基于PLC的自动旋转门控制系统胡研究设计.docx
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基于PLC的自动旋转门控制系统胡研究设计
1.11.1背景
随着人们生活水平的不断提高和科学技术的飞速发展，人们更加注重自动化和人性化的产品。
自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。
自动旋转门由于其可以实现无人看管，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的原因，在银行、写字楼、酒店等办公娱乐场所得到了广泛普及应用。
由于自动旋转门的人流量有限，通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。
但在静态密封效果方面，自动旋转门远不如其他自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。
因此针对自动旋转门系统的设计就显得更具有实际意义，不仅可以提高旋转门的智能化程度，更能促进旋转门的技术更新和产品的应用。
1.2自动旋转门的发展趋势
自1903年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。
国外著名厂家有：
荷兰的B00NEDAM瑞典的BESAM德国的多玛、盖泽日本的纳博克、寺冈等。
经过多年发展，旋转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，安全性将成为非常重要的一项指标，也是一项基本要求。
2设计方案的确定
旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统，检测系统,安全系统等几个方面进行考虑。
从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。
2.1自动旋转门系统的方案设计
（1）框架总成：
分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。
立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。
采用中心门轴结构安装和驱动旋转门体设计，每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃，安全可靠。
门体结构简图如图2-1所示。
图2-1门体结构简图
（2）驱动系统：
由一个三相交流电机提供动力，用减速器带动中心门轴驱动。
（3）控制系统：
由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。
（4）检测系统：
由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。
（5）安全系统：
主要有接触和非接触安全感应器。
旋转门入口立柱均装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。
胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。
胶条恢复正常，门扉则自动转动。
2.2旋转门控制方案的确定
通过分析可知本设计是利用可编程控制器（PLC）、变频器传感器等构成三翼自动旋转门的控制系统。
根据控制原理和设计要求确定了系统的结构框图如图2-2所示。
红外传感器作用是检测是否有行人通行；红外防夹传感器和防夹接近开关用来检测是否有人被夹；定位接近开关用来检测门翼是否停在定位位置；防碰撞传感器用来检测是否有人被碰或被撞；主控芯片用来判断传感器传来的各种信号并经过判断做出相应控制动作；变频器接收控制信号对电动机进行调速。
另外还有运行状态指示灯和过载报警等等。
旋转门控制系统实现了对门的自动启停、自动定位、速度调节、安全智能和夜间闭锁等功能。
图2-2控制原理框图
3三翼自动旋转门驱动系统设计
3.1确定各扇门的质量
由于转轴中心两端是对称的，以一边门体计算即可。
铝型材密度：
代号为L090704的线密度为0.966
代号为L090706的线密度为0.836
代号为L090707的线密度为1.152
每扇门框的质量：
=2.360
2
0.966+1.135
0.836+1.135
1.152
=8.053kg式（3-10）
式中：
，
，
分别为各铝型材的密度。
单扇门玻璃的质量：
=
式（3-11）
式中：
为玻璃的体积，
为玻璃的密度。
单扇门的质量：
=40.82+8.053
=49kg式（3-12）
式中：
为单扇玻璃的质量，
单扇门框的质量。
3.2各部分转动惯量的计算
假设门扇为均匀的质量体,其在宽度方向的面密度
可以用下式计算,
其中R为门扇的宽度，L为门扇的长度。
则门扇对中心惯量可用下式计算
式（3-13）
由平行轴定理知，门扇相对于轴的转动惯量为：
=56.6式（3-14）
其中L1为轴的半径。
3.3惯性力矩的计算
参照物理学力矩的计算，假设门体1s内加速到门体的快速转速，由于旋转门体的最大转速为6r/min，即角速度
，由于传感器一般工作在2m范围内检测人是否来临，当人迈进门边时，门体要以正常速度转动，则在这时门体要加速到正常速度。
在0.5s内加速到此速度,则角速度
，由于电机要带动门体转动，有一个加速过程，此过程需要克服旋转门体的惯性力矩才能使其转动，根据力矩转动惯量和角速度的关系
，则可算出旋转门体的惯性力矩为：
式（3-15）
