基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計

徐承亮

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214400）

0 引言

近幾年，隨著自控技術(shù)的崛起與發(fā)展，如可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）、變頻器、傳感器等，自控技術(shù)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾?，自動門控制系統(tǒng)也是結(jié)合應(yīng)用變頻器與可編程控制器技術(shù)實現(xiàn)的，能夠適用于不同功能與不同類型的自動門控制系統(tǒng)，使得自動門控制更智能化［1-2］。 本研究設(shè)計的基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)自動門開關(guān)門控制的不足，解決安裝麻煩、需接觸式操作、維修工作量大、工作可靠性低、故障排查不便等問題。

1 自動門的功能分析

本研究設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于商場出入口等位置，此類地點要求自動門控制系統(tǒng)具有相對較高的穩(wěn)定性與安全性，且便于開展后期的維修與維護(hù)工作［3］。對此，確定基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)需要具備以下幾項基本功能。

1.1 工作模式設(shè)置

為了保證基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)具有良好的操作性，要求自動門控制系統(tǒng)需要具備自動與手動2 種工作模式，其中，在手動工作模式下，可以利用開關(guān)動作對自動門的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制［4］。 在自動工作模式下，自動門可以利用傳感器發(fā)出檢測信號，控制自動門的開關(guān)狀態(tài)，如果有人靠近自動門時，傳感器在檢測到相關(guān)信號后，會將之及時傳遞給PLC，由PLC 發(fā)出對應(yīng)的開門指令，同時，人在離開自動門的數(shù)秒后，自動門會自動關(guān)閉。

1.2 緊急停止功能配置

為了確保安全，自動門控制系統(tǒng)應(yīng)配置緊急停止功能。 一種常見的做法是設(shè)置一個緊急停止按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或自動門系統(tǒng)突發(fā)故障時，操作人員可以迅速按下緊急停止按鈕，以實現(xiàn)對自動門的即時控制。 按下緊急停止按鈕后，系統(tǒng)會立即停止自動門的運行，無論當(dāng)前是開啟還是關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以有效避免潛在的危險，并保護(hù)用戶的安全。 緊急停止按鈕應(yīng)設(shè)置在易于操作和識別的位置，以便操作人員在緊急情況下能夠快速找到并按下按鈕，同時，系統(tǒng)還應(yīng)具備恢復(fù)功能，一旦解除緊急停止?fàn)顟B(tài)，自動門可以恢復(fù)正常運行。 通過配置緊急停止功能，自動門控制系統(tǒng)能夠及時應(yīng)對緊急情況，保障人員和設(shè)備的安全。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的主要組成部分為：PLC、感應(yīng)器件、傳動裝置、驅(qū)動裝置、自動門。

2 自動門的工藝流程

其中自動化運作模式是通過PLC 程序控制自動門的開啟和關(guān)閉，自動感應(yīng)人員或車輛的接近并做出相應(yīng)的反應(yīng)，手動運作模式是通過手動開關(guān)或遙控器控制自動門的開啟和關(guān)閉。 2 種模式可以根據(jù)實際需求進(jìn)行切換，以提供更大的靈活性和便利性，具體的輸入輸出端地址分配可參考表1。

表1 控制系統(tǒng)輸入輸出端地址分配表

通過這種基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動門的高效、安全和可靠的運行，提供更好的使用體驗和便利性，自動門工藝流程具體包括。

（1）自動門開啟工藝流程

一般情況下，在自動化運作模式下，自動門能夠自動探測出周圍環(huán)境信號，并根據(jù)控制系統(tǒng)確定是否開啟自動門，以及應(yīng)以何種方式開啟自動門［5］。 如果自動門出現(xiàn)故障后，便可由操作人員將之轉(zhuǎn)換到手動運作模式，確保能夠應(yīng)急使用自動門。 自動門控制系統(tǒng)的光電檢測傳感器組包括SQ1、SQ2 與SQ3，如果有人需要通過自動門，對應(yīng)的傳感器會及時接收到信號，并結(jié)合人員分布信息，確定自動門開啟幅度與時間，在HL1 與KA1 通電的情況下開始執(zhí)行自動門開啟動作。 此時，電動機(jī)的正轉(zhuǎn)速度加快，驅(qū)動打開自動門，并顯示綠色指示燈亮。 如果單獨接通SQ1，自動門打開到SQ4 的最小開度后停止；如果同時接通SQ2 與SQ1，自動門打開到SQ4 的最小開度時，標(biāo)記為出現(xiàn)首次減速，即電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度開始降低，并在打開到SQ5 后，停止開度限位開關(guān)；如果接通SQ1、SQ2 與SQ3，自動門打開到SQ4 最小開度時，代表進(jìn)入首次減速模式，電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度開始降低，并以中速模式運行，打開到SQ5 后，代表進(jìn)入二次減速模式，即電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度再次降低，直到打開到SQ6 的最大開度時，代表自動門進(jìn)入最大開門限位，隨之電動機(jī)停止運行。

