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基于plc的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0plc的發(fā)展編程控制器(cnc)是一種用于工業(yè)自動(dòng)控制的控制裝置,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它的特點(diǎn)是干擾能力強(qiáng),可靠性高,體積小,設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)方便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)化控制也逐步向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化方向發(fā)展。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要,PLC廠商都相繼推出了具有網(wǎng)絡(luò)通信能力的PLC及其相關(guān)產(chǎn)品。由于用PLC控制自動(dòng)門(mén)具有故障頻率低、可靠性高、維修方便等優(yōu)點(diǎn),而SiemensS7-200系列PLC性價(jià)比高,在各個(gè)行業(yè)中的運(yùn)用非常普遍,本研究重點(diǎn)討論使用S7-200系列PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。1門(mén)通道上的保護(hù)本系統(tǒng)采用PLC作為自動(dòng)門(mén)的主控制器。當(dāng)感應(yīng)探測(cè)器探測(cè)到有人接近時(shí),將脈沖信號(hào)傳給PLC,PLC判斷后通知電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),以便通知電機(jī)在一定時(shí)候加速和進(jìn)入慢行運(yùn)行,電機(jī)正向運(yùn)行帶動(dòng)門(mén)體開(kāi)啟。門(mén)體開(kāi)啟后由PLC作出判斷,保持打開(kāi)狀態(tài),直到門(mén)通道上已無(wú)任何人為止。如門(mén)通道上已無(wú)任何人,PLC通知電機(jī)作反向運(yùn)動(dòng),在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉門(mén)體。在關(guān)門(mén)過(guò)程中,如果探測(cè)到又有人接近時(shí),PLC自動(dòng)切換到開(kāi)門(mén)狀態(tài)。為安全起見(jiàn),在關(guān)門(mén)過(guò)程中,當(dāng)門(mén)體運(yùn)動(dòng)方向上遇到障礙物或人時(shí),門(mén)體會(huì)自動(dòng)向相反方向運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)非常重要的安全保護(hù)功能,在防止碰人或物的同時(shí),保護(hù)自動(dòng)門(mén)電機(jī)不會(huì)因過(guò)載而燒壞。在電機(jī)主電路中,加入斷路器及熱繼電器,當(dāng)發(fā)生短路及過(guò)載時(shí)自動(dòng)切斷電源。在以PLC為主的控制系統(tǒng)中,PLC接收人體感應(yīng)探測(cè)器信號(hào)檢測(cè)有沒(méi)有人想進(jìn)出門(mén),由接收門(mén)位置傳感器信號(hào)及電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)判斷門(mén)的位置,接收紅外線防夾感應(yīng)器信號(hào)判斷運(yùn)動(dòng)方向是否遇到障礙物。根據(jù)收到的信號(hào)不同,PLC通過(guò)運(yùn)行程序產(chǎn)生相應(yīng)的輸出控制門(mén)的開(kāi)關(guān);若發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常,則進(jìn)入故障處理程序,輸出報(bào)警信息。2硬件組成2.1紅外探針的信號(hào)輸出人體都有恒定的體溫,一般在37°,發(fā)出波長(zhǎng)為10μm左右的紅外線。熱釋電元件探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的,對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射非常敏感,在接收到人體紅外輻射時(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生信號(hào)。被動(dòng)式紅外探頭,其傳感器包含兩個(gè)反向相串聯(lián)的熱釋電元件,環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用,使其產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)相互抵消,于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。一旦人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi),人體紅外輻射被熱釋電元件接收,由于兩片熱釋電元件接收到的熱量不同,熱釋電也不同,不能抵消,因而產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)。人體感應(yīng)探測(cè)電路由被動(dòng)紅外探頭、放大電路及電子開(kāi)關(guān)電路組成,安裝在自動(dòng)門(mén)兩側(cè)。當(dāng)有人靠近自動(dòng)門(mén)時(shí),身體輻射出的紅外線被熱釋電紅外傳感器接收下來(lái)并將其轉(zhuǎn)換成信號(hào),經(jīng)檢測(cè)放大電路放大處理后輸出給電子開(kāi)關(guān)電路。