基于西門子PLC 控制的智能公廁系統(tǒng)

張 波，王嘉昊，李 金，趙 航，田皓元

（吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022）

0 引言

目前，大多數(shù)公廁都采用傳統(tǒng)的手按式?jīng)_洗方式，而這種傳統(tǒng)方式存在許多缺點，不方便、不衛(wèi)生，并且不符合國家的節(jié)能減排精神。因此，本文設計一款通過西門子S7-1500 來控制公廁的自動控制系統(tǒng)。公廁系統(tǒng)結合了最新的泡沫式?jīng)_水，既實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，又可以防止一些接觸性傳播疾病的發(fā)生，為人們提供一個良好舒適的如廁環(huán)境[1]。

1 系統(tǒng)控制流程

本系統(tǒng)主要解決使用者立式和蹲式兩種模式的入廁，本文主要講述蹲式入廁的控制模式。首先，系統(tǒng)通過紅外光電傳感器檢測是否有人進入，當檢測到有人入廁，自動門打開，照明燈、換氣扇隨即開啟。當使用者開始蹲下，蹲位傳感器檢測到有人，觸摸屏開始播放電視新聞。使用者開始使用后5 min 自動沖水（防止排泄物粘在便器表面不好清理），期間，使用者可以控制觸摸屏進行沖洗。若出現(xiàn)忘記沖洗的情況，也可以通過蹲位傳感器檢測到使用者離開，系統(tǒng)進行自動沖洗[2]。當檢測到有30人次使用該公廁時，系統(tǒng)會進行2 min 的地面清潔。整個使用流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的總體功能

2.1 節(jié)水控制

智能公廁的首要目的是實現(xiàn)節(jié)水控制。使用者在使用蹲式如廁時，系統(tǒng)每5 min 進行一次沖水。使用者如廁結束時，可選擇觸摸屏控制沖水。如使用者忘記沖水，則系統(tǒng)的蹲位傳感器會在檢測到使用者離開后自行沖水。沖水系統(tǒng)采用的是最新的泡沫式?jīng)_水，利用常態(tài)水和發(fā)泡劑混合產生的水體泡沫會比傳統(tǒng)式?jīng)_水更加環(huán)保，并且耗水量大約是傳統(tǒng)式?jīng)_水的1/3。

2.2 照明控制

紅外傳感器檢測到有人進入時，公廁的照明功能自動打開；當紅外傳感器檢測到有人離開，公廁的照明功能自動關閉。若出現(xiàn)多人進入或離開，則當所有人離開時，照明功能關閉。為了避免出現(xiàn)特殊情況，觸摸屏上還設置了開關燈按鈕[3]。

2.3 空氣控制

本系統(tǒng)設定為：當有人進入公廁，換氣扇閥門打開，控制換氣扇與室外空氣進行交換，并打開空氣清新劑，以此來保證公廁內部無異味。每隔12 h，殺菌燈將進行為時30 min 的殺菌操作，這段時間完全能夠殺死公廁內殘留的細菌和微生物，若開的時間太長反而會有副作用[4]。

2.4 報警控制

本系統(tǒng)通過觸摸屏查看公廁是否能夠使用和對其進行控制，通過壓力傳感器來檢測泡沫水箱內沖洗劑的容量，如果容量足夠，公廁可以繼續(xù)使用，如果容量不夠，觸摸屏閃亮紅燈并顯示無法使用。觸摸屏實現(xiàn)沖水、照明等過程，是通過屏幕上的按鈕進行控制的。同時，觸摸屏還可以播放新聞聯(lián)播等節(jié)目[5]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件介紹

本系統(tǒng)主要使用西門子TIA 博途軟件。博途軟件可以對西門子S7-300/400，S7-1200 及S7-1500 進行組態(tài)、編程及調試。TIA 博途軟件是一個系統(tǒng)，里面包含多種軟件，可以滿足用戶在不同自動化控制系統(tǒng)中的各種需求。

3.2 觸摸屏界面

本系統(tǒng)利用TIA Portal V15.1 軟件中HMI 觸摸屏進行人機交互，從而實現(xiàn)該系統(tǒng)的各種功能。公廁使用者和工作人員能夠使用的功能不一樣，工作人員可以控制更多的功能，公廁使用者的觸摸屏界面如圖2 所示。

圖2 公廁使用者的觸摸屏界面

公廁使用者的觸摸屏主要分為兩個區(qū)域，一個區(qū)域是系統(tǒng)的電視畫面部分，當使用者開始如廁，觸摸屏開始播放電視新聞；另一個區(qū)域是系統(tǒng)的控制部分（非工作人員的控制），使用者可以對公廁的沖水、照明、電視及殺菌進行控制。畫面的右下角有一個報警燈，停水時該燈用來提醒使用者謹慎使用。

3.3 系統(tǒng)程序

TIA Portal V15.1 軟件包含了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）編程和仿真功能，幾乎適用于所有自動化系統(tǒng)的任務。借助該軟件平臺，軟件開發(fā)人員可以更快、更方便地開發(fā)和調試系統(tǒng)。智能公廁系統(tǒng)通過該軟件中S7-1500 PLC 與HMI 的連接，將系統(tǒng)的多個功能集成到觸摸屏上，讓用戶更方便地實現(xiàn)各種功能。

3.3.1 I/O 點表

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求確立I/O 點表，其中包含9個輸入信號和9 個輸出信號，具體內容如表1 所示。

表1 系統(tǒng)對應I/O 點表

3.3.2 系統(tǒng)部分控制程序

PLC 編程方法主要有語句表編程、梯形圖編程及功能塊圖編程，本系統(tǒng)所使用的編程方法為梯形圖編程。此編程方法容易理解，并且可以更直觀明了地體現(xiàn)出系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能。

整個系統(tǒng)的自動控制模塊包括自動開關門、自動沖水、自動照明、自動殺菌及自動地面清潔等，通過軟件編程來實現(xiàn)相應的動作。如圖3 所示，為自動照明換氣控制和自動地面清潔控制的梯形圖編程。

圖3 是自動照明換氣控制的梯形圖。其中，I0.0 是觸摸屏控制的進出門開關，可以通過控制該按鈕進行開關門操作，或者通過進門傳感器I0.2 探測到有人進門后，打開照明和換氣功能。M0.0 和M0.2 為中間繼電器，出門開關和出門傳感器與進門開關相互制約，出門之后，常閉觸點接通，照明和換氣功能關閉，實現(xiàn)自動照明換氣控制。

圖3 自動照明換氣控制梯形圖

圖4 為自動地面清潔控制的梯形圖。其中，CTU 為加計數(shù)器，其功能為當有使用者出入30 次后，對地面進行一次清潔。清潔完畢后，對該計數(shù)器進行復位操作，等待出入人數(shù)達到下一個30 次，從而進行下一次地面清潔。

圖4 自動地面清潔控制梯形圖

4 結語

本文設計的基于西門子PLC 控制的智能公廁系統(tǒng)，真正做到了全自動如廁的智能化功能，實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能等功能。在國家大力支持節(jié)能減排的今天，使用該系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義。