由上面的计算得出了旋转门体的力矩之后，就可为接下来的电机的选择确定了依据。
3.4电机的确定
根据机械设计中电机所需功率按下式计算：
式（3-16）
由电动机至转动轴的传动总效率为：
式（3-17）
式中
分别为滚子轴承，齿轮，联轴器的传动效率。
取
，
，
，则总的传动效率为：
=0.83式（3-18）
则可以计算出电机的功率
式（3-19）
由于门体还应能承受一定的风阻，以及旋转门体周围无条件与曲壁门体间的摩擦阻力，尽管其产生的力较小，但由于门体直径过大，则会产生较大的阻力矩。
同时还有一些其他没有考虑的因素，如齿轮的转动惯量，因此特将计算出的功率放大一些同时门体的转动较底，则电机应适应转速较底的，根据相关的计算结果可以选以下两种电机。
表3.1方案一电机参数表
方案
型号
额定
功率
（KW）
转矩
（N.m）
同步
转速
（r/min）
满载
转速
（r/min）
总传
动比
齿轮
传动
比
减
速
器
1
JCJ71-0.55
0.55
23.5
1500
1440
240
21.8
11
表3.2方案二电机参数表
方案
型号
额定
功率
（KW）
转矩
（N.m）
同步
转速
（r/min）
满载
转速
（r/min）
总传
动比
齿轮
传动
比
减
速
器
2
JXJ1-35-0.37
0.37
67.9
1500
1440
240
6.9
35
由于电机输出的转速较大，一般在1500r/min，通过减速器难以实现门体转速6r/min，因此在选电机时可以选用带减速器的电机来实现要求。
根据相关要求，可以选用一个JXJ系列齿轮减速三相异步电机，JXJ系列异步电机按照TB1T6442-92标准设计制造,广泛用于轻工、纺织、建筑机械行业。
JXJ系列异步电动机是直接输出低转速，大转距，且有转速型谱宽、运转平衡、噪声低、高效节能、体积小、重量轻、规格多、选用方便等特点。
由于计算出所需电机功率为0.26KW,加上一些忽略因素，应该选择电机功率在0.26KW上的电动机才行。
综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和齿轮传动，可见方案2比较合适。
即选用JXJ1-35-0.75摆线针轮减速器三相异步电机。
4主控芯片选择及辅助电路设计
4.1主控芯片的选型
4.1.1PLC的简要介绍
PLC即可编程序控制器（ProgrammableController,简称PC），在其早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称可编程序控制器为可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicalController）。
可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、编程简单、功能强、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，目前在冶金、化工、交通、电力等工业控制领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的四大支柱（可编程序控制器技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术）之一。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。
这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点:
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其对生产工艺多变的系统适应性差。
如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计困难，而且其可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。
在这种形势下，60年代末可编程控制器在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
PLC通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。
另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于它本身具有可靠性高，编程简单，使用方便，控制系统构成简单等优点，可编程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。
4.1.2PLC的选型
通过分析可知，所需的控制的电气元器件有按钮开关和指示灯等。
具体如表4-1所示。
通过对旋转门控制要求的分析，PLC控制输入信号有22个，输出接点共8个。
按照预留10%-20%的接点数来计算，输入接点至少要30个，输出接点至少要10个。
本系统是个简单控制系统，按一般经验来估算，同时由上段对I/O接点的分析主要有：
开关量输入字节数：
30×10=300
开关量输出字节数：
10×8=80
系统推断定时器/计数器字节数：
8×2=16
总计大约需要396个字节数容量。
加上预留20%，有1K的程序容量足够了。
由以上可得，同时兼顾经济性原则。
在常用的PLC产品中SIMATIC-S7-200系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的PLC。
