基于PLC 的自动门控制系统设计

徐承亮

（江阴职业技术学院 江苏 无锡 214400）

0 引言

近几年，随着自控技术的崛起与发展，如可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）、变频器、传感器等，自控技术成为人们日常生活的重要支撑，自动门控制系统也是结合应用变频器与可编程控制器技术实现的，能够适用于不同功能与不同类型的自动门控制系统，使得自动门控制更智能化［1-2］。 本研究设计的基于PLC 的自动门控制系统，能够弥补传统自动门开关门控制的不足，解决安装麻烦、需接触式操作、维修工作量大、工作可靠性低、故障排查不便等问题。

1 自动门的功能分析

本研究设计的自动门控制系统主要应用于商场出入口等位置，此类地点要求自动门控制系统具有相对较高的稳定性与安全性，且便于开展后期的维修与维护工作［3］。对此，确定基于PLC 的自动门控制系统需要具备以下几项基本功能。

1.1 工作模式设置

为了保证基于PLC 的自动门控制系统具有良好的操作性，要求自动门控制系统需要具备自动与手动2 种工作模式，其中，在手动工作模式下，可以利用开关动作对自动门的开关状态进行控制［4］。 在自动工作模式下，自动门可以利用传感器发出检测信号，控制自动门的开关状态，如果有人靠近自动门时，传感器在检测到相关信号后，会将之及时传递给PLC，由PLC 发出对应的开门指令，同时，人在离开自动门的数秒后，自动门会自动关闭。

1.2 紧急停止功能配置

为了确保安全，自动门控制系统应配置紧急停止功能。 一种常见的做法是设置一个紧急停止按钮，当出现紧急情况或自动门系统突发故障时，操作人员可以迅速按下紧急停止按钮，以实现对自动门的即时控制。 按下紧急停止按钮后，系统会立即停止自动门的运行，无论当前是开启还是关闭状态，这样可以有效避免潜在的危险，并保护用户的安全。 紧急停止按钮应设置在易于操作和识别的位置，以便操作人员在紧急情况下能够快速找到并按下按钮，同时，系统还应具备恢复功能，一旦解除紧急停止状态，自动门可以恢复正常运行。 通过配置紧急停止功能，自动门控制系统能够及时应对紧急情况，保障人员和设备的安全。 基于PLC 的自动门控制系统的主要组成部分为：PLC、感应器件、传动装置、驱动装置、自动门。

2 自动门的工艺流程

其中自动化运作模式是通过PLC 程序控制自动门的开启和关闭，自动感应人员或车辆的接近并做出相应的反应，手动运作模式是通过手动开关或遥控器控制自动门的开启和关闭。 2 种模式可以根据实际需求进行切换，以提供更大的灵活性和便利性，具体的输入输出端地址分配可参考表1。

表1 控制系统输入输出端地址分配表

通过这种基于PLC 的自动门控制系统，可以实现自动门的高效、安全和可靠的运行，提供更好的使用体验和便利性，自动门工艺流程具体包括。

（1）自动门开启工艺流程

一般情况下，在自动化运作模式下，自动门能够自动探测出周围环境信号，并根据控制系统确定是否开启自动门，以及应以何种方式开启自动门［5］。 如果自动门出现故障后，便可由操作人员将之转换到手动运作模式，确保能够应急使用自动门。 自动门控制系统的光电检测传感器组包括SQ1、SQ2 与SQ3，如果有人需要通过自动门，对应的传感器会及时接收到信号，并结合人员分布信息，确定自动门开启幅度与时间，在HL1 与KA1 通电的情况下开始执行自动门开启动作。 此时，电动机的正转速度加快，驱动打开自动门，并显示绿色指示灯亮。 如果单独接通SQ1，自动门打开到SQ4 的最小开度后停止；如果同时接通SQ2 与SQ1，自动门打开到SQ4 的最小开度时，标记为出现首次减速，即电动机的运转速度开始降低，并在打开到SQ5 后，停止开度限位开关；如果接通SQ1、SQ2 与SQ3，自动门打开到SQ4 最小开度时，代表进入首次减速模式，电动机的运转速度开始降低，并以中速模式运行，打开到SQ5 后，代表进入二次减速模式，即电动机的运转速度再次降低，直到打开到SQ6 的最大开度时，代表自动门进入最大开门限位，随之电动机停止运行。

