陈 芳

(安徽城市管理职业学院，安徽合肥231635)

自动门窗系统是现代生活中应用范围相当广泛的设备，它利用多种电器元件和控制软件完成门窗的自动控制，拥有通过门权利的人能够被它放行，而没有相应权利的人则被它阻拦在门外.随着电子技术的不断发展，自动门窗所应用的设备和软件也发生了日新月异的变化.PLC由于其故障率低、可编程性高等优点为设计人员所亲睐.本文对新式自动门窗的适用性进行了研究，并且对当前自动门窗加以改进，让其更具人性化和自动化，同时提高系统的安全性，使用起来更加安全和方便.

1 自动门的基本组成以及单元划分

1.1 自动门窗的功能需求和改进

根据功能的不同进行需求分析.自动门窗主要应用于公共场合，因此系统需要稳定安全地运行，同时能够在紧急情况下进行特殊事件处理.①自动门窗系统需要有手动和自动两种模式，门在自动模式下能够及时侦测到有人来到门附近或者没有人，并进行相应的开关操作.如果系统出现了异常，那么切换到手动模式还可以进行正常的开关.②自动窗在自动模式下能够在白天开启，同时在夜晚来临时关闭.③自动门窗在出现夹人或者其他特殊情况时，能够进行开门动作.④自动门窗在进行开关动作时能够给人们提示，并且提示要柔和，不能干扰到人们的正常工作.⑤系统需要预留接口，进行功能添加，例如增加当前自动门窗不存在的监控录像系统.

1.2 自动门窗系统的组成结构

自动门窗系统主要分为三个部分：①PLC单元；②信号收集单元；③传感控制单元.PLC单元即主控制器，它是自动门窗系统的心脏，在同一时间进行内部多项控制，例如进行采集信号的分析、系统时钟控制、进步电机的转动控制等，它可以根据外在的系统接口进行系统的任务调配，同时完成特殊情况的处理.PLC单元是系统最为关键的部分，在这里选用西门子SIMATIC S7-200的CPL，它的价格低廉适合于大量的系统级开发，同时稳定性好，扩展性强能够满足系统设计要求.信号收集单元是整个系统的触角，是PLC的眼睛和耳朵.信号收集单元主要由7个部分组成：门内光电接近开关、门外光电接近开关、开门限位开关、关门限位开关、窗外光感开关、开窗限位开关、关窗限位开关.接近开关能够保障人们在接近时，快速进行门的开关；门窗的限位开关可以让门窗开合准确；光感开关能够保证观景窗能够在白天开启，晚上关闭；传感控制单元主要由进步电机以及轮轴系统组成，保证自动门窗系统准确快速的完成开关门任务.

自动门系统组成图见图1.

图1 自动门系统组成图

自动窗系统如图2.

图2 自动窗系统组成图

2 自动门窗整体系统设计

2.1 采用PLC的优势

PLC与一般微型计算机组成方式类似，但是在命令执行顺序上有着很大的不同，一般微型计算机命令执行顺序是命令等待，而PLC是周期扫描进行命令控制的模式.同时普通计算机民用性较强，接口的设计更具有通用性，计算机内部CPU、MEMORY也被系统占去了一部分资源，进程之间的切换、缓存存储与读取耗费了运算效能，因此在工业监控硬件操控效率方面不可能有PLC一样的效率.单片机程序执行效率高这点是毋庸置疑的，但是无论是从最初能耗高、作用简单的51单片机还是到msp430这种低能耗功能健全的单片系统，他们在程序设计以及电路搭建方面的难度要高于PLC.同时单片机还要考虑到硬件抖动的问题，这些在PLC中迎刃而解，无论是PLC梯形图还是其自带的编程语言，都能将编程难度降低、编程效率提高，还有PLC控制方式属于无触点控制，因此执行速度快，在程序执行上损耗的时间基本可以忽略不计.最后和嵌入式系统进行对比，抛去嵌入式系统损耗大、对应驱动开发较困难等问题之外，嵌入式系统也是工业控制的良好选择.嵌入式系统能够进行服务定制，将需要的模块添加到自己的系统中，在各种mini Linux版本横行的今天，嵌入式系统已经利用自身平台广泛、开放性强等特点悄然地进入了工业控制系统中.这种系统有利有弊，透明性太强导致其无法快速大批量地进行开发，因此PLC现如今的地位还是无法取代.

