基于PLC控制的自动黑板擦系统设计

魏刚

【摘 要】现代教学中多媒体技术的不断引进提高了教学效率，但传统黑板作为必备的教具依然是重要的存在。长期以来，学生和老师都为黑板的擦拭苦恼，擦拭中大量的粉笔灰四散在教室内，学生和老师成为了被动的“吸尘器”。本设计通过自动控制将擦拭和吸尘结合，提供合理的控制界面，可以达到人不在场完成黑板擦拭，减少粉笔灰的四散和人的被动吸尘，并将系统设计延伸为一个集中控制系统设计。

【关键词】PLC；HMI；黑板；自动

中图分类号： F426.63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0057-002

Based on the PLC Control System Design of Automatic Blackboard Eraser

WEI Gang

（China Communications Construction Second Engineering Bureau Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710119，China）

【Abstract】Modern multimedia technology in teaching of introduction of the teaching efficiency，but the traditional blackboard is their needed teaching aid is still an important presence.For a long time，the students and teachers as a blackboard with a distressed，in a large amount of wiping dust scattered in the classroom，students and the teacher become the passive of " cleaner".This design is improved by automatically controlling the wiping and vacuuming in combination，provide reasonable control of the interface，it is possible to reach people and in the presence of a complete wiping blackboard，chalk and reduction of the scattered people of passive，and designing the system to extend as a centralized control system design.

【Key words】PLC；HMI；Blackboard；Automatic

0 引言

傳统黑板在现代教学中依然大量使用，虽然在书写的时候采用了低尘处理，但在去除黑板上遗留的粉笔印迹时必须擦拭，传统的擦拭过程中大量粉尘飘散于空气中，对在场的学生和老师带来不少的烦恼。对传统黑板进行一定的改进，增加一定的自动化吸尘装置可以有效的解决被动吸尘现象，并且实现无人在场的自动擦拭并吸尘过程。

1 设计原理

对原有黑板增加水平移动和垂直移动装置[1]，在移动装置上安装电动毛刷用于黑板的擦拭，并对擦拭下落的粉尘直接吸收，从而使粉尘在空气中的存在时间尽量短。系统的控制采用独立开关或连接控制屏实现，这样就不用人在现场了，避免了被动吸入粉尘过程。通过对移动部分的控制，实现黑板的全部或局部擦拭。控制部分结构图如图1。

图1 电控系统框图

2 功能实现

2.1 硬件实现

控制器采用PLC实现。PLC是适合工厂环境下使用的可编程控制器，由于教室环境存在高粉尘，并且PLC的扩展性、操作性比较好，在整体电路实现上比较简单[2]。西门子S7-200型PLC是西门子公司的老产品，型号众多，性能优越，速度快，扩展性强，软件易操作。通过对系统控制对象的估算，即对输入信号的采集和输出信号的控制，并对系统留有一定的扩展空间和扩展接口，设计中采用CPU224，其共有24个接口，满足控制系统要求和一定的扩展性。

擦拭过程覆盖整个黑板，通过控制电机在固定轨道上按程序移动即可实现一个X-Y轴的水平移动系统，可覆盖全部黑板。当电机旋转时，滑块在丝杠来回移动，将毛刷电机安装在滑块之上完成高速转动完成擦拭黑板过程。

说明：1.底板 2.黑板区域 3.轨道支持点 4.水平运行轨道 4a 水平滑块及电机 5.垂直运行轨道6.垂直轨道滑块及电机 7.吸尘部分 8.电机及转动毛刷 9.主控制板

2.2 软件实现

2.2.1 功能描述

当按下系统电源按钮后，工作指示灯点亮，整个系统处于待机状态。需要擦拭黑板时，可选择按下擦拭按钮；擦拭过程，水平方向电机和左、右垂直方向电机同时运转，同时启动毛刷电机和吸尘电机，到启动点后，先垂直向下运行，到达下边沿后水平移动固定距离，再垂直方向向上运行，即按“S”路线运转；当到达中心结束位置后回退到原点。运动过程中，吸尘口始终在毛刷下方，保证粉尘的最大吸收。根据黑板使用特点还可增加选择左半边擦拭按钮或右半边擦拭按钮，水平方向电机和左（右）垂直方向电机同时运转，同时左边部分启动毛刷电机和吸尘电机，到启动点后，先垂直向下运行，到达下边沿后水平移动固定距离，再垂直方向向上运行，即按“S”路线运转；当到达中心结束位置后回退到原点。

2.2.2 编程软件

为实现上述控制功能，PLC需采用西门子公司对应的编程软件，最近一款为STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9，编程软件功能强大，下载方便，可采用三种方式完成程序设计，较为直观的一种就是FBD梯形图设计，大多数具有一点电气控制知识的就能够看懂，所以比较容易上手。endprint

对上述要实现的功能进行总结后可获得整个系统需要的输入输出点位，并进行具体的划分和定义，避免在具体编程时候相互混乱，具体描述表1如下：

2.2.3 部分梯形图

为增加程序的可读性和可维护性，整个程序采用模块化设计，分为多个子程序完成不同的调用，梯形图3如上。

3 系统扩展性与成本

3.1 系统扩展

系统设计中着重考虑擦拭功能的实现，现实应用时还有很多在设计中逐渐体现出系统的缺陷。如控制系统中只有机械开关控制，可通过PLC的组态给系统增加人机界面（HMI），可实现可视化控制过程[3]；还可以利用PLC的网络模块，扩展其网络控制功能，实现整个教学楼内所有教室中自动擦拭黑板的擦拭功能，配合以教室摄像头，可以对没有及时擦拭的黑板进行中央控制命令完成。

3.2 成本比较

基于成本的考虑，PLC的先期投入确实比较高，在加上数量不等的电机、HMI等，整个系统实现的价格不菲。但相对于MCU来说，PLC在高尘、强磁干扰、模块化应用方面还是有一定优势，特别是电机控制能力。近年来国产化的PLC功能不断增强，如果系统采用这些PLC，其成本会下降许多。

4 系统的现实应用

对于单个教室中的黑板实现自动擦拭，其控制系统可能比较简单，该设计可作为相关专业学生的一次课内实验。如果系统考虑到整个教学楼中多达二三十教室的控制，系统就可以作为一个DCS来设计，其中必须添加更为高级的S7-300控制器为服务器使用，这样，这个项目就可作为本科毕业生的毕业设计或自动化专业的实训项目。

5 结束语

利用PLC完成主要控制部分，其性能可靠，编程简单，但相对于MCU来说成本较高。经过样机的基本测试，发现电机控制易于实现，各部分动作可靠，但在吸尘方面还有待改进，需要增加大功率设备，才能达到粉尘不扩散的效果。

【参考文献】

[1]毛制怒，馮浩，李宪章.基于上位机与MCS-51单片机的X-Y轴定位驱动系统[J].制冷与空调，2005（2）：46-49

[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京.机械工业出版社，2014.

[3]黄永红.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.endprint