基于PLC的雙門通道控制系統(tǒng)設(shè)計

（蘭州交通大學 機電研究所，蘭州 730070）

0 引言

在國內(nèi)雙門通道控制系統(tǒng)，主要為保持密閉空間的獨立性而設(shè)計，可以用于無塵工作間，核電廠，船閘以及太空密閉艙等各種情況，具有較高的實際意義，現(xiàn)如今，學者們在研究雙門控制領(lǐng)域研究都有建樹，王瑜瑜[4]等人對雙門監(jiān)控系統(tǒng)進行研究，肖佐無[6]等人用PLC對雙門通道的自動控制，但是很少人采用無線通信進行自動化控制，對雙門運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控，故系統(tǒng)的智能化程度不高。因此設(shè)計該系統(tǒng)擬采用基于PLC 300為主要控制核心部件，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)[5]控制雙門動作，并在上位機監(jiān)控雙門狀態(tài)，確保雙門正常運行。

1 雙門通道系統(tǒng)控制

雙門控制示意圖如圖1所示。

圖1 雙門控制示意圖

1.1 雙門各元器件介紹

如圖1所示，門1各元器件為：S2、S8分別門1開門和關(guān)門的限位開關(guān)，1-1是門1光電傳感器，S4和S6分別手動模式下門1的開門按鈕，2-4是門1的信號燈，2-5是門1驅(qū)動機構(gòu)，2-6是門1的報警裝置。

如圖1所示，門2各元器件為：S1、S7分別門2開門和關(guān)門的限位開關(guān)，1-2是門2光電傳感器，S3和S5分別手動模式下門2的開門按鈕，2-3是門2的信號燈，2-8是門2驅(qū)動機構(gòu)，2-9分別是門2的報警裝置。

1.2 雙門的控制原理

雙門通道控制分為自動模式和手動模式。在自動模式，全程均由系統(tǒng)自動完成，不需人工操作，以人從外面走進工作車間（即人先通過門1，然后通過門2）為例，如圖2所示，必須分兩步走：

1）人到達門1跟前，門1的光電傳感器1-1檢測到人的到來，驅(qū)動機構(gòu)就立即打開門1，人進入過渡區(qū)間，過4秒后，門1就立即關(guān)閉。

2）人到達門2跟前，門2的光電傳感器1-2檢測到人的到來，驅(qū)動機構(gòu)就立即打開門2，人進入工作室，過4秒后，門2就立即關(guān)閉。

手動模式下，此時自動模式控制完全失效，以人從外面走進工作車間（即人先通過門1，然后通過門2）為例，人先按下門1開門按鈕S6，門1 打開，4秒后，門1自動關(guān)閉，然后人按下S3，門2打開，4秒后，門2自動關(guān)閉。

圖2 自動模式下雙門通道控制

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由對射型光電傳感器、通信模塊、現(xiàn)場控制模塊和人機交互模塊組成。現(xiàn)場控制模塊主要包括PLC 300和驅(qū)動機構(gòu)，通信模塊主要采用無線通信，人機交互模塊主要有顯示屏和觸摸屏。傳感器模塊與現(xiàn)場控制模塊采用單向連接?，F(xiàn)場控制單元、通信模塊和人機交互模塊之間主要均采用雙向連接。具體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要組成

自動模式下，S3、S4、S5、S6均不可使用。監(jiān)測到人來時，光傳感器會將物理量通過變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA電流模擬量信號輸入給給現(xiàn)場控制PLC模塊，PLC會將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號，從而控制門的驅(qū)動機構(gòu)帶動門開啟，撞到開門的限位開關(guān)時，停止動作，在開門4秒后，并且傳感器沒檢測到人的信號，則PLC會控制驅(qū)動機構(gòu)帶動門關(guān)閉，撞到關(guān)門的限位開關(guān)時，停止動作。如果門在保持30秒開后，傳感器還監(jiān)測人的信號，那么PLC會控制報警裝置響起。如圖4所示。

現(xiàn)場控制模塊也會將雙門動作情況由通信模塊傳輸給上位機人機交互模塊實時24小時監(jiān)控，如果一旦出現(xiàn)自動模式失靈，則在人機交互模塊觸摸屏上進行手動與自動模式轉(zhuǎn)換。此時人可以操作S3、S4、S5、S6作為PLC控制模塊輸入信號，控制驅(qū)動機構(gòu)進行正常開關(guān)門動作，保證人正常進出，進出，如圖1所示。