2.2 自动门窗系统的整体构造和自动窗独特的运行逻辑顺序

自动门窗的系统控制流程图如图3(以自动门为例)，当门处于关闭状态时，无论门外还是门内，如有人接近自动门时，光电接近开关的S1、S2就会发出脉冲，让开门单元SK1执行，控制电机正转，当自动门运动到限位开关S3的位置时，此时门处于开门状态，电机停止转动，自动门将在S3位置上停留9秒.如果在这期间没有人出入自动门，关门控制单元SK2会自行启动带动电机反转，待自动门运行到S4的位置时，停止转动，自动门关闭.但是在开门的9秒等待时间中，如果光电接近开关S1、S2检测到有人通过自动门，那么系统挂起，经过9秒后才可以执行关门命令.在关门单元SK2执行期间，如果S1、S2检测到有人通过自动门，那么关门动作中断，启用SK1单元执行开门动作.

图3 自动门系统控制流程图

自动窗的运行方式与之相类似，只不过在进步电机的运行和开关门装置上有所不同，自动窗只需要进行单扇运动，机制上更为简单.与传统自动门不同，自动窗需要准确的把握当前时间，以保证白天开窗，黑夜关窗，如果此功能采用软件计时的方法，会耗费大量的系统资源，因此选用外接计时器是正确的选择.同时还可以采用光感开关的启动方式，两种启动方式并行保证自动窗关闭正常.

3 自动门窗系统的软硬件选择以及设计

3.1 自动门窗的硬件选择

作为PLC项目的核心，PLC的选择尤为重要，应根据项目的需求、项目的数据运算速度要求进行PLC的选择.首先进行MEMORY大小的选择，由于设计程序复杂度、执行功能的不同，所需要存储器大小也就各不相同.MEMORY根据I/O数量进行计算得到，一般来说程序占用的存储空间乘以125%得到的数值就可以满足程序的运行.其次要进行I/O点数的估测，I/O点数直接影响到设备连接的接口多少和PLC的可扩展度，过多的I/O点数会提高无用的成本，相反I/O点数不足的话，PLC将会无法完成自己的功能.最后一个重要的方面是PLC功能的选择，PLC除了基本的运算、控制等功能外，在一些情况下还需要进行联网操作，进行远程控制.这一部分就需要根据设计功能的不同进行系统定制.考虑到自动门窗的应用范围、经济情况以及性能要求，本系统选择了西门子的小型PLC-CPU224.如果说PLC是整个项目的大脑的话，电机就是整个系统的心脏，为自动门窗系统传输着动力.电机采用无刷的直流电机，这类电机使用效率高，同时不会产生噪音，输出稳定，适用于这种“高精静”的环境.感应器主要是侦测运动中的物体，同时能够快速识别，因此在此选择的感应器是红外线的光电感应器，这种感应器的特点是造价低、通用性好.剩下的传输控制部分和限位开关模块根据以往的设计进行部分改良即可.

3.2 自动门窗的程序设计以及电路连线

根据以上的I/O端口设定进行I/O地址分配.I/O分配如下(自动窗的设计与自动门非常相似，这里仅以自动门的设计为例).

I/O输入点：I/O输出点.

X0：门外红外线感应器 S1；Y0：开门继电器SK1.

X1：门外红外线感应器 S2；Y1：关门继电器SK2.

X2：开门限位开关S3；Y2：转速继电器SK3.

X3：关门限位开关S4.

图4 PLC硬件连接图

硬件连接方式如图4所示，①当门完全开启时，S3限位开关启动，X2有脉冲产生，此时PLC会进行9秒的计数，9秒之后，如果X0与X1两个I/O端口均没有脉冲产生，那么SK2通电带动电机反向转动关闭自动门，如果X0与X1产生了脉冲，那么PLC会进行延时，直到在这9秒之内没有人在门前经过.②当门关闭时，S4限位开关启动，如果S1、S2收集到了信号，让X0与X1产生了电子脉冲，那么SK1会命令电机正向旋转，自动门开启，直至S3限位开关启动，门进入了①状态中.

自动门窗程序中的继电器连接方式，如图5.

图5 继电器连接图

根据PLC编程中梯形图的几个要点，结合自动门窗中硬件的连接方式，图6是程序部分的梯形图.

图6 自动关门梯形图

同时对应的关门语句，如图7.

图7 自动门关门的语句

将以上编好的软件内容通过专用电缆加载到PLC中，进行自动门窗整体调试.

