基于PLC的機(jī)庫門分控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 德

（武昌工學(xué)院 智能制造學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，湖北 武漢 430065）

交通便利的今天，各類大小型機(jī)場(chǎng)蜂擁于這個(gè)時(shí)代，飛機(jī)作為最便捷的交通工具之一，無疑是時(shí)代的烙印。但對(duì)于機(jī)場(chǎng)的機(jī)庫門，又是一大技術(shù)難題。機(jī)庫門雖然具有龐大且厚重的外部結(jié)構(gòu)，但也需要開啟靈活，保溫耐用，采光好，密封效果好，不畏寒冷和安全性高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的開關(guān)門方法不僅效率低下、操作難度大、精確度低，隨著時(shí)間的推移甚至還存在很大的安全隱患，一般難以達(dá)到控制要求。針對(duì)上述問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以分別控制多個(gè)機(jī)庫門的機(jī)庫門分控系統(tǒng)，最大限度地實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)的門控需求。該系統(tǒng)對(duì)所有機(jī)庫門進(jìn)行集中控制，可調(diào)節(jié)動(dòng)作速度和精度；操作難度低；還具有很高的安全性，保證了機(jī)庫和人員的安全。隨著當(dāng)今社會(huì)交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，該機(jī)庫分控系統(tǒng)存在著很大的發(fā)展前景。

1 總體設(shè)計(jì)方案

最近幾年，隨著物流行業(yè)和旅游業(yè)的大力發(fā)展，國家對(duì)航空航天領(lǐng)域尤為重視，所以機(jī)庫門作用更顯重要，目的也是在保證國家財(cái)產(chǎn)的安全。機(jī)庫門分控系統(tǒng)對(duì)機(jī)場(chǎng)的6扇機(jī)庫門進(jìn)行控制。每扇機(jī)庫門均可單獨(dú)控制并配備運(yùn)行狀態(tài)顯示功能，6扇機(jī)庫門還可以集中控制并分別顯示運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)庫門的運(yùn)轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，可減少對(duì)機(jī)庫門的損耗，延長(zhǎng)大型機(jī)庫門的使用壽命。最后還配置有急停、報(bào)警、指示燈等安全保障系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及選擇

（1）基于PLC為核心實(shí)現(xiàn)分控功能。PLC控制的選擇基于其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)?？煽啃阅芨呤请姎饪刂圃O(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本項(xiàng)目選擇臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)系列PLC，其產(chǎn)品通用性強(qiáng)，控制程序可變，功能強(qiáng)大，適應(yīng)面廣，編程容易，并且設(shè)備平均無故障工作時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)，本項(xiàng)目也可采用一些更大型的PLC來獲得更大的使用壽命。PLC作為通用工業(yè)計(jì)算機(jī)，面向廣大工控設(shè)備，在未來的維修和升級(jí)等問題上將更容易解決。

（2）實(shí)現(xiàn)每扇機(jī)庫門控的單獨(dú)控制。采用分控制系統(tǒng)能提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。從控制的功能上，分控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可通過并行控制來實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，相較于分級(jí)控制大大減少冗余等待時(shí)間。分控制系統(tǒng)也具有可靠性高和較好的抗干擾優(yōu)點(diǎn)，子系統(tǒng)的故障將不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并且可以通過子系統(tǒng)間相互診斷和快速設(shè)備故障排查。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)采取模塊化的處理，使系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)通用化和系統(tǒng)化，在未來可以通過擴(kuò)展I/O口來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更新，并且模塊化的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源共享等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)方面，分控制系統(tǒng)可以運(yùn)用低價(jià)的PLC來實(shí)現(xiàn)高性能的控制系統(tǒng)。

（3）要求每扇機(jī)庫門控在啟動(dòng)時(shí)都配備運(yùn)行狀態(tài)顯示。在模塊化的控制系統(tǒng)中，無需單獨(dú)對(duì)某一扇門操作，在總控制臺(tái)中操作即可。但也要保證安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證每一次的控制都在正常進(jìn)行。建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷是必要的，在每一次異常運(yùn)行和故障記錄能夠幫助進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備環(huán)境的故障排查，及時(shí)地修復(fù)從而保障財(cái)產(chǎn)和人身安全。

（4）遇到特殊問題的時(shí)候有急停裝置和報(bào)警功能。急停和報(bào)警裝置能有效地保證安全，在傳感器和限位開關(guān)的配合下，系統(tǒng)運(yùn)行將能夠更加精準(zhǔn)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)緊急情況的靈活性。

（5）最后要將六扇機(jī)庫門控系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，保障系統(tǒng)的靈敏性和易操作性。集中總控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化的關(guān)鍵一步，在總控制臺(tái)的控制下，各個(gè)子系統(tǒng)將有序進(jìn)行。當(dāng)然，最重要也是要保證總控制PLC的正常運(yùn)行，總控PLC的故障將影響所有子系統(tǒng)。

1.2 總設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該分控系統(tǒng)，通過多個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)由主控制系統(tǒng)再到分控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)可對(duì)六扇機(jī)庫門進(jìn)行集中控制，發(fā)送信號(hào)到分控制系統(tǒng)。分控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)機(jī)庫門進(jìn)行獨(dú)立操作控制，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行功能。