在此系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。
本系统选择了西门子系列型号为SIMATIC-S7-200PLC，参数见表4-2。
由PLC的型号可得主回路电压为AC（110～220）V；输入端电压参数为DC24V，电流为5/7mA；继电器输出端电压为AC150V，DC30V以内。
根据系统设计要求，可得具体参数表如表4-1所示：
表4-1控制系统电气元件表
序号
符号
名称
型号
规格
1
SA
电磁锁
D4JL
DC24V
2
SB1
急停开关
LW22
DC24V
3
SB2
停止按钮开关
LAY8
DC24V
4
SB3
停止按钮开关
LAY8
DC24V
5
SB4
高速按钮开关
LAY8
DC24V
6
SB5
高速按钮开关
LAY8
DC24V
7
SB6
中速按钮开关
LAY8
DC24V
8
SB7
中速按钮开关
LAY8
DC24V
9
SB8
残疾按钮开关
LAY8
DC24V
10
SB9
残疾按钮开关
LAY8
DC24V
11
FR1
热继电器
JR-20
1.6A
12
LAMP
报警指示灯
XD8
DC24V
13
LAMP
常速指示灯
XD8
DC24V
14
LAMP
高速指示灯
XD8
DC24V
15
LAMP
低速指示灯
XD8
DC24V
16
BELL
过载报警铃
NFM1/22L
AC150V~220V
表4-2PLC性能参数表
PLC
参数
性能指标
S7-200-CPU226
程序存储容量
4096B
数据存储容量
2560B
I/O点数
256位
指令类型
149种指令
基本指令执行时间
0.22~0.37us
扩展I/O模块数量
7块
记时/记数区
256记时器/记数器
4.1.3PLC的I/O点分配
输入输出端口的保护及分配：
PLC输入口电压定额一般为直流24V，有一些输入口是不接电源的，输出口的电压定额常接工频低压交流电源和直流电源。
当输入口端连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高电压对输入输出口造成破坏，应在感性元件两端加接保护元件。
对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。
阻容电路中电阻可取51~120欧，电容可以取0.1~0.47uF。
电容的额定电压应大于电源的峰值电源，续流二极管可以选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。
对PLC输入端电阻分析，自带电阻为3k欧，对于DC24V的电流为标准电流，对输入口保护不需做特别处理。
输出为直流感性负载时，需在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制。
查有关资料时，在直流感性负载输出时可选电流为1A左右的二极管，电阻约为50欧左右。
本系统中输出口选交流电源，电阻取65欧。
根据实现功能和设计要求，对系统控制单元PLC的I/O点进行分配。
输出点详细分配表见表4-3，输入点详细分配表见表4-4。
详细接线图如图4-1所示。
为了保护电路（短路保护）需要有熔断器FU,选择的依据是熔体的额定电流IR大于线路工作电流I（I=2A），所以选择RL1-15，熔体额定电流等级为4。
本控制系统为PLC控制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。
对急停、STOP、middle、high、残疾开关，选择普通按钮开关LA系。
Middle、high、残疾、开关为LA2，急停开关为LA2（红色），STOP关为LA2-A红色（十字型）。
如表4-1所示。
表4-3输出地址分配表
输出地址
信号内容
Q0.0
上电及报警信号
Q0.1
电磁锁控制继电器
Q0.2
电动机启停（变频器智能端子FWD）
Q0.3
速度控制（变频器职能端子X2）
Q0.4
速度控制（变频器职能端子X1）
Q0.6
直流制动（变频智能端子REV）
Q0.7
变频器复位（变频智能端子RESET）
Q1.0
常速运行状态
Q1.1
高速运行状态
Q1.2
低速运行状态
Q1.3
过载报警
4.2系统控制电路的设计
对于本系统来说，主要的控制是由控制芯片通过变频器来调节电机转速完成控制要求的。
因此变频器电路是系统控制电路的重要组成部分。
下面介绍本系统的变频器及其电路。
图4-1PLC的I/O口电路
表4-4输入地址分配表
输入地址
对应的外部设配
I0.0
急停按钮
I0.1
残疾按钮
I0.2
停止按钮
I0.3
常速按钮
I0.4
高速按钮
I0.5
电磁锁钥
I0.6
直流制动接近开关
I0.7
防夹接近开关1
I1.0
红外线传感器1
I1.1
防撞传感器1
I1.2
防碰传感器1
I1.3
红外防夹传感器1
I1.4
变频过载报警输入
I1.5
锁门接近开关
I1.6
防夹接近开关2
I1.7
红外线传感器2
I2.0
红外线传感器3
I2.1
红外线传感器4
I2.2
防撞传感器2
I2.3
防碰传感器2
I2.4
防碰传感器3
I2.5
红外防夹传感器2
4.2.1变频调速的基本原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：
n=60f（1-s）／p，
式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的
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。
4.2.2变频器容量选择
