基于PLC控制的防疫空气净化隔离建筑电气控制系统

陈铁钢，高岳民，王少华

（

1．湖南联绅机电科技有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南三一工业职业技术学院智能制造分院，湖南 长沙 410129；3.湖南生物机电工程职业技术学院机电分院，湖南 长沙 410126）

1 本课题的研究背景和目的

防疫与隔离在城市建筑中的应用是十分重要和必要的。纵观人类历史，在面对未知的易感染病症和瘟疫蔓延时人类却显得非常无力和无助。现代科学技术为人类了解自然征服病魔提供了强有力的工具和手段，其中净化工程就为我们展示了她独到而科学的靓丽身姿。本设计就是基于PLC控制在建筑防疫净化工程中的应用实例。其优点是它构造简便，功能强大，抗干扰能力强，运行稳定可靠，而且实用价值高、空气防疫隔离性能好，适应环境能力强。采用PLC控制是建筑净化工程中实现空气防疫隔离的一种最佳的控制方式。低速时能保持隔离间负压相对稳定性好；高速时风机提速平滑性好，效率高；而且它的调速范围较大、精度高，风机电动机的起动电流低，结合风道阀门控制技术，不仅使空气防疫隔离增加许多人性化服务效果，而且节能明显。

保持隔离间空气负压控制是实现病员房间与公共过道空气隔离的有效方式，有多种方法可以实现，如：基于变频器的选频控制，基于双速电机的变速控制，基于百叶窗阀门的风道控制。本文研究的是综合应用三种控制方式，应用工业计算机PLC作为系统控制核心，控制隔离间负压的风量闪变、风速提升方式、负压保持、门窗开闭等不同驱动需求，使空气隔离间的负压风量效果依据门窗开闭的变化而改变，让置身病员间的人员可以舒适的居住和正常的生活。这对具有易感染特点的未知病症的隔离观察和病理调研是十分有利的。

2 国内外研究状况及已有成果

用于医院实验室、防疫站等防疫目的净化工程技术在国内发展已逐渐成熟，市场的供需现状、市场规模和发展潜力，随着净化工程技术与研发状况的发展也在不断拓展，我们对净化工程产业供应链系统，包括生产商、供应商、服务商和终端用户等进行了系统、全面的调查、分析和预测后发现，在国外特别是欧美国家很早就已经使用净化工程来进行健康与防疫检测了，例如恶劣环境下的人类安全生活居住区建设等等。但是在国内还仅限于医院和防疫站使用居多，用于安全居住生活区的建设尚为空白，而且各类产品的产家竞争激烈，所以在自然环境较差的地区建设适宜人类安全居住的净化工程是会有一定的不可替代的市场发展前景。

中国已进入改革开放和科技生产力大发展时代，中国的进出口货物逐渐增加，尤其以双速控制为主的净化工程产品进入市场后，以微机控制为主的人性化净化控制的市场也会逐步增大。根据当前市场的需求预测，以微机控制为主的净化安居工程已开始走入中国的净化工程市场。

3 设计及研究方案

本课题主要研究的是以隔离间（门房），百叶窗风阀、风道、变频器、变频电机、PLC控制器、差动电容传感器为主要研究对象的空气防疫隔离控制系统。

本设计中负压信号的获取采用了膜片式差动电容传感器，负压检测信号经过模数转换电路、开关量整形电路送达PLC控制器，运行预设的PIC控制程序，分别驱动继电式百叶窗风阀、变频器、驱动变频电机风机，通过风道抽风调节隔离间负压，实现居住间与公共过道之间空气的安全隔离。

4 设计及其研究内容

4.1 整体设计方案

空气负压信号的采集与调节首先，空气负压是相对于环境气压值而言的，主要是隔离间（门房）的空气负压，这样才能使居住间与过道的气流通过隔离间被抽走，相互之间不能有空气对流，实现空气的防疫隔离，避免有害气体的扩散和污染。居住间的进气是通过滤网和净化消毒处理的洁净无异味的清新自然空气，人员长时间居住在这样的环境中，负压值不宜太高，通常只减小0.01~0.05个大气压力，在隔离间的空间中负压值静态呈梯度分布，风道抽气口的负压值较大，在百叶窗关闭状态下，通常是0.95个大气压；过滤进气口和门窗口的负压值最小，通常取0.98个大气压，负压值的动态变化主要是隔离间两道门的开闭和送物窗口的开闭过程所引起的气压变化，所以气压传感器的安装位置十分重要，通常应靠近门窗位置安装，这样才能敏捷地捕捉到负压的变化，及时启动百叶窗风阀和变频电机来调节风量，维持隔离间的负压平衡。对于门窗分布较为分散的负压检测，需要使用多个气压传感器。气压的差动式电容传感器的输出通常是模拟电压量，需要后继转换成数字量或开关量才能送给PLC控制器，作进一步的控制处理。

