基于PLC的教室空气净化节能系统设计

王贺迪++高学金

摘 要 使用西门子公司S7-200型号的PLC作为控制核心，设计教室空气净化节能系统。本系统首先使用PM2.5浓度变送器对教室中的PM2.5浓度进行测量，并将测量值传入PLC中，由PLC将其与预设值进行比较，再输出相应的指令智能控制空气净化器开关，从而实现节能效果。

关键词 教室空气净化节能系统；PLC；PM2.5

中图分类号：G474 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）03-0023-02

1 设计初衷

近年来全国大范围雾霾频发，多地PM2.5爆表，严重影响人们的日常工作与生活，大气环境污染已然成为威胁人类健康与生存的重大问题。室外环境空气中的颗粒物是室内空气中颗粒物的主要来源之一。最新研究表明，北京PM2.5浓度峰值与人类流感病例的延迟增加效应有极其重要的关联。因此，对室内空气污染进行控制和治理是目前改善人类生存环境的有效途径。

对于绝大部分时间都在学校教室进行学习的学生来说，室内空气质量严重影响到了他们的身心健康。为此，自2015年开始，北京市各中小学陆续安装空气净化器。例如：北京市第十五中学南口学校已先后安装150余台新风空气净化器；2016年正式投入使用的清华附中将台路校区给教学楼的30间教室配备了新风换气系统，以保障师生的身心健康。日前，北京市教育委员会已部署中小学、幼儿园安装空气净化设备试点工作，要求积极稳妥、有序推进。

在保证室内空气质量达标的同时，节约电能需要进一步考虑。PLC（可编程逻辑控制器）能够出色地完成数据的采集、判别及控制作用。因此，本文针对教室内的空气净化器，设计一个基于PLC的空气净化自动控制系统，以实现节能效果。

2 PLC与空气净化器简介

PLC介绍 PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，它的硬件结构与微型计算机基本相同，构成为电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通信模块。当PLC投入运行后，它的工作过程一般来说分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行与输出刷新。1969年，美国数字设备公司研制出第一台PLC——PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制。这是第一代可编程逻辑控制器。1974年，中国研制出第一台PLC。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%～40% 。在这时期，PLC在各方面的能力都得到大幅度提高。

空气净化器介绍 空气净化器主要是由马达、风扇、空气过滤网等模块组成的，其工作原理为：机器内的马达与风扇使室内的空气循环流动，污染的空气通过机内的空气过滤网后，将各种污染物清除或吸附，达到清洁、净化空气的目的。空气净化器在居家、医疗、工业领域均有应用，居家领域以单机类的家用空气净化器为市场的主流产品，最主要的功能是去除空气中的颗粒物，如PM2.5。由于相对封闭的空间中空气污染物的释放有持久性和不确定性的特点，因此使用空气净化器净化室内空气是国际公认的改善室内空气质量的方法之一。

3 方案设计

设计要求 教室空气净化节能系统的作用是实时监测教室内的PM2.5浓度，在保证教室空气质量正常的情况下，利用PLC自动控制的能力，对空气净化器开关实行智能控制，有效地提高工作效率，以达到节能的效果。

总体设计方案 普通的教室面积一般在50 m2左右。考虑到由于通风，教室门口和室内PM2.5浓度有所差异，同时也避免由于传感器异常造成的测量错误，本文选择在教室的前中后3个位置各安装PM2.5浓度变送器，取其平均值作为标准输入值。一般的空气净化器适用面积在20～40 m2，

所以本文选择在教室的前后各安装1台空气净化器。当教室内出现轻微污染时，PLC给出相应的控制信号，开启1台空气净化装置；当教室内出现严重污染时，开启2台空气净化装置。如果自动调节系统出现异常，报警器发出报警信号，同时启动手动模式进行控制。

系统结构 系统结构如图1所示。

4 硬件选择

PLC类型选择 系统的设计要从保证系统的可靠性、实用性和可扩展性等方面入手。本控制系统采用可靠性和可扩展性很好的西门子S7-200系列的PLC作为控制器。用PM2.5浓度变送器来检测教室内的空气污染情况，并将信号输入PLC中。

PM2.5浓度变送器选择 本文选择的是北京盛创达科技有限公司生产的SC03PM2.5变送器，它可用于各类商业综合体、政府大楼、医院、学校以及住宅的空气质量监测。

空气净化器选择 本文选择的是TCL生产的型号为TKJ312F-A1的空气净化器，适用面积为23～40 m2，空气净化器风量为301～400 m3/小时，适用于办公室、教室等中小型场所。

5 软件设计

按图1将硬件接好线后，将编写好的控制程序装载到PLC中。按下启动按钮，总启动灯亮，并选择自动模式，此时控制系统自动运行，3个传感器检测当前的PM2.5浓度，并将测得的信号求取平均值送入PLC中，与预设值进行比较，判断当前的污染程度：若为轻度污染，则开启1台空气净化器；若为重度污染，则2台空气净化器全部开启；若系统出现异常，则报警灯亮，此时可以切换到手动模式进行手动控制。系统中需要设置自动模式与手动模式互锁，保证系统只运行在一种模式下。程序框图如图2所示。

6 结束语

本文使用西门子S7-200系列PLC编程软件，完成了教室空气净化自动控制系统的设计。本控制系统设有自动、手动两种工作模式，自动模式为正常运行状态，手动模式用于应对突发状况。系统中如果需要修改PM2.5浓度的设定值，更改程序的设定值即可实现。教室空气净化自动控制系统只是智能控制模型中的一个典型应用，科技发展日新月异，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得更加迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用，使智能系统将逐步走进人们的生活。

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