基于PLC 的智能化自動門控制系統(tǒng)設(shè)計

許純昕XU Chun-xin

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226000）

0 引言

當(dāng)今社會隨著各種高新技術(shù)的崛起，例如傳感器、變頻器、PLC 等均可應(yīng)用于人們的日常生活之中。本文論述的智能化自動門，使用可編程序控制器（PLC）和變頻器（VDF）組合應(yīng)用控制系統(tǒng)，能夠適用于不同類型和功能的自動門控制。自動門的工作方式非常智能。門的內(nèi)外配備多組感應(yīng)開關(guān)（光電開關(guān)及光電感應(yīng)器，從定義上看，其是光電接近開關(guān)的簡稱[1]），把檢測到的有人靠近，人員密集程度等信息傳輸給控制單元，隨后控制單元將發(fā)出相應(yīng)的輸出信號，將其發(fā)送到被控對象，通過傳動系統(tǒng)的作用來驅(qū)動設(shè)備，從而控制門的開啟時長、速度和開度。在人員確定通過門以后，等待數(shù)秒，門將自動閉合，運行穩(wěn)定、控制方便。本設(shè)計方案優(yōu)化改良了傳統(tǒng)的開關(guān)門控制完全通過手動或繼電-接觸器線路來完成控制的不足，解決了需要接觸式操作，安裝較麻煩，工作可靠性不高，維修工作量較大，故障排查不方便等實際問題。

1 自動門控制系統(tǒng)工藝流程

目前自動門系統(tǒng)主要有兩種模式，一種是手動式、一種是自動式。一般情況下門在自動模式下能夠探測周圍環(huán)境并根據(jù)系統(tǒng)決定是否開啟、以何種方式開啟，當(dāng)自動門出現(xiàn)故障時就可以切換到手動模式，進(jìn)而保證自動門的正常使用。[2]

SQ1、SQ2、SQ3 作為門開度光電檢測傳感器組，每次有人通過自動門時，相應(yīng)的傳感器會有信號感應(yīng)到，可根據(jù)人員分布情況自動確定門開度大小，KA1 和HL1 通電開始執(zhí)行動作。此時，電動機(jī)以高速正轉(zhuǎn)驅(qū)動門打開同時綠色開門指示燈點亮。當(dāng)SQ1 單獨接通時，自動門打開至SQ4 最小開度限位開關(guān)處停止；當(dāng)SQ1 和SQ2 同時接通時，自動門運動到SQ4 最小開度限位開關(guān)位置時，此處標(biāo)記為一次減速，電動機(jī)開始降低速度以低速運行至SQ5中等開度限位開關(guān)處停止；當(dāng)SQ1、SQ2 和SQ3 全部接通時，自動門運動到SQ4 最小開度限位開關(guān)位置時，此處標(biāo)記為一次減速，電動機(jī)開始降低速度以中速運行，運動到SQ5 中等開度限位開關(guān)位置時，此處標(biāo)記為二次減速，電動機(jī)再次降速以低速運行，直至運動到SQ6 最大開度限位開關(guān)，此處標(biāo)記為開門最大限位，電動機(jī)停止不再運行。

電動機(jī)正轉(zhuǎn)停止后，即自動門打開過程完全結(jié)束，由程序設(shè)定自動等待時間10 秒（可調(diào)整）。預(yù)設(shè)時間到達(dá)后，確認(rèn)沒有人員通過時，將會自動轉(zhuǎn)入關(guān)門流程。KA2 和HL2 通電開始執(zhí)行動作。在整個關(guān)門運行階段，電動機(jī)以低速反轉(zhuǎn)驅(qū)動門關(guān)閉同時黃色關(guān)門指示燈閃爍。自動門運動到SQ7 關(guān)門限位開關(guān)位置時，此處標(biāo)記為關(guān)門極限，電動機(jī)停止不再運行。

如果在自動門關(guān)閉過程中，SQ1、SQ2 和SQ3 光電檢測傳感器組探測到了有人接近門，則KA2 立即斷電，電動機(jī)反轉(zhuǎn)停止，關(guān)門動作暫停2 秒（可調(diào)整），再重新檢測是否有人通過。如果有人通過，則轉(zhuǎn)入到上述開門動作的控制工藝流程；如果沒人，自動間歇10 秒后，轉(zhuǎn)入由程序設(shè)定的關(guān)門流程。

如果在等待10 秒的過程中，SQ1、SQ2 和SQ3 光電檢測傳感器組檢測到信號，則重新開始進(jìn)行10 秒計時，保證人員的安全通行。當(dāng)這個檢測信號一直不消失，定時器將會一直處于循環(huán)定時的狀態(tài)，直到檢測信號消失為止，才會執(zhí)行關(guān)門動作過程。

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，按下急停按鈕，整個控制流程停止，整個系統(tǒng)等待手動操作指令。自動模式下，啟動按鈕和停止按鈕有效；手動模式下，手動開門測試按鈕和手動關(guān)門測試按鈕有效。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

自動門控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件設(shè)計部分主要由門體、感應(yīng)裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等組成。軟件設(shè)計部分主要由PLC 程序設(shè)計和監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計等組成。安裝所用的電源線和電機(jī)動力線應(yīng)選用線徑不小于1.5mm2銅芯護(hù)套電纜，其它控制線應(yīng)選用導(dǎo)線截面不小于0.5mm2的銅芯電纜。

