基于PLC的教室空氣凈化節能系統設計

王賀迪++高學金

摘 要 使用西門子公司S7-200型號的PLC作為控制核心，設計教室空氣凈化節能系統。本系統首先使用PM2.5濃度變送器對教室中的PM2.5濃度進行測量，并將測量值傳入PLC中，由PLC將其與預設值進行比較，再輸出相應的指令智能控制空氣凈化器開關，從而實現節能效果。

關鍵詞 教室空氣凈化節能系統；PLC；PM2.5

中圖分類號：G474 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）03-0023-02

1 設計初衷

近年來全國大范圍霧霾頻發，多地PM2.5爆表，嚴重影響人們的日常工作與生活，大氣環境污染已然成為威脅人類健康與生存的重大問題。室外環境空氣中的顆粒物是室內空氣中顆粒物的主要來源之一。最新研究表明，北京PM2.5濃度峰值與人類流感病例的延遲增加效應有極其重要的關聯。因此，對室內空氣污染進行控制和治理是目前改善人類生存環境的有效途徑。

對于絕大部分時間都在學校教室進行學習的學生來說，室內空氣質量嚴重影響到了他們的身心健康。為此，自2015年開始，北京市各中小學陸續安裝空氣凈化器。例如：北京市第十五中學南口學校已先后安裝150余臺新風空氣凈化器；2016年正式投入使用的清華附中將臺路校區給教學樓的30間教室配備了新風換氣系統，以保障師生的身心健康。日前，北京市教育委員會已部署中小學、幼兒園安裝空氣凈化設備試點工作，要求積極穩妥、有序推進。

在保證室內空氣質量達標的同時，節約電能需要進一步考慮。PLC（可編程邏輯控制器）能夠出色地完成數據的采集、判別及控制作用。因此，本文針對教室內的空氣凈化器，設計一個基于PLC的空氣凈化自動控制系統，以實現節能效果。

2 PLC與空氣凈化器簡介

PLC介紹 PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，它的硬件結構與微型計算機基本相同，構成為電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊和通信模塊。當PLC投入運行后，它的工作過程一般來說分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執行與輸出刷新。1969年，美國數字設備公司研制出第一臺PLC——PDP-14，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，首次采用程序化的手段應用于電氣控制。這是第一代可編程邏輯控制器。1974年，中國研制出第一臺PLC。20世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30%～40% 。在這時期，PLC在各方面的能力都得到大幅度提高。

空氣凈化器介紹 空氣凈化器主要是由馬達、風扇、空氣過濾網等模塊組成的，其工作原理為：機器內的馬達與風扇使室內的空氣循環流動，污染的空氣通過機內的空氣過濾網后，將各種污染物清除或吸附，達到清潔、凈化空氣的目的。空氣凈化器在居家、醫療、工業領域均有應用，居家領域以單機類的家用空氣凈化器為市場的主流產品，最主要的功能是去除空氣中的顆粒物，如PM2.5。由于相對封閉的空間中空氣污染物的釋放有持久性和不確定性的特點，因此使用空氣凈化器凈化室內空氣是國際公認的改善室內空氣質量的方法之一。

3 方案設計

設計要求 教室空氣凈化節能系統的作用是實時監測教室內的PM2.5濃度，在保證教室空氣質量正常的情況下，利用PLC自動控制的能力，對空氣凈化器開關實行智能控制，有效地提高工作效率，以達到節能的效果。

總體設計方案 普通的教室面積一般在50 m2左右。考慮到由于通風，教室門口和室內PM2.5濃度有所差異，同時也避免由于傳感器異常造成的測量錯誤，本文選擇在教室的前中后3個位置各安裝PM2.5濃度變送器，取其平均值作為標準輸入值。一般的空氣凈化器適用面積在20～40 m2，

所以本文選擇在教室的前后各安裝1臺空氣凈化器。當教室內出現輕微污染時，PLC給出相應的控制信號，開啟1臺空氣凈化裝置；當教室內出現嚴重污染時，開啟2臺空氣凈化裝置。如果自動調節系統出現異常，報警器發出報警信號，同時啟動手動模式進行控制。

系統結構 系統結構如圖1所示。

4 硬件選擇

PLC類型選擇 系統的設計要從保證系統的可靠性、實用性和可擴展性等方面入手。本控制系統采用可靠性和可擴展性很好的西門子S7-200系列的PLC作為控制器。用PM2.5濃度變送器來檢測教室內的空氣污染情況，并將信號輸入PLC中。

PM2.5濃度變送器選擇 本文選擇的是北京盛創達科技有限公司生產的SC03PM2.5變送器，它可用于各類商業綜合體、政府大樓、醫院、學校以及住宅的空氣質量監測。

空氣凈化器選擇 本文選擇的是TCL生產的型號為TKJ312F-A1的空氣凈化器，適用面積為23～40 m2，空氣凈化器風量為301～400 m3/小時，適用于辦公室、教室等中小型場所。

5 軟件設計

按圖1將硬件接好線后，將編寫好的控制程序裝載到PLC中。按下啟動按鈕，總啟動燈亮，并選擇自動模式，此時控制系統自動運行，3個傳感器檢測當前的PM2.5濃度，并將測得的信號求取平均值送入PLC中，與預設值進行比較，判斷當前的污染程度：若為輕度污染，則開啟1臺空氣凈化器；若為重度污染，則2臺空氣凈化器全部開啟；若系統出現異常，則報警燈亮，此時可以切換到手動模式進行手動控制。系統中需要設置自動模式與手動模式互鎖，保證系統只運行在一種模式下。程序框圖如圖2所示。

6 結束語

本文使用西門子S7-200系列PLC編程軟件，完成了教室空氣凈化自動控制系統的設計。本控制系統設有自動、手動兩種工作模式，自動模式為正常運行狀態，手動模式用于應對突發狀況。系統中如果需要修改PM2.5濃度的設定值，更改程序的設定值即可實現。教室空氣凈化自動控制系統只是智能控制模型中的一個典型應用，科技發展日新月異，以計算機技術、通信技術和軟件技術為核心的信息技術取得更加迅猛的發展，各種裝備與設備上嵌入式計算與系統的廣泛應用，使智能系統將逐步走進人們的生活。

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