（2）自動門關(guān)閉工藝流程

在電動機(jī)停止正向運轉(zhuǎn)后，代表自動門1 個單獨的打開過程已經(jīng)結(jié)束，程序預(yù)先設(shè)定自動門的自動等待時間為10 s，在達(dá)到時間后，確認(rèn)沒有其他人經(jīng)過自動門，則自動門會自動進(jìn)入關(guān)門流程。 在HL2 與KA2 通電后便可執(zhí)行自動門關(guān)門流程，在關(guān)閉自動門的運行階段，電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度較低，反驅(qū)動自動門關(guān)閉，且在此時黃色關(guān)門指示燈為閃爍狀態(tài)，在自動門運行到SQ7 時，代表已經(jīng)達(dá)到關(guān)門極限，自動門電動機(jī)自動停止，且不再運行。 在關(guān)閉自動門的過程中，光電檢測傳感器組如果接收到有人接近自動門后，KA2 會自動斷電，自動門電動機(jī)反轉(zhuǎn)運行停止，自動門的自動關(guān)門動作也會自動停止2 s，并重新檢測是否有其他人通過自動門。 如果自動門檢測到仍有人通過，那么會自動轉(zhuǎn)入自動開門工藝流程，如果自動門未能檢測到有人通過，那么自動門會自動停止10 s，之后轉(zhuǎn)入自動門控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的自動關(guān)門工藝流程。

（3）自動門自動停歇工藝流程

在自動門自動停歇10 s 的期間內(nèi)，光電檢測傳感器組自動檢測與接收信號，并重新開始10 s 計時，確保如果有人需要通過自動門，則人能夠安全通過。 同時，如果光電檢測傳感器組檢測的信號處于始終不消失的情況，自動門控制系統(tǒng)的定時器也會始終處于循環(huán)定時狀態(tài)，直至光電檢測傳感器組檢測的信號消失，才會再次進(jìn)入自動關(guān)閉自動門的工藝流程。 如果自動門出現(xiàn)緊急情況HL3 亮起，操作人員可根據(jù)實際情況按下緊急停止按鈕，自動門的整個控制流程會自動停止，并等待手動操作運行指令。在自動門控制系統(tǒng)自動運作模式下，停止按鈕與啟動按鈕均有效，而在手動運作模式下，手動關(guān)門測試按鈕與手動關(guān)門測試按鈕均有效。

3 自動門的系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)由軟件與硬件組成，軟件部分主要包括：監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件和PLC 程序，硬件部分主要包括：驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、感應(yīng)裝置、門體等，同時還對其通信、安裝與調(diào)試進(jìn)行了設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計要求，結(jié)合PLC 自動門控制系統(tǒng)的工藝流程分析，確定本研究的自動門數(shù)字量輸入15 個點數(shù)、輸出10 個點數(shù)，PLC 通過輸出開關(guān)數(shù)字量，對變頻器進(jìn)行控制，并利用多段頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，由此驅(qū)動裝置也能夠驅(qū)動自動門變速運行。 為了能夠保證基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)硬件設(shè)施具有實用性與經(jīng)濟(jì)性，且便于日后維修與保養(yǎng)，本研究認(rèn)為基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)可選擇FX3U-32 ME／ES 超小型PLC，將之作為主要控制單元，采用繼電器輸出方式，輸入端應(yīng)用24 VDC 的直流電源，供電依托100～240 VAC 的交流電源。 同時，變頻器選擇高性能且小型的FRE540 型號，其功率在0.4 ～7.5 kW 范圍內(nèi)，供電依托380 V 交流電源，該設(shè)備具有操作簡便、頻率設(shè)置操作方便的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作與模擬量控制。

