基于PLC的自動門窗系統設計*

陳 芳

(安徽城市管理職業學院，安徽合肥231635)

自動門窗系統是現代生活中應用范圍相當廣泛的設備，它利用多種電器元件和控制軟件完成門窗的自動控制，擁有通過門權利的人能夠被它放行，而沒有相應權利的人則被它阻攔在門外.隨著電子技術的不斷發展，自動門窗所應用的設備和軟件也發生了日新月異的變化.PLC由于其故障率低、可編程性高等優點為設計人員所親睞.本文對新式自動門窗的適用性進行了研究，并且對當前自動門窗加以改進，讓其更具人性化和自動化，同時提高系統的安全性，使用起來更加安全和方便.

1 自動門的基本組成以及單元劃分

1.1 自動門窗的功能需求和改進

根據功能的不同進行需求分析.自動門窗主要應用于公共場合，因此系統需要穩定安全地運行，同時能夠在緊急情況下進行特殊事件處理.①自動門窗系統需要有手動和自動兩種模式，門在自動模式下能夠及時偵測到有人來到門附近或者沒有人，并進行相應的開關操作.如果系統出現了異常，那么切換到手動模式還可以進行正常的開關.②自動窗在自動模式下能夠在白天開啟，同時在夜晚來臨時關閉.③自動門窗在出現夾人或者其他特殊情況時，能夠進行開門動作.④自動門窗在進行開關動作時能夠給人們提示，并且提示要柔和，不能干擾到人們的正常工作.⑤系統需要預留接口，進行功能添加，例如增加當前自動門窗不存在的監控錄像系統.

1.2 自動門窗系統的組成結構

自動門窗系統主要分為三個部分：①PLC單元；②信號收集單元；③傳感控制單元.PLC單元即主控制器，它是自動門窗系統的心臟，在同一時間進行內部多項控制，例如進行采集信號的分析、系統時鐘控制、進步電機的轉動控制等，它可以根據外在的系統接口進行系統的任務調配，同時完成特殊情況的處理.PLC單元是系統最為關鍵的部分，在這里選用西門子SIMATIC S7-200的CPL，它的價格低廉適合于大量的系統級開發，同時穩定性好，擴展性強能夠滿足系統設計要求.信號收集單元是整個系統的觸角，是PLC的眼睛和耳朵.信號收集單元主要由7個部分組成：門內光電接近開關、門外光電接近開關、開門限位開關、關門限位開關、窗外光感開關、開窗限位開關、關窗限位開關.接近開關能夠保障人們在接近時，快速進行門的開關；門窗的限位開關可以讓門窗開合準確；光感開關能夠保證觀景窗能夠在白天開啟，晚上關閉；傳感控制單元主要由進步電機以及輪軸系統組成，保證自動門窗系統準確快速的完成開關門任務.

自動門系統組成圖見圖1.

圖1 自動門系統組成圖

自動窗系統如圖2.

圖2 自動窗系統組成圖

2 自動門窗整體系統設計

2.1 采用PLC的優勢

PLC與一般微型計算機組成方式類似，但是在命令執行順序上有著很大的不同，一般微型計算機命令執行順序是命令等待，而PLC是周期掃描進行命令控制的模式.同時普通計算機民用性較強，接口的設計更具有通用性，計算機內部CPU、MEMORY也被系統占去了一部分資源，進程之間的切換、緩存存儲與讀取耗費了運算效能，因此在工業監控硬件操控效率方面不可能有PLC一樣的效率.單片機程序執行效率高這點是毋庸置疑的，但是無論是從最初能耗高、作用簡單的51單片機還是到msp430這種低能耗功能健全的單片系統，他們在程序設計以及電路搭建方面的難度要高于PLC.同時單片機還要考慮到硬件抖動的問題，這些在PLC中迎刃而解，無論是PLC梯形圖還是其自帶的編程語言，都能將編程難度降低、編程效率提高，還有PLC控制方式屬于無觸點控制，因此執行速度快，在程序執行上損耗的時間基本可以忽略不計.最后和嵌入式系統進行對比，拋去嵌入式系統損耗大、對應驅動開發較困難等問題之外，嵌入式系統也是工業控制的良好選擇.嵌入式系統能夠進行服務定制，將需要的模塊添加到自己的系統中，在各種mini Linux版本橫行的今天，嵌入式系統已經利用自身平臺廣泛、開放性強等特點悄然地進入了工業控制系統中.這種系統有利有弊，透明性太強導致其無法快速大批量地進行開發，因此PLC現如今的地位還是無法取代.