控制系統(tǒng)的核心是可編程控制器PLC。它通過順序掃描的方式，不斷循環(huán)工作。在掃描工作期間，PLC 主要進(jìn)行輸入采樣執(zhí)行相關(guān)程序并進(jìn)行輸出刷新。[3]驅(qū)動系統(tǒng)的核心是變頻器VFD，實現(xiàn)開關(guān)門的主要動力來自于三相異步電動機(jī)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向由變頻器控制。傳動系統(tǒng)包括動力牽引、用來傳輸動力的同步皮帶等，導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于防止門扇的搖動，實現(xiàn)運行穩(wěn)定和定位精準(zhǔn)的輔助功能。[4]

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，結(jié)合工藝流程分析，確定該系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)分別為數(shù)字量輸入15 個點、數(shù)字量輸出10個點，總計25 個點。PLC 通過開關(guān)量輸出控制變頻器采用多段頻率來自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)驅(qū)動自動門變速運行的目的。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與實用性以及系統(tǒng)將來改造或是維修保養(yǎng)和端子的冗余備用方面的需求，選擇使用三菱可編程控制器FX3U-32MR/ES 超小型PLC 作為主控單元使用。該款PLC 基本單元采用交流電源供電（100VAC~240VAC）、輸入端子采用直流電源（24VDC）、繼電器輸出方式。[5]變頻器則選擇使用三菱小型、高性能的FR-E540 通用型。該款變頻器采用交流電源供電（三相380V）、功率范圍0.4~7.5kW，除了能夠?qū)崿F(xiàn)基本的功能外，操作也比較方便，頻率設(shè)置簡單，還具備模擬量控制和遠(yuǎn)程操作的可能。PLC 和變頻器詳細(xì)的I/O 端子地址分配表如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O 端子地址分配表

PLC 和變頻器組合控制系統(tǒng)的端子排外部接線圖如圖1 所示。

圖1 PLC 和變頻器組合控制系統(tǒng)的端子排外部接線圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要介紹PLC 程序的設(shè)計。程序的設(shè)計主要依據(jù)控制系統(tǒng)的工藝流程，采用順控指令梯形圖編程或者SFC（Sequential Function Chart）順序功能圖編程方法來實現(xiàn)。程序包括主流程、手動控制流程、自動控制流程和故障判斷流程等。

主流程主要實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)初始化及安全檢測。若存在故障，自動轉(zhuǎn)入手動模式，根據(jù)指示進(jìn)行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)手動控制故障確認(rèn)（手動開門和關(guān)門測試按鈕兼有故障確認(rèn)功能）。如不存在任何故障，則進(jìn)行運行模式的自動判定，若符合手動運行條件進(jìn)入手動控制流程；若符合自動運行條件即：“SA1 為ON”，轉(zhuǎn)移條件“X14=1”，則進(jìn)入自動控制流程。自動門控制系統(tǒng)程序流程圖中自動模式經(jīng)過“是否開門”判定條件，若符合開門運行條件“SQ1+SQ2+SQ3 為ON”，轉(zhuǎn)移條件“X0+X1+X2=1”，則進(jìn)入開門準(zhǔn)備流程；反之則進(jìn)入關(guān)門準(zhǔn)備流程。

開門和關(guān)門運行控制流程的關(guān)鍵在于PLC 要實時采集門的位置進(jìn)行“是否到限位”的判斷，將數(shù)字量的輸出結(jié)果送到變頻器的正反轉(zhuǎn)STF、STR 和多段速RH、RM、RL等5 個控制端子排，驅(qū)動控制電動機(jī)的相關(guān)動作。變頻器主要的控制參數(shù)設(shè)置如下：Pr.1=50，Pr.2=0，Pr.4=45，Pr.5=25，Pr.6=15，Pr.7=5，Pr.8=5，Pr.9=0.19，Pr.13=5，Pr.79=2，以及電動機(jī)的額定參數(shù)Pr.80~Pr.84 等。此外，自動門運行過程中，不斷進(jìn)行“是否有人”或者碰到障礙物的判斷，如果判定結(jié)果為真，則立即停止運行并轉(zhuǎn)移到相關(guān)流程。PLC程序執(zhí)行的流程與全部功能，如圖2 自動門控制系統(tǒng)程序流程圖所示。

圖2 自動門控制系統(tǒng)程序流程圖

2.3 系統(tǒng)運行調(diào)試

在系統(tǒng)運行調(diào)試過程中，如果出現(xiàn)傳感器與控制器、控制器與其他硬件連接方面的問題。此時，應(yīng)該對硬件和軟件部分進(jìn)行綜合的分析與判斷。一般情況下，首先選擇監(jiān)視程序運行情況后再做判斷。如果是程序方面的問題，適時修改、優(yōu)化調(diào)整。然后，再進(jìn)行硬件的檢查與調(diào)整。例如：PLC 必須準(zhǔn)確和及時地獲取采樣信號，這就要求相關(guān)傳感器的安裝位置必須精準(zhǔn)，同時信號的衰減和抗干擾要滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

3 總結(jié)與展望

在高新技術(shù)日新月異的全球化時代，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)已經(jīng)躋身世界一流水平。它的這種無接觸性控制的方式，即無需人員直接參與操作運行的特征，在提升自動門控制智能性的同時，也讓人們切身體會到了高速發(fā)展的科技應(yīng)用已然融入了人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。尤其在?dāng)前新冠肺炎疫情防控常態(tài)化背景下，在公共場所減少非必需的接觸十分重要和必要，智能化自動門的推廣應(yīng)用具有實際意義。