整個(gè)系統(tǒng)將建立一個(gè)模塊化運(yùn)行控制，通過按鍵的控制，讓每一扇門運(yùn)作。整體的控制能把控多扇門可操作性的同時(shí)提高效率。每扇門也可單獨(dú)成為一個(gè)子系統(tǒng)，受到相應(yīng)的控制并且能夠應(yīng)對(duì)自身的突發(fā)狀況，門與門之間的聯(lián)動(dòng)將互不影響，多門聯(lián)動(dòng)過程中，在一扇門出現(xiàn)緊急狀況停止時(shí)，另一扇門將不會(huì)受到影響并繼續(xù)運(yùn)作。變頻器屬于子控制系統(tǒng)的一部分，通過分控PLC來調(diào)節(jié)子系統(tǒng)所控制的電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.3 機(jī)庫門技術(shù)指標(biāo)要求

（1）門洞高度：5 m專用小門；

（2）門扇寬度：6 m*40 m；

（3）門扇厚度：200 mm；

（4）門扇重量：40～90 kg/mm；

（5）門扇軌距為門扇厚：80～250 mm；

（6）地軌：20～45 kg/m；

（7）門扇電功率：1.5～3 kW。

2 電氣原理及PLC的I/O分配

2.1 主控制回路的I/O分配

主控制回路的I/O分配見表1?？蛇x擇單門控制或6門聯(lián)動(dòng)控制，并且通過狀態(tài)顯示器來顯示控制情況。開關(guān)為點(diǎn)動(dòng)上升沿信號(hào)，按下開關(guān)按鈕，指示燈亮起，機(jī)庫門將處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，受到門控信號(hào)的控制。再次按下開關(guān)按鈕，指示燈熄滅，機(jī)庫門即處于靜止?fàn)顟B(tài)，不受開關(guān)的控制。

表1 主控制回路I/O分配表

主回路電氣原理圖如圖2所示，電柜原理圖如圖3所示。

圖2 主回路電氣原理圖

圖3 主回路電柜原理圖

2.2 分控制回路的I/O分配

分控制回路I/O分配見表2。當(dāng)外部條件1、2都滿足，變頻器能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，允許動(dòng)作，按下開關(guān)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)庫門開始運(yùn)作，當(dāng)觸碰到減速限位時(shí)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)減速，當(dāng)機(jī)庫門完全打開，觸碰到開關(guān)限位時(shí)，電機(jī)急停關(guān)閉運(yùn)轉(zhuǎn)。此外還添加了一個(gè)時(shí)間保護(hù)裝置，當(dāng)減速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)開關(guān)限位故障或者門由于特殊事故無法完全開關(guān)時(shí)，或到達(dá)正常開關(guān)門時(shí)間卻還未檢測(cè)到限位信號(hào)時(shí)，將會(huì)給出時(shí)間信號(hào)時(shí)，使得電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)庫門的關(guān)閉工作原理同開門原理相似，在任意一個(gè)動(dòng)作過程中，都可按下急停按鈕使得動(dòng)作停止，以應(yīng)對(duì)特殊情況。

表2 分控制回路I/O分配表

分控制回路電氣原理圖如圖4所示。

圖4 分控制回路電氣原理圖

2.3 PLC外部連接電路

機(jī)庫門主要是一個(gè)控制系統(tǒng)，外部電路也較為簡(jiǎn)單，主要通過分控PLC的輸出與變頻器相連接，變頻器再與電機(jī)相連接，輸出信號(hào)控制變頻器使得電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和點(diǎn)動(dòng)控制。

通過對(duì)變頻器的參數(shù)設(shè)置，可以控制機(jī)庫門的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以達(dá)到控制要求。通過變頻控制的一大好處是可以根據(jù)不同情況改變速度，節(jié)約能源，減輕在機(jī)庫門運(yùn)行過程中的損耗。變頻器的電氣連接圖如圖5所示。

圖5 變頻器的電氣連接圖

3 6扇機(jī)庫門的控制軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用臺(tái)達(dá)PLC編程軟件WPLSoft，分別對(duì)主控PLC和分控PLC編寫程序，總的邏輯過程是：首先判斷是否處于聯(lián)動(dòng)模式，在聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下按下啟動(dòng)按鈕，所有機(jī)庫門將同時(shí)動(dòng)作。若不處于聯(lián)動(dòng)模式，則需進(jìn)一步選擇需要控制的機(jī)庫門，單獨(dú)控制啟停。在動(dòng)作過程中若出現(xiàn)緊急情況可以按下急停按鈕，再次按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)庫門繼續(xù)動(dòng)作直至完全打開或關(guān)閉，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)庫門控制的具體流程如圖6所示。

圖6 6扇機(jī)庫門的控制流程圖

4 結(jié)束語

相比較于一般機(jī)庫門，基于PLC的控制能實(shí)現(xiàn)對(duì)6扇機(jī)庫門的集中控制和單獨(dú)控，首先實(shí)現(xiàn)了控制方便，提高運(yùn)行效率。其次還采用變頻調(diào)速，通過對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的分析進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在很大程度上減少了機(jī)庫門的運(yùn)行損耗，保證了機(jī)庫門能長(zhǎng)時(shí)間地安全運(yùn)行。機(jī)庫門控制系統(tǒng)由多個(gè)PLC聯(lián)動(dòng)控制，同時(shí)也存在多個(gè)外部信號(hào)傳輸口，可以進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行拓展，例如增加控制數(shù)量和連接通信設(shè)備，對(duì)機(jī)庫門進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作和監(jiān)控，隨著智能化的發(fā)展，在未來可實(shí)現(xiàn)多樣化的控制，該系統(tǒng)也能不斷被優(yōu)化來適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。未來隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，貨物運(yùn)輸、交通出行和軍事應(yīng)用等多方面需求的不斷增長(zhǎng)，該技術(shù)將會(huì)迎來更好的市場(chǎng)和前景。