（2）自动门关闭工艺流程

在电动机停止正向运转后，代表自动门1 个单独的打开过程已经结束，程序预先设定自动门的自动等待时间为10 s，在达到时间后，确认没有其他人经过自动门，则自动门会自动进入关门流程。 在HL2 与KA2 通电后便可执行自动门关门流程，在关闭自动门的运行阶段，电动机的运转速度较低，反驱动自动门关闭，且在此时黄色关门指示灯为闪烁状态，在自动门运行到SQ7 时，代表已经达到关门极限，自动门电动机自动停止，且不再运行。 在关闭自动门的过程中，光电检测传感器组如果接收到有人接近自动门后，KA2 会自动断电，自动门电动机反转运行停止，自动门的自动关门动作也会自动停止2 s，并重新检测是否有其他人通过自动门。 如果自动门检测到仍有人通过，那么会自动转入自动开门工艺流程，如果自动门未能检测到有人通过，那么自动门会自动停止10 s，之后转入自动门控制系统预先设定的自动关门工艺流程。

（3）自动门自动停歇工艺流程

在自动门自动停歇10 s 的期间内，光电检测传感器组自动检测与接收信号，并重新开始10 s 计时，确保如果有人需要通过自动门，则人能够安全通过。 同时，如果光电检测传感器组检测的信号处于始终不消失的情况，自动门控制系统的定时器也会始终处于循环定时状态，直至光电检测传感器组检测的信号消失，才会再次进入自动关闭自动门的工艺流程。 如果自动门出现紧急情况HL3 亮起，操作人员可根据实际情况按下紧急停止按钮，自动门的整个控制流程会自动停止，并等待手动操作运行指令。在自动门控制系统自动运作模式下，停止按钮与启动按钮均有效，而在手动运作模式下，手动关门测试按钮与手动关门测试按钮均有效。

3 自动门的系统设计

基于PLC 的自动门控制系统由软件与硬件组成，软件部分主要包括：监控系统组态软件和PLC 程序，硬件部分主要包括：驱动系统、控制系统、传动系统、感应装置、门体等，同时还对其通信、安装与调试进行了设计。

3.1 系统硬件设计

根据基于PLC 的自动门控制系统设计要求，结合PLC 自动门控制系统的工艺流程分析，确定本研究的自动门数字量输入15 个点数、输出10 个点数，PLC 通过输出开关数字量，对变频器进行控制，并利用多段频率对电动机转速进行自动调节，由此驱动装置也能够驱动自动门变速运行。 为了能够保证基于PLC 的自动门控制系统硬件设施具有实用性与经济性，且便于日后维修与保养，本研究认为基于PLC 的自动门控制系统可选择FX3U-32 ME／ES 超小型PLC，将之作为主要控制单元，采用继电器输出方式，输入端应用24 VDC 的直流电源，供电依托100～240 VAC 的交流电源。 同时，变频器选择高性能且小型的FRE540 型号，其功率在0.4 ～7.5 kW 范围内，供电依托380 V 交流电源，该设备具有操作简便、频率设置操作方便的优势，能够实现远程操作与模拟量控制。

3.2 系统通信设计

自动门控制系统的通信接口电路采用4 点继电器实现，其中输入端由PLC 控制的I 输出信号进行控制。 输出口共有5 根线连接，包括1 根公共端和4 根信号线。 这5根线将指示信号输入到PLC 的输入端，然后通过PLC 对自动门进行控制。 通过这种设计，PLC 可以根据输入信号的状态来判断自动门的开启或关闭，并通过控制继电器进行相应的操作。 这样的通信接口电路能够实现自动门的准确控制，提高系统的可靠性和安全性。

