基于PLC的自适应无级调控系统设计

肖慧娇，熊中刚，贺晓莹，李慧娴，邓江涛，李先顺

(桂林航天工业学院 机电工程学院，广西 桂林 541000)

0 引言

随着网络技术和通信技术的飞速发展以及在全世界的普遍应用，产品信息化水平不断提高，电吹风的智能化变成了一种必然趋势。为了解决目前市场上电吹风存在的安全隐患问题，几大电吹风知名厂商，像博朗、飞利浦、飞科、松下、戴森等都纷纷推出旗下研发的智能化电吹风产品[1]。飞利浦公司推出一款新的静音HP4363FL型智能开关式电吹风，其特点是在电吹风手柄上设有自动传感开关，即使电吹风已启动，当使用者放下电吹风，无需关掉电源它便会自动停止工作，若再次提起，又会继续启动。另外，该产品备有6个不同的热度/风速档次,良好的组合使之适用于不同的头发类型、结构和样式，其中两个冷却档次替头发定型，使发型保持得更持久。该电吹风采用静音设计，操作时无明显噪声[2]。本文也开展了自适应智能无级电吹风调控系统的研究工作，采用PLC作为控制中枢，利用压力传感器调控电源通断，如此设计出一种能满足现如今大多数用户需求的智能电吹风。

1 控制系统结构组成

整个控制系统采用模块化设计，其主要由PLC中央控制模块、电机驱动模块、压力检测模块、湿度检测模块、温度检测模块以及发热模块几部分组成。PLC的一般工作方式为循环扫描，一个扫描周期维持得很短，能实现无间断的运行。在本系统中，采用传感器对温湿度等信号进行采集，由PLC对数据进行分析处理后控制相应的机构进行动作[3，4]。在程序编写中主要采用梯形图，其方便使用、易于修改，适合编辑较简单的程序。当系统的各参数发生变化时，PLC将通过程序来控制机构运行，例如：当湿度降低时，PLC控制加热机构停止加热降低温度，控制驱动机构降低电动机转速，保证系统与预设的程序功能相符合。控制系统结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

2 智能吹风机控制系统硬件设计

2.1 中央控制模块

中央控制模块原理图如图2所示，其中包括中央控制器模块、电机驱动模块、发热模块、压力检测模块、温度检测模块、湿度检测模块以及数码管显示模块的硬件电路。采用FX2N-PLC作为该控制系统的中央控制器，分别在吹风机的出风口上下端和吹风机的右端安装温度传感器、湿度传感器、压力传感器，其作用是用来检测周围环境的温湿度和压力的变化，同时将检测到的数据发送到中央控制模块，中央控制模块根据接收到的信息执行相应操作，驱动电机模块执行风扇运转指令，发热模块执行加热指令[5，6]。

图2 中央控制模块原理图

2.2 温湿度传感器模块

温度检测原理图如图3所示，能够感受到温度变化，并能将采集的数据转化成数字输出信号。该电阻测量温度原理为根据热敏电阻随温度的变化而变化的特性来采集温度数据，温度升高电阻值随之增加，温度降低电阻值随之减少[7]。PT100铂电阻采集温度后通过温度变送器将数据输入到PLC工控板的A/D转换端口，存入寄存器D8031中。

图3 PT100温度检测原理图

选用DHT11湿敏电阻传感器采集湿度数据，其主要功能是测量大气相对湿度，它拥有一个数字开关量输出口和一个模拟量输出口，并能通过调节可调电阻来改变检测湿度的范围，额定工作电压为3.3 V～5 V，检测湿度范围为20%RH～100%RH[8]。通过湿度传感器采集湿度数据，并将数据输入到PLC工控板的A/D转化端口，然后将数据存入寄存器D8030中，完成湿度数据的采集工作。湿度检测原理图如图4所示。

图4 DHT11湿度检测原理图

2.3 压力传感器模块设计

选用IMS-C20型压阻式压力薄膜传感器，通过压力检测来控制系统的启动与停止。该压力传感器输出的电信号为0和1，分别表示为断和通；适合开关量场合使用，在没有按下时输出高电平，按下压力达到预值时输出低电平；适用于各种强烈电磁干扰的场合，并能通过可调电阻改变力度的大小。本设计中压力传感器的输出接口连接PLC的X0，当压力达到预设值，输出低电平将X0接通使系统启动。压力开关电路原理图如图5所示。