3.2 系統(tǒng)通信設(shè)計

自動門控制系統(tǒng)的通信接口電路采用4 點繼電器實現(xiàn)，其中輸入端由PLC 控制的I 輸出信號進(jìn)行控制。 輸出口共有5 根線連接，包括1 根公共端和4 根信號線。 這5根線將指示信號輸入到PLC 的輸入端，然后通過PLC 對自動門進(jìn)行控制。 通過這種設(shè)計，PLC 可以根據(jù)輸入信號的狀態(tài)來判斷自動門的開啟或關(guān)閉，并通過控制繼電器進(jìn)行相應(yīng)的操作。 這樣的通信接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動門的準(zhǔn)確控制，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在設(shè)計基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)軟件時，以自動門控制系統(tǒng)的工藝流程為主要依據(jù)，并利用順控指令梯形圖實現(xiàn)程序編寫，軟件程序主要包括：自動控制流程、手動控制流程、故障判斷流程、主流程等［6-7］。 主流程的功能為安全監(jiān)測與實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，如果自動門控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，自動門可由自動運作模式轉(zhuǎn)入手動運作模式，并根據(jù)提示進(jìn)行相關(guān)處理，確認(rèn)控制系統(tǒng)的故障。 如果自動門控制系統(tǒng)并未出現(xiàn)任何故障，則自動判定運作模式，且在滿足手動運作模式條件后進(jìn)入手動運作控制流程，而如果SA1（模式）顯示為ON（自動），則自動門控制系統(tǒng)進(jìn)入自動運行模式，運行條件為“SQ1+SQ+SQ3”，如果符合此項條件，則基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)會進(jìn)入開門準(zhǔn)備階段，反之，則會進(jìn)入自動門關(guān)門準(zhǔn)備階段。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的控制流程關(guān)鍵為PLC 實時采集是否已經(jīng)到達(dá)限位的信息，將數(shù)字量輸出結(jié)果反饋給多段速與正反轉(zhuǎn)等控制端子，驅(qū)動自動門控制系統(tǒng)的電動機(jī)啟動相關(guān)動作。 另外，在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)運行過程中，不斷判斷是否碰到障礙物與是否有人需要通過的信號，如果信號判斷結(jié)果顯示為真，則自動門立即停止運行，且進(jìn)入相關(guān)的開門工藝流程［8］。

在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)軟件程序流程圖中，如果自動門控制系統(tǒng)的自動運作模式達(dá)到限位開關(guān)位置，那么限位開關(guān)會自動向PLC 發(fā)出信號，PLC 發(fā)出電動機(jī)運轉(zhuǎn)停止的相關(guān)指令，便可實現(xiàn)基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的運作位置處于可控且安全的范圍內(nèi)［9］。 在自動運作模式下，完成自動門開門動作后的10 s 為停歇時間，如果在此期間有人出門或是進(jìn)門，那么基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)會重新啟動延時動作，且之前的10 s 停歇運作不生效，由此也能夠保證基于PLC 的自動門的運行具有可靠性與安全性。

3.4 安裝要求設(shè)計

在安裝基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)時，所用的電動機(jī)力線與電源線的線徑應(yīng)大于1.5 mm2，且以銅芯護(hù)套電纜為主，其他控制線為銅芯電纜，線徑大于0.5 mm2.。 在基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)中，可編程控制器PLC 屬于核心部分，為實現(xiàn)不斷循環(huán)，PLC 應(yīng)用順序掃描方式，在掃描過程中PLC 輸入采樣、啟動相關(guān)程序、刷新輸出數(shù)字量［10］。 另外，基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)以變頻器作為核心部件，三相異步電動機(jī)為開啟與關(guān)閉自動的主要動力，且變頻器還能夠控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的導(dǎo)向系統(tǒng)用于避免門扇搖動，為精準(zhǔn)定位功能與系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供輔助。

3.5 系統(tǒng)運行測試

在調(diào)試基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)的過程中，如果出現(xiàn)控制器與其他硬件以及控制器與傳感器之間的連接問題，那么需要綜合判斷與分析軟件部分與硬件部分。 一般情況下，需要由基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)調(diào)試人員觀察監(jiān)視程序的運行情況，并根據(jù)觀察結(jié)果作出判斷，如果發(fā)現(xiàn)試運行程序出現(xiàn)問題，則需要采取優(yōu)化調(diào)整與適當(dāng)修改的方法［11-12］。 之后，對自動門控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行調(diào)整與檢查，包括：PLC 是否能夠及時且準(zhǔn)確地接收到采樣信號、是否精準(zhǔn)安裝了相關(guān)傳感器、信號的抗干擾與衰減是否符合基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。

4 結(jié)語

隨著自控技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，尤其是電氣控制技術(shù)的興起與發(fā)展，自動門在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，自動門控制技術(shù)也更加成熟。 基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)所具備的無接觸控制方式，不但具有不需要專門操作人員直接進(jìn)行操作的優(yōu)勢，還能夠提高自動門控制系統(tǒng)的智能性，讓人們切實感受到自控技術(shù)發(fā)展帶來的便捷性與安全性。 同時不可否認(rèn)的是，越來越多應(yīng)用場景對自動門控制系統(tǒng)安全性與可靠性提出更高的要求，本研究設(shè)計的基于PLC 的自動門控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于商場等場景，其具有更高的智能性，且本研究對自動門的硬件、軟件、通信、安裝、調(diào)試都進(jìn)行了設(shè)計，對于自動門的推廣應(yīng)用具有一定的價值。