3.3 系统软件设计

在设计基于PLC 的自动门控制系统软件时，以自动门控制系统的工艺流程为主要依据，并利用顺控指令梯形图实现程序编写，软件程序主要包括：自动控制流程、手动控制流程、故障判断流程、主流程等［6-7］。 主流程的功能为安全监测与实现系统初始化，如果自动门控制系统出现故障，自动门可由自动运作模式转入手动运作模式，并根据提示进行相关处理，确认控制系统的故障。 如果自动门控制系统并未出现任何故障，则自动判定运作模式，且在满足手动运作模式条件后进入手动运作控制流程，而如果SA1（模式）显示为ON（自动），则自动门控制系统进入自动运行模式，运行条件为“SQ1+SQ+SQ3”，如果符合此项条件，则基于PLC 的自动门控制系统会进入开门准备阶段，反之，则会进入自动门关门准备阶段。 基于PLC 的自动门控制系统的控制流程关键为PLC 实时采集是否已经到达限位的信息，将数字量输出结果反馈给多段速与正反转等控制端子，驱动自动门控制系统的电动机启动相关动作。 另外，在基于PLC 的自动门控制系统运行过程中，不断判断是否碰到障碍物与是否有人需要通过的信号，如果信号判断结果显示为真，则自动门立即停止运行，且进入相关的开门工艺流程［8］。

在基于PLC 的自动门控制系统软件程序流程图中，如果自动门控制系统的自动运作模式达到限位开关位置，那么限位开关会自动向PLC 发出信号，PLC 发出电动机运转停止的相关指令，便可实现基于PLC 的自动门控制系统的运作位置处于可控且安全的范围内［9］。 在自动运作模式下，完成自动门开门动作后的10 s 为停歇时间，如果在此期间有人出门或是进门，那么基于PLC 的自动门控制系统会重新启动延时动作，且之前的10 s 停歇运作不生效，由此也能够保证基于PLC 的自动门的运行具有可靠性与安全性。

3.4 安装要求设计

在安装基于PLC 的自动门控制系统时，所用的电动机力线与电源线的线径应大于1.5 mm2，且以铜芯护套电缆为主，其他控制线为铜芯电缆，线径大于0.5 mm2.。 在基于PLC 的自动门控制系统中，可编程控制器PLC 属于核心部分，为实现不断循环，PLC 应用顺序扫描方式，在扫描过程中PLC 输入采样、启动相关程序、刷新输出数字量［10］。 另外，基于PLC 的自动门控制系统的驱动系统以变频器作为核心部件，三相异步电动机为开启与关闭自动的主要动力，且变频器还能够控制电动机的转向与转速。基于PLC 的自动门控制系统的导向系统用于避免门扇摇动，为精准定位功能与系统的稳定运行提供辅助。

3.5 系统运行测试

在调试基于PLC 的自动门控制系统的过程中，如果出现控制器与其他硬件以及控制器与传感器之间的连接问题，那么需要综合判断与分析软件部分与硬件部分。 一般情况下，需要由基于PLC 的自动门控制系统调试人员观察监视程序的运行情况，并根据观察结果作出判断，如果发现试运行程序出现问题，则需要采取优化调整与适当修改的方法［11-12］。 之后，对自动门控制系统的硬件进行调整与检查，包括：PLC 是否能够及时且准确地接收到采样信号、是否精准安装了相关传感器、信号的抗干扰与衰减是否符合基于PLC 的自动门控制系统设计标准等。

4 结语

随着自控技术的不断发展与更新，尤其是电气控制技术的兴起与发展，自动门在许多领域得到广泛应用，自动门控制技术也更加成熟。 基于PLC 的自动门控制系统所具备的无接触控制方式，不但具有不需要专门操作人员直接进行操作的优势，还能够提高自动门控制系统的智能性，让人们切实感受到自控技术发展带来的便捷性与安全性。 同时不可否认的是，越来越多应用场景对自动门控制系统安全性与可靠性提出更高的要求，本研究设计的基于PLC 的自动门控制系统主要应用于商场等场景，其具有更高的智能性，且本研究对自动门的硬件、软件、通信、安装、调试都进行了设计，对于自动门的推广应用具有一定的价值。