陳 芳

(安徽城市管理職業(yè)學(xué)院，安徽合肥231635)

自動(dòng)門窗系統(tǒng)是現(xiàn)代生活中應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛的設(shè)備，它利用多種電器元件和控制軟件完成門窗的自動(dòng)控制，擁有通過門權(quán)利的人能夠被它放行，而沒有相應(yīng)權(quán)利的人則被它阻攔在門外.隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)門窗所應(yīng)用的設(shè)備和軟件也發(fā)生了日新月異的變化.PLC由于其故障率低、可編程性高等優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)人員所親睞.本文對(duì)新式自動(dòng)門窗的適用性進(jìn)行了研究，并且對(duì)當(dāng)前自動(dòng)門窗加以改進(jìn)，讓其更具人性化和自動(dòng)化，同時(shí)提高系統(tǒng)的安全性，使用起來更加安全和方便.

1 自動(dòng)門的基本組成以及單元?jiǎng)澐?/h2>

1.1 自動(dòng)門窗的功能需求和改進(jìn)

根據(jù)功能的不同進(jìn)行需求分析.自動(dòng)門窗主要應(yīng)用于公共場(chǎng)合，因此系統(tǒng)需要穩(wěn)定安全地運(yùn)行，同時(shí)能夠在緊急情況下進(jìn)行特殊事件處理.①自動(dòng)門窗系統(tǒng)需要有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，門在自動(dòng)模式下能夠及時(shí)偵測(cè)到有人來到門附近或者沒有人，并進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作.如果系統(tǒng)出現(xiàn)了異常，那么切換到手動(dòng)模式還可以進(jìn)行正常的開關(guān).②自動(dòng)窗在自動(dòng)模式下能夠在白天開啟，同時(shí)在夜晚來臨時(shí)關(guān)閉.③自動(dòng)門窗在出現(xiàn)夾人或者其他特殊情況時(shí)，能夠進(jìn)行開門動(dòng)作.④自動(dòng)門窗在進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)能夠給人們提示，并且提示要柔和，不能干擾到人們的正常工作.⑤系統(tǒng)需要預(yù)留接口，進(jìn)行功能添加，例如增加當(dāng)前自動(dòng)門窗不存在的監(jiān)控錄像系統(tǒng).

1.2 自動(dòng)門窗系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

自動(dòng)門窗系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：①PLC單元；②信號(hào)收集單元；③傳感控制單元.PLC單元即主控制器，它是自動(dòng)門窗系統(tǒng)的心臟，在同一時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部多項(xiàng)控制，例如進(jìn)行采集信號(hào)的分析、系統(tǒng)時(shí)鐘控制、進(jìn)步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制等，它可以根據(jù)外在的系統(tǒng)接口進(jìn)行系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)配，同時(shí)完成特殊情況的處理.PLC單元是系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，在這里選用西門子SIMATIC S7-200的CPL，它的價(jià)格低廉適合于大量的系統(tǒng)級(jí)開發(fā)，同時(shí)穩(wěn)定性好，擴(kuò)展性強(qiáng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.信號(hào)收集單元是整個(gè)系統(tǒng)的觸角，是PLC的眼睛和耳朵.信號(hào)收集單元主要由7個(gè)部分組成：門內(nèi)光電接近開關(guān)、門外光電接近開關(guān)、開門限位開關(guān)、關(guān)門限位開關(guān)、窗外光感開關(guān)、開窗限位開關(guān)、關(guān)窗限位開關(guān).接近開關(guān)能夠保障人們?cè)诮咏鼤r(shí)，快速進(jìn)行門的開關(guān)；門窗的限位開關(guān)可以讓門窗開合準(zhǔn)確；光感開關(guān)能夠保證觀景窗能夠在白天開啟，晚上關(guān)閉；傳感控制單元主要由進(jìn)步電機(jī)以及輪軸系統(tǒng)組成，保證自動(dòng)門窗系統(tǒng)準(zhǔn)確快速的完成開關(guān)門任務(wù).

自動(dòng)門系統(tǒng)組成圖見圖1.

