基于PLC自動(dòng)門電控部分設(shè)計(jì)

李 岳

（信陽供電公司，信陽 464000）

0 引言

自動(dòng)門的控制裝置決定了它的性能，好的控制裝置則會(huì)帶來優(yōu)良的性能，反之性能則會(huì)低劣。自動(dòng)門的控制系統(tǒng)早期主要是采用繼電器的邏輯控制，這種控制系統(tǒng)由于體積比較大、安裝較繁瑣、運(yùn)行不穩(wěn)定、不利于維護(hù)等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸的被淘汰。現(xiàn)在自動(dòng)門及相關(guān)的自動(dòng)化的行業(yè)運(yùn)行最穩(wěn)定的就是建立在PLC（可編程控制器）上的控制裝置[1]，PLC作為一種數(shù)字化運(yùn)算及操作的電子裝置其主要是為了應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它具有高可靠性、很強(qiáng)的抗干擾能力、完善的功能、適用性較強(qiáng)、設(shè)計(jì)及建造相應(yīng)的控制系統(tǒng)其工作量比較小、便于維護(hù)及改造、低能耗、重量較輕、體積較小等優(yōu)點(diǎn)。由此可以看出，基于PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的控制在可靠性上能夠得到很高的保障且易于維護(hù)。

1 總體方案的設(shè)計(jì)

本文所使用的PLC選擇的是FX2N-32M型PLC；傳感裝置選擇的是微波感應(yīng)器[2]；變頻裝置選擇的是FR-540系列的變頻器；傳動(dòng)裝置利用的就是皮帶的傳動(dòng)，從而帶動(dòng)門的運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)裝置選用的是直流無刷電動(dòng)機(jī)型號(hào)為45BLDC系列。

通過傳感器裝置檢測是否有人在門前，如果有人則將相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換然后以開關(guān)量形式將信號(hào)傳送給PLC，之后PLC根據(jù)信號(hào)進(jìn)行判斷從而發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)使得變頻裝置完成變換的開和關(guān)的速度，在驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)下使得門進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

此外，在實(shí)際的應(yīng)用中還必須加入一些其他的功能上的自動(dòng)門的性能更加的友好。首先就是能夠?qū)崿F(xiàn)門開關(guān)的手自一體的方式的轉(zhuǎn)換，即門的控制上要有手動(dòng)方式的控制和自動(dòng)方式的控制，完成的裝置即是手自方式的轉(zhuǎn)換開關(guān)；其次就是提醒的功能，在自動(dòng)門進(jìn)行開啟及關(guān)閉的動(dòng)作時(shí)，必須要給予人們以注意提醒，所以要加入相應(yīng)的蜂鳴器用來對(duì)人們進(jìn)行提醒；最后就是在自動(dòng)門關(guān)閉的時(shí)候有時(shí)會(huì)出現(xiàn)夾人的現(xiàn)象，所以要在門的兩側(cè)安裝相應(yīng)的傳感器以防夾人。其電路控制部分的總體設(shè)計(jì)的方案如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感裝置部分

現(xiàn)在自動(dòng)門的行業(yè)所使用的傳感裝置即對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集動(dòng)作的感應(yīng)的開關(guān)主要采用的微波感應(yīng)的裝置、觸摸式的感應(yīng)裝置、接近式的感應(yīng)裝置、紅外遙感的裝置等，其運(yùn)用的場合主要是根據(jù)功能和性能上差異進(jìn)行具體的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的相應(yīng)的控制系統(tǒng)的構(gòu)成。作為自動(dòng)門的電控部分的主要的部位，它在性能上表現(xiàn)的優(yōu)良與否直接的影響于整個(gè)自動(dòng)門系統(tǒng)運(yùn)行的性能及安全的穩(wěn)定可靠與否。本設(shè)計(jì)中所使用的傳感裝置主要采用的是型號(hào)為WB-3004的微波感應(yīng)裝置，生產(chǎn)于上海的晶圓微電子公司。主要是對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)完成相應(yīng)的反應(yīng)，這種感應(yīng)裝置的反應(yīng)的速度非常的快，而且無論外界的環(huán)境怎么變化都不會(huì)受其影響。