4 系统的调试以及应用范围

系统首先采用模拟环境进行测试.将连接好的PLC、限位开关、继电器、电机等在实验室排列好，模拟现实中的使用环境.首先人接近自动门，I/O端口收到来自光电感应开关的脉冲，继电器连通电机，电机正转，待运行一段时间之后，开门限位开关启动，自动门处于开启状态；然后在自动门开启期间只要有人靠近自动门，那么自动门便一直处于开启状态，开门限位开关也处于开启状态；经过大约9秒钟之后，自动门处于关闭状态，开门限位开关关闭；在关闭的过程中，人在此期间接近自动门，自动门应该立即停止关闭动作，重新打开，以防有人被自动门夹到，同时测试此时自动门是否能够正常地进行关闭与延时.在此系统调试的过程中，我们需要仔细观察自动门在运行过程中的速度，还有滑轨的运行流畅度，这些内容直接影响到自动门使用的感觉.软硬件上的设计只是满足自动门运行的基本功能，不一定能够让每一个人都满意它的体验感觉，因此需要多次地进行试验调整自动门实用度.在此期间还要进行系统稳定性测试，因为整个自动门窗系统主要是应用于公共场合，自动窗系统的应用设定是天黑自动窗关闭，天亮自动窗开.自动窗的稳定性和可靠性是我们需要进行重复试验进行验证的重要方面.将这套自动门窗系统预装到公共门的附近，同时用摄像设备记录下它一天的工作情况.如果在以上测试过程中出现问题，就需要进行问题排查，如果是机械传动部分的问题，需要重新设置传动单元，如果问题出现在软件运行的稳定性上，那么就需要考虑系统程序是否精炼，开发板是否有着相应的缺陷.

此套自动门窗主要应用于一般的公共场合，只需要简单的开关门服务，同时能够保障其使用的舒适度即可.但是如果还需要添加更多的服务，程序复杂度会进一步提高.比如在一般自动门窗的使用基础上添加联网监控的应用，这个服务能够让自动门窗的安全性和可操控性更强.但是PLC作为工业标准硬件设计核心，其内置的网络模块功能不丰富，所能完成的网络工作较为简单，无法与嵌入式系统相媲美，因此如何将PLC与多种开发模式有机结合，形成工业标准化监控互联系统是我们未来的发展目标.

5 PLC系统未来技术方向与自动门的革新

PLC未来将会拥有更高的效能和更加丰富的功能.为了适应更小的工作空间，PLC自动门窗设计会更加的灵活，同时功能会愈发强大，可以并行控制更多的智能化设备.比如未来可以不用专门为PLC设计置放空间，PLC可以嵌入到任何地方，甚至可以与各种智能设备封装为同一个设备.操作更加简单，接口通用性更强.当前PLC设备较多，不同的厂商使用的编译软件也各不相同，这样会导致软件的可移植性不强.未来将会采用统一的国际编译标准以方便软件通用化的实行.与此同时，PLC的接口能够适应更多的智能化设备，PLC之间的通用率进一步提高，在自动门PLC元件出现问题时，我们将自动门运行程序加载到现有PLC中，并用它替换下有问题的PLC元件.最后PLC系统将不再是单独的运行个体，而是能够与其他智能设备连接共同组成集群网络，进行大规模地运行计算，并且能够进入互联网与主控制机进行网络交互，实现远程控制与数据收集的集成化数据模块.

6 结语

本文以PLC为依托，完成了自动门窗的设计、软硬件的选择和整体系统的构造等任务，达到了预期目标要求，为下一步试验研究打下了基础.但是想要实现一个稳定安全的自动门窗系统，今后还需要进行深入探讨研究，保证其能够满足各方面的要求.同时应该考虑到实际的应用情况和未来的发展趋势，在单片机、嵌入式系统大行其道的今天，将多种开发方式有机结合起来，从而让系统更加健全与完善.

［1］陈佳，刘林林，熊伟，张仁远，甘永梅，郑明.基于工业PC的软PLC的设计与实现［J］.工业控制计算机，2009(01).

［2］张高煜.基于个人PC机的PLC计算机辅助设计及仿真系统的研究［J］.湖北汽车工业学院学报，1999(02).

［3］马秀坤，史运涛，王捷，郑勇，杨立永.PLC实践教学在应用型人才培养中的探索与创新［C］//北京高教学会实验室工作研究会.2010年学术研讨会论文集(上册)，2010.

［4］吴亮，韩端阳，王忠华，祖孝奎，方晓达.西门子OLM在PLC远程通信中的应用［C］//2011年河北省冶金信息化自动化年会论文集，2011.

［5］寇越峰，赵宇东，赵玉霞.基于工业PC的数控系统平台中主机与PLC通信的实现［J］.电工电能新技术，2000(02).

［6］周纯杰，熊锐，王永骥，龚云生.基于网络环境的嵌入式PLC软件平台设计与实现［J］.计算机工程与应用，2006(34).