圖1 自動(dòng)門系統(tǒng)組成圖

自動(dòng)窗系統(tǒng)如圖2.

圖2 自動(dòng)窗系統(tǒng)組成圖

2 自動(dòng)門窗整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采用PLC的優(yōu)勢(shì)

PLC與一般微型計(jì)算機(jī)組成方式類似，但是在命令執(zhí)行順序上有著很大的不同，一般微型計(jì)算機(jī)命令執(zhí)行順序是命令等待，而PLC是周期掃描進(jìn)行命令控制的模式.同時(shí)普通計(jì)算機(jī)民用性較強(qiáng)，接口的設(shè)計(jì)更具有通用性，計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU、MEMORY也被系統(tǒng)占去了一部分資源，進(jìn)程之間的切換、緩存存儲(chǔ)與讀取耗費(fèi)了運(yùn)算效能，因此在工業(yè)監(jiān)控硬件操控效率方面不可能有PLC一樣的效率.單片機(jī)程序執(zhí)行效率高這點(diǎn)是毋庸置疑的，但是無論是從最初能耗高、作用簡(jiǎn)單的51單片機(jī)還是到msp430這種低能耗功能健全的單片系統(tǒng)，他們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)以及電路搭建方面的難度要高于PLC.同時(shí)單片機(jī)還要考慮到硬件抖動(dòng)的問題，這些在PLC中迎刃而解，無論是PLC梯形圖還是其自帶的編程語(yǔ)言，都能將編程難度降低、編程效率提高，還有PLC控制方式屬于無觸點(diǎn)控制，因此執(zhí)行速度快，在程序執(zhí)行上損耗的時(shí)間基本可以忽略不計(jì).最后和嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，拋去嵌入式系統(tǒng)損耗大、對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)開發(fā)較困難等問題之外，嵌入式系統(tǒng)也是工業(yè)控制的良好選擇.嵌入式系統(tǒng)能夠進(jìn)行服務(wù)定制，將需要的模塊添加到自己的系統(tǒng)中，在各種mini Linux版本橫行的今天，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)利用自身平臺(tái)廣泛、開放性強(qiáng)等特點(diǎn)悄然地進(jìn)入了工業(yè)控制系統(tǒng)中.這種系統(tǒng)有利有弊，透明性太強(qiáng)導(dǎo)致其無法快速大批量地進(jìn)行開發(fā)，因此PLC現(xiàn)如今的地位還是無法取代.

2.2 自動(dòng)門窗系統(tǒng)的整體構(gòu)造和自動(dòng)窗獨(dú)特的運(yùn)行邏輯順序

自動(dòng)門窗的系統(tǒng)控制流程圖如圖3(以自動(dòng)門為例)，當(dāng)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，無論門外還是門內(nèi)，如有人接近自動(dòng)門時(shí)，光電接近開關(guān)的S1、S2就會(huì)發(fā)出脈沖，讓開門單元SK1執(zhí)行，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)自動(dòng)門運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)S3的位置時(shí)，此時(shí)門處于開門狀態(tài)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)門將在S3位置上停留9秒.如果在這期間沒有人出入自動(dòng)門，關(guān)門控制單元SK2會(huì)自行啟動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，待自動(dòng)門運(yùn)行到S4的位置時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)門關(guān)閉.但是在開門的9秒等待時(shí)間中，如果光電接近開關(guān)S1、S2檢測(cè)到有人通過自動(dòng)門，那么系統(tǒng)掛起，經(jīng)過9秒后才可以執(zhí)行關(guān)門命令.在關(guān)門單元SK2執(zhí)行期間，如果S1、S2檢測(cè)到有人通過自動(dòng)門，那么關(guān)門動(dòng)作中斷，啟用SK1單元執(zhí)行開門動(dòng)作.

