（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電研究所，蘭州 730070）

0 引言

在國內(nèi)雙門通道控制系統(tǒng)，主要為保持密閉空間的獨(dú)立性而設(shè)計(jì)，可以用于無塵工作間，核電廠，船閘以及太空密閉艙等各種情況，具有較高的實(shí)際意義，現(xiàn)如今，學(xué)者們?cè)谘芯侩p門控制領(lǐng)域研究都有建樹，王瑜瑜[4]等人對(duì)雙門監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，肖佐無[6]等人用PLC對(duì)雙門通道的自動(dòng)控制，但是很少人采用無線通信進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)雙門運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，故系統(tǒng)的智能化程度不高。因此設(shè)計(jì)該系統(tǒng)擬采用基于PLC 300為主要控制核心部件，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)[5]控制雙門動(dòng)作，并在上位機(jī)監(jiān)控雙門狀態(tài)，確保雙門正常運(yùn)行。

1 雙門通道系統(tǒng)控制

雙門控制示意圖如圖1所示。

圖1 雙門控制示意圖

1.1 雙門各元器件介紹

如圖1所示，門1各元器件為：S2、S8分別門1開門和關(guān)門的限位開關(guān)，1-1是門1光電傳感器，S4和S6分別手動(dòng)模式下門1的開門按鈕，2-4是門1的信號(hào)燈，2-5是門1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，2-6是門1的報(bào)警裝置。

如圖1所示，門2各元器件為：S1、S7分別門2開門和關(guān)門的限位開關(guān)，1-2是門2光電傳感器，S3和S5分別手動(dòng)模式下門2的開門按鈕，2-3是門2的信號(hào)燈，2-8是門2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，2-9分別是門2的報(bào)警裝置。

1.2 雙門的控制原理

雙門通道控制分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式，全程均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，不需人工操作，以人從外面走進(jìn)工作車間（即人先通過門1，然后通過門2）為例，如圖2所示，必須分兩步走：

1）人到達(dá)門1跟前，門1的光電傳感器1-1檢測(cè)到人的到來，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就立即打開門1，人進(jìn)入過渡區(qū)間，過4秒后，門1就立即關(guān)閉。

2）人到達(dá)門2跟前，門2的光電傳感器1-2檢測(cè)到人的到來，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就立即打開門2，人進(jìn)入工作室，過4秒后，門2就立即關(guān)閉。

手動(dòng)模式下，此時(shí)自動(dòng)模式控制完全失效，以人從外面走進(jìn)工作車間（即人先通過門1，然后通過門2）為例，人先按下門1開門按鈕S6，門1 打開，4秒后，門1自動(dòng)關(guān)閉，然后人按下S3，門2打開，4秒后，門2自動(dòng)關(guān)閉。

圖2 自動(dòng)模式下雙門通道控制

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由對(duì)射型光電傳感器、通信模塊、現(xiàn)場(chǎng)控制模塊和人機(jī)交互模塊組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制模塊主要包括PLC 300和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通信模塊主要采用無線通信，人機(jī)交互模塊主要有顯示屏和觸摸屏。傳感器模塊與現(xiàn)場(chǎng)控制模塊采用單向連接?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元、通信模塊和人機(jī)交互模塊之間主要均采用雙向連接。具體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要組成

自動(dòng)模式下，S3、S4、S5、S6均不可使用。監(jiān)測(cè)到人來時(shí)，光傳感器會(huì)將物理量通過變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA電流模擬量信號(hào)輸入給給現(xiàn)場(chǎng)控制PLC模塊，PLC會(huì)將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)，從而控制門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)門開啟，撞到開門的限位開關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作，在開門4秒后，并且傳感器沒檢測(cè)到人的信號(hào)，則PLC會(huì)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)門關(guān)閉，撞到關(guān)門的限位開關(guān)時(shí)，停止動(dòng)作。如果門在保持30秒開后，傳感器還監(jiān)測(cè)人的信號(hào)，那么PLC會(huì)控制報(bào)警裝置響起。如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)控制模塊也會(huì)將雙門動(dòng)作情況由通信模塊傳輸給上位機(jī)人機(jī)交互模塊實(shí)時(shí)24小時(shí)監(jiān)控，如果一旦出現(xiàn)自動(dòng)模式失靈，則在人機(jī)交互模塊觸摸屏上進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換。此時(shí)人可以操作S3、S4、S5、S6作為PLC控制模塊輸入信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行正常開關(guān)門動(dòng)作，保證人正常進(jìn)出，進(jìn)出，如圖1所示。