圖4 雙門控制系統(tǒng)整體機構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件選型和設(shè)計

光傳感器：該系統(tǒng)選用勞恩牌的KEYENC對射型光感開關(guān)，光感開關(guān)通過紅外線感應(yīng)來對門的開關(guān)進行控制，其檢測距離可達幾米距離，電壓24V。光電傳感器主要安裝在雙門上與PLC控制模塊單向連接，自動模式下，監(jiān)測有人來到門前，光傳感器發(fā)送信號給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門打開。當人沒有完全通過雙門，光傳感器會發(fā)送信號給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門不能關(guān)閉，通過組建基于光電傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙門安全可靠運行。

驅(qū)動機：該系統(tǒng)主要采用SIEMENS/西門子品牌，型號為6SN1124-1AA00-0KA1的伺服直流無刷驅(qū)動機，功率為10kW，額定電壓為24V。這種電機不僅輸出穩(wěn)定效率高而且噪音小，適合比較高端的辦公場所以及公共區(qū)域。由現(xiàn)場控制單元PLC模塊控制驅(qū)動機正常運作，保證雙門正常開啟和關(guān)閉。

PLC選型：為了保證雙門能夠按照人們預(yù)想的那樣動作，該系統(tǒng)擬采用西門子PLC 300為控制核心，控制電機、信號燈和報警裝置正常運作，擬采用CPU 315-2DP，DI16/DO16，電壓24V，用于對程序的讀取、通信的連接以及和上位機的相關(guān)聯(lián)。

該系統(tǒng)擬采用三臺PLC為控制核心，三臺PLC采用主從通信的方式，進行數(shù)據(jù)的交換，并且采用Modbus主從協(xié)議。每扇門由一臺從站PLC單獨控制，主站PLC通過通信電纜直接連接主控制室的上位機，主從站之間用無線通信模塊相連接，保證實時的進行遠程監(jiān)控。

HMI人機界面：維綸TK6070IP人機界面，高彩度顯示效果，高抗干擾能力，滿足系統(tǒng)需求。

3.1 系統(tǒng)容錯設(shè)計

雙門在正常開啟時有可能出現(xiàn)，雙門開到最大開度時，還出現(xiàn)開啟，或者雙門已經(jīng)完全關(guān)閉，但還是繼續(xù)關(guān)門情況，針對這兩種情況需要在雙門每扇門上設(shè)置一個或者兩個行程開關(guān)，并且在硬件回路設(shè)計一個事故斷路器，當出現(xiàn)雙門未能正常停止動作時，及時將線路斷開，以確保雙門及時停止動作。

3.2 通信模塊搭建

現(xiàn)階段，PLC應(yīng)用技術(shù)越來越廣泛，已經(jīng)邁入新階段。PLC在現(xiàn)場控制當中，其設(shè)備分散，使用電纜連接會使得通訊線路非常的繁雜，現(xiàn)場施工費用多，基于此，該系統(tǒng)擬采用無線通信模塊，讓現(xiàn)場控制單元從站PLC與主站PLC控制模塊進行無線網(wǎng)絡(luò)通訊，并進行遠程監(jiān)控。

該系統(tǒng)通信模塊主要采用YJ-43L（RS485/232 數(shù)據(jù)接口）小功率無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)，支持MODBUS透明傳輸數(shù)據(jù)，該模塊體積小，能耗低，抗干擾性強等優(yōu)點。通信系統(tǒng)工作電壓為DC12V，工作電流小于600mA，控制距離大于3km，主從站PLC控制模塊通過串口RS485/232轉(zhuǎn)換器與各自的通信模塊相連接，使得PLC能夠及時接收和發(fā)送給通信模塊的數(shù)據(jù)。通信模塊再通過無線WIFI網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)主從站遠距離無線通信。如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)無線通信連接圖