圖3 自動(dòng)門系統(tǒng)控制流程圖

自動(dòng)窗的運(yùn)行方式與之相類似，只不過在進(jìn)步電機(jī)的運(yùn)行和開關(guān)門裝置上有所不同，自動(dòng)窗只需要進(jìn)行單扇運(yùn)動(dòng)，機(jī)制上更為簡(jiǎn)單.與傳統(tǒng)自動(dòng)門不同，自動(dòng)窗需要準(zhǔn)確的把握當(dāng)前時(shí)間，以保證白天開窗，黑夜關(guān)窗，如果此功能采用軟件計(jì)時(shí)的方法，會(huì)耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源，因此選用外接計(jì)時(shí)器是正確的選擇.同時(shí)還可以采用光感開關(guān)的啟動(dòng)方式，兩種啟動(dòng)方式并行保證自動(dòng)窗關(guān)閉正常.

3 自動(dòng)門窗系統(tǒng)的軟硬件選擇以及設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)門窗的硬件選擇

作為PLC項(xiàng)目的核心，PLC的選擇尤為重要，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的需求、項(xiàng)目的數(shù)據(jù)運(yùn)算速度要求進(jìn)行PLC的選擇.首先進(jìn)行MEMORY大小的選擇，由于設(shè)計(jì)程序復(fù)雜度、執(zhí)行功能的不同，所需要存儲(chǔ)器大小也就各不相同.MEMORY根據(jù)I/O數(shù)量進(jìn)行計(jì)算得到，一般來說程序占用的存儲(chǔ)空間乘以125%得到的數(shù)值就可以滿足程序的運(yùn)行.其次要進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)的估測(cè)，I/O點(diǎn)數(shù)直接影響到設(shè)備連接的接口多少和PLC的可擴(kuò)展度，過多的I/O點(diǎn)數(shù)會(huì)提高無用的成本，相反I/O點(diǎn)數(shù)不足的話，PLC將會(huì)無法完成自己的功能.最后一個(gè)重要的方面是PLC功能的選擇，PLC除了基本的運(yùn)算、控制等功能外，在一些情況下還需要進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.這一部分就需要根據(jù)設(shè)計(jì)功能的不同進(jìn)行系統(tǒng)定制.考慮到自動(dòng)門窗的應(yīng)用范圍、經(jīng)濟(jì)情況以及性能要求，本系統(tǒng)選擇了西門子的小型PLC-CPU224.如果說PLC是整個(gè)項(xiàng)目的大腦的話，電機(jī)就是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，為自動(dòng)門窗系統(tǒng)傳輸著動(dòng)力.電機(jī)采用無刷的直流電機(jī)，這類電機(jī)使用效率高，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生噪音，輸出穩(wěn)定，適用于這種“高精靜”的環(huán)境.感應(yīng)器主要是偵測(cè)運(yùn)動(dòng)中的物體，同時(shí)能夠快速識(shí)別，因此在此選擇的感應(yīng)器是紅外線的光電感應(yīng)器，這種感應(yīng)器的特點(diǎn)是造價(jià)低、通用性好.剩下的傳輸控制部分和限位開關(guān)模塊根據(jù)以往的設(shè)計(jì)進(jìn)行部分改良即可.

3.2 自動(dòng)門窗的程序設(shè)計(jì)以及電路連線

根據(jù)以上的I/O端口設(shè)定進(jìn)行I/O地址分配.I/O分配如下(自動(dòng)窗的設(shè)計(jì)與自動(dòng)門非常相似，這里僅以自動(dòng)門的設(shè)計(jì)為例).

I/O輸入點(diǎn)：I/O輸出點(diǎn).

X0：門外紅外線感應(yīng)器 S1；Y0：開門繼電器SK1.

X1：門外紅外線感應(yīng)器 S2；Y1：關(guān)門繼電器SK2.

X2：開門限位開關(guān)S3；Y2：轉(zhuǎn)速繼電器SK3.

X3：關(guān)門限位開關(guān)S4.