圖4 雙門控制系統(tǒng)整體機(jī)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件選型和設(shè)計(jì)

光傳感器：該系統(tǒng)選用勞恩牌的KEYENC對(duì)射型光感開關(guān)，光感開關(guān)通過紅外線感應(yīng)來對(duì)門的開關(guān)進(jìn)行控制，其檢測(cè)距離可達(dá)幾米距離，電壓24V。光電傳感器主要安裝在雙門上與PLC控制模塊單向連接，自動(dòng)模式下，監(jiān)測(cè)有人來到門前，光傳感器發(fā)送信號(hào)給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門打開。當(dāng)人沒有完全通過雙門，光傳感器會(huì)發(fā)送信號(hào)給控制模塊PLC，讓PLC控制雙門不能關(guān)閉，通過組建基于光電傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙門安全可靠運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)機(jī)：該系統(tǒng)主要采用SIEMENS/西門子品牌，型號(hào)為6SN1124-1AA00-0KA1的伺服直流無刷驅(qū)動(dòng)機(jī)，功率為10kW，額定電壓為24V。這種電機(jī)不僅輸出穩(wěn)定效率高而且噪音小，適合比較高端的辦公場(chǎng)所以及公共區(qū)域。由現(xiàn)場(chǎng)控制單元PLC模塊控制驅(qū)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)作，保證雙門正常開啟和關(guān)閉。

PLC選型：為了保證雙門能夠按照人們預(yù)想的那樣動(dòng)作，該系統(tǒng)擬采用西門子PLC 300為控制核心，控制電機(jī)、信號(hào)燈和報(bào)警裝置正常運(yùn)作，擬采用CPU 315-2DP，DI16/DO16，電壓24V，用于對(duì)程序的讀取、通信的連接以及和上位機(jī)的相關(guān)聯(lián)。

該系統(tǒng)擬采用三臺(tái)PLC為控制核心，三臺(tái)PLC采用主從通信的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，并且采用Modbus主從協(xié)議。每扇門由一臺(tái)從站PLC單獨(dú)控制，主站PLC通過通信電纜直接連接主控制室的上位機(jī)，主從站之間用無線通信模塊相連接，保證實(shí)時(shí)的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

HMI人機(jī)界面：維綸TK6070IP人機(jī)界面，高彩度顯示效果，高抗干擾能力，滿足系統(tǒng)需求。

3.1 系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

雙門在正常開啟時(shí)有可能出現(xiàn)，雙門開到最大開度時(shí)，還出現(xiàn)開啟，或者雙門已經(jīng)完全關(guān)閉，但還是繼續(xù)關(guān)門情況，針對(duì)這兩種情況需要在雙門每扇門上設(shè)置一個(gè)或者兩個(gè)行程開關(guān)，并且在硬件回路設(shè)計(jì)一個(gè)事故斷路器，當(dāng)出現(xiàn)雙門未能正常停止動(dòng)作時(shí)，及時(shí)將線路斷開，以確保雙門及時(shí)停止動(dòng)作。

3.2 通信模塊搭建

現(xiàn)階段，PLC應(yīng)用技術(shù)越來越廣泛，已經(jīng)邁入新階段。PLC在現(xiàn)場(chǎng)控制當(dāng)中，其設(shè)備分散，使用電纜連接會(huì)使得通訊線路非常的繁雜，現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用多，基于此，該系統(tǒng)擬采用無線通信模塊，讓現(xiàn)場(chǎng)控制單元從站PLC與主站PLC控制模塊進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通訊，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)通信模塊主要采用YJ-43L（RS485/232 數(shù)據(jù)接口）小功率無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)，支持MODBUS透明傳輸數(shù)據(jù)，該模塊體積小，能耗低，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通信系統(tǒng)工作電壓為DC12V，工作電流小于600mA，控制距離大于3km，主從站PLC控制模塊通過串口RS485/232轉(zhuǎn)換器與各自的通信模塊相連接，使得PLC能夠及時(shí)接收和發(fā)送給通信模塊的數(shù)據(jù)。通信模塊再通過無線WIFI網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)主從站遠(yuǎn)距離無線通信。如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)無線通信連接圖

