基于PLC的自动门控制系统.docx
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基于PLC的自动门控制系统
第1章绪论3
1.1设计研究的背景：
3
1.2设计目的和意义：
4
第2章设计方案5
2.1设计要求5
2.2自动门的结构和参数5
2.3系统框图的设计6
2.4控制器的设计7
2.5感应器的设计8
2.6驱动装置的设计8
第3章自动门控制系统的硬件设计9
3.1PLC的选择9
3.2驱动装置的选择10
3.3行程开关的选择10
3.4感应器的选择11
3.4.1BISS0001管脚图11
3.4.2BISS0001芯片介绍13
第4章自动门的软件系统15
4.1控制系统的流程图15
4.2I/O地址分配表17
4.3I/O接线图18
4.4系统调试18
设计总结20
参考文献21
附录22
第1章绪论
1.1设计研究的背景：
自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。
自动门指：
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。
自动门开始在建筑物上使用，是在20世纪年以后。
20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，如：
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。
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。
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，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，自动门控制系统，也成为现当代社会是一个应用非常广泛的设备。
1.2设计目的和意义：
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，也就是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。
第2章设计方案
2.1设计要求
（1）当有人由内到外或由外到内通过红外检测开关时，电动机正转，执行开门动作，到达开门限位开关位置时，电机停止运行。
（2）自动门在开门位置停留5s后，自动进入关门过程，电动机反转，执行关门动作，当门移动到关门限位开门位置时，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红外检测开关时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。
（4）在门打开后的5s等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过红外检测开关时，必须重新开始等待5s后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
（5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制存在一定的问题，最后决定加增手动开门和关门开关。
2.2自动门的结构和参数
公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限，为使门体更加坚固耐用，本设计门体玻璃材质使用钢化玻璃。
自动门的组成如下：
（1）主控制器：
它是自动感应门的指挥中心，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；同时人们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，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；
（3）动力马达：
提供开门与关门的主动力，控制自动感应门门扇加速与减速运行。
（4）自动感应门扇行进轨道：
就象火车的铁轨，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）：
用于传输马达所产动力，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门体摆动。
自动门门的主要参数：
门体设计项目
参数设定值
单扇门最大开启宽度
1m
单扇门的最大承重
150kg
门体高度
2.5m
可以根据实际的需求，合理的设计门的参数。
2.3系统框图的设计
本设计是关于自动门控制系统的设计，自动门系统主要由控制器、感应器件、驱动装置、传动装置组成。
主要工作原理是感应器件将检测到的人体或物体信号传送到控制器，控制器再综合收到的自动门状态信号作出判断，而后发出控制信号，控制驱动装置通过传动装置带动门的动作。
根据设计方案和设计要求可以设计如下系统框图：
图2-1系统框图
2.4控制器的设计
自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来说，有继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控制；智能控制器控制，即通过运行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存在许多缺陷而逐步被智能控制器的自动门所淘汰。
在智能控制器的选择上，自动门的主控制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控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型商场的自动门都是有这种方式来控制的。
而本设计选用PLC控制方法。
2.5感应器的设计
目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。
微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，适用于行走速度正常的人员通过的场所，微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面型天线做感应系统，以微处理器作控制。
红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器快。
感应器根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，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，本设计基于系统运行的稳定性和器件的性价比选择红外感应器。
2.6驱动装置的设计
直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。
因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。
这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。
无刷直流电机具有较大的功率密度、较高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省却变频器以及产能提高因素考虑在内，使用者的综合成本下降很大。
所以在本课题设计中选用了无刷直流电动机。
第3章自动门控制系统的硬件设计
3.1PLC的选择
随着电子技术的发展，PLC不断的更新，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一。
自动门就是自动控制应用的以典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。
目前自动门在日常生活中的应用也越来越广泛，这是实现生活自动化进程的一个重要组成部分。
PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
其中PLC的硬件主机系统图如下所示：
图3-1PLC硬件主机系统图
本设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，选用整体型PLC。