4.2 百叶窗风阀开度对调节负压的作用

隔离间负压的变化主要是人员进出门的开闭和送物窗口的开闭导致短时间大量空气的流动导致的，其共同特点是突发性变化，其中门的开闭比窗的开闭引起的变化量要大。为了适应这种气流突发性的变化，调节百叶窗风阀的张开度来调节负压风量是一种很好的选择，比调节风机转速在短时间内来的更快捷更灵敏。较长时间稳定的负压风量调节还是要依靠风机转速的提升。百叶窗在门窗开闭的突发瞬间发挥了快速调节负压的作用。根据门窗开闭的状态，百叶窗风阀的开度与变频器输出应有多种不同的响应。

①只开送物窗口的响应：百叶窗开度10%，变频器输出10Hz。

②只开一扇门的响应：百叶窗开度35%，变频器输出25Hz。

③开一扇门和一扇窗的响应；百叶窗开度45%，变频器输出35Hz。

④同时开两扇门的响应：百叶窗开度70%，变频器输出45Hz。

⑤同时开两扇门和一扇窗的响应：百叶窗开度100%，变频器输出50Hz。

门窗开闭的状态都反映在负压大小的变化上，是依靠压力传感器自动检测，经模数转换分辨出来的，如果一扇窗的面积是一扇门面积的1/4，则要求模数转换的量化级数大于8，相应的转换数据位数应大或等于4，才能满足百叶窗开度的调节需求。实际调节量需要根据现场负压变化做适当调节。

4.3 变频器的调速与风量调节作用

PLC控制器根据负压信号的采集数值调节变频器的输出频率。用以适应负压动态变化对风量的要求，如前所述采集数字应不小于4位，则变频器调速应不小于16级。常用的频点相应于百叶窗开度的调节，不少于5种。

变频器的频率作为负压风量的持续调节量，对维持隔离间负压的持续平衡有着十分重要的作用。变频器输出频率受PLC控制器的控制，PLC运行预制的控制程序，根据当前的负压检测状态和预设的控制要求，确定当前对变频器的输出控制。

变频器在风扇异步电机的软启动、升降转速的S曲线、节能调速、U/f曲线设置、上下限频率设置、跳频点设置、过载保护、电机功率因数补偿等功能。使风机电动机的运行安全平稳、节能环保。设计时对风机最高转速、最大风量、电动机与变频器、百叶窗开度等的匹配度方面做出定量的计算与设置。

5 空气防疫隔离净化工程的控制系统总体设计方案

百叶窗安装在风道壁上，气压传感器安装在隔离间天花板上，风机电动机安装在楼顶消毒间的风道中，变频器和PLC控制器、触摸屏安装在监控工作室内，空气防疫隔离平面示意图如图1所示。

图1 空气防疫隔离平面示意图

空气防疫隔离PLC变频调控系统总体原理图2所示。

图2 空气防疫隔离系统总体原理图

系统总体控制原理如图2。隔离间气压经过差动式电容传感器采集后，将对应于气压大小的模拟电压送入A/D模数转换电路，模数转换电路完成满足控制精度需求的数字信号，此数字信号经开关量调整电路送入PLC控制器，PLC控制器通过运行预设的控制程序，根据当前检测的气压状态确定百叶窗风阀的开度、确定变频器的输出频率，调整风机电动机的转速，通过风道和百叶窗风阀调节隔离间的气流量，维持隔离间负压平衡状态，实现空气防疫隔离。

6 系统硬件选择

6.1 PLC选择

根据本次设计要求从而实现隔离间的负压控制，两个四位执行机构的控制点可并接，一个四位数据输入，共需要控制4个输出点，4个检测数据输入点，一共是8个点；因此可选三菱FX2N-16M型PLC。可同时控制两个隔离间的负压平衡。

6.2 气压传感器选型

某些气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。有些气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行。气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化。

高精度气压传感器一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂两端的输出电压与施加的压力成正比，经过温度补偿和校准后具有体积小，精度高，响应速度快，不受温度变化影响的特点。输出方式一般为模拟电压输出和数字信号输出两种，其中数字信号输出方式由于和单片机连接方便，是市场上的主流。

国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。气压传感器是由一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动化检测和控制的首要环节。虽然GPS接收机上很少见到气压传感器的身影，但其实高精度气压传感器GPS接收机上可以有很广泛的应用。

空气压缩机的气压传感器主要的传感元件是一个对气压传感器内的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制，电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时，这个薄膜变形带动顶针，同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。很多空气的气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时顶针动作，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化来控制气压传感器

6.3 HS1101参数及特性曲线

表1 最大参数值（Ta=25℃）

6.4 HS1101输出特性曲线

输出特性曲线如图3所示。

图3 输出特性曲线

6.5 模数转换芯片选型

模数转换方式有很多，例如：基于计数的积分型模数转换，还有压频变换计数型模数转换，再有逐次逼近型模数转换，等等。其中以逐次逼近性模数转换的转换速度较快，电路结构简单，产品性价比较高。

逐次逼近型模数转换ADC0809芯片内有数模转换转换工作原理。以数模转换为内核，模数转换过程初始是以数据最高位置1，其余全为0的半数值产生的模拟值与测量值比较，小于测量值则保留高位的1，大于则去除高位的1，最高位确定后，再比较次高位，这样逐位比较至最低位，全部数据就确定了。图4是采用模数转换芯片ADC0809的仿真电路。

