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【摘要】目前，常見窗簾的控制方式還是手動開閉窗簾，手動開閉費事、費力，同時可能會對使用者造成一定的困擾，而使用自動窗簾在很大程度上可以解決這些問題。本項目介紹一種百葉窗簾控制系統的設計方案，主要包含百葉窗的控制需求分析、控制系統的的理論設計以及控制系統的程序編寫。在需求分析中介紹在實際使用過程中控制系統應滿足的功能；在理論設計中主要介紹控制器的選擇，信號輸入元件的選擇，動力單元的選擇以及保護電路的設計；在程序設計中介紹編程的思路，以及主要程序的說明。
【關鍵詞】百葉窗；SMARTPLC；智能控制
隨著現代科技的不斷進步，人們對生活環境提出更高的要求。在滿足基本物質需求的前提下，開始追求更高的精神享受。百葉窗簾控制系統的設計就是為了解決手動開、關的不便，同時能凸顯生活的檔次，而且還可以根據室外光照度自動調節了室內亮度，進一步滿足人們的樂趣需求。
1需求分析
此次設計的百葉窗簾控制系統主要面向于安裝大型百葉窗的場所，依據實際應用需求，現對本次設計的自動窗簾控制系統做出以下基礎功能要求：模式I：使用者通過按下按鍵來控制窗簾的開關，以及窗簾的開合程度，可以實現半自動化控制；模式II：通過光線傳感器接收光線強度，并將信號發送至PLC控制器，與系統預先設定的光照強度值對比，然后系統自動開關窗簾，以及控制窗簾的開合程度，可以實現全自動化控制。
2總體設計
從上述設計方案的基礎功能出發，此次設計的工作原理簡介如下：在模式II中百葉窗簾控制系統可以檢測光照強度，然后來開閉窗簾，同時也可以用按鍵控制窗簾的開關。傳感器采用為精度較高的光照度變送器，量程范圍：0lux~65535lux，從光照度變送器采集的信號經過模數轉換處理后發送到PLC控制器。在PLC控制器中預先設定好5組LUX值的等級范圍，將接收到的LUX值與系統設置好的LUX值對比，在不同的等級范圍內，PLC控制窗簾做出不同的響應：（1）接收到的LUX值在I級范圍，PLC控制百葉窗簾關閉。（2）接收到的LUX值在II級范圍，PLC控制百葉窗簾微開。（3）接收到的LUX值在III級范圍，PLC控制百葉窗簾全開。（4）接收到的LUX值在IV級范圍，PLC控制百葉窗簾半開。（5）接收到的LUX值在V級范圍，PLC控制百葉窗簾關閉。PLC控制窗簾的動作主要靠步進電機實現，PLC輸出高速脈沖到步進電機控制器，步進電機由接收到的脈沖數量控制轉動的圈數和角度。此百葉窗簾控制系統的模式I是由PLC控制器外接按鍵控制模塊控制的。在外部按鍵按下和抬起時會產生一個高低電平的變化，當PLC控制器捕捉到此變化之后，判斷此信號來源于哪一個按鍵，并與預定義的按鍵功能對比，然后輸出高速脈沖控制信號到步進電機，進一步控制窗簾的打開和關閉以及百葉窗的開合程度。將以上各電路模塊連接在一起，就組成了此次設計的基本電路。
3各模塊設計
由上述總體設計中可以看出百葉窗簾控制裝置采用PLC作為主要控制模塊，由光電傳感器和按鍵組成信號檢測端，步進電機作為主要動力裝置。主要組成電路有電源電路、步進電機驅動電路、按鍵電路、光照接收電路、限位電路等。
3.1控制器選型
采用西門子SMARTPLC系列的ST30，12個輸入接點，18個輸出接點，其中包含三個高速脈沖輸出接點，可以直接控制步進電機。
3.2模擬量轉換模塊
選用西門子AI04模擬量輸入模塊，共有四組模擬量輸入，此處只用其中一組：AI0+和AI0-。
3.3電源模塊
采用明緯LRS-200-24型開關電源，220V交流輸入，24V直流輸出，最大功率211.2W。電源模塊有三個輸入端子，分別接220V電壓的火線、零線以及地線；有四組輸出端子，由于控制系統工作元件的工作環境不同，因此電壓源需要隔離，電源模塊的一組輸出端子與PLC和AI04模擬量輸入模塊連接，一組與步進電機驅動器和光照度變送器的電源輸入端連接，剩下的兩組暫時不用。
3.4動力單元
步進電機采用57BYG250B，與之配套使用的驅動器的型號為TB6600。步進電機驅動器與步進電機的接法上文已經說明，并給出了接線圖。由于控制器直接接入電壓為5V，而PLC的輸出控制信號為24V，因此此處每一路都需要串聯一個限流電阻R，否則會燒壞步進電機驅動器。查驅動器參數表可知驅動器內阻約為：R=400Ω，所以需要串聯的電阻阻值大小為：R1=400÷5×24≈2000Ω。
