基于無人控制的太陽能全自動消毒裝置設計與制作

□陳澍弘 邢子杰 黃云煜皓 褚曉堯 鄭長山

一、引言

新冠肺炎疫情突然爆發，在全國范圍內瘋狂傳播，封路、封航、封城，國家以一切可以利用的手段去阻止病毒的侵襲。醫院、車站、商場等人流密集場所的情況最為嚴峻，這些區域需全面消毒，并且在非疫情防控期間，全國傳染病醫院、醫院的傳染科都需要穿防護服清潔消毒。

傳染病醫院、醫院中的傳染科，還有餐廳、學校、機場等眾多區域都需要進行集中性的消毒處理，但此時的消毒多為人力，是人背著消毒液噴灑，或者人工駕駛消毒裝置進行殺毒滅菌，人穿防護服參與消毒，危險系數高，人工消毒滅菌面臨諸多嚴峻考驗和不確定因素，比如責任心、人的情緒等，都會影響到消毒效果，還要耗費大量防護服，還要支付人工工資費用。那么就急需一種現場無人控制的、智能型的消毒裝置代替人工消毒，實現機器換人。

二、系統功能

無人控制的太陽能可移動式全自動消毒裝置，由PLC控制器、消毒裝置裝有噴消毒液的噴頭，PLC自動啟動消毒裝置沿設置軌道移動。所需電能均來自于蓄電池，蓄電池由太陽能電池板充電。無人控制是指PLC自動提取系統時間，通過執行程序，自動啟動消毒車和消毒設備噴灑，沿著設定好的軌跡消毒。消毒結束，回到指定位置充電，過一段時間自動啟動消毒車和噴灑，循環往復。消毒裝置控制系統功能框示意圖如圖1所示。

三、消毒裝置硬件系統設計

根據上述系統功能進行輸入和輸出信號器件分析，選擇合適的PLC硬件，分別為電源模塊(PS 307 5A)、CPU模塊(CPU 314C-2 DP)；選擇MM420作為本裝置的變頻器；還有太陽能電池板，兩節12V蓄電池，控制器，逆變器，噴藥器等；小車采用工廠加工制作。

四、控制系統軟件設計

(一)消毒車的I/O地址分配。根據系統任務要求和輸入/輸出分析，進行I/O地址分配，如表1所示。

表1 消毒裝置的I/O地址分配表

(二)根據系統功能，進行程序編寫，選取典型部分程序如下。程序段1：S7-300 PLC系統時鐘的提取，功能FC6從格式OB1_DATE_TIME提取數據類型格式DATE，DATE值在限定值DATE#1990-1-1和DATE#2089-12-31之間，此指令可在STEP7庫中找到。MOVE指令把MW10里的日期送到MD20里。如圖2所示。

圖2 程序段1

程序段2：功能FC8從格式DATE_AND_TIME提取數據類型格式TIME_OF_DAY，提取每天時間(時分秒毫秒)，此指令可在STEP7庫中找到。如圖3所示。

圖3 程序段2

五、仿真調試程序

(一)打開電腦右下角設置時間裝置，進行時間設置操作，將年月日設定為：2021年3月16日，時間設定為：8:0:0。

(二)當時間為8:0:0時，M0.0，M0.1，M0.3得電，以正轉低頻頻率1為10Hz啟動運動，噴頭噴藥(噴霧)，如圖4所示。

圖4 正轉運動和噴藥(噴霧)

(三)至8:0:10，以正轉低頻頻率1為10Hz啟動運動進行工作十秒，改為以正轉高頻頻率2為20Hz啟動運動工作。

(四)從8:0:10開始至8:3:0時間段內，以正轉高頻頻率2為20H為運動和噴藥。

(五)在8:3:0時瞬時停止，等待一分鐘，準備進入反轉狀態。

(六)時間從8:4:0開始持續至8:4:10，這一段時間內，此時消毒裝置以反轉低頻為頻率1和頻率3的組合頻率15Hz啟動運動，同時噴頭噴藥，持續時間十秒。

(七)時間從8:4:10持續到8:7:0時間段內，消毒裝置此時以反轉高頻為頻率2和頻率3的組合頻率25Hz為運動，噴藥同時工作。

(八)時間至8:7:0，這一階段噴灑工作結束，裝置停止運動，噴頭停止噴藥。循環往復以上工作狀態，按照指令運動和噴藥，直至工作結束。

六、實物模型制作及聯機調試過程

(一)實物模型的制作過程。

1.車輛大底由輪轂、軸、底板相互連接，電動機固定在底板上，如圖5所示。

圖5

2.PLC、變頻器、電動機以及消毒噴頭相互之間的組合。如圖6所示。

圖6

3.逆變器、蓄電池、太陽能控制器、太陽能板之間的相互組合。

4.消毒設備整體組合。

(二)聯機調試。

1.設置時間，將時間設置到PLC中規定的時間，第一步雙擊桌面右下角的日期時間得到彈框。

2.點擊“更改日期和時間”，得到彈出框，然后更改時間為2021年3月16日8：0：0。

3.打開程序文檔界面單擊“PLC”—“設置時鐘”，并且單擊應用。

(1)消毒裝置無人控制自動啟動，無人控制自動噴藥。現在消毒裝置為初始狀態，運行前的準備。按照設定程序，在8:0:0前，進行等待。

(2)等待至8:0:0時，開始運動。按照程序，消毒裝置以正轉低頻頻率1為10Hz運動，帶動消毒噴頭進行噴藥，此狀態一直持續至8:0:10。

(3)從8:0:10至8:3:0這段時間內，消毒裝置以正轉高頻頻率2為20Hz開始向前運動，同時噴頭噴藥，在這段時內，一直以此狀態運動。消毒裝置前進并噴藥，如圖7所示。

圖7 裝置運動和噴藥

(4)時間至8:3:0，停止運動和噴藥，等待1分鐘，進行等待狀態并進入反轉準備工作。

(5)時間從8:4:0到8:4:10，裝置反轉低頻為頻率1和頻率3的組合頻率15Hz運動，噴頭噴藥。

(6)時間從8:4:10持續到8:7:0時間段內，消毒裝置以反轉高頻為頻率2和頻率3的組合頻率25Hz，裝置運動并噴藥。

(7)時間8:7:0，裝置停止運動和噴藥，待程序命令進入下一階段時，重復以上動作。

七、結語

消毒裝置無人控制啟動以及消毒噴藥，在設定好的時間點進行運作，噴藥的同時進行前進動作。前進至某一時間點時，消毒裝置停止移動和噴藥，進入等待狀態。到達指定時間，開始進行裝置反轉。反轉開始后，進行噴藥以及動作行進，當到達指定地點后，完成一套流程的動作指示。

無人控制自動啟動消毒裝置，沿著設定好的軌跡消毒，消毒結束，回到指定位置，通過太陽能電池板充電，過一段時間再自動啟動消毒裝置，循環往復，達到預期效果。