毕业设计自动门电气控制电路设计.docx

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毕业设计自动门电气控制电路设计

甘肃畜牧工程职业技术学院

毕业论文设计

题目：

自动门电气控制电路设计

系部：

电子信息工程系

专业：

电气自动化

班级：

电气10.2班

学生姓名：

学号：

******

日期：

2012.9.16

前言

随着电子技术的发展，可编程控制器（简称PLC）有了进一步的发展。

PLC控制的自动门系统也不断更新着。

本文中论述的PLC自动门控制系统主要由以下这几部分构成：

可编程控制器（PLC）、感应探测器、变频器、驱动器、传动装置。

本设计可编程控制器就选用FX2N-32M小型的PLC；感应探测器选用微波感应器（微波雷达）；变频器就采用FR－540变频器；驱动器采用三相异步电动机；传动装置采用皮带来带动自动门的运动。

合PLC的运行特点，对控制系统的工作流程作了合理的优化。

在此基础上，给出了控制系统软件设计的程序流程图、顺序功能图、外部端子接线图及PLC控制梯形图等。

本设计介绍应用可编程控制器取代传统的继电器、接触器控制系统，实现自动门控制的过程。

文中主要从以上几个方面进行设计论述。

其中可编程控制器（PLC）与变频器是设计的要点。

目　录

第1章概述

1.1研究背景和研究意义

21世纪的今天，根据西部地区气候特征，要求建筑物大门随手关门，以保证防风沙、防寒。

为体现人性化、智能化、做到人到自动开门、人走自动关门.门更加突出了安全理念，强调了有效性。

有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。

自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。

自动门除可美化出入口环境外，由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。

同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。

自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来分，有传统的继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装；智能控制器控制，即通过运用现代自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。

由于继电器逻辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制的自动门所淘汰。

当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。

当人通过门之后，再将门关闭。

由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。

微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。

红外传感器对物体存在进行反应，不管人员是否移动，只要在处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。

缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。

在智能控制器的选择上，自动门的主控器有微电脑控制器控制和可编程控制器（PLC）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定性高维护方便，目前许多大型的商场的自动门都是由这种方式来控制。

利用传感器检测、电机拖动、自动控制系统、自动控制理论、现代电气控制及PLC等专业知识、独立从硬件、软件、调试、仿真设计一个自动门控制系统。

1.2国内外自动门的发展状况

（一）国内自动控制发展现状

（1）厂家多，规模小5～6年来几年来，自动门在国内得到了快速的发展。

据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有50多家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。

从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。

（2）专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。

近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。

（3）高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。

（4）产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。

其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。

同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。

（二）自动控制发展趋势

自动门是门的一种，指可以将人接近门的动作或将某种入门授权识别为开门信号的控制单元。

通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

自动门起源于20世纪30到40年代，当时主要用于军事仓库、重要工厂为的是防火、防弹及开门方便。

20世纪50年代后，自动门应用日渐广泛形成批量生产。

许多大型银行、宾馆、酒店、大厦为提高档次和服务水平，为了与高层次的建筑相匹配，竞相采用自动门，促进了自动门的迅速发扎。

真正较大规模生产和应用时70年代以后的事。

目前自动门的主要生产国是美国、德国、意大利、荷兰和日本等发达国家。

自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响。

世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设。

自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低。

然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

例如，各种用可识别控制的自动专用门，感应自动门（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。

1.3自动门技术发展方向

由于目前没有相关的技术标准，各厂家的产品都按照自己的企业标准进行生产，对各项技术指标的要求和测量方法都不尽相同，如提升力等参数，差别较大，在市场上造成了较大的混乱，给用户选择带来不便，也不利于行业的发展。

因此，有必要制定自动门的技术标准，明确规定的主要技术指标以及测试方法等，引导市场有序竞争，促进行业发展。

经过多年发展，自动门行业呈现以下发展趋势：

（1）智能化，多功能：

今后的还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，以始终保持较高的遇障保护灵敏度等。

还将增加一些新的功能，如和住宅安防系统配合使用等。

（2）免维护：

采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。

（3）多样化：

将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需要。

（4）高安全性：

随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标，也将是一项基本要求。

传统的自动门是由继电器控制的，即通过按钮和复杂的接线安装来控制。

现在的自动门大多都是由智能控制器控制，即通过运用现代自动化设备来控制，它具有稳定性高、安全等优点。

 而在智能控制器的选择上，现今自动门的主控器有单片机控制和可编程控制器（PLC）控制。

单片机控制主要有体积小、安装方便等特点，一般多数被对自动门性能要求稍低的场合采用；PLC控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型的商场等人流量多的自动门都是由这种方式来控制。