2.2 自動門窗系統的整體構造和自動窗獨特的運行邏輯順序

自動門窗的系統控制流程圖如圖3(以自動門為例)，當門處于關閉狀態時，無論門外還是門內，如有人接近自動門時，光電接近開關的S1、S2就會發出脈沖，讓開門單元SK1執行，控制電機正轉，當自動門運動到限位開關S3的位置時，此時門處于開門狀態，電機停止轉動，自動門將在S3位置上停留9秒.如果在這期間沒有人出入自動門，關門控制單元SK2會自行啟動帶動電機反轉，待自動門運行到S4的位置時，停止轉動，自動門關閉.但是在開門的9秒等待時間中，如果光電接近開關S1、S2檢測到有人通過自動門，那么系統掛起，經過9秒后才可以執行關門命令.在關門單元SK2執行期間，如果S1、S2檢測到有人通過自動門，那么關門動作中斷，啟用SK1單元執行開門動作.

圖3 自動門系統控制流程圖

自動窗的運行方式與之相類似，只不過在進步電機的運行和開關門裝置上有所不同，自動窗只需要進行單扇運動，機制上更為簡單.與傳統自動門不同，自動窗需要準確的把握當前時間，以保證白天開窗，黑夜關窗，如果此功能采用軟件計時的方法，會耗費大量的系統資源，因此選用外接計時器是正確的選擇.同時還可以采用光感開關的啟動方式，兩種啟動方式并行保證自動窗關閉正常.

3 自動門窗系統的軟硬件選擇以及設計

3.1 自動門窗的硬件選擇

作為PLC項目的核心，PLC的選擇尤為重要，應根據項目的需求、項目的數據運算速度要求進行PLC的選擇.首先進行MEMORY大小的選擇，由于設計程序復雜度、執行功能的不同，所需要存儲器大小也就各不相同.MEMORY根據I/O數量進行計算得到，一般來說程序占用的存儲空間乘以125%得到的數值就可以滿足程序的運行.其次要進行I/O點數的估測，I/O點數直接影響到設備連接的接口多少和PLC的可擴展度，過多的I/O點數會提高無用的成本，相反I/O點數不足的話，PLC將會無法完成自己的功能.最后一個重要的方面是PLC功能的選擇，PLC除了基本的運算、控制等功能外，在一些情況下還需要進行聯網操作，進行遠程控制.這一部分就需要根據設計功能的不同進行系統定制.考慮到自動門窗的應用范圍、經濟情況以及性能要求，本系統選擇了西門子的小型PLC-CPU224.如果說PLC是整個項目的大腦的話，電機就是整個系統的心臟，為自動門窗系統傳輸著動力.電機采用無刷的直流電機，這類電機使用效率高，同時不會產生噪音，輸出穩定，適用于這種“高精靜”的環境.感應器主要是偵測運動中的物體，同時能夠快速識別，因此在此選擇的感應器是紅外線的光電感應器，這種感應器的特點是造價低、通用性好.剩下的傳輸控制部分和限位開關模塊根據以往的設計進行部分改良即可.

3.2 自動門窗的程序設計以及電路連線

根據以上的I/O端口設定進行I/O地址分配.I/O分配如下(自動窗的設計與自動門非常相似，這里僅以自動門的設計為例).

I/O輸入點：I/O輸出點.

X0：門外紅外線感應器 S1；Y0：開門繼電器SK1.

X1：門外紅外線感應器 S2；Y1：關門繼電器SK2.

X2：開門限位開關S3；Y2：轉速繼電器SK3.

X3：關門限位開關S4.

圖4 PLC硬件連接圖

硬件連接方式如圖4所示，①當門完全開啟時，S3限位開關啟動，X2有脈沖產生，此時PLC會進行9秒的計數，9秒之后，如果X0與X1兩個I/O端口均沒有脈沖產生，那么SK2通電帶動電機反向轉動關閉自動門，如果X0與X1產生了脈沖，那么PLC會進行延時，直到在這9秒之內沒有人在門前經過.②當門關閉時，S4限位開關啟動，如果S1、S2收集到了信號，讓X0與X1產生了電子脈沖，那么SK1會命令電機正向旋轉，自動門開啟，直至S3限位開關啟動，門進入了①狀態中.

自動門窗程序中的繼電器連接方式，如圖5.

圖5 繼電器連接圖

根據PLC編程中梯形圖的幾個要點，結合自動門窗中硬件的連接方式，圖6是程序部分的梯形圖.

圖6 自動關門梯形圖

同時對應的關門語句，如圖7.

圖7 自動門關門的語句

將以上編好的軟件內容通過專用電纜加載到PLC中，進行自動門窗整體調試.