電子開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入到PLC輸入繼電器中,PLC根據(jù)收到的信號(hào),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)將門(mén)打開(kāi)。人體感應(yīng)探測(cè)器需要2個(gè),分別用來(lái)感應(yīng)門(mén)內(nèi)外的來(lái)人情況,占用PLC兩個(gè)輸入點(diǎn)。2.2把門(mén)離限位開(kāi)關(guān)的距離轉(zhuǎn)化為圖像距離的測(cè)量本系統(tǒng)的關(guān)鍵是控制門(mén)的運(yùn)行,為了達(dá)到更好的控制效果,PLC必須時(shí)刻知道門(mén)所處的位置從而做出相應(yīng)的處理,所以在關(guān)鍵的位置上安裝位置傳感器,并把傳感器信號(hào)傳給PLC。為此設(shè)置了兩個(gè)行程開(kāi)關(guān),一個(gè)用于檢測(cè)門(mén)完全打開(kāi)時(shí)的位置,叫開(kāi)門(mén)極限開(kāi)關(guān),一個(gè)用于檢測(cè)門(mén)完全關(guān)閉時(shí)的位置,叫關(guān)門(mén)極限開(kāi)關(guān)。當(dāng)門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中,接近最大位置時(shí),限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)傳給PLC,電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。門(mén)離限位開(kāi)關(guān)較近時(shí),電機(jī)低速運(yùn)行,通過(guò)程序來(lái)控制。如何判別門(mén)離極限開(kāi)關(guān)的距離呢?用一個(gè)霍爾傳感器,來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,結(jié)合限位信號(hào)來(lái)判斷門(mén)的位置。2個(gè)行程開(kāi)關(guān)、1個(gè)霍爾傳感器,占用PLC3個(gè)輸入點(diǎn)。2.3開(kāi)環(huán)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī),利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。PLC對(duì)電機(jī)的控制有兩種方式:一種是脈沖+方向控制;一種是正反向脈沖輸出。這里采用第1種方法。PLC的高速脈沖輸出(PTO)提供一個(gè)指定脈沖數(shù)目的方波輸出(占空比為50%)。在加速和減速時(shí)輸出脈沖的頻率(或周期)線性變化,而在恒定頻率段部分保持不變。一旦產(chǎn)生完指定數(shù)目的脈沖,PTO輸出變?yōu)榈碗娖?直到裝載一個(gè)新的指定值時(shí)才產(chǎn)生脈沖。PTO輸出占用一個(gè)PLC輸出點(diǎn),用于控制門(mén)體的位移和速度,由另一個(gè)輸出點(diǎn)的信號(hào)控制門(mén)體運(yùn)動(dòng)的方向。這兩個(gè)信號(hào)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)電機(jī),以帶動(dòng)門(mén)體完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。2.4信號(hào)和輸出保護(hù)在門(mén)運(yùn)行過(guò)程中,有時(shí)會(huì)遇到障礙物阻止它的運(yùn)行。這時(shí)需要具體分析,如果是在開(kāi)門(mén)過(guò)程中出現(xiàn)這種情況,有可能是途中障礙的阻止,或者是開(kāi)門(mén)限位開(kāi)關(guān)壞了,停止運(yùn)行并報(bào)警;如是關(guān)門(mén)時(shí)出現(xiàn)這種情況,有可能擠到人或物了,應(yīng)向相反方向運(yùn)行,給出報(bào)警信號(hào)。設(shè)置一個(gè)傳感器檢測(cè)在關(guān)門(mén)過(guò)程中有無(wú)人或物體在門(mén)的中間。主動(dòng)式紅外線防夾感應(yīng)器由發(fā)射特定頻率的紅外線發(fā)射器與接收器組成,其紅外線頻率與自然界及人體的紅外線不同。在關(guān)門(mén)過(guò)程中當(dāng)人或物阻擋時(shí),接收器收不到光信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖,該脈沖作為PLC的一個(gè)中斷信號(hào),PLC控制門(mén)體向相反方向運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)非常重要的保護(hù)功能,在防止碰人或物的同時(shí),保護(hù)自動(dòng)門(mén)電機(jī)不會(huì)因過(guò)載而燒壞。2.5plc輸出控制器設(shè)計(jì)在控制電路中,PLC的輸入控制信號(hào)共11點(diǎn),包括人體感應(yīng)探測(cè)器信號(hào)2個(gè)、自動(dòng)門(mén)運(yùn)行位置檢測(cè)信號(hào)3個(gè)、門(mén)運(yùn)行障礙檢測(cè)信號(hào)1個(gè)(結(jié)合PLC特點(diǎn),上述信號(hào)在電路中要轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)),還有手動(dòng)開(kāi)門(mén)按鈕信號(hào)、手動(dòng)關(guān)門(mén)按鈕信號(hào)、門(mén)啟動(dòng)按鈕信號(hào)、門(mén)停止按鈕信號(hào)、熱繼電器輔助常閉觸點(diǎn)信號(hào)。PLC輸出的控制信號(hào)點(diǎn)數(shù)為4點(diǎn),包括步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)2點(diǎn)、門(mén)運(yùn)行障礙報(bào)警信號(hào)2點(diǎn)。