圖4 PLC硬件連接圖

硬件連接方式如圖4所示，①當(dāng)門完全開啟時(shí)，S3限位開關(guān)啟動(dòng)，X2有脈沖產(chǎn)生，此時(shí)PLC會(huì)進(jìn)行9秒的計(jì)數(shù)，9秒之后，如果X0與X1兩個(gè)I/O端口均沒有脈沖產(chǎn)生，那么SK2通電帶動(dòng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)閉自動(dòng)門，如果X0與X1產(chǎn)生了脈沖，那么PLC會(huì)進(jìn)行延時(shí)，直到在這9秒之內(nèi)沒有人在門前經(jīng)過.②當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，S4限位開關(guān)啟動(dòng)，如果S1、S2收集到了信號(hào)，讓X0與X1產(chǎn)生了電子脈沖，那么SK1會(huì)命令電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)門開啟，直至S3限位開關(guān)啟動(dòng)，門進(jìn)入了①狀態(tài)中.

自動(dòng)門窗程序中的繼電器連接方式，如圖5.

圖5 繼電器連接圖

根據(jù)PLC編程中梯形圖的幾個(gè)要點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)門窗中硬件的連接方式，圖6是程序部分的梯形圖.

圖6 自動(dòng)關(guān)門梯形圖

同時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)門語(yǔ)句，如圖7.

圖7 自動(dòng)門關(guān)門的語(yǔ)句

將以上編好的軟件內(nèi)容通過專用電纜加載到PLC中，進(jìn)行自動(dòng)門窗整體調(diào)試.

4 系統(tǒng)的調(diào)試以及應(yīng)用范圍

系統(tǒng)首先采用模擬環(huán)境進(jìn)行測(cè)試.將連接好的PLC、限位開關(guān)、繼電器、電機(jī)等在實(shí)驗(yàn)室排列好，模擬現(xiàn)實(shí)中的使用環(huán)境.首先人接近自動(dòng)門，I/O端口收到來自光電感應(yīng)開關(guān)的脈沖，繼電器連通電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，待運(yùn)行一段時(shí)間之后，開門限位開關(guān)啟動(dòng)，自動(dòng)門處于開啟狀態(tài)；然后在自動(dòng)門開啟期間只要有人靠近自動(dòng)門，那么自動(dòng)門便一直處于開啟狀態(tài)，開門限位開關(guān)也處于開啟狀態(tài)；經(jīng)過大約9秒鐘之后，自動(dòng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，開門限位開關(guān)關(guān)閉；在關(guān)閉的過程中，人在此期間接近自動(dòng)門，自動(dòng)門應(yīng)該立即停止關(guān)閉動(dòng)作，重新打開，以防有人被自動(dòng)門夾到，同時(shí)測(cè)試此時(shí)自動(dòng)門是否能夠正常地進(jìn)行關(guān)閉與延時(shí).在此系統(tǒng)調(diào)試的過程中，我們需要仔細(xì)觀察自動(dòng)門在運(yùn)行過程中的速度，還有滑軌的運(yùn)行流暢度，這些內(nèi)容直接影響到自動(dòng)門使用的感覺.軟硬件上的設(shè)計(jì)只是滿足自動(dòng)門運(yùn)行的基本功能，不一定能夠讓每一個(gè)人都滿意它的體驗(yàn)感覺，因此需要多次地進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整自動(dòng)門實(shí)用度.在此期間還要進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試，因?yàn)檎麄€(gè)自動(dòng)門窗系統(tǒng)主要是應(yīng)用于公共場(chǎng)合，自動(dòng)窗系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)定是天黑自動(dòng)窗關(guān)閉，天亮自動(dòng)窗開.自動(dòng)窗的穩(wěn)定性和可靠性是我們需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的重要方面.將這套自動(dòng)門窗系統(tǒng)預(yù)裝到公共門的附近，同時(shí)用攝像設(shè)備記錄下它一天的工作情況.如果在以上測(cè)試過程中出現(xiàn)問題，就需要進(jìn)行問題排查，如果是機(jī)械傳動(dòng)部分的問題，需要重新設(shè)置傳動(dòng)單元，如果問題出現(xiàn)在軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性上，那么就需要考慮系統(tǒng)程序是否精煉，開發(fā)板是否有著相應(yīng)的缺陷.