3.5光照傳感器
高精度光照度變送器，共有四根輸出引線，其中棕色引線接電源正；黑色引線接電源負；藍色引線為光照度信號輸出正，接AI04模擬量輸入接點0+；綠色引線為光照度信號輸出負，接AI04模擬量輸入接點0-。
3.6按鍵電路
由一個單刀雙擲開關和三個點動按鍵組成；單刀雙擲開關有三個引腳輸出，一個是公共端，另外兩個是控制端。三個接點分別用三根導線引出來，公共端接PLC的1L+，另外兩個接點分別接0.0和0.7。點動式按鍵采用紅和綠兩種顏色，兩個綠色按鍵分別代表按鍵控制中的開和關，紅色按鍵是復位按鍵，當按下紅色按鍵時，步進電機正轉，當觸碰到下面的接近開關時，電機減速，停止后回走一定行程，完成復位。每個按鍵有兩個輸出引腳，常態是斷開的，當按下按鈕時，兩個引腳接通，此時PLC可以接收到按鍵的信號。接線時可以將每個按鍵的其中一腳共線連接，另一腳引出線，連接至PLC輸入接點。
3.7限位電路
選用CHE12-4NA-A710型接近開關，可以檢測金屬材料。接近開關共有三根線引出，其中兩根線分別接電源的正負，另一根信號線接PLC的I1.0接口，用于電機尋找參考點。各個模塊通過PLC控制器聯系到一起，其電氣原理圖如圖2所示。每個模塊互相配合，共同實現窗簾的自動開合與手動開合的功能。
4程序設計
本次程序設計主要用到STEP7-MicroWINSMART編程軟件，其可以連接PLC進行在線調試，軟件的設計主要由以下幾部分組成：控制系統初始化，運動控制子程序，按鍵子程序，限位程序，步進電機控制程序等。在軟件設計部分主要介紹了自動窗簾控制器的主程序以及部分子程序的設計過程。
4.1模數信號處理部分程序設計
光照度傳感器接收到光線強度信號后輸出0~10V的電壓信號，隨著光照強度的增加，輸出電壓增大。輸出電壓進入到模擬量輸入模塊，在這里將模擬量轉換為數字量，計算過程示例如下：假定當前的輸出信號為：已知光照強度的量程0-65535LUX。在smart技術規范中可以查得，模擬量輸入模塊的滿量程范圍為：-27648~27648。由于光照強度數值上要大于模擬量輸入模塊的量程，因此這里轉換后得到的數值并不是實際的光照度值，實際值可以通過其與量程的對應關系計算得到。在程序中電壓與量程的對應關系為：在以上的式子中，各變量代表的含義為：VD：程序輸出的結果；V：實際輸入電壓值；OSH：模擬量輸入模塊量程的上限；OSL：模擬量輸入模塊量程的下限；ISH：輸入最大電壓值；ISL：輸入最小電壓值。由上式計算結果可以得到實際光照度值為：
4.2運動控制部分程序設計
編程軟件內有運動控制向導，首先需要在向導里面設置需要的參數，然后生成可調用例程。在這里共用到四個調用例程，分別為：AXISx_CTRL子例程、AXISx_MAN子例、AXISx_GO-TO子例程以及AXISx_RSEEK子例程。以上例程的具體用法可以參考PLC技術手冊，這里不做詳細論述，以下列出部分運動控制梯形圖程序：
4.3整體程序設計
在整體程序設計時需要先考慮系統在工作時內部信號處理的邏輯。自動窗簾控制系統在上電之后，首先判斷當前的工作模式，如果檢測到當前為自動模式（系統默認為自動模式），PLC控制器從光照度傳感器光照強度分為5個等級，當檢測到光照值后，PLC控制器判斷當前光照強度屬于哪一范圍，并做出相應的動作。如果檢測到當前工作模式為手動模式，則PLC控制器檢測按鍵的信號，接收到按鍵信號之后，PLC控制器判斷是否按下時間超過500ms（即判斷是短按按鍵還是長按按鍵），并做出相應的動作。至此，整個百葉窗簾控制系統設計完成?？梢詽M足上述設計的基本功能要求。由于自動窗簾的成本較高，一般普通家庭難以接受，因此這次設計的自動窗簾控制系統的功能需求主要面向于安裝大型百葉窗的場所，同時考慮可以應用于空間幕簾，落地百葉窗等。
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作者:呂夢飛 朱煜鈺 郭亞光 楊賽賽 季天宇 單位:黃河科技學院機械工程學院