第2章自动门控制系统总体方案设计

2.1自动门的功能需求分析

本设计是面向公共场所入口的应用设计，需要有安全和可靠性，在设计的时候改良了自动门的友好性，结构如图2-1所示：

图2-1自动门结构示意图

根据入口处对自动门的具体要求，本设计所设计的自动门应具有以下功能：

（1）开门和关门控制应具有手动和自动方式

为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。

手动和自动转换开关来控制，当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。

当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应探测器检测有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。

（2）防夹人功能

为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装主动式红外线防夹感应器，一防止停留在门附近的人被门所夹住。

（3）蜂鸣器提示功能

当自动门出现夹人意外状况时，PLC输出信号给蜂鸣器，蜂鸣器响以提示管理人员的注意。

自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。

采用自动和手动点动控制方式，此种控制模式为目前大多数自动门的控制方式。

本设计所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。

2.2系统设计的基本步骤

在自动门控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析自动门的工艺条件和控制要求。

（2）确定I/O设备。

根据自动门控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。

（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。

（4）分配I/O点数，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

（5）设计自动门系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。

2.3自动门技术参数的确定

自动平移门安装和调试的关键是提高精度，即导轨的平直度和水平度，门体地两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。

在自动门投入使用后，尤其是初期，应经常调节门体，修正运行产生的误差。

要严格限制门体重量，不能超过自动门的额定负重。

通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的清理和调整。

公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。

例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达到成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。

例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。

具体参数如表2-1所示。

表2-1自动门具体参数

单扇开启宽度（mm）

1250（最宽）

单扇门的最大承重（kg）

1×120kg

高度（mm）

2500mm

最快开/关门速度（cm/s）

60cm/s

减速开/关门速度（cm/s）

20cm/s

开启保持时间（s）

15s（程序中可调）

可编程控制器电源

220VAC，50-60Hz

驱动器电源

380VAC，50Hz

驱动器输出额定功率

120W

2.4自动门的控制要求

（1）当有人由内到外或由外到内通过感应探测器检测开关SB1或SB2时，开门执行机构KM1、KM2动作，电动机正转，当门到达开门减速开关SB3位置时，电机开始减速，门到达开门限位开关SB4位置时，电机停止运行。

（2）自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM3、KM4被起动，电动机反转，当门移动到关门减速开关SB5位置时，电机开始减速，门移动到关门限位开关SB6位置时，电机停止运行。

（3）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过感应探测器检测开关SB1或SB2时，门立即停止且停止0.5秒后，自动进入开门程序。

（4）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过感应探测器检测开关SB1或SB2时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

（5）当有人站在门口不进入时，感应探测器检测开关SB1或SB2就会一直检测到信号，定时器处于循环定时状态。

自动门控制装置由门外感应探测器检测开关SB1、门内感应探测器检测开关SB2、开门减速开关SB3、开门到限位开关SB4、关门减速开关SB5、关门到限位开关SB6、开门执行机构KM1/KM2（使直流电动机正转）、关门执行机构KM3/KM4（使直流电动机反转）等部件组成。

考虑到自动控制门在出现故障时的维修方便，所以增加了手动开门K1、手动关门K2.

第3章自动门硬件系统的设计

3.1控制系统结构设计

本设计运用PLC控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门运转的控制方式。

采用变频器电路，结构简单，控制方便，可靠性高，交流电机具有效率高、维护成本低的特点。

交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长等优点，并且系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩、高速横功率运转等特性。

随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的大量运用提供了条件。

控制系统结构图如图3-1所示：

图3-1控制系统结构图

3.2驱动装置的选择

自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障，本设计中是运用变频器来自动调节电机的速度，以达到驱动自动门的目的。

这种方法具有稳定性好，维修方便，连接简单，成本较低，是在目前的自动门行业的主流控制方式。

根据本设计所设计的自动门的要求应选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准规定的，具有噪声低、过载能力强的特点，在结合了安全、稳定的考虑，本设计的自动门控制系统的驱动装置选用步进电机。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个同定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100％）的特点，广泛应用于各种开环控制。

PLC对电机的控制有两种方式：

一种是脉冲+方向控制；一种是正反向脉冲输出。

这里采用第1种方法。

PLC的高速脉冲输出提供一个指定脉冲数目的方波输出（占空比为50％）。

在加速和减速时输出脉冲的频率（或周期）线性变化，而在恒定频率段部分保持不变。

一旦产生完指定数目的脉冲，PTO输出变为低电平，直到装载一个新的指定值时才产生脉冲。

PTO输出占用一个PLC输出点，用于控制门体的位移和速度，由另一个输出点的信号控制门体运动的方向。

这两个信号送给步进电机驱动器去驱动电机，以带动门体完成相应的运动。

3.3变频器的选择

3.3.1变频器原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。

变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。

3.3.2变频器的选型

根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点：

1.变频器与负载的匹配问题

（1）电压匹配：

变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

本设计所用的电机的额定电压为380V，故在选择变频器时要符合电机的额定电压。

（2）电流匹配：

变频器的额定电流与电机的额定电流相符，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

在本设计所使用的三相交流电机的最大启动电流为0.37A，故所用的变频器的最大电流应大于电机的最大启动电流。

（3）转矩匹配：

这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生，本设计所使用的最初启动转矩为1.4N/m，所以，在选型中要考虑。

