潘頌哲 季俠毅 高 峰 黃子軒 陳信奉

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院瑞安學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引言

陽(yáng)光是人類最重要的能源，同時(shí)也是人們生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，更是保持身心健康的關(guān)鍵因素[1]。當(dāng)前大多數(shù)老房子較為陳舊，且采光效果差，致使屋內(nèi)環(huán)境過于潮濕、發(fā)霉，不利于居住者的身心健康成長(zhǎng)[2-3]。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)和研發(fā)了一種基于PLC的陽(yáng)光搬運(yùn)裝置，能實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光的自動(dòng)追蹤，并通過光纖搬運(yùn)至室內(nèi)指定位置，在不對(duì)原居住房屋較大改造的基礎(chǔ)上，有效改善室內(nèi)采光效果，為舊房光線改造提供低成本高效率的解決方案。

1 整體設(shè)計(jì)方案

基于PLC的陽(yáng)光搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)與研發(fā)的整體設(shè)計(jì)方案如下圖1所示，包括2個(gè)部分：一是陽(yáng)光光線的自動(dòng)追蹤與采集，二是光源的傳遞。通過采集4個(gè)光敏傳感器的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并采用雙軸跟蹤技術(shù)[4]，從而實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)光位置。光線的傳遞由光纖傳遞至室內(nèi)的指定位置，光纖傳遞路線可以沿墻布置，僅需鉆若干孔即可完成光線傳遞[5]。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

2 工作原理分析

2.1 陽(yáng)光光線強(qiáng)度信號(hào)采集

在光線接收板上布置4個(gè)對(duì)稱分布且與接收板呈一定角度的光敏傳感器A、B、C、D。傳感器A和C對(duì)稱分布，B和D對(duì)稱分布。當(dāng)太陽(yáng)斜射時(shí)，傳感器A和C或傳感器B和D因受到光照強(qiáng)度不同，采集得到模擬數(shù)據(jù)值存在較大的差異，當(dāng)偏差值超過一定數(shù)值后，控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到數(shù)值相差不大為止。當(dāng)入射光線與光線接收板垂直時(shí)，因入射光線可以被認(rèn)為近似平行，此時(shí)4個(gè)傳感器接收到的光照強(qiáng)度基本一致。因此，通過對(duì)比分析4個(gè)傳感器采集到的模擬數(shù)據(jù)值，以此判斷太陽(yáng)的入射角度。

2.2 光線的自動(dòng)追蹤

本裝置采用雙軸跟蹤技術(shù)，即采用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為裝置動(dòng)力輸出，通過控制脈沖輸出數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2.3 光線強(qiáng)度靈敏度調(diào)整

實(shí)際使用中，如果遇到陰雨等光線不佳天氣時(shí)，為避免搬運(yùn)裝置因光敏傳感器無(wú)法采集足夠強(qiáng)度的光線信號(hào)而罷工的情況，因而在系統(tǒng)軟件中設(shè)置光線強(qiáng)度的靈敏度調(diào)整參數(shù)，即靈敏度越高，搬運(yùn)裝置反應(yīng)越靈敏，反之則反應(yīng)遲鈍。

3 電控方案設(shè)計(jì)

陽(yáng)光搬運(yùn)裝置的電路控制系統(tǒng)主要包括PLC、模擬量輸入模塊、人機(jī)交互、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等，如圖2所示。

圖2 陽(yáng)光搬運(yùn)裝置的電控系統(tǒng)

(1)可編程控制器PLC是搬運(yùn)裝置的核心，其主要功能包括光源強(qiáng)度模擬量信號(hào)輸入控制、數(shù)據(jù)處理、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角控制、邏輯控制等。

(2)人機(jī)交互作用主要用于搬運(yùn)裝置控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，參數(shù)調(diào)整包括裝置靈敏度設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和加減速設(shè)置、自動(dòng)調(diào)試和手動(dòng)調(diào)試切換等調(diào)整功能。

(3)模擬量輸入模塊用于四路光敏傳感器的采集，其采集信號(hào)為0～10V的電壓信號(hào)。

(4)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器用于陽(yáng)光光源的自動(dòng)追蹤，包括進(jìn)退和旋轉(zhuǎn)2個(gè)電機(jī)。其旋轉(zhuǎn)速度和角度由PLC的脈沖信號(hào)控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

陽(yáng)光搬運(yùn)裝置的軟件流程如下圖3所示。

圖3 控制流程圖

當(dāng)裝置啟動(dòng)之后，四路光敏傳感器實(shí)時(shí)采集光照信號(hào)，并作對(duì)比，傳感器A和C控制進(jìn)退步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，傳感器B和D控制旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。如果傳感器之間的電壓偏差超過0.15V(靈敏度可由觸摸屏設(shè)置)，則實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過試驗(yàn)得出，基于PLC的陽(yáng)光搬運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)可靠，操作方便，控制效果良好。在室外向陽(yáng)處安裝本裝置，并沿墻布置光纖，就能夠?qū)崿F(xiàn)陽(yáng)光的“搬運(yùn)”功能，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)推廣潛力。