3.3 PLC編程總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)根據(jù)雙門的控制和原理要求，決定采用分布式控制、重復(fù)調(diào)用原則，首先進(jìn)行主從站通信接口區(qū)的組態(tài)和配置，然后在主站PLC建立主程序OB1，建立全局?jǐn)?shù)據(jù)類型UDT和全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB，并在UDT和DB中聲明表定義形參變量，然后在從站的PLC當(dāng)中進(jìn)行門的動(dòng)作的編程，從而實(shí)現(xiàn)雙門通道遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.4 PLC 300編程I/O口說明

為了滿足雙門控制系統(tǒng)要求，根據(jù)圖1和圖2的控制原理，按照PLC的I/O口分配原則，此次PLC各I/O口說明如表1所示。

表1 PLC 300編程I/O口說明

3.5 主從站通信配置

為了保證主從站能夠進(jìn)行通信，首先就必須進(jìn)行主從站通信連接硬件組態(tài)，建立通信網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS，然后對(duì)主從站進(jìn)行通信接口區(qū)配置，通過從站組態(tài)時(shí)給定的通信雙方用于通信的I/O區(qū)來交換數(shù)據(jù)。如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 主從站通信接口區(qū)配置

3.6 從站控制的程序編程

由圖4可知，每扇門動(dòng)作均由一個(gè)從站PLC單獨(dú)控制，每個(gè)從站PLC(a)門1從站與主站接口區(qū)配置(b)門2從站與主站接口區(qū)配置根據(jù)所下載的程序?qū)﹄p門的動(dòng)作的進(jìn)行控制。具體編程如圖7(a)和圖7(b)圖所示。

圖7 雙門從站控制程序

3.7 全局?jǐn)?shù)類型UDT和全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB建立

該系統(tǒng)擬建立全局?jǐn)?shù)類型UDT和全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB，方便其他功能塊的對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的及時(shí)調(diào)用，能夠在上位機(jī)在主站PLC當(dāng)中建立全局?jǐn)?shù)類型UDT，并在UDT里面定義門的開門（run）、關(guān)門（reverse）、報(bào)警（alarm）和信號(hào)燈，具體如圖9所示。

圖8 功能塊FB1程序

圖9 全局?jǐn)?shù)據(jù)的聲明

3.8 自動(dòng)模式的功能塊FB1建立

該系統(tǒng)建立功能塊FB1，如圖8所示，先在變量聲明表中聲明與全局?jǐn)?shù)據(jù)類似參數(shù)。然后通過編程，可以將全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB數(shù)字量參數(shù)與實(shí)際雙門控制的數(shù)字量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，便于上位機(jī)能夠通過讀取全局?jǐn)?shù)據(jù)的地址（如圖9所示），就能夠知道雙門的實(shí)際狀態(tài)。

3.9 自動(dòng)模式的主程序塊建立

全局?jǐn)?shù)類型UDT和全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB以及功能塊FB1建立完成之后，接下來就是在主程序塊中調(diào)用功能塊FB1，給FB1中形參賦予實(shí)參，在FB1輸入實(shí)參賦予的是主從站通訊的通信接口區(qū)的地址，輸出的形參賦予的實(shí)參便于上位機(jī)對(duì)雙門的監(jiān)控。具體如圖10所示。

圖10 主程序塊OB1的程序

3.10 手動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)

為了防止自動(dòng)模式下，雙門出現(xiàn)故障問題的時(shí)候，雙門不能動(dòng)作，或者動(dòng)作錯(cuò)誤，造成一些不必要的后果，故在自動(dòng)模式出現(xiàn)問題下，可以在上位機(jī)進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)模式切換，這時(shí)人可以通過S3、S4、S5、S6按鈕開啟雙門，保證人能夠正常進(jìn)出。

4 WinCC_flexible仿真實(shí)現(xiàn)

為了在HIM人機(jī)界面更加直觀的顯示雙門實(shí)際動(dòng)作情況，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的正確性，本次研究擬采用運(yùn)用WinCC_flexible CHINA2008 SP4軟件編程得到雙門通道智能控制系統(tǒng)的操作界面[3]，如圖11所示。

圖11 雙門仿真測(cè)試

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用西門子PLC為核心，實(shí)現(xiàn)了雙門通道控制，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要分為硬件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要通過無線通信模塊將現(xiàn)場(chǎng)控制模塊和人機(jī)交互模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。PLC軟件設(shè)計(jì)采用主從站通信，并建立全局?jǐn)?shù)據(jù)類型UDT使得主控制室的上位機(jī)能夠遠(yuǎn)程的監(jiān)控雙門運(yùn)作狀態(tài)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)條理分明，層次清楚，能夠完美的控制雙門動(dòng)作，符合實(shí)際。