2.在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。

因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

综合以上因素，本设计变频器采用日本三菱公司生产的FR-540变频器作为控制电机转速的控制器。

三菱FR-540变频器具有以下优点：

（1）接线简单，可运用PLC的继电器输出接到变频器的控制输入端来控制变频的正反转和频率。

（2）安装灵活，可以根据实际需要，把控制装置安装到任何位置，进行远距离操作。

（3）频率设置简单，并且具有三速设定功能，可以满足本设计自动门系统的控制要求，且操作方便，只需轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置。

3.4探测器的选择

目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应开关，红外感应器，接近感应开关等，根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中，是自动门系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，如在高档酒店、写字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，选择窄区域的感应器。

根据本设计的需要选用人体感应探测器。

人体都有恒定的体温，一般在37°，发出波长为10微米左右的红外线。

热释电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为10微米左右的红外辐射非常敏感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。

被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产生相应的信号。

人体感应探测电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自动门两侧。

当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。

电子开关信号输入到PLC输入继电器中，PLC根据收到的信号，驱动步进电机将门打开。

人体感应探测器需要2个，分别用来感应门内外的来人情况，占用PLC两个输入点。

3.5自动门运行位置检测

本系统的关键是控制门的运行，为了达到更好的控制效果，PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理，所以在关键的位置上安装位置传感器，并把传感器信号传给PLC。

为此设置了两个行程开关，一个用于检测门完全打开时的位置，叫开门极限开关，一个用于检测门完全关闭时的位置，叫关门极限开关。

当门在运行过程中，接近最大位置时，限位开关的信号传给PLC，电机停止运转。

门离限位开关较近时，电机低速运行，通过程序来控制。

2个行程开关，占用PLC3个输入点。

3.6门运行障碍检测、报警

在门运行过程中，有时会遇到障碍物阻止它的运行。

这时需要具体分析，如果是在开门过程中出现这种情况，有可能是途中障碍的阻止，或者是开门限位开关坏了，停止运行并报警；如是关门时出现这种情况，有可能挤到人或物了，应向相反方向运行，给出报警信号。

设置一个传感器检测在关门过程中有无人或物体在门的中间。

主动式红外线防夹感应器由发射特定频率的红外线发射器与接收器组成，其红外线频率与自然界及人体的红外线不同。

在关门过程中当人或物阻挡时，接收器收不到光信号产生一个负脉冲，该脉冲作为PLC的一个中断信号，PLC控制门体向相反方向运动。

这是一个非常重要的保护功能，在防止碰人或物的同时，保护自动门电机不会因过载而烧坏。

在自动门运行中，由于电机的频繁转动，可能会使电机过热造成电机机芯的损坏，因此，在电机上安置一个温度传感器来监测电机的温度，当电机的温度高于预定值时，传感器把信号传给PLC，PLC分析输出信号，指示灯亮，提醒监管人员的注意，以保证电机的良好运转。

3.7可编程控制器（PLC）的选型

3.7.1PLC概述

可编程控制器，英语称ProgrammableController，简称PLC，本设计中用PLC作为它的简称。

PLC是用于工业现场的电控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输入信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC基于电子计算机，但并不等于普通计算机。

普通计算机进行出入信息变换时，大多只考虑信息本身，信息出入的物理过程一般不考虑的。

而PLC则要考虑信息出入的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。

特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，出入信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

PLC可以通过它的外设或者通信接口与外界交换信息。

其功能要比继电装置多的多、强的多。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：

（1）逻辑处理功能；

（2）数据运算功能；

（3）准确定时功能；

（4）高速计数功能；

（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；

（6）程序与数据存储功能；

（7）联网通信功能；

（8）自检测、自诊断功能。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也可以做到。

像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。

3.7.2可编程控制器（PLC）的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。

工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1.输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。

实际订货时，还需根据制造厂商的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

根据估算的方法，故本设计的I/O点数为输入12点，输出11点。

2.存储容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需要在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的的总字数（16位为一个字）；另外再按此数的25%考虑余量。

因此本设计的PLC内存容量选择应能存储2000梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。

3.控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

根据本设计所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。

（1）控制功能

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入