以顺序扫描、不断循环的方式工作，采用梯形图方式编程，编程方式简单易学。其中，国产品牌信捷XD3-16T 系列的PLC，由于其可靠性和性价比高，近年来被广泛应用于各类工业控制系统中。

Modbus 协议是一种串行通信协议，由于它已经公开发表开源，并且非常易于设置和维护，已经成为工业领域的通信协议标准，是工业设备之间最常用的连接方式[5]。多个传感器在进行数字融合的过程中，可以通过从站设备底层固件的设置，将不同传感器的输出值存储在不同的寄存器中，寄存器的地址符合Modbus 标准协议的规范即可。使用Modbus 主站设备，可以将多个传感器的数值依次从各寄存器中读出，送到PLC 中进行存储和进一步的数据处理。

工业组态屏是一种以微型CPU 为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏，一般由高亮度TFT 液晶显示屏和电阻触摸屏组成，同时预装嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理能力[6]。工业组态屏的广泛使用，提高了工业产品的人机交互水平，降低了操作难度。威纶通TK6071 系列触摸屏由于其稳定性和可靠性，在工业控制系统之中也被广泛使用。通过EasyBuilder 开发环境，设计人员可以快速地进行产品开发、设计与调试。

加湿和除湿是通过两种不同的技术手段实现的。加湿采用浸入式电极加湿技术，该方法是通过电极来进行能量的转换，即采用电加热的方式使水达到沸点，从而利用蒸汽来增加空气的湿度。除湿采用的是冷却除湿法，又可以叫做露点法，其原理是利用压缩机工作降低通道内的温度，使湿气体中的水蒸气凝结，达到除湿的目的。

从硬件组成框图可以看出，六合一传感器把环境参数通过Modbus-485 协议传到PLC 中，PLC 协调控制离子发生器、空气压缩机、超声雾化器、风机控制器以及紫外消毒灯，实现对于空气湿度、PM2.5的控制，不间断地进行杀菌消毒。通过组态屏幕实现人机交互，进行运行模式、各项参数的设定，同时完成对系统运行状态的监控。系统中的PLC、工业组态屏、传感器、通信协议的详细信息如表1 所示。

表1 系统组成详细信息表

根据系统设计，对PLC 的I/O 端口进行分配，共用到了RS-485 通信接口以及7 个继电器类型的输出端口，如表2 所示。

表2 I/O 分配表

根据I/O 分配表，绘制系统电气原理图如图2所示。电气原理图既可以在后续的编程过程中提供依据，也可以指导实际的安装调试。

图2 空气净化系统电气原理图

2 系统的PLC 程序

2.1 两种工作模式

系统共有手动和自动两种不同的工作模式。在手动模式下，可以单独控制风机的启停与湿度的增减，在风机启动的同时，打开紫外线消毒以及等离子发生器，对室内空气进行消毒。手动的特点在于加湿或者除湿可以人工选定。在加湿状态下，通过Y5 端口控制雾化加湿器工作，将液态水雾化到空气中，增加空气湿度；在除湿状态下，通过Y4 端口控制压缩机工作，进行液化除湿，降低空气湿度。手动状态下的风速也可以在人机界面上设定，共分为高、中、低共3 个档位。

在自动模式下，系统根据人机界面上设定的湿度控制上限与下限，自动控制Y5 或者Y4 端口。当环境湿度值低于预设的下限时开启加湿，当环境湿度值高于设定的上限时，开启除湿。同时，风机的工作速度也根据环境的PM2.5数值确定，在高、中、低3 种速度档位下智能切换。

2.2 传感器数值的读取与处理

传感器与PLC 之间采用Modbus-RTU 485 通信，通信参数设置为波特率9 600 bps，传感器地址设为0x01，不同环境量的测量结果存放在不同的寄存器地址，每个传感器的数据占两个字节，如表3所示。

表3 传感器寄存器存储地址

各环境参数读进PLC 之后，数据并不能直接使用，需要经过特定的转换才能使用，各参数的转换方式如以下计算式所示。

式中：CO2_H是CO2浓度的高字节，CO2_L是CO2浓度的低字节。

式中：TVOC_H是TVOC 浓度的高字节；TVOC_L是TVOC浓度的低字节。

式中：CH2O_H是CH2O浓度的高字节；CH2O_L是CH2O浓度的低字节。

式中：PM2.5_H是PM2.5浓度的高字节；PM2.5_L是PM2.5浓度的低字节。

式 中：Temperaturte_H是温度的高字节；Temperaturte_L是温度的低字节。

式中：Humidity_H是湿度的高字节；Humidity_L是湿度的低字节。

3 工业组态屏设计

3.1 编程环境

EasyBulider Pro 是一款专业的威纶通触摸屏编程软件，即威纶通触摸屏人机界面的专用编程软件，简称“EBpro”，适用于威纶通eMT、cMT、iE、MT（iP）以及TK（iP）机型，由设计、分析测试、传输、维护及数据转换五大类共几十个工具组成，是威纶通触摸屏人机界面设备开发人员的必备工具。

3.2 界面设计

为了方便操作室内空气净化设备，本文设计了扁平化的人机操作界面，如图3 所示。

图3 室内空气净化设备人机操作界面

操作界面以阵列的方式分别显示出传感器读回的环境参数，并且把目前的净化设备工作状态图标也显示在界面中。当风机、紫外线、等离子、加湿、除湿等功能开启，图标显示为彩色，当某功能关闭，图标显示为黑白。同时，人机界面中还设置了定时窗口、设置窗口、湿度上下限设置窗口，便于对相应功能进行设置。

4 结语

本文通过多参数传感器和PLC 的配合，实现了室内空气净化设备的控制，以PLC 作为系统的控制核心，按照手动和自动两种模式进行控制，控制风机、紫外线、等离子、加湿、除湿等不同功能按需启动。本系统解决了空气净化设备的多参数联动控制，用组态屏幕实现了友好的人机工程界面，为公共场所的空气净化提供了可靠的解决方案。