2.2 變頻裝置

基于自動(dòng)門在實(shí)際工作條件下的需要，對(duì)門的開和關(guān)實(shí)現(xiàn)速度上的變換，采用型號(hào)為FR-540的變頻器作為實(shí)現(xiàn)這一功能的裝置。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：安裝比較靈活、便于接線以及設(shè)置頻率時(shí)操作較簡單等。

2.3 驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)裝置

作為保障自動(dòng)門能否進(jìn)行良好的工作，驅(qū)動(dòng)裝置的選擇顯得很重要。本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的速度是通過變頻裝置產(chǎn)生的三段的速度完成相應(yīng)的調(diào)節(jié)的[3]，從而達(dá)到對(duì)自動(dòng)門進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的目的?；诖?，所以要選擇在特性上（絕緣電阻、過壓保護(hù)、接地及絕緣的介電的強(qiáng)度）能夠滿足國家關(guān)于安全方面所制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且噪音較小、功率的密度高以及調(diào)速性能好，故本設(shè)計(jì)采用了亞坦電機(jī)控制有限公司所生產(chǎn)的系列為45BLDC的直流無刷式電動(dòng)機(jī)[4]，無論是交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，比如簡單的結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)、可靠的運(yùn)行狀態(tài)等，還是直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，比如寬調(diào)速范圍、機(jī)械特性線性化、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效運(yùn)行等，它都具備。在要求安靜、可靠、體積小、重量輕、精密等場合應(yīng)用廣泛。其額定的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)分別是0.036N·M和4000r，功率范圍在15-100W，額定工作電壓為24Vdc。

傳動(dòng)裝置采用機(jī)械式的皮帶傳動(dòng)，通過皮帶滑輪的連接完成自動(dòng)門的開啟和關(guān)閉動(dòng)作。

2.4 PLC控制部分

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門的控制系統(tǒng)作為一個(gè)小型的控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的控制要求以及可擴(kuò)展和操作性的同時(shí)，再結(jié)合其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮，選擇一個(gè)性價(jià)比較合適的PLC。所以本設(shè)計(jì)采用了FX2N系列中型號(hào)為FX2N-32M的PLC。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化的控制。三菱電機(jī)公司所生產(chǎn)的型號(hào)為FX2N-32M的PLC由于具有非常快的程式執(zhí)行、在標(biāo)準(zhǔn)的包容上實(shí)現(xiàn)了最大化、通信的功能進(jìn)行了全面的補(bǔ)充、電源的差異性適配都能兼容以及能夠在特殊功能的模塊上滿足大量的單個(gè)性所需。也因此，其強(qiáng)大的靈活性以及控制能力使得在自動(dòng)化控制上被廣泛采用。

3 PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 工作的過程分析

按照本設(shè)計(jì)的控制及安全上的要求，設(shè)計(jì)完成的主要工作流程如下。

1）當(dāng)啟動(dòng)的按鈕被按下時(shí)，傳感裝置開始檢測門前是否有人，如果有人則直流無刷電動(dòng)機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)自動(dòng)門完成開啟的動(dòng)作。

2）當(dāng)門被完全的打開后，行程開關(guān)被打開，這時(shí)自動(dòng)門即動(dòng)作停止，開始進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為8s。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)之后，如果此時(shí)傳感裝置又檢測到門前有人，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)8s的時(shí)間延時(shí)。

3）當(dāng)完成了8s的時(shí)間延時(shí)之后，此時(shí)傳感器也沒有檢測到有人的信號(hào)，則直流無刷電動(dòng)機(jī)開始反向的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)裝置執(zhí)行關(guān)門的工作。在進(jìn)行關(guān)門的工作過程中，如果此時(shí)傳感器又檢測到門前有人，這時(shí)關(guān)門的工作被中斷重新執(zhí)行開門的工作。

4）由于自動(dòng)門的工作不能保證完全的可靠，在實(shí)際的工作中有可能出現(xiàn)一些不必要的麻煩。所以在自動(dòng)的方式下增加設(shè)置一個(gè)手動(dòng)的方式，即設(shè)置一個(gè)手自動(dòng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)。