此套自動(dòng)門窗主要應(yīng)用于一般的公共場(chǎng)合，只需要簡(jiǎn)單的開關(guān)門服務(wù)，同時(shí)能夠保障其使用的舒適度即可.但是如果還需要添加更多的服務(wù)，程序復(fù)雜度會(huì)進(jìn)一步提高.比如在一般自動(dòng)門窗的使用基礎(chǔ)上添加聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的應(yīng)用，這個(gè)服務(wù)能夠讓自動(dòng)門窗的安全性和可操控性更強(qiáng).但是PLC作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)計(jì)核心，其內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)模塊功能不豐富，所能完成的網(wǎng)絡(luò)工作較為簡(jiǎn)單，無法與嵌入式系統(tǒng)相媲美，因此如何將PLC與多種開發(fā)模式有機(jī)結(jié)合，形成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控互聯(lián)系統(tǒng)是我們未來的發(fā)展目標(biāo).

5 PLC系統(tǒng)未來技術(shù)方向與自動(dòng)門的革新

PLC未來將會(huì)擁有更高的效能和更加豐富的功能.為了適應(yīng)更小的工作空間，PLC自動(dòng)門窗設(shè)計(jì)會(huì)更加的靈活，同時(shí)功能會(huì)愈發(fā)強(qiáng)大，可以并行控制更多的智能化設(shè)備.比如未來可以不用專門為PLC設(shè)計(jì)置放空間，PLC可以嵌入到任何地方，甚至可以與各種智能設(shè)備封裝為同一個(gè)設(shè)備.操作更加簡(jiǎn)單，接口通用性更強(qiáng).當(dāng)前PLC設(shè)備較多，不同的廠商使用的編譯軟件也各不相同，這樣會(huì)導(dǎo)致軟件的可移植性不強(qiáng).未來將會(huì)采用統(tǒng)一的國(guó)際編譯標(biāo)準(zhǔn)以方便軟件通用化的實(shí)行.與此同時(shí)，PLC的接口能夠適應(yīng)更多的智能化設(shè)備，PLC之間的通用率進(jìn)一步提高，在自動(dòng)門PLC元件出現(xiàn)問題時(shí)，我們將自動(dòng)門運(yùn)行程序加載到現(xiàn)有PLC中，并用它替換下有問題的PLC元件.最后PLC系統(tǒng)將不再是單獨(dú)的運(yùn)行個(gè)體，而是能夠與其他智能設(shè)備連接共同組成集群網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行大規(guī)模地運(yùn)行計(jì)算，并且能夠進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)與主控制機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)收集的集成化數(shù)據(jù)模塊.

6 結(jié)語(yǔ)

本文以PLC為依托，完成了自動(dòng)門窗的設(shè)計(jì)、軟硬件的選擇和整體系統(tǒng)的構(gòu)造等任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)要求，為下一步試驗(yàn)研究打下了基礎(chǔ).但是想要實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定安全的自動(dòng)門窗系統(tǒng)，今后還需要進(jìn)行深入探討研究，保證其能夠滿足各方面的要求.同時(shí)應(yīng)該考慮到實(shí)際的應(yīng)用情況和未來的發(fā)展趨勢(shì)，在單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)大行其道的今天，將多種開發(fā)方式有機(jī)結(jié)合起來，從而讓系統(tǒng)更加健全與完善.

［1］陳佳，劉林林，熊偉，張仁遠(yuǎn)，甘永梅，鄭明.基于工業(yè)PC的軟PLC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(01).

［2］張高煜.基于個(gè)人PC機(jī)的PLC計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)的研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(02).

［3］馬秀坤，史運(yùn)濤，王捷，鄭勇，楊立永.PLC實(shí)踐教學(xué)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的探索與創(chuàng)新［C］//北京高教學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì).2010年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集(上冊(cè))，2010.

［4］吳亮，韓端陽(yáng)，王忠華，祖孝奎，方曉達(dá).西門子OLM在PLC遠(yuǎn)程通信中的應(yīng)用［C］//2011年河北省冶金信息化自動(dòng)化年會(huì)論文集，2011.

［5］寇越峰，趙宇東，趙玉霞.基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)中主機(jī)與PLC通信的實(shí)現(xiàn)［J］.電工電能新技術(shù)，2000(02).

［6］周純杰，熊銳，王永驥，龔云生.基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的嵌入式PLC軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006(34).