4 系統的調試以及應用范圍

系統首先采用模擬環境進行測試.將連接好的PLC、限位開關、繼電器、電機等在實驗室排列好，模擬現實中的使用環境.首先人接近自動門，I/O端口收到來自光電感應開關的脈沖，繼電器連通電機，電機正轉，待運行一段時間之后，開門限位開關啟動，自動門處于開啟狀態；然后在自動門開啟期間只要有人靠近自動門，那么自動門便一直處于開啟狀態，開門限位開關也處于開啟狀態；經過大約9秒鐘之后，自動門處于關閉狀態，開門限位開關關閉；在關閉的過程中，人在此期間接近自動門，自動門應該立即停止關閉動作，重新打開，以防有人被自動門夾到，同時測試此時自動門是否能夠正常地進行關閉與延時.在此系統調試的過程中，我們需要仔細觀察自動門在運行過程中的速度，還有滑軌的運行流暢度，這些內容直接影響到自動門使用的感覺.軟硬件上的設計只是滿足自動門運行的基本功能，不一定能夠讓每一個人都滿意它的體驗感覺，因此需要多次地進行試驗調整自動門實用度.在此期間還要進行系統穩定性測試，因為整個自動門窗系統主要是應用于公共場合，自動窗系統的應用設定是天黑自動窗關閉，天亮自動窗開.自動窗的穩定性和可靠性是我們需要進行重復試驗進行驗證的重要方面.將這套自動門窗系統預裝到公共門的附近，同時用攝像設備記錄下它一天的工作情況.如果在以上測試過程中出現問題，就需要進行問題排查，如果是機械傳動部分的問題，需要重新設置傳動單元，如果問題出現在軟件運行的穩定性上，那么就需要考慮系統程序是否精煉，開發板是否有著相應的缺陷.

此套自動門窗主要應用于一般的公共場合，只需要簡單的開關門服務，同時能夠保障其使用的舒適度即可.但是如果還需要添加更多的服務，程序復雜度會進一步提高.比如在一般自動門窗的使用基礎上添加聯網監控的應用，這個服務能夠讓自動門窗的安全性和可操控性更強.但是PLC作為工業標準硬件設計核心，其內置的網絡模塊功能不豐富，所能完成的網絡工作較為簡單，無法與嵌入式系統相媲美，因此如何將PLC與多種開發模式有機結合，形成工業標準化監控互聯系統是我們未來的發展目標.

5 PLC系統未來技術方向與自動門的革新

PLC未來將會擁有更高的效能和更加豐富的功能.為了適應更小的工作空間，PLC自動門窗設計會更加的靈活，同時功能會愈發強大，可以并行控制更多的智能化設備.比如未來可以不用專門為PLC設計置放空間，PLC可以嵌入到任何地方，甚至可以與各種智能設備封裝為同一個設備.操作更加簡單，接口通用性更強.當前PLC設備較多，不同的廠商使用的編譯軟件也各不相同，這樣會導致軟件的可移植性不強.未來將會采用統一的國際編譯標準以方便軟件通用化的實行.與此同時，PLC的接口能夠適應更多的智能化設備，PLC之間的通用率進一步提高，在自動門PLC元件出現問題時，我們將自動門運行程序加載到現有PLC中，并用它替換下有問題的PLC元件.最后PLC系統將不再是單獨的運行個體，而是能夠與其他智能設備連接共同組成集群網絡，進行大規模地運行計算，并且能夠進入互聯網與主控制機進行網絡交互，實現遠程控制與數據收集的集成化數據模塊.

6 結語

本文以PLC為依托，完成了自動門窗的設計、軟硬件的選擇和整體系統的構造等任務，達到了預期目標要求，為下一步試驗研究打下了基礎.但是想要實現一個穩定安全的自動門窗系統，今后還需要進行深入探討研究，保證其能夠滿足各方面的要求.同時應該考慮到實際的應用情況和未來的發展趨勢，在單片機、嵌入式系統大行其道的今天，將多種開發方式有機結合起來，從而讓系統更加健全與完善.

［1］陳佳，劉林林，熊偉，張仁遠，甘永梅，鄭明.基于工業PC的軟PLC的設計與實現［J］.工業控制計算機，2009(01).

［2］張高煜.基于個人PC機的PLC計算機輔助設計及仿真系統的研究［J］.湖北汽車工業學院學報，1999(02).

［3］馬秀坤，史運濤，王捷，鄭勇，楊立永.PLC實踐教學在應用型人才培養中的探索與創新［C］//北京高教學會實驗室工作研究會.2010年學術研討會論文集(上冊)，2010.

［4］吳亮，韓端陽，王忠華，祖孝奎，方曉達.西門子OLM在PLC遠程通信中的應用［C］//2011年河北省冶金信息化自動化年會論文集，2011.

［5］寇越峰，趙宇東，趙玉霞.基于工業PC的數控系統平臺中主機與PLC通信的實現［J］.電工電能新技術，2000(02).

［6］周純杰，熊銳，王永驥，龔云生.基于網絡環境的嵌入式PLC軟件平臺設計與實現［J］.計算機工程與應用，2006(34).