模数转换芯片ADC0809计算机仿真电路图如图4所示。

图4 ADC模数转换仿真电路

7 接口电路设计

7.1 开关量调理电路设计

PLC接收的是具有一定电压值的开关信号，将数字量转换成开关量的调理电路主要由数字译码器和电平转换电路共同实现的。其中数字量是依据数据输入位数选择译码器的，确定着系统需要分辨的细节，译码输出和电位转换电路可以根据驱动需要选择相应的译码输出端，并转换成PLC所需的输入端开关脉冲。调理电路原理如图5所示。

图中左端来自模数转换的数字信号，译码后接由晶体管组成的电位转换电路，其中+E端接三菱PLC输入端的COM端子，电路右端可直接连接PLC光耦输入端。

开关量调理电路原理图见图5。

图5 开关量调理原理图

7.2 百叶窗风阀的电磁驱动电路设计

百叶窗风阀的驱动是感性电磁阀，PLC输出的是经过隔离的直流电压开关量驱动信号，为了使电路在直流开关工作过程中避免强电磁干扰，驱动电路中设有电磁泄放支路，如图6所示。

图中左端接于PLC开关量输出端，右端接于百叶窗电磁驱动输入端，电磁阀在开关过程中产生的电磁能量通过二极管支路得到泄放。

图6 百叶窗电磁驱动电路

7.3 系统控制电路接口设计

①PLC端子分配。PLC是整个负压控制系统的核心，所有开关信号的采集、执行机构的控制都由PLC发出命令，PLC的输入、输出端子分配表如表2所示。

表2 端子分配

②PLC端子接线电路。PLC输入、输出端子接线图如图7所示。（1个隔离间的闭环控制）PLC输入、输出端子接线图

图7 PLC端子接线图

7.4 失压报警与电磁门封锁电路设计

失压报警与电磁门封锁电路在大多数正常情况下是不工作的。如果系统因为故障或其他非正常状态，系统将启动失压报警流程，同时执行电磁门封锁功能。

失压是指隔离间失去负压或负压过大过小不能达标的状态，这种状态的检测部分与正常状态一样，仅为测量值的异常。失压的原因有多方面的因素，例如：气压传感器故障或传感器老化、百叶窗风阀损坏、风道壁损坏、风机和变频电机损坏都可能导致隔离间负压不正常。系统初装调试交付运行后，各部分元器件都有一个安全保质期，通常为5年，之后的运行如果要确保系统安全可靠，必须定期对虽尚未损坏但已超过保质期的元器件实施保养与更换。器件的老化有一过程，首先表现在负压值经常发生在临界状态出现报警。因此必须认真对待每一次报警，不仅要找到故障点排除报警，更要对每次报警产生的原因作出科学合理的评估，及时更换已超出保质期的元器件。

电磁门封锁电路有两种工作模式，一种是故障时为防止交叉感染而设立的封锁状态，另一种是正常运行时为减小负压落差和变化范围，结合软件控制而执行的一开一锁的封锁方式。例如：正常运行时为防止两扇门同时打开而设立的一开一锁功能，即：只有在两扇门都关闭状态下，才能打开任一扇门，一扇门被打开后在没有关闭之前，另一扇门处在被锁定状态而不能打开。这种设置不仅有效的减小了因开关门而造成的负压落差，减小了交叉感染的概率，还可以有效减少电机功率消耗，达到省电节能的目的，因此得到广泛的应用。

8 系统软件设计

8.1 PLC程序流程图

PLC通过FX2N-232-DB与外部气压检测电路相连，从而获得气压各个要素的参数，经过比较分类，选出并执行应有的响应。其流程图如图8所示。

8.2 组态设计

组态主要是实现远程监控，通过对上位机的操作就可以实现对PLC的控制，主要的通信变量有负压值、百叶窗、变频器参数等。

9 结语

本文主要阐述了从选题分析、到元件选取、到元件参数资料、到硬件电路设计、最后给出了将软件流程图，实现了空气防疫隔离控制自动化和环保节能控制，此项目在联绅机电科技有限公司的工程实践中得到了实际应用。

图8 PLC控制流程图

本次设计整个系统主要完成的工作有：获取隔离间负压信号，将气压的负压信号转化为需求的电信号，并从中反映出的气压信号参数经调理生成PLC需求的开关信号。采用工业级抗干扰传输给PLC，让得到的信号量值跟预先设定的数值相比较，当过高、过低或相等时PLC驱动相应的执行机构发出相应的动作执行命令，可实时监控现场，也可以根据外界变化远程改变设定值。

在器件选型、控制模式确定方面，选取了多个净化控制工程的优点，有的控制算法还有待进一步的实践检验。

系统可进一步改进与完善的地方有：

组成多路多机控制和大规模工程应用，要计算成本进一步提高性价比。

整个设计只做了部分电路的计算机仿真，缺乏组态后的整体仿真，应将整个设计应用到实际工程当中，以检验设计的正确性与合理性。

虽有实际工程的应用实例，但那是公司使用的专用软件控制系统。限于成本等多方面原因，本设计尚未实际应用于工程实践中。