圖2 工作流程圖

上述的自動(dòng)門完成的一個(gè)工作的過程具體的如圖2所示。

3.2 梯形圖的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用三菱FX的PLC編程軟件WIN-C完成梯形圖的順序控制程序的編寫，相應(yīng)的梯形圖如圖3所示。

圖3 順序控制梯形圖

4 電控部分調(diào)試

圖5中的KA1、2是兩個(gè)繼電器主要完成的功能就是微波感應(yīng)裝置對(duì)采集信號(hào)的響應(yīng)；SQ1、2門是否到底的行程開關(guān)，分別表示的開門是否到底和關(guān)門關(guān)門是否到底；SQ3、4是速度轉(zhuǎn)換的行程開關(guān)，表示的是開門減速和關(guān)門減速。在進(jìn)行模擬的調(diào)試的過程中，由于條件的制約，因此對(duì)于信號(hào)的采集所使用的微波感應(yīng)裝置以及行程開關(guān)都由相應(yīng)的一些按鈕進(jìn)行替代（門的內(nèi)、外感應(yīng)信號(hào)的控制按鈕BG1、2，門的開和關(guān)的到底按鈕 BG3、4）。

圖5 外圍電路圖

電路連接完成后，將編程軟件編寫好的程序下載到實(shí)驗(yàn)器中。然后開始進(jìn)行試驗(yàn)。將啟動(dòng)的按鈕按下，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中加入了手動(dòng)和自動(dòng)的控制方式，所以接下來分別具體觀察手動(dòng)/自動(dòng)方式下的直流無刷電動(dòng)機(jī)的如何進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的，從而帶動(dòng)門的開啟和關(guān)閉。

1）手動(dòng)方式：當(dāng)SF10開關(guān)按鈕被按下時(shí)，直流無刷電動(dòng)機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)即門的工作狀態(tài)進(jìn)入到開啟狀態(tài)；當(dāng)SF11開關(guān)按鈕被按下時(shí)，直流無刷電動(dòng)機(jī)開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)即門的工作狀態(tài)進(jìn)入到關(guān)閉狀態(tài)。

2）自動(dòng)方式：當(dāng)BG1或者BG2即控制感應(yīng)信號(hào)的按鈕被按下時(shí)，表明檢測到人信號(hào)，直流無刷電動(dòng)機(jī)開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，門進(jìn)入到開啟的狀態(tài)，此時(shí)將開門到底的行程開關(guān)即BG3按鈕按下，此時(shí)直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止；由于此時(shí)門已經(jīng)完全被打開，則開始進(jìn)行時(shí)間為8s的延時(shí)動(dòng)作，同樣這時(shí)候再將BG1或者BG2即控制感應(yīng)信號(hào)的按鈕被按下，則重新開始8s時(shí)間延時(shí)；當(dāng)完成8s時(shí)間延時(shí)后，直流無刷電動(dòng)機(jī)開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)門進(jìn)行關(guān)閉的工作，這時(shí)又使得BG1或者BG2被按下，直流無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 電路控制原理圖

通過模擬的調(diào)試，之前設(shè)計(jì)的功能以及相應(yīng)的動(dòng)作都能得以正常實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)行的安全可靠性較高。

5 結(jié)束語

本文所研究的基于PLC的自動(dòng)門的電控部分的設(shè)計(jì)，雖然滿足了一些使用的功能，但是在實(shí)際的應(yīng)用中必須將各個(gè)裝置的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，保證電源的供給不間斷、系統(tǒng)的接地保護(hù)等，使得整個(gè)系統(tǒng)在性能上其運(yùn)行的安全可靠性更高，防止一些不必要的后果發(fā)生。因此，系統(tǒng)的安全可靠仍然是一個(gè)有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

[1] 張春秋, 可編程序控制器(PLC)在自動(dòng)門上的應(yīng)用[J]. 中國科技信息., 2009(05).

[2] 趙克裕, 許福永. 微波原理與技術(shù)[M]. 北京高等教育出版社, 2006.

[3] 王靜, 基于PLC的自動(dòng)門電路設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(07).

[4] 孫康嶺, 楊兆偉, 張曄, 基于PLC的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程, 2010(11).