图5 IMS-C20压力开关电路图

3 智能吹风机控制系统软件设计

3.1 主程序流程图

本设计均采用三菱GX-Developer编程软件，利用梯形图编辑方式编辑程序。主程序具体工作流程为：先进行系统初始化，再通过压力检测模块开启电源，完成湿度数据采集工作[9]，将其输入PLC中后通过子程序处理驱动电热丝与电机进行动作，当湿度超过预设的最低值时，PLC控制电热丝停止工作，电机继续运转20 s后系统停止。软件主程序流程如图6所示。

图6 软件主程序流程图

3.2 压力检测与温湿度采集程序设计

首先检测压力数据，当达到预设压力值时系统启动采集温湿度数据，温度分为3个档位：低温、中温、高温，其范围分别为32 ℃～33 ℃，33 ℃～34 ℃，34 ℃～35 ℃。湿度也分为3个区间：50%RH以下、50%RH～60%RH、60%RH以上，分别对应温度的3个档位。在温度区间内设一个上限值和下限值，温湿度以电压信号输入到PLC中，当温度小于下限值将加热，大于上限值将停止加温，由PLC通过运算后转化为数字量存入到D8030与D8031寄存器中，然后在程序中将上述两个寄存器数据读出存放到D0与D1寄存器中实现温湿度的采集与控制。压力检测与温湿度采集流程如图7所示。

图7 压力检测与温湿度采集流程

4 仿真分析

本文选用组态王软件作为主要仿真测试工具，组态王主界面如图8所示。要进行组态王监控与仿真测试，首先选中左侧工具栏中的设备，再选择通信端口，设定PLC的类型与各个参数；然后在数据词典界面对每个模块的I/O口地址进行设定，再选择命令语言中的应用程序命令语言编辑命令；最后点击画面进行主画面的编辑工作。在建立好主画面后，对动画画面进行变量的连接，再点击view进行PLC的监控。

图8 组态王主界面

4.1 仿真结果

检查各模块接线情况，无误后按压压力薄膜，当压力达到设定阈值时压力模块输出低电平，PLC上X0端口LED灯亮起表示其已被接通，放开压力薄膜LED灯熄灭表示X0断开。湿度模块和温度模块连接PLC模拟量输入端，通电后改变环境中的湿度和温度，可从GX-Developer和组态王中检测到温湿度都发生了变化，证明温湿度模块正常工作。在湿度发生变化时，脉宽同时变化改变电机的占空比调节转速，手动调节湿度大小可观察到连接电热丝的Y2指示灯断断续续亮灭，表示系统在自动调节温度大小，以适应湿度的变化。经过单项功能测试，各模块基本能够实现预期功能。组态与实物连接测试结果如图9所示。

图9 组态与实物连接测试结果

4.2 实物分析

在实验调试过程中我们分别模拟湿度范围在60%RH以上、50%～60%RH、50%RH以下，温度保持于32 ℃～34 ℃时，电机转速随着温湿度的变化情况，截取部分数据，如图10、图11、图12所示。实验结果表明：湿度数据在曲线图中匀速平缓下降，电机转速与湿度成正比例关系，时间间隔也大致相同，温度也能一直保持在一个稳定范围之内。各功能模块稳定运行，能实时采集温湿度，控制电机转速与温度，系统整体功能达到了预期的效果。

图10 电机转速随温度变化曲线

图11 湿度变化曲线

5 结束语

本文设计了一种基于PLC自适应无级调速电吹风调控装置，该装置利用压力传感器感应压力进行系统启停控制，对湿度和温度用采集模块进行数据采集，实现对电机无级调速与温度控制。利用该控制系统，提高了系统可靠性与准确性，优化了控制过程，提高了系统控制效率，不仅节省了成本与时间，而且提高了电吹风工作时的安全性，使得用户体验更加舒适，符合目前智能化发展的要求。

图12 温度变化曲线