本设计选用的PLC为三菱FX系列，该系列的PLC功能比较强大，能够满足大多数控制要求较高的场合，具有极高的性价比，是国内使用最广泛的PLC系列之一。
FX系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的特点，结构紧凑，体积小巧，适合在机电设备中使用，具有丰富的基本指令和功能指令，可实现复杂的控制要求，支持梯形图、助记符等编程方式，扫描速度快，同时还配置多种特殊模块，如模拟量输入输出模块、温度输入模块、高速计数模块、通信模块等，用户完全可以根据控制要求的变化，配置出性价比突出的控制系统，灵活方便。
由于对系统的分析和对输入输出I/O点数的要求等综合考虑，本设计用三菱FX2N64PLC。
3.2驱动装置的选择
自动门的执行装置是自动门能否良好工作的保障，在本设计中是运用直流无刷电机。
直流无刷电动机功率密度高，噪音极小，调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机的线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。
是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择。
本设计选用45BLDC系列直流无刷电机，电机直径φ45，额定转数400转，功率500W-600W，额定电压240VDC。
3.3行程开关的选择
行程开关又称位置开关或限位开关，是利用生产机械某些运动部件的碰撞使触点动作，发出控制指令的主令电器。
它是将机械位移转变为电信号控制机械运动的，主要用于控制机械设备的运动方向、行程大小、和位置保护。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，动作原理与按钮类似，从而实现电路的切换。
由于行程开关型号繁多，在这里采用比较通用而且价格便宜型号为LX5系列的行程开关。
3.4感应器的选择
本设计选择由热释电处理芯片BISS0001和RE200B热释电元件组合的红外感应器，它工作的范围是2~5m，角度为139°～120°，输出电压>2.5V,工作温度-20°～70°。
BISS0001由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成，是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，并配以热电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，它能自动快速开启各类白炽灯、自动门、电风扇等装置，特别适用于企业、宾馆、商场等敏感区的自动灯光、照明和报警系统。
3.4.1BISS0001管脚图
BISS0001管脚如下图所示：
图3-2BISS0001管脚图
BISS0001管脚说明如下表所示：
表3-1管脚说明
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
3.4.2BISS0001芯片介绍
BISS0001芯片的内部电路原理图如下所示：
图3-2BISS0001芯片电路原理图
BISS0001芯片与RE200B热释电元件组成的应用电路如下所示：
图3-3传感器应用电路图
上图中，DSG管脚所示为热释电元件RE200B，该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
功能说明：
运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。
COP3是一个条件比较器，SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。
图中R6可以调节放大器增益的大小。
输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。
第4章自动门的软件系统
4.1控制系统的流程图
当门完成一次开门与关门时，其工作流程如下：
图4-1控制系统流程图
框图说明如下:
（1）当有人有内到外或由外到内通过红外检测开关K1或K2时，电动机正转，执行开门动作，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。
（2）自动门在开门位置停留5s后，自动进入关门过程，电动机反转，执行关门动作，当门移动到关门限位开关K4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红外检测开关K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。
（4）在门打开后的5s等待时间内，若有人员由外到内或由内至外通过红外检测开关K2或K1时，必须重新开始等待5s后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
（5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制存在一定的问题，最后决定加增手动开门和关门开关。
4.2I/O地址分配表
I/O地址分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是接线和调试的重要依据。
表4-1I/O地址分配表
类别
元件
PLC元件
作用
输入
SB1
X001
门外红外检测开关
SB2
X002
门内红外检测开关
SQ3
X003
开门限位电开关
SQ4
X004
关门限位电开关
SB4
X005
紧急停车开关
FR
X006
过载保护
SB7
X010
手动开门
SB8
X011
手动关门
输出
KM0
Y000
红外开关
电磁阀
KM1
Y001
电机正转
KM2
Y002
电机反转
4.3I/O接线图
由I/O分配表可得相应的I/O接线图
图4-2I/O接线图
4.4系统调试
通过电工实习时候学习的工艺，按照硬件原理图制作出实物。
然后把预先编好的PLC的程序下载并进行调试。
通过模拟监控，看做出的实物是否符合设计所要达到的要求，带程序调试正确后，就可以接上电动机和电源，然后开启QS，按下开关SB1或SB2检测自动门正转，再按下行程开关SQ3使电动机停止，进入等待5S状态。
如果此5S期间又再次按下SB1或SB2，5S又从新开始计时，待5S结束后自动门自动关闭。
然后按下行程开关SQ4，电动机反转停止。
进入开门等待状态。
最后进行手动开关的测试。
无论在什么状态，只要按下开门开关，门进入开门状态。
当门完全打开后进入关门等待状态。
如果不按下关门开关就不会关门，按下关门开关后，电动机反转，然后按下行程开关SQ4，电动机反转停止。
进入开门等待状态。
设计总结
在PLC设计过程中,从硬件设计到软件设计几乎是针对本系统特点完成的。
PLC的软件调试相对于硬件连接来说要复杂的多，需要用的到的软件更是多种多样，学习与熟悉这些软件的过程无形中增长了我的知识面。
PLC系统的硬件和软件是不能分开的,有的硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。
但通常是先排除明显的硬件故障以后,再和软件结合起来调试以进一步排除故障。
可见硬件的调试是基础,如果硬件调试不通过,软件设计则是无从做起。
通过对自动门控制装置的实验模拟运行，可看出，本装置运行良好。
但此装置只是通过了模拟部分，离实际的系统实现还有一段距离，因此在今后的学习生活中还要加强自我学习与研究，还需针对具体的自动门系统进行系统的分析以及调整。
通过对自动门系统的软件设计，掌握可编程控制器程序的应用系统的调试、监控、运行方法，在学习与设计的过程中，了解所设计工程的工艺流程，从而完成了对自动们系统的软件设计，同时，对于自动门硬件，也知道了一些周边技术，扩展了知识面，增强对工艺的理解。
本设计的构思，规划设计，撰写得到了张老师的细心指导，在设计时给予热心的指导与帮助，在此张老师表示诚挚的谢意！
成功完成本设计，还离不开同学和舍友的帮助，当我在设计过程中遇到困难的时候，他们给了我全力的支持和帮助，真心感谢关心我的同学！
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附录
附录A系统硬件接线图
附录B梯形图
附录C指令表
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