基于PLC自动门电控部分设计

2012-07-11李岳

制造业自动化 2012年17期

李岳

（信阳供电公司，信阳 464000）

0 引言

自动门的控制装置决定了它的性能，好的控制装置则会带来优良的性能，反之性能则会低劣。自动门的控制系统早期主要是采用继电器的逻辑控制，这种控制系统由于体积比较大、安装较繁琐、运行不稳定、不利于维护等缺点，已经逐渐的被淘汰。现在自动门及相关的自动化的行业运行最稳定的就是建立在PLC（可编程控制器）上的控制装置[1]，PLC作为一种数字化运算及操作的电子装置其主要是为了应用于工业环境，它具有高可靠性、很强的抗干扰能力、完善的功能、适用性较强、设计及建造相应的控制系统其工作量比较小、便于维护及改造、低能耗、重量较轻、体积较小等优点。由此可以看出，基于PLC实现自动门的控制在可靠性上能够得到很高的保障且易于维护。

1 总体方案的设计

本文所使用的PLC选择的是FX2N-32M型PLC；传感装置选择的是微波感应器[2]；变频装置选择的是FR-540系列的变频器；传动装置利用的就是皮带的传动，从而带动门的运动；驱动装置选用的是直流无刷电动机型号为45BLDC系列。

通过传感器装置检测是否有人在门前，如果有人则将相应的信号进行转换然后以开关量形式将信号传送给PLC，之后PLC根据信号进行判断从而发出相应的控制信号使得变频装置完成变换的开和关的速度，在驱动及传动装置运动下使得门进行相应的动作。

此外，在实际的应用中还必须加入一些其他的功能上的自动门的性能更加的友好。首先就是能够实现门开关的手自一体的方式的转换，即门的控制上要有手动方式的控制和自动方式的控制，完成的装置即是手自方式的转换开关；其次就是提醒的功能，在自动门进行开启及关闭的动作时，必须要给予人们以注意提醒，所以要加入相应的蜂鸣器用来对人们进行提醒；最后就是在自动门关闭的时候有时会出现夹人的现象，所以要在门的两侧安装相应的传感器以防夹人。其电路控制部分的总体设计的方案如图1所示。

图1 总体方案设计的结构框图

2 硬件设计

2.1 传感装置部分

现在自动门的行业所使用的传感装置即对信号进行采集动作的感应的开关主要采用的微波感应的装置、触摸式的感应装置、接近式的感应装置、红外遥感的装置等，其运用的场合主要是根据功能和性能上差异进行具体的应用，实现自动门的相应的控制系统的构成。作为自动门的电控部分的主要的部位，它在性能上表现的优良与否直接的影响于整个自动门系统运行的性能及安全的稳定可靠与否。本设计中所使用的传感装置主要采用的是型号为WB-3004的微波感应装置，生产于上海的晶圆微电子公司。主要是对物体的运动完成相应的反应，这种感应装置的反应的速度非常的快，而且无论外界的环境怎么变化都不会受其影响。

2.2 变频装置

基于自动门在实际工作条件下的需要，对门的开和关实现速度上的变换，采用型号为FR-540的变频器作为实现这一功能的装置。其主要的优点有：安装比较灵活、便于接线以及设置频率时操作较简单等。

2.3 驱动及传动装置

作为保障自动门能否进行良好的工作，驱动装置的选择显得很重要。本设计中电动机的速度是通过变频装置产生的三段的速度完成相应的调节的[3]，从而达到对自动门进行驱动的目的。基于此，所以要选择在特性上（绝缘电阻、过压保护、接地及绝缘的介电的强度）能够满足国家关于安全方面所制定的标准规定且噪音较小、功率的密度高以及调速性能好，故本设计采用了亚坦电机控制有限公司所生产的系列为45BLDC的直流无刷式电动机[4]，无论是交流电动机的优点，比如简单的结构、易于维护、可靠的运行状态等，还是直流电动机的优点，比如宽调速范围、机械特性线性化、大启动转矩、高效运行等，它都具备。在要求安静、可靠、体积小、重量轻、精密等场合应用广泛。其额定的扭矩和转数分别是0.036N·M和4000r，功率范围在15-100W，额定工作电压为24Vdc。

