無塵室等級空氣顆粒偵測操作系統的設計與製作

空氣品質針對不同的應用場域有各種不同的定義,相關的參考指標已偵測種類有以下兩種:

  1. 空氣化學物質濃度,如:CO、CO2、有機物質等。
  2. 空氣灰塵顆粒濃度,如:PM2.5、PM10等。

這兩種空氣品質的偵測各有其適用的場域或情境,化學物質濃度偵測主要是用於醫療照護、危險場域(如:易燃氣體)等,而空氣灰塵顆粒濃度則常用於居家、工廠無塵製造環境等,這兩種的偵測情境,所對應的感測器亦是有所不同。

撰寫/攝影  曾俊霖 
難度

★★★★★

時間

約4小時

材料表
  • Arduino Mega 2560
  • Arduino 專用4吋觸控螢幕
  • OMRON ZN-PD SN300 空氣顆粒偵測器成套模組(含灰塵收集漏斗與濾網)
  • 繼電器模組
  • 空氣電磁閥
  • 空氣靜電清除器

本次的專案主要是針對工廠無塵室對於空氣灰塵顆粒數量的偵測進行一個監控介面設計與製作,適用於對於環境潔淨度要求甚高的場域,透過本專案的製作可以精細的對於環境中的灰塵顆粒數量進行監測與後續的清潔作業,由於工廠無塵室對於空氣中灰塵的數量有著嚴格的要求,因此,在本專案將會採用OMRON製造的ZN-PD SN300空氣灰塵顆粒偵測器當成本專案的感測裝置,本專案將透過Arduino Mega 2560進行整個控制核心的設計與製作,人機操作介面將透過觸控螢幕進行設計,希望透過簡單直覺的觸控手感進行操控。此外,為了適應實際的工廠操作的環境需求,還要透過空氣靜電消除器進行除靜電噴氣的動作,因此還需要透過輸出介面控制繼電器與空氣電磁閥,這個完整系統的建置,經過實測的確可以滿足無塵室的控制所需。

 

一、系統架構

 

系統整體的架構,是一個具有反饋(Feedback)控制流程的控制系統,系統主要是以OMRON的灰塵顆粒偵測器來負責灰塵顆粒的收集與計量,灰塵顆粒偵測器會以TCP/IP有線網路的方式將相關灰塵顆粒數量資料傳出,將資料轉換成為UART進行後續的資料應用,以Arduino Mega 2560作為控制核心透過4吋的觸控螢幕進行人機介面的操作,系統必須能操作空氣電磁閥進行除靜電的噴氣,這部分為了能適應工廠操作環境普遍採用直流24V電源,因此需要透過繼電器進行控制,透過靜電消除器噴出空氣進行表面灰塵的預防性清除。

 

二、各主要零件介紹

1.灰塵顆粒偵測器採用OMRON的ZN-PD SN300進行灰塵顆粒的偵測與計數,本型號的可以針對10um、30um與50um顆粒大小的灰塵進行灰塵量的計數,系統可以設定測量時間間隔、TCP/IP有線網路網點相關資訊、臨界值警示等功能,本型號透過「集塵杯」與「過濾網」進行灰塵顆粒的收集與初期篩選,且擁有較大的吸氣流量可以有效收集到空氣當中的灰塵顆粒,在這裡所採用的無塵室常用的計數單位「Particale / Liter」進行顆粒數量的計數與資料的輸出。

ZN-PD SN300與集塵杯

2.Arduino Mega 2560控制核心主要是接收來自空氣灰塵顆粒偵測器的訊息資料,以UART的方式進行資料的傳輸,透過UART可以較容易進行後續硬體的擴充,且目前許多微控器都也大量使用UART當成標準的傳輸溝通介面,此外,控制核心也負責人機介面的操作,在本專案當中採用的是4吋的TFT觸控螢幕,採用觸控螢幕主要是為了能夠方面使用者能快速直覺的操作系統,並且可以省去各種操作開關的配接線,也方便之後各種軟硬體操作功能的擴充。

Arduino Mega 2560 與 4吋觸控螢幕

3.空氣電磁閥是採用型號為SY5120-5G-C6「3-2雙通型」的空氣電磁閥,這款工業用的空氣電磁閥是以直流24V進行電磁閥的操作,採用標準的機架設計,這種空氣電磁閥常見於工廠的空氣流通通路控制,動作電流約為100mA,操作過程震動也非常小適用於精密氣壓操作機具的應用。

SY5120-5G-C6空氣電磁閥

4.噴氣型靜電消除器是採用SJ-L005M進行消除靜電的動作,灰塵顆粒的積聚與物體表面的靜電有關,物體表面靜電會吸附灰塵,在某些製程為了要防止物體表面殘留灰塵顆粒,除了需要消除物體表面靜電外,還會配合噴氣的方式,將物體表面的灰塵顆粒噴除,因此噴氣型靜電消除器還要透過空氣電磁閥以高壓空氣進行噴氣處理。

SJ-L005M噴氣式靜電消除器

三、設計與製作過程

本專案在設計之初採用透過各種目前常用的介面控制電路模組進行設計與製作,可以有效快速完成原型的製作,而程式的運作採用C語言進行設計,電路的電源來自DC-DC直流電源進行供電,無塵室當中的生產機具有甚多是採用24V的供電,因此必須透過降壓穩壓的電路模組將電源穩定在Arduino Mega 2560可運作的直流電源電壓範圍,此外,為了能夠達成主電源一鍵開關整體系統的設計目的,因此連同OMRON的ZN-PD SN300灰塵顆粒偵測器的電源、電磁閥電源、噴氣式靜電消除器都必須共用電源,因此必須採用較高額定輸出電流的電源供應模組,以期讓整體電路的電源都能穩定維持系統運作。

本專案已經過實際工廠的無塵室進行實測,因此必須將系統的電源系統做必要的隔離運作處理,以維持系統的穩定操作,因此在最後實際運作應用時,採用了多個電源模組進行運作,經實測的確有著較好的效能。

此外,OMROM的灰塵顆粒偵測器與Arduino Mega 2560控制核心均能保持同步運作,控制核心可以透過4吋觸控螢幕進行各種顆粒大小的上限值的設定,只要透過觸控的方式就可以輕易設定系統的運作,相關設定值亦可以透過控制核心進行電源離線紀錄,如此便可以防止因為發生電源斷電重啟後還要進行冗長的設定程序,加速整體系統運作的流暢程度。

測試原型製作與測試

 

1組控制核心控制1部OMRON空氣顆粒偵測器(內部)
1組控制核心控制2部OMRON灰塵顆粒偵測器(內部)
1組控制核心控制2部OMRON灰塵顆粒偵測器(正面)
1組控制核心控制2部OMRON灰塵顆粒偵測器(側面)

 

四、原型機實際測試

相關測試說明影片,請參考影片連結。

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