應(yīng)用于實驗柜的排風控制系統(tǒng)的方案

引言

通風柜控制器是通風柜上面的微電腦控制器。利用微機執(zhí)行繁雜的邏輯計算與控制，來管理通風柜上的各種機電設(shè)備的運行情況。與利用傳感器器取出通風柜各項物理參數(shù)以供操作者使用。利用微機可以極大提高各種設(shè)備的運行可靠性與簡化系統(tǒng)設(shè)備的繁雜性。本設(shè)計采用的是PID控制，使排風風速能穩(wěn)定在用戶設(shè)定的面風速。由于采用了液晶顯示器，操作簡單，直觀。多種工作模式(待機、強制排風、有人/無人排風)使本裝置更節(jié)能實用。采用了先進的風速標定方法，能更精確地檢測實際風速，從而實現(xiàn)實時、準確的排風控制。

1 工作原理

實驗室產(chǎn)生的有毒有害氣體必須及時排除，在衡量通風柜的標準是要滿足：有害氣體不能溢出也不能再柜內(nèi)產(chǎn)生紊流。所以，面風速即通風柜窗口的平均風速，是衡量通風柜性能的主要技術(shù)參數(shù)。

國家對通風柜面風速規(guī)定標準為：0.4~0.6 m/s.排風量(單位：m3/h)計算公式為：

L=3 600×SVβ (1)

式中：S為操作口開啟面積(單位：m2);V為面風速(單位：m/s);β為安全系數(shù)(1.05~1.1)。

從式(1)可以看出，對于沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)的通風柜，當操作門全開時，如果滿足0.3~0.5 m/s的面風速，當操作門開啟一半或全關(guān)閉時，面風速將超過設(shè)計值，大大影響排風及實驗效果。

因此，如何有效地控制面風速是對通風柜排風的有效保障。本設(shè)計采用了柜門行程及風速控制法，能使柜門處于不同高度是通風柜面風速保持在設(shè)定值。

通風柜的實際通風量可用下式表示：

Q=SV=SWH (2)

式中：S為操作口開啟面積(單位：m2);V為面風速(單位：m/s);W為通風柜的開口寬度(單位：m);H為通風柜開窗高度(單位：m)。采用柜門上的傳感器將柜門的行程信號變送到控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的面風速和式(2)計算出設(shè)定的風量信號，進而可以得出在當前柜門高度下，要得到設(shè)定風速所需的閥門開度。再根據(jù)風速傳感器測出的實時風量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的閥門開度的電信號。在ARM內(nèi)通過PID控制得出一個輸出電壓，控制閥門開度，從而實現(xiàn)風速控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通風柜控制器電路的主要功能是完成響應(yīng)外界環(huán)境的輸入，如有人無人狀態(tài)輸入、窗開度、反饋輸入量、人工設(shè)定輸入量等。通過判斷和計算，輸出一定的電壓控制文丘里閥門，形成一個閉環(huán)控制?？刂破鲗斍芭棚L柜的排風量通過RS 485總線傳輸?shù)窖a風控制器，與上位機之間通過ModBus協(xié)議通信，也采用RS 485總線形式，選用RSM 485低功耗芯片做電平轉(zhuǎn)換。在實施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置時，可以批量進行，大大簡化了操作量。上位機軟件可用LabVIEW或者VB開發(fā)。

硬件電路包括人機交互電路，如鍵盤，液晶，蜂鳴器;A/D采樣電路，如有人無人A/D電路，窗開度A/D電路，反饋輸入A/D電路;D/A電路;風速檢測電路及串口通訊部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 A/D采樣及D/A輸出

A/D,D/A電路主要實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換匹配及模擬信號濾波等功能。模擬信號分別為窗高度輸入Hx:通過拉線變阻器或者超聲波測距實時采集控制柜窗口高度，輸入信號字0~10 V范圍內(nèi)線性變化，用于獲得期望風量;閥門反饋輸入f:閥門開度反饋，反應(yīng)當前實時風量。0~10 V線性變化;有人/無人輸入Z:通過人體傳感器檢測通風柜前扇形區(qū)域內(nèi)是否有人，并將有人/無人狀態(tài)轉(zhuǎn)換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號為閥門驅(qū)動信號，線性變化的電壓控制閥門的開度。

2.2 人機界面

包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器，實現(xiàn)信息的輸入，數(shù)據(jù)顯示和報警作用。該電路由PCA9555單元單獨完成。PCA9555是24引腳的CM OS設(shè)備，它提供了I2C-Bus/SMBus應(yīng)用中的16位通用并行輸入/輸出口GPIO的擴展。且通訊頻率始終能達到400 kHz.

按鍵采用低電平中斷觸發(fā)方式。

電源電路實現(xiàn)同一端口AC/DC 24V輸入，輸出直流土12 V,+5 V和+3.3 V.輸入端采用半橋整流電路，實現(xiàn)同一端口同時輸入交流或直流電源，適應(yīng)不同環(huán)境需要。整流以后，通過TL2575HV-12IKV單元電路，將電壓穩(wěn)定到+12 V.后繼采用電壓轉(zhuǎn)化電路產(chǎn)生+5 V和+3.3 V電源。

2.3 ModBus

ModBus串行鏈路協(xié)議是主-從協(xié)議，RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，故采用RTU模式。RTU模式是通過判斷時間間隔來區(qū)分字符和報文幀的，時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報文幀區(qū)分開。同時，整個報文必須以連續(xù)的字符流發(fā)送，幀內(nèi)2個字符之間的間隔小于1.5個字符時間。RTU報文幀如下所示：

ModBus協(xié)議規(guī)定了20多種功能碼，本設(shè)計只用到其中幾種操作。上位機機發(fā)送讀保持寄存器(功能碼03)，寫單個寄存器(功能碼06)和寫多個寄存器(功能碼16)3種命令完成對ARM的讀寫功能。下位機程序負責對上位機命令進行響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機。

3 系統(tǒng)運行及實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)信息量的采集、通信、參數(shù)設(shè)置和信息顯示。根據(jù)國家通風柜對面風速0.4~0.6 m/s的標準，控制器根據(jù)通風柜窗開度Hx,閥門反饋Fb和設(shè)定風速Vf計算出閥門控制電壓Vout(fx)用以控制風速保持在這一范圍內(nèi)。并且將實際風量L和風速V顯示在液晶面板上。計算公式如下式：

式中：k=0.06~0.42;n=0.6~1.4,為漏風調(diào)整;Hmax,Hmin為窗開度的最高和最低位置，Zmax,Zmin為其對應(yīng)的電壓信號;Hx為窗開度的實際值;a,b為閥門開度與風量關(guān)系參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場標定;Fb為閥門反饋電壓。

4 結(jié)語

此裝置包括微控制單元、執(zhí)行器單元、傳感器輸入單元、顯示單元和操作單元5大部分，使通風柜具有智能化、變風量控制功能。通風量的大小完全由電腦控制，操作簡單，保證排出有害氣體的效果始終處于最佳狀態(tài)，不僅能精確地控制排風量，還可以降低能耗、減小噪聲，甚至無噪聲工作(有多種工作狀態(tài))。

實驗室污染氣體的排放影響到實驗人員的健康和工作環(huán)境的安全，根據(jù)國家對面風速的規(guī)定以及考慮到實際運用中環(huán)境對風速的影響，本系統(tǒng)還可以推廣到別的排風領(lǐng)域。