基于PLC 的智能化自動門控制系統設計

許純昕XU Chun-xin

（江蘇航運職業技術學院，南通 226000）

0 引言

當今社會隨著各種高新技術的崛起，例如傳感器、變頻器、PLC 等均可應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）組合應用控制系統，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。門的內外配備多組感應開關（光電開關及光電感應器，從定義上看，其是光電接近開關的簡稱[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，隨后控制單元將發出相應的輸出信號，將其發送到被控對象，通過傳動系統的作用來驅動設備，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，等待數秒，門將自動閉合，運行穩定、控制方便。本設計方案優化改良了傳統的開關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 自動門控制系統工藝流程

目前自動門系統主要有兩種模式，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境并根據系統決定是否開啟、以何種方式開啟，當自動門出現故障時就可以切換到手動模式，進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，相應的傳感器會有信號感應到，可根據人員分布情況自動確定門開度大小，KA1 和HL1 通電開始執行動作。此時，電動機以高速正轉驅動門打開同時綠色開門指示燈點亮。當SQ1 單獨接通時，自動門打開至SQ4 最小開度限位開關處停止；當SQ1 和SQ2 同時接通時，自動門運動到SQ4 最小開度限位開關位置時，此處標記為一次減速，電動機開始降低速度以低速運行至SQ5中等開度限位開關處停止；當SQ1、SQ2 和SQ3 全部接通時，自動門運動到SQ4 最小開度限位開關位置時，此處標記為一次減速，電動機開始降低速度以中速運行，運動到SQ5 中等開度限位開關位置時，此處標記為二次減速，電動機再次降速以低速運行，直至運動到SQ6 最大開度限位開關，此處標記為開門最大限位，電動機停止不再運行。

電動機正轉停止后，即自動門打開過程完全結束，由程序設定自動等待時間10 秒（可調整）。預設時間到達后，確認沒有人員通過時，將會自動轉入關門流程。KA2 和HL2 通電開始執行動作。在整個關門運行階段，電動機以低速反轉驅動門關閉同時黃色關門指示燈閃爍。自動門運動到SQ7 關門限位開關位置時，此處標記為關門極限，電動機停止不再運行。

如果在自動門關閉過程中，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，電動機反轉停止，關門動作暫停2 秒（可調整），再重新檢測是否有人通過。如果有人通過，則轉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，轉入由程序設定的關門流程。

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，則重新開始進行10 秒計時，保證人員的安全通行。當這個檢測信號一直不消失，定時器將會一直處于循環定時的狀態，直到檢測信號消失為止，才會執行關門動作過程。

當出現緊急情況時，按下急停按鈕，整個控制流程停止，整個系統等待手動操作指令。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門測試按鈕有效。

2 控制系統總體設計

自動門控制系統由硬件部分和軟件部分組成。硬件設計部分主要由門體、感應裝置、控制系統、驅動系統、傳動系統等組成。軟件設計部分主要由PLC 程序設計和監控系統組態軟件設計等組成。安裝所用的電源線和電機動力線應選用線徑不小于1.5mm2銅芯護套電纜，其它控制線應選用導線截面不小于0.5mm2的銅芯電纜。

控制系統的核心是可編程控制器PLC。它通過順序掃描的方式，不斷循環工作。在掃描工作期間，PLC 主要進行輸入采樣執行相關程序并進行輸出刷新。[3]驅動系統的核心是變頻器VFD，實現開關門的主要動力來自于三相異步電動機，電動機的轉速和轉向由變頻器控制。傳動系統包括動力牽引、用來傳輸動力的同步皮帶等，導向系統主要用于防止門扇的搖動，實現運行穩定和定位精準的輔助功能。[4]

2.1 控制系統硬件設計

根據系統設計需要，結合工藝流程分析，確定該系統輸入輸出點數分別為數字量輸入15 個點、數字量輸出10個點，總計25 個點。PLC 通過開關量輸出控制變頻器采用多段頻率來自動調節電動機的轉速，以實現驅動自動門變速運行的目的。綜合考慮經濟性與實用性以及系統將來改造或是維修保養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，除了能夠實現基本的功能外，操作也比較方便，頻率設置簡單，還具備模擬量控制和遠程操作的可能。PLC 和變頻器詳細的I/O 端子地址分配表如表1 所示。

表1 控制系統I/O 端子地址分配表

PLC 和變頻器組合控制系統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的端子排外部接線圖

2.2 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要介紹PLC 程序的設計。程序的設計主要依據控制系統的工藝流程，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。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。

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

開門和關門運行控制流程的關鍵在于PLC 要實時采集門的位置進行“是否到限位”的判斷，將數字量的輸出結果送到變頻器的正反轉STF、STR 和多段速RH、RM、RL等5 個控制端子排，驅動控制電動機的相關動作。變頻器主要的控制參數設置如下：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，以及電動機的額定參數Pr.80~Pr.84 等。此外，自動門運行過程中，不斷進行“是否有人”或者碰到障礙物的判斷，如果判定結果為真，則立即停止運行并轉移到相關流程。PLC程序執行的流程與全部功能，如圖2 自動門控制系統程序流程圖所示。

圖2 自動門控制系統程序流程圖

2.3 系統運行調試

在系統運行調試過程中，如果出現傳感器與控制器、控制器與其他硬件連接方面的問題。此時，應該對硬件和軟件部分進行綜合的分析與判斷。一般情況下，首先選擇監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、優化調整。然后，再進行硬件的檢查與調整。例如：PLC 必須準確和及時地獲取采樣信號，這就要求相關傳感器的安裝位置必須精準，同時信號的衰減和抗干擾要滿足系統設計要求。

3 總結與展望

在高新技術日新月異的全球化時代，中國的經濟發展和科學技術已經躋身世界一流水平。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展的科技應用已然融入了人們日常生活的方方面面。尤其在當前新冠肺炎疫情防控常態化背景下，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用具有實際意義。