传动装置采用机械式的皮带传动，通过皮带滑轮的连接完成自动门的开启和关闭动作。

2.4 PLC控制部分

本文所设计的自动门的控制系统作为一个小型的控制系统，在实现其相应的控制要求以及可扩展和操作性的同时，再结合其经济性进行考虑，选择一个性价比较合适的PLC。所以本设计采用了FX2N系列中型号为FX2N-32M的PLC。从而实现对于整个系统的自动化的控制。三菱电机公司所生产的型号为FX2N-32M的PLC由于具有非常快的程式执行、在标准的包容上实现了最大化、通信的功能进行了全面的补充、电源的差异性适配都能兼容以及能够在特殊功能的模块上满足大量的单个性所需。也因此，其强大的灵活性以及控制能力使得在自动化控制上被广泛采用。

3 PLC控制设计

3.1 工作的过程分析

按照本设计的控制及安全上的要求，设计完成的主要工作流程如下。

1）当启动的按钮被按下时，传感装置开始检测门前是否有人，如果有人则直流无刷电动机开始正向转动，通过传动装置带动自动门完成开启的动作。

2）当门被完全的打开后，行程开关被打开，这时自动门即动作停止，开始进行延时，延时时间为8s。当延时时间到达之后，如果此时传感装置又检测到门前有人，则继续进行下一个8s的时间延时。

3）当完成了8s的时间延时之后，此时传感器也没有检测到有人的信号，则直流无刷电动机开始反向的转动通过传动装置执行关门的工作。在进行关门的工作过程中，如果此时传感器又检测到门前有人，这时关门的工作被中断重新执行开门的工作。

4）由于自动门的工作不能保证完全的可靠，在实际的工作中有可能出现一些不必要的麻烦。所以在自动的方式下增加设置一个手动的方式，即设置一个手自动的转换开关。

图2 工作流程图

上述的自动门完成的一个工作的过程具体的如图2所示。

3.2 梯形图的设计

本设计运用三菱FX的PLC编程软件WIN-C完成梯形图的顺序控制程序的编写，相应的梯形图如图3所示。

图3 顺序控制梯形图

4 电控部分调试

图5中的KA1、2是两个继电器主要完成的功能就是微波感应装置对采集信号的响应；SQ1、2门是否到底的行程开关，分别表示的开门是否到底和关门关门是否到底；SQ3、4是速度转换的行程开关，表示的是开门减速和关门减速。在进行模拟的调试的过程中，由于条件的制约，因此对于信号的采集所使用的微波感应装置以及行程开关都由相应的一些按钮进行替代（门的内、外感应信号的控制按钮BG1、2，门的开和关的到底按钮 BG3、4）。

图5 外围电路图

电路连接完成后，将编程软件编写好的程序下载到实验器中。然后开始进行试验。将启动的按钮按下，因为本设计中加入了手动和自动的控制方式，所以接下来分别具体观察手动/自动方式下的直流无刷电动机的如何进行转动的，从而带动门的开启和关闭。

1）手动方式：当SF10开关按钮被按下时，直流无刷电动机开始正向转动即门的工作状态进入到开启状态；当SF11开关按钮被按下时，直流无刷电动机开始反向转动即门的工作状态进入到关闭状态。

2）自动方式：当BG1或者BG2即控制感应信号的按钮被按下时，表明检测到人信号，直流无刷电动机开始正向转动，门进入到开启的状态，此时将开门到底的行程开关即BG3按钮按下，此时直流无刷电动机转动停止；由于此时门已经完全被打开，则开始进行时间为8s的延时动作，同样这时候再将BG1或者BG2即控制感应信号的按钮被按下，则重新开始8s时间延时；当完成8s时间延时后，直流无刷电动机开始反向转动，此时门进行关闭的工作，这时又使得BG1或者BG2被按下，直流无刷电动机进行正向转动。