PLC的自动门控制系统方案设计书.docx

PLC的自动门控制系统方案设计书.docx

《PLC的自动门控制系统方案设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC的自动门控制系统方案设计书.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

PLC的自动门控制系统方案设计书

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

单位代码

学　号

分类号

密级

毕业论文

PLC的自动门控制系统设计

院（系）名称

专业名称

学生姓名

指导教师

2012年4月8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、政府机关等保密性较强的单位。

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,automaticdoorsystemhasbeenappliedtolargecompanies,researchinstitutes,governmentagenciesandotherunitsarehighlyconfidential.Toenhancethereliabilityofautomaticdooroperation,thisdesignpresentsaFX2-32MRprogrammablelogiccontroller（PLC）andtheinvertercontrolautomaticdoorcontrolsystem,thedesignusestwosensorprobes（dooranddooroutside）,someswitchesandsensorsasthesysteminputdevice,thedrivedoorisusedtoadjustthespeed,andanalyzestheworkingprincipleofthecontrolsystemhardwarecomponentsandsystems,analysisofthehumanbodydetectionsensors,automaticdooroperationpositiondetection,thedoorobstacledetectionandothercontrolcircuittoruntheworkingprocess,theselectionofthePLC,inverterselection,I/Opointsoftheactiontoidentifyandautomaticdoorsandotheraspectsoftheprocessindetail.WithPLC'soperatingcharacteristicsofthecontrolsystemwerereasonableworkflowoptimization.Onthisbasis,giventheprocesscontrolsystemsoftwaredesignflow,sequentialfunctionchart,theexternalcontrolterminalwiringdiagramandPLCladderandsoon.Describestheapplicationoftheprogrammablecontrollerdesignedtoreplacetraditionalrelay,contactorcontrolsystems,automaticdoorcontrolprocess.

KEYWORDS:

AutomaticDoors，ControlProgramming，Ladder，Drive

目　录

前　言

在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼里自动门已经是随处可见。

自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应探测器来感应人的出入，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，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。

由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。

自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。

自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。

目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（以下简称PLC）,PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展，因此运用PLC控制自动门具有较高的可靠性，维修方便等特点，因此，进行自动门的PLC控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。

本设计主要介绍运用PLC为控制器的自动门的开发和研究，所有产品的开发都要讲究实用，本设计开发的产品对许多的场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发商还有使用者来说，都是最好的。

他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。

此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应用。

因此本设计就是解决了这样一个问题，还可以保证自动门的稳定性，且本设计意味着产品成本下降，效益提高。

因此是一个比较实用且经济的产品。

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。

大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。

自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。

所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。

作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。

因此门体本身应牢固、密封。

由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。

如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌（目前有很多自动门品牌是由一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成，应尽量避免购买此类产品）。

不要认为样本上全部是外国语，资料也是外国语的商品就是进口的商品，其实这样是违反国家规定的。

真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。

在购买自动门时最好在授权的指定经销商处或认定销售店的商店购买（有悬挂的授权书），而且在购买时要清楚所购买设备的基本配置，防止买家克扣部件。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常宠大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门。

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。

自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加感应探测器，当人走近自动门时，感应探测器感应到人的存在，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。

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。

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。

我国的自动门状况有如下几点：

（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。

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。

在建筑金属结构协会和门业标委会的大力推动下，《自动门》标准编制工作已经展开，目前有许继施普雷特机电设备有限公司、深圳固威特科技有限公司、沈阳未来科技发展有限公司、福建漳州市麒麟电子有限公司和上海昌顺电子信息技术有限公司等5家单位参与了此标准的编制工作。

2005年4月2日，在北京召开了编制组成立会和首次工作会议。

经过编制组两个多月的工作，现该标准的初稿已经形成，拟于近期召开编制组第二次工作会议，对初稿进行讨论和修改。

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。

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范围时，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（FrO）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