宾馆自动门控制系统设计.docx
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宾馆自动门控制系统设计
电气控制与PLC
课程设计说明书
题目：
宾馆自动门控制系统设计
专业班级：
自动XXX
姓名：
XXX
学号：
XXXXXXXXXX
指导教师：
XXXXXX
成绩：
指导老师签名：
日期：
1概述
1.1研究背景和研究意义
在一些大中型公共场所，为增添亮丽、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。
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，既方便又提高了宾馆的档次，于是迅速在国内外的宾馆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自动门设计任务及要求
设计任务：
自动门控制装置由感应式开关、开门到位限位开关、关门到位限位开关、开门关门执行机构（一台250W的直流电机拖动，正转开门、反转关门）组成。
具体要求：
1、当开门感应开关检测到有人或物件要通过时，开门机构开门，当门到开门到位限位开关后，开门电机停止。
2、自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程。
3、在关门过程中，如果检测到有人或物件要通过，立刻进入开门过程。
4、在门打开后等待的8秒时间内，如果有人或物件要通过，必须重新开始等待8秒，才能进入关门过程，以便人员安全通过。
2方案论证
2.1自动门的功能需求分析
此设计是面向宾馆出入的应用设计，需要具有安全性和可靠性，结构如图2-1所示：
图2-1自动门结构示意图
根据出入口处对自动门的具体要求，此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。
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。
此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（m）
1.2
单扇门的最大承重（kg）
1×120kg
高度（m）
2.5
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）
8s
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
250W
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，门到达开门限位开关SB3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，门移动到关门限位开关SB4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，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、、开门到限位开关SB3、、关门到限位开关SB4、开门执行机构KMl（使直流电动机正转）、关门执行机构KM2（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.
3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，结构简单，控制方便，可靠性高，具有效率高、维护成本低的特点。
直流电机驱动系统具有效率高、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。
控制系统原理方框图如图3-1所示：
图3-1控制系统原理方框图
3.2主电路
3-2主电路图
3.3I/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
X000
门内感应探测器
X001
开门限位开关
X002
关门限位开关
X003
手动开门
X004
手动关门
X005
手动/自动开关
X006
急停开关
X007
防夹人
X008
输出端
开门
Y000
关门
Y001
手动开门
Y002
手动关门
Y003
故障报警
Y004
门动作指示
Y005
门停止指示
Y006
3.4I/O接线图
PLC外部端子I/O接线图是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，是非常必要的，如图3-2所示：
图3-3PLC外部I/O接线图
3.5元器件选型
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。
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。
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。
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、控制功能范围等选择都有影响。
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。
4自动门软件系统的设计
4.1主流程
根据本设计的控制要求和安全要求，所设计的程序按照图4-1所示的流程运行，以达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计。
图4-1主流程图
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。
一个扫描周期主要分为输入采样、程序执行、输出刷新。
由于PLC采用这样的工作原理，所以即使是顺序程序也会反复执行，程序中各个部分的执行与否由相应的条件来控制，条件满足则执行，否则不执行。
下面就详细地介绍程序的流程，首先进行系统初始化，然后PLC根据输入信号进行不同的处理。
若按下手动选择按钮，则自动门进行手动程序，当开门按钮按下时，自动门开门到极限，然后停止运行。
当关门按钮按下时，自动门关门到极限，然后停止运行；若按下自动选择开关，则自动门进行自动程序，当门口有人时，感应探测器感应到人的存在，门高速开门到达开门减速开关，门减速运行到达开门极限开关，门停止运行，自动门停留8秒后自动进入关门程序，到达关门减速开关，门减速运行到达关门极限开关，门停止运行，当感应探测感应到有人时，进入下一循环。
若关门过程中感应探测器感应到有人时，门立即中止关门程序，停留0.5秒后，自动进入开门程序，到达开门极限，然后停留8秒再关门。
若在停留的时间内有人出入，计时器进行循环计时，直到无人进出，然后进入关门程序。
4.2梯形图
PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。
国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：
功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本。
梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
梯形图程序设计语言是梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
1.与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
2.与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；
3.与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：
梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待：
梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电器人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
本设计自动门控制系统的梯形图如图4-2所示：
图4-2梯形图
5系统调试
梯形图程序的下载
1．传输设置
将已编制好的程序下载到PLC，必须先进行网络传输设置。
先将PLC与计算机的串口互连，然后单击[在线]-[传输设置]，可以进入[传输设置]对话框，进行FX2nPLC设备与网络传输参数设定，可以进行PLC和计算机的串口通信口及通信方式的设定，可以进行其他网络站点的设定，还可以实现通信测试。
2．梯形图写入PLC
单击[在线]-[PLC写入]，就可以打开“PLC写入”对话框，进行相关设置并执行，就可将已编好的程序写入PLC，如图5.1所示。
选中要下载到PLC的内容，单击[执行]就可以将写好的梯形图程序下载到PLC的CPU中。
图5.1PLC写入对话框
程序调试及分析
本课题进行了模拟的在线联机调试，目的在于确定整个系统的程序，在调试中，程序的变动，包括功能的增减、变化是难免的。
程序是否好用，最终要通过调试才能使程序进一步完善和最终的确定。
首先在PLC面板上将PLC设置为RUN位置，此时PLC开始运行。
然后接好控制箱连线，根据I/O分配表中的输入输出所对应的开关进行调试。
结 论
此课程设计是基于PLC的自动门控制系统的设计，对硬件与软件分别进行了设计与分析，采用三菱FX2N小型PLC产品，接线简单、灵活，维修方便。
采用了双元件型红外线光电感应器，传感器灵敏可靠，不受环境因素的干扰，具有较高的适用性。
在实际应用场合中应结合应用情况，各部件的技术参数，供电电源的设计、系统接地保护问题等问题加以考虑，使系统达到安全可靠的工作，所以要想用于实际中，必须得通过现场调试。
此课程设计的自动门系统还没有达到真正的智能化和绝对的安全化，还需要增加很多新的功能，才能达到真正的智能化、安全化控制。
参考文献
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