3.3 PLC編程總體設(shè)計

該系統(tǒng)根據(jù)雙門的控制和原理要求，決定采用分布式控制、重復(fù)調(diào)用原則，首先進行主從站通信接口區(qū)的組態(tài)和配置，然后在主站PLC建立主程序OB1，建立全局數(shù)據(jù)類型UDT和全局數(shù)據(jù)塊DB，并在UDT和DB中聲明表定義形參變量，然后在從站的PLC當中進行門的動作的編程，從而實現(xiàn)雙門通道遠程監(jiān)控。

3.4 PLC 300編程I/O口說明

為了滿足雙門控制系統(tǒng)要求，根據(jù)圖1和圖2的控制原理，按照PLC的I/O口分配原則，此次PLC各I/O口說明如表1所示。

表1 PLC 300編程I/O口說明

3.5 主從站通信配置

為了保證主從站能夠進行通信，首先就必須進行主從站通信連接硬件組態(tài)，建立通信網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS，然后對主從站進行通信接口區(qū)配置，通過從站組態(tài)時給定的通信雙方用于通信的I/O區(qū)來交換數(shù)據(jù)。如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 主從站通信接口區(qū)配置

3.6 從站控制的程序編程

由圖4可知，每扇門動作均由一個從站PLC單獨控制，每個從站PLC(a)門1從站與主站接口區(qū)配置(b)門2從站與主站接口區(qū)配置根據(jù)所下載的程序?qū)﹄p門的動作的進行控制。具體編程如圖7(a)和圖7(b)圖所示。

圖7 雙門從站控制程序

3.7 全局數(shù)類型UDT和全局數(shù)據(jù)塊DB建立

該系統(tǒng)擬建立全局數(shù)類型UDT和全局數(shù)據(jù)塊DB，方便其他功能塊的對系統(tǒng)參數(shù)的及時調(diào)用，能夠在上位機在主站PLC當中建立全局數(shù)類型UDT，并在UDT里面定義門的開門（run）、關(guān)門（reverse）、報警（alarm）和信號燈，具體如圖9所示。

圖8 功能塊FB1程序

圖9 全局數(shù)據(jù)的聲明

3.8 自動模式的功能塊FB1建立

該系統(tǒng)建立功能塊FB1，如圖8所示，先在變量聲明表中聲明與全局數(shù)據(jù)類似參數(shù)。然后通過編程，可以將全局數(shù)據(jù)塊DB數(shù)字量參數(shù)與實際雙門控制的數(shù)字量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，便于上位機能夠通過讀取全局數(shù)據(jù)的地址（如圖9所示），就能夠知道雙門的實際狀態(tài)。

3.9 自動模式的主程序塊建立

全局數(shù)類型UDT和全局數(shù)據(jù)塊DB以及功能塊FB1建立完成之后，接下來就是在主程序塊中調(diào)用功能塊FB1，給FB1中形參賦予實參，在FB1輸入實參賦予的是主從站通訊的通信接口區(qū)的地址，輸出的形參賦予的實參便于上位機對雙門的監(jiān)控。具體如圖10所示。

圖10 主程序塊OB1的程序

3.10 手動模式實現(xiàn)

為了防止自動模式下，雙門出現(xiàn)故障問題的時候，雙門不能動作，或者動作錯誤，造成一些不必要的后果，故在自動模式出現(xiàn)問題下，可以在上位機進行手動自動模式切換，這時人可以通過S3、S4、S5、S6按鈕開啟雙門，保證人能夠正常進出。

4 WinCC_flexible仿真實現(xiàn)

為了在HIM人機界面更加直觀的顯示雙門實際動作情況，驗證所設(shè)計的系統(tǒng)的正確性，本次研究擬采用運用WinCC_flexible CHINA2008 SP4軟件編程得到雙門通道智能控制系統(tǒng)的操作界面[3]，如圖11所示。

圖11 雙門仿真測試

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用西門子PLC為核心，實現(xiàn)了雙門通道控制，設(shè)計該系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計和PLC軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要通過無線通信模塊將現(xiàn)場控制模塊和人機交互模塊進行實時通信。PLC軟件設(shè)計采用主從站通信，并建立全局數(shù)據(jù)類型UDT使得主控制室的上位機能夠遠程的監(jiān)控雙門運作狀態(tài)。設(shè)計該系統(tǒng)條理分明，層次清楚，能夠完美的控制雙門動作，符合實際。