基于PLC的雙門通道控制系統設計

（蘭州交通大學 機電研究所，蘭州 730070）

0 引言

在國內雙門通道控制系統，主要為保持密閉空間的獨立性而設計，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，現如今，學者們在研究雙門控制領域研究都有建樹，王瑜瑜[4]等人對雙門監控系統進行研究，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，對雙門運行狀態進行遠程監控，故系統的智能化程度不高。因此設計該系統擬采用基于PLC 300為主要控制核心部件，通過無線通訊網絡[5]控制雙門動作，并在上位機監控雙門狀態，確保雙門正常運行。

1 雙門通道系統控制

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開門和關門的限位開關，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驅動機構，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開門和關門的限位開關，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驅動機構，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，驅動機構就立即打開門1，人進入過渡區間，過4秒后，門1就立即關閉。

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，驅動機構就立即打開門2，人進入工作室，過4秒后，門2就立即關閉。

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自動關閉，然后人按下S3，門2打開，4秒后，門2自動關閉。

圖2 自動模式下雙門通道控制

2 控制系統總體設計

該系統主要由對射型光電傳感器、通信模塊、現場控制模塊和人機交互模塊組成。現場控制模塊主要包括PLC 300和驅動機構，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。傳感器模塊與現場控制模塊采用單向連接。現場控制單元、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 系統主要組成

自動模式下，S3、S4、S5、S6均不可使用。監測到人來時，光傳感器會將物理量通過變送器轉變為0～20mA電流模擬量信號輸入給給現場控制PLC模塊，PLC會將模擬量轉變為數字量信號，從而控制門的驅動機構帶動門開啟，撞到開門的限位開關時，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會控制驅動機構帶動門關閉，撞到關門的限位開關時，停止動作。如果門在保持30秒開后，傳感器還監測人的信號，那么PLC會控制報警裝置響起。如圖4所示。

現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小時監控，如果一旦出現自動模式失靈，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，控制驅動機構進行正常開關門動作，保證人正常進出，進出，如圖1所示。

圖4 雙門控制系統整體機構圖

3 系統硬件選型和設計

光傳感器：該系統選用勞恩牌的KEYENC對射型光感開關，光感開關通過紅外線感應來對門的開關進行控制，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，監測有人來到門前，光傳感器發送信號給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門打開。當人沒有完全通過雙門，光傳感器會發送信號給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門不能關閉，通過組建基于光電傳感器監測網絡實現雙門安全可靠運行。

驅動機：該系統主要采用SIEMENS/西門子品牌，型號為6SN1124-1AA00-0KA1的伺服直流無刷驅動機，功率為10kW，額定電壓為24V。這種電機不僅輸出穩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域。由現場控制單元PLC模塊控制驅動機正常運作，保證雙門正常開啟和關閉。

PLC選型：為了保證雙門能夠按照人們預想的那樣動作，該系統擬采用西門子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聯。

該系統擬采用三臺PLC為控制核心，三臺PLC采用主從通信的方式，進行數據的交換，并且采用Modbus主從協議。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，滿足系統需求。

3.1 系統容錯設計

雙門在正常開啟時有可能出現，雙門開到最大開度時，還出現開啟，或者雙門已經完全關閉，但還是繼續關門情況，針對這兩種情況需要在雙門每扇門上設置一個或者兩個行程開關，并且在硬件回路設計一個事故斷路器，當出現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

現階段，PLC應用技術越來越廣泛，已經邁入新階段。PLC在現場控制當中，其設備分散，使用電纜連接會使得通訊線路非常的繁雜，現場施工費用多，基于此，該系統擬采用無線通信模塊，讓現場控制單元從站PLC與主站PLC控制模塊進行無線網絡通訊，并進行遠程監控。

該系統通信模塊主要采用YJ-43L（RS485/232 數據接口）小功率無線數傳模塊實現，支持MODBUS透明傳輸數據，該模塊體積小，能耗低，抗干擾性強等優點。通信系統工作電壓為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轉換器與各自的通信模塊相連接，使得PLC能夠及時接收和發送給通信模塊的數據。通信模塊再通過無線WIFI網絡通信，實現主從站遠距離無線通信。如圖5所示。

圖5 網絡無線通信連接圖

3.3 PLC編程總體設計

該系統根據雙門的控制和原理要求，決定采用分布式控制、重復調用原則，首先進行主從站通信接口區的組態和配置，然后在主站PLC建立主程序OB1，建立全局數據類型UDT和全局數據塊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，從而實現雙門通道遠程監控。

3.4 PLC 300編程I/O口說明

為了滿足雙門控制系統要求，根據圖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，建立通信網絡PROFIBUS，然后對主從站進行通信接口區配置，通過從站組態時給定的通信雙方用于通信的I/O區來交換數據。如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 主從站通信接口區配置

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從站與主站接口區配置(b)門2從站與主站接口區配置根據所下載的程序對雙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 全局數類型UDT和全局數據塊DB建立

該系統擬建立全局數類型UDT和全局數據塊DB，方便其他功能塊的對系統參數的及時調用，能夠在上位機在主站PLC當中建立全局數類型UDT，并在UDT里面定義門的開門（run）、關門（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 全局數據的聲明

3.8 自動模式的功能塊FB1建立

該系統建立功能塊FB1，如圖8所示，先在變量聲明表中聲明與全局數據類似參數。然后通過編程，可以將全局數據塊DB數字量參數與實際雙門控制的數字量參數相關聯，便于上位機能夠通過讀取全局數據的地址（如圖9所示），就能夠知道雙門的實際狀態。

3.9 自動模式的主程序塊建立

全局數類型UDT和全局數據塊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的地址，輸出的形參賦予的實參便于上位機對雙門的監控。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

為了防止自動模式下，雙門出現故障問題的時候，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

為了在HIM人機界面更加直觀的顯示雙門實際動作情況，驗證所設計的系統的正確性，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的操作界面[3]，如圖11所示。

圖11 雙門仿真測試

5 結語

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