变频器容量的选用由很多因数决定，例如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的是电动机的额定电流。
降低变频器的输出频率，就可以实现电动机减速。
加快变频器输出频率的降低速率，可使电动机更快的减速。
当变频器输出频率对应的速度低于电动机的实际转速时，电动机就进行再生制动。
在这种运行状况下，异步电动机将变成异步发电机，而负载的机械能将被转换为电能并反馈给变频器。
当反馈能量过大时，变频器本身的过电压保护电路将会动作并切断变频器的输出，使电动机处于自由减速状态，反而无法达到快速减速的目的。
为了避免出现上述现象，使上述能量能在直流中间回路的其他部分消耗，而不造成电压升高。
在电压变频器中，一般都在直流中间回路的电容器两端并联上制动三极管和制动电阻。
当直流中间回路的电压升高到一定的电压值，制动三极管就会导通，使直流电压通过制动电阻放电，即电动机回馈给变频器的直流中间回路的能量，以热能的形式在制动电阻上消耗掉。
由于三翼自动旋转门是恒转矩负载，故变频器选用通用型的。
又因为三翼旋转门的转速不允许超过额定值，电机不会过载。
根据以上的计算的数据，选用西门子通用变频器MM440系列,型号为6SE6440-2UD17-5AA1。
具体参数见表4-5。
表4-5变频器参数表
变频器型号
6SE6440-2UD17-5AA1
使用功率
0.75kW
输入电压/V
3相AC380~480（1
10%）
输入频率/Hz
47~63
输出频率/Hz
0~650
额定电流/A
2.2
过载能力（恒转矩）
150%负载过载能力,持续60s
功率因数
0.98
变频器效率
96%~97%
合闸冲击电流
小于额定输入电流
控制方式
线性V/f;二次方V/f;可编程V/f
PWM频率/Hz
2~16kHz
固定频率
15个,可编程
跳转频率
4个,可编程
数字输入
6个完全可编程的带隔离的数字输入
模拟输入
2个,0~10V,0~20mA
继电器输出
3个,可组态为DC30/A（电阻性负载）,
AC250V/2A（感性负载）
模拟输出
2个,可编程（0/4~20mA）
串行接口
RS-485,可选RS-232
制动
直流注入式制动,复合制动,动力制动
变频器接线图如图4-2所示：
图4-2变频器接线图
4.3系统电源的设计
本设计共有两个电源模块。
一个直流24V和一个为电磁锁等提供的直流±12V模块。
如图4-3和图4-4所示。
图4-3直流24V电源电路图
图4-3为第一个电源模块。
将交流电220V通过变压器将电压转换为所需的电压等级，再经过整流桥整流，通过稳压器7824和电容、稳压管等等器件实现整流稳压滤波的作用，最终输出所需要的24V直流电。
图4-4直流±12V电源电路图
图4-4为本系统的第二个电源模块。
为了给电磁锁和其他传感器供应+12V和-12V直流电源，在电源设计中加入了以上电路。
原理同图4-3，交流220V电源经变压器降压，然后经过整流桥整流，通过稳压器7812和7912以及电容电路稳压、滤波，最后输出所需要的+12V和-12V直流电源。
综上可得三翼自动旋转门控制系统原理图如下所示:
图4-5控制系
5传感器的选型及信号处理
为防止三翼旋转门在工作过程中因某些原因而发生伤人的事故出现，那么就需要配置一定的安全系统。
传感器的分布如图5-1所示。
图5-1传感器分布示意图
5.1红外检测传感器
5.1.1热释电红外传感器
被动红外探测器的原理是人体表面温度与周围环境温度存在差别的，在人体移动时，这种差别产生的变化可以通过红外敏感元件来检测到，从而触发报警。
而且，为了防止误报，被动红外探测器通过菲涅尔透镜将探测覆盖范围分成一定数量的探测区，当温度变化在两个区之间产生时，探测器电路就触发一个信号脉冲，探测器根据信号脉冲触发警报输出。
被动式热释电红外探头的优缺点：
优点：
本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。
缺点：
①容易受各种热源、光源干扰。
②被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
③易受射频辐射的干扰。
④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
人体检测电路的框图如图5-2所示：
图5-2人体检测电路框图
人体检测电路如图5-3所示：
图5-3红外线检测放大及比较电路a
图5-3中，R1、C1为退交连电路，R2为传感器负载电阻。
传感器的输出信号经C2耦合到运算放大器A1。
电阻R3、R5将放大器偏置于电源电压的一半，其增益取决于R6与R4的比值。
经两级放大后，信号放大40~50倍左右。
A2在无信号输入时，其输出约为4.5VDC。
图中C3、C9为退交连电容。
A3为电压比较器。
调节W，使比较器同相端电压在2.5V~4V左右变化。
在无报警信号输入时，反相端电压大于同相端电压，比较器输出为低电平。
当有人入侵时，比较器翻转，输出为高电平（并且LED 亮），当人体在走动时，则输出一串脉冲。
图5-4红外线检测放大及比较电路b
图5-4为红外检测放大比较电路，电路中A、B端与图5-2中A、B连接，即当有人走近门前时（有一定距离），比较器A3即输出一串脉冲。
传感器分别安装在门的里外两边，使人无论进门或出门，都能检测到信号。
前半部分有信号输出就会使BG导通，BG输出低电平，此低电平触发单稳态电路，使其3脚输出为高电平，使继电器吸合。
暂态时间由R3、C3决定
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