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實驗室通風櫃控製器

 

通風櫃控製器是通風櫃上麵的微電腦控製器。利用微機執行繁雜的邏輯計算與控製,來管理通風櫃上的各種機電設備的運行情況。與利用傳感器器取出通風櫃各項物理參數以供操作者使用。利用微機可以極大提高各種設備的運行可靠性與簡化係統設備的繁雜性。本設計采用的是PID控製,使排風風速能穩定在用戶設定的麵風速。由於采用了液晶顯示器,操作簡單,直觀。多種工作模式(待機、強製排風、有人/無人排風)使本裝置更節能實用。采用了先進的風速標定方法,能更精確地檢測實際風速,從而實現實時、準確的排風控製。 
  1工作原理 
  實驗室產生的有毒有害氣體必須及時排除,在衡量通風櫃的標準是要滿足:有害氣體不能溢出也不能再櫃內產生紊流。所以,麵風速即通風櫃窗口的平均風速,是衡量通風櫃性能的主要技術參數。 
  國家對通風櫃麵風速規定標準為: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為操作口開啟麵積(單位:m2);V為麵風速(單位:m/s);β為安全係數(1.05~1.1)。 
  從式(1)可以看出,對於沒有調節係統的通風櫃,當操作門全開時,如果滿足0.3~0.5 m/s的麵風速,當操作門開啟一半或全關閉時,麵風速將超過設計值,大大影響排風及實驗效果。 
  因此,如何有效地控製麵風速是對通風櫃排風的有效保障。本設計采用了櫃門行程及風速控製法,能使櫃門處於不同高度是通風櫃麵風速保持在設定值。 
  通風櫃的實際通風量可用下式表示:Q=SV=SWH (2)式中:S為操作口開啟麵積(單位:m2);V為麵風速(單位:m/s);W為通風櫃的開口寬度(單位:m);H為通風櫃開窗高度(單位:m)。采用櫃門上的傳感器將櫃門的行程信號變送到控製器,控製器根據設定的麵風速和式(2)計算出設定的風量信號,進而可以得出在當前櫃門高度下,要得到設定風速所需的閥門開度。再根據風速傳感器測出的實時風量並轉換成相應的閥門開度的電信號。在ARM內通過PID控製得出一個輸出電壓,控製閥門開度,從而實現風速控製。 
  2係統結構 
  通風櫃控製器電路的主要功能是完成響應外界環境的輸入, 如有人無人狀態輸人、窗開度、反饋輸入量、人工設定輸入量等。通過判斷和計算, 輸出一定的電壓控製文丘裏閥門, 形成一個閉環控製。控製器將當前排風櫃的排風量通過RS 485總線傳輸到補風控製器,與上位機之間通過ModBus協議通信,也采用RS 485總線形式,選用RSM 485低功耗芯片做電平轉換。在實施監控和參數設置時,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。 
  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。係統結構如圖1所示。 
  圖1係統結構2.1A/D采樣及D/A輸出 
  A/D,D/A電路主要實現電壓轉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製櫃窗口高度,輸入信號字0~10 V範圍內線性變化,用於獲得期望風量;閥門反饋輸入f:閥門開度反饋,反應當前實時風量。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櫃前扇形區域內是否有人,並將有人/無人狀態轉換為+12 V/0 V電壓值。輸出模擬信號為閥門驅動信號,線性變化的電壓控製閥門的開度。 
  2.2人機界麵 
  包括鍵盤、LED指示燈和液晶顯示器,實現信息的輸入,數據顯示和報警作用。該電路由PCA9555單元單獨完成。PCA9555是24引腳的CMOS設備,它提供了I2CBus/SMBus 應用中的16位通用並行輸入/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方式。 
  電源電路實現同一端口AC/DC 24V輸入,輸出直流±12 V,+5 V和+3.3 V。輸人端采用半橋整流電路, 實現同一端口同時輸人交流或直流電源, 適應不同環境需要。整流以後, 通過TL2575HV12IKV單元電路, 將電壓穩定到+12 V。後繼采用電壓轉化電路產生+5 V和+3.3 V電源。 
  2.3ModBus 
  ModBus串行鏈路協議是主-從協議,RTU模式在相同波特率下比ASCII模式有更高的數據吞吐量,故采用RTU模式。RTU模式是通過判斷時間間隔來區分字符和報文幀的,時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報文幀區分開。同時,整個報文必須以連續的字符流發送,幀內2個字符之間的間隔小於1.5個字符時間。RTU報文幀如下所示: 
  起始地址功能碼數據CRC校驗結束≥3.5字符8 b8 bN×8 b16 b≥3.5字符 
  ModBus協議規定了20多種功能碼,本設計隻用到其中幾種操作。上位機機發送讀保持寄存器(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並將數據發送回主機。 
  3係統運行及實現 
  係統主要實現信息量的采集、通信、參數設置和信息顯示。根據國家通風櫃對麵風速0.4~0.6 m/s的標準,控製器根據通風櫃窗開度Hx,閥門反饋Fb和設定風速Vf計算出閥門控製電壓Vout(fx)用以控製風速保持在這一範圍內。並且將實際風量L和風速V顯示在液晶麵板上。計算公式如下式:Vout(fx)=kHxWVfn-ba(3) 
  Hx=Hmax(Zx-Zmin)Zmax-Zmin+Hmin(4) 
  L=aFb-b(5)式中:k=0.06~0.42;n=0.6~1.4,為漏風調整;Hmax,Hmin為窗開度的最高和最低位置,Zmax,Zmin為其對應的電壓信號;Hx為窗開度的實際值;a,b為閥門開度與風量關係參數,根據現場標定;Fb為閥門反饋電壓。

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