PLC是控制系統(tǒng)的核心部分,本研究采用224型PLC。該機(jī)型在緊湊的外殼內(nèi)組合了微處理器、集成的電源、輸入電路和輸出電路,可擴(kuò)展多種模塊,包括I/O模塊、模擬模塊、智能模塊等。CPU224自帶14點(diǎn)I/O輸入和10點(diǎn)I/O輸出,可滿足本系統(tǒng)要求。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。3plc輸出刷誤控制程序PLC采用“順序掃描,不斷循環(huán)”的工作方式。一個(gè)掃描周期主要分為輸入采樣、程序(指主程序)執(zhí)行、輸出刷新。由于PLC采用這樣的工作原理,所以即使是順序程序也會(huì)反復(fù)執(zhí)行,程序中各個(gè)部分的執(zhí)行與否由相應(yīng)的條件來(lái)控制,條件滿足則執(zhí)行,否則不執(zhí)行。在本研究中,系統(tǒng)程序采用模塊化編程,主要由主程序模塊、開(kāi)門(mén)子程序模塊、關(guān)門(mén)子程序模塊和故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成。下面就典型模塊進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。3.1響應(yīng)開(kāi)關(guān)門(mén)請(qǐng)求首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,包括表示開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程各階段的變量的初始化、中斷設(shè)置等,然后PLC根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行不同的處理。當(dāng)按下停止按鈕,PLC不響應(yīng)開(kāi)關(guān)門(mén)請(qǐng)求,使電機(jī)停止工作,門(mén)靜止不動(dòng)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕,PLC開(kāi)始響應(yīng)開(kāi)關(guān)門(mén)請(qǐng)求:若按下手動(dòng)開(kāi)門(mén)按鈕,調(diào)用開(kāi)門(mén)子程序;若按下手動(dòng)關(guān)門(mén)按鈕,調(diào)用關(guān)門(mén)子程序;若收到人體感應(yīng)信號(hào),先調(diào)用開(kāi)門(mén)子程序,在確認(rèn)沒(méi)有人的情況下,延時(shí)一段時(shí)間后,調(diào)用關(guān)門(mén)子程序。由于PLC采用掃描的工作方式,程序反復(fù)執(zhí)行。每次執(zhí)行,都檢測(cè)上述條件,滿足哪一個(gè),轉(zhuǎn)向相應(yīng)的控制,所以可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)控制的實(shí)時(shí)切換。主程序流程圖如圖2所示。3.2門(mén)限時(shí)的控制由于開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)聯(lián)系密切,所以把兩個(gè)模塊放在一起說(shuō)明。為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)及精確定位,將開(kāi)門(mén)的行程分為緩慢加速、恒速、減速3個(gè)階段,關(guān)門(mén)的行程也分為緩慢加速、恒速、減速3個(gè)階段。開(kāi)關(guān)門(mén)的加減速信號(hào)由PLC根據(jù)門(mén)的位置通過(guò)PTO輸出功能來(lái)提供。開(kāi)門(mén)子程序流程圖如圖3所示。開(kāi)門(mén)時(shí),首先看一下關(guān)門(mén)極限信號(hào)是否有效,若有效,說(shuō)明門(mén)是完全關(guān)閉的,對(duì)行程變量清0。因?yàn)镻LC反復(fù)執(zhí)行程序,所以檢測(cè)手動(dòng)開(kāi)門(mén)或人體感應(yīng)信號(hào)在本次有效后是否初次調(diào)用開(kāi)門(mén)子程序,若是則設(shè)置PLC高速脈沖輸出參數(shù)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)作準(zhǔn)備。然后檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行,轉(zhuǎn)一圈行程變量加一。最后檢測(cè)開(kāi)門(mén)極限,關(guān)閉電機(jī)信號(hào)輸出,避免當(dāng)門(mén)完全打開(kāi)時(shí),電機(jī)出現(xiàn)異動(dòng)。關(guān)門(mén)子程序流程圖如圖4所示。關(guān)門(mén)時(shí),首先檢測(cè)手動(dòng)關(guān)門(mén)或人體感應(yīng)信號(hào)在本次有效后是否初次調(diào)用關(guān)門(mén)子程序,若是則設(shè)置PLC高速脈沖輸出參數(shù),輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),電機(jī)反轉(zhuǎn)。然后檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行,轉(zhuǎn)一圈行程變量減一。最后檢測(cè)關(guān)門(mén)極限是否有效,若有效則門(mén)已完全關(guān)閉,切斷電機(jī)信號(hào)。注意,每次開(kāi)(關(guān))門(mén)的時(shí)候,門(mén)不一定是完全關(guān)閉(打開(kāi))的,用行程變量表征電動(dòng)門(mén)所處的位置。高速脈沖輸出功能可根據(jù)行程變量的大小輸出相應(yīng)的脈沖,使電
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