自动门的plc控制设计.docx
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自动门的plc控制设计
自动门的plc控制设计
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学生XX
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年月日
摘要
随着科学技术的不断发展，自动门系统已开始应用于大型公司、科研所、政府机关等XX性较强的单位。
为增强自动门运行的可靠性，本设计提出了一种FX232MR可编程控制器（PLC）与变频器控制的自动门控制系统，设计中采用两个感应探测器（门内和门外）、一些开关及传感器作为此系统的输入设备，变频器用来调节门体速度，并分析了该控制系统的工作原理及系统的硬件组成，分析了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程，对PLC的选型、变频器的选型、I/O点的确定及自动门的动作过程等方面进行了详细阐述。
结合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。
关键词：
自动门，可控制编程器，梯形图，变频控制
DesignofAutomaticDoor
ControlSystemBasedonPLC
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,automaticdoorsystemhasbeenappliedtolargepanies,researchinstitutes,governmentagenciesandotherunitsarehighlyconfidential.Toenhancethereliabilityofautomaticdooroperation,thisdesignpresentsaFX2-32MRprogrammablelogiccontroller（PLC）andtheinvertercontrolautomaticdoorcontrolsystem,thedesignusestwosensorprobes（dooranddooroutside）,someswitchesandsensorsasthesysteminputdevice,thedrivedoorisusedtoadjustthespeed,andanalyzestheworkingprincipleofthecontrolsystemhardwareponentsandsystems,analysisofthehumanbodydetectionsensors,automaticdooroperationpositiondetection,thedoorobstacledetectionandothercontrolcircuittoruntheworkingprocess,theselectionofthePLC,inverterselection,I/Opointsoftheactiontoidentifyandautomaticdoorsandotheraspectsoftheprocessindetail.WithPLC'soperatingcharacteristicsofthecontrolsystemwerereasonableworkflowoptimization.Onthisbasis,giventheprocesscontrolsystemsoftwaredesignflow,sequentialfunctionchart,theexternalcontrolterminalwiringdiagramandPLCladderandsoon.Describestheapplicationoftheprogrammablecontrollerdesignedtoreplacetraditionalrelay,contactorcontrolsystems,automaticdoorcontrolprocess.
KEYWORDS:
AutomaticDoors，ControlProgramming，Ladder，Drive
目 录
概述
1.1研究背景和研究意义
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：
有效地防X、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。
自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。
门的高级形式--自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。
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。
1.2国内外自动门的发展状况
在国外，进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经很成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。
在现在人们生活中自动门可以节约空间能源、降低噪音、防尘、防风，同时可以使出入口显得很庄重高档，因此应用非常广泛。
随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等公共场所。
但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。
在自动门控制系统设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。
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自动门的部件组成
（1）主控器是自动感应门的指挥中心，它通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时工作人员可通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
（2）感应探测器负责采集外部信号，当有移动物体进入它的工作X围时，它就给主控器一个脉冲信号。
（3）动力马达可提供开关门的主动力。
（4）自动感应门扇行进轨道用于约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。
（5）门扇吊具走轮系统用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。
（6）同步皮带（有的厂家使用三角皮带）用于传输马达动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。
（7）下部导向系统是自动感应门门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后摆动。
2.3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。
2.4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
2.5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SBl或SB2时，开门执行机构KMl、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SBl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SBl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SBl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SBl、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KMl/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.
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X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。
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。
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。
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。
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X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输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
4.机型的选择
（1）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类：
按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
（2）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能X围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
本设计所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，因此选择整体型PLC。
综合以上因素，本设计采用日本三菱公司生产的FX2-32MR小型PLC来实现整个自动系统的控制。
3.8可编程控制器（PLC）的I/O分配
I/O分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。
根据自动门的控制系统的要求，确定了PLC的I/O分配表，如表3-1所示：
表3-1I/O分配表
类型
设备
PLC端子号
输入端
门外感应探测器SB1
X000
门内感应探测器SB2
X001
开门减速开关SB3
X002
开门限位开关SB4
X003
关门减速开关SB5
X004
关门限位开关SB6
X005
防夹人SB7
X006
手动开门K1
X007
手动关门K2
X008
手动/自动开关K3
X009
电机过热K4
X010
急停开关K5
X011
输出端
高速开门KM1
Y000
低速开门KM2
Y001
高速关门KM3
Y002
低速关门KM4
Y003
报警器
Y004
门动作中指示灯
Y005
门停止工作指示灯
Y006
门达到上限指示灯
Y007
电机过热指示灯
Y008
手动开门
Y009
手动关门
Y010
PLC外部端子I/O配置图是I/O分配表的直观表达，可以清楚的表示PLC的外部端子的接线情况，是非常必要
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