基于PLC实现的超市自动门控制系统.docx

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基于PLC实现的超市自动门控制系统

1项目概况

本设计涉及的主要硬件是三菱FX2NPLC和红外线传感器。

FX系列PLC是日本三菱公司的可编程控制器，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得FX系列PLC可以满足众多的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适用性。

FX2N系列是FX家族中最先进的PLC系列。

一台FX2N模块内有中央处理单元CPU、存储器、I/O模块、通信接口和扩展接口等。

红外线传感器是根据移动的人体而设计的，从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。

环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1～10Hz）和对特定波长红外线（一般为5～15μm）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。

所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

因此很适合超市自动门控制的要求。

自动门主要结构组成作为一种机电一体化产品，自动门的功能是根据人流状况控制两扇大门的开合。

以PLC为控制器，统一控制传感器、直流电机，通过机械直线运动单元驱动玻璃门的开关。

2自动门的机械部分

2.1自动门机械组成

现在越来越多的建筑物安装了豪华气派的自动门。

我曾观察过某些银行、宾馆、电信局等大楼的自动门，这些自动门造价不菲，但可靠性似乎并不高，而且所有的自动门内用肉眼均可直接观察到同步齿形带。

一般说来，同步齿形带传动精确，对工作环境要求不高，比较适合自动门的应用，但安装要求较高。

本设计介绍一种用国内市场上的成熟技术设计的自动门。

自动门主要结构组成作为一种机电一体化产品，自动门的功能是根据人流状况控制两扇大门的开合。

以PLC为控制器，统一控制传感器、直流电机，通过机械直线运动单元驱动玻璃门。

自动门的构成如图2-1所示。

图2-１自动门的硬件结构

自动门的传感器目前多用热释电型红外传感器（如日本三洋公司的传感器），其特点是只对变化的温度场有反应。

只有当人进入其探测范围，并且移动时，才会有信号输出，经模拟/数字输入模块（由传感器输出信号性质决定）输入PLC。

玻璃门的开合由直流电机——机械直线运动单元实现。

由于直流电机可靠性好，控制简单，价格低廉，在开环控制场合广泛应用，SIEMENS、MITSUBISHI等大的PLC供应商都提供可直接控制直流电机运动的定位控制单元，如MITSUBISHI的FX2N-1PG/10GM/20GM等，可直接控制直流电机，通过编程完成单轴4两轴插补运动。

习惯上，直线运动系统由设计师自行设计，包括轴承、滚珠丝杠副、同步齿形带等。

设计时非常简单，零件可直接选用，但装配时有较高的要求。

有鉴于此，国际上出现了一些机械直线运动控制单元，将滚珠丝杠副、同步齿形带、轴承等安装在一个密闭的长壳体内，并安装有一个滑动模块。

生产商预先调整好精度、预紧力等，该单元安装有限位开关，并提供安装法兰，供电机、编码器安装用。

用户按传动行程、受力情况等直接选用，直接安装在基础上即可。

玻璃门可安装在滑动模块上移动。

直流电机与机械直线运动单元连接，建立一个直线运动轴，“零点”、“终点”分别为玻璃门全开、全闭时的位置。

如果无人进出，玻璃门关闭。

传感器一旦给PLC信号，PLC通过定位控制单元立刻控制直流电机中断当前运动，回零位。

开始速度逐渐提高，在即将闭合时，速度逐渐减为零。

PLC通过定位控制单元进行速度调节非常方便。

一旦无人进出，传感器无信号发出，PLC控制直流电机中断当前运动，向终点运动，速度控制如前。

2.2自动门的安全设施

在国外，自动门的发展已相对成熟，在国内从事自动门行业的单位不在少数，但大多都是作为国外自动门代理商身份亮相，国内在自动门的自主研发上还处于初级阶段。

在自动门控制系统的设计中，稳定、安全是需要首先考虑的因素，最近有关报道中就有在日本自动门夹死小孩的现象，因此系统的安全性和稳定性是至关重要的。

除了软件在控制过程中的稳定运行外，保证电源输送的稳定尤为重要。

国外研究表明，计算机90%以上的故障是由电源干扰噪声造成的，所以如何保证驱动电机的电源具有稳定的电压和较小的波纹则是整个电源设计的重点。

2.2.1自动门控制系统稳压电源设计

自动门控制系统的控制对象为无刷直流电机，无刷直流电机带动100kg～120kg的门页平稳运行，这需要在系统设计时仔细考虑供电电源的性能指标。

稳定的电压和较小的波纹是重点考虑的问题。

出于成本方面考虑，一般都采用变压器供电，但同时它给电源的稳压性能带来了一定的困难。

为此我们需要设计稳压电源并根据无刷直流电机供电要求选择合理的电路参数，同时需要合理设计交流滤波器以减少电磁干扰。

由于自动门控制系统经常是全天运行，对于系统安全性须格外重视，从电源开始就须设置过流、过热保护电路防止意外发生。

控制系统稳压电源框图如图2-2所示。

图2-2　自动门控制系统稳压电源框图

2.2.2自动门电源过流、过热保护设计

过流、过热保护设计为了提高自动门控制系统的安全性能，在电源电路中设置过流保护电路是必须的。

系统电源电路的过流保护电路如图2-3所示。

R1、R2为单向可控硅GTO提供触发脉冲，使得可控硅导通，R3为大功率小阻值电阻，R4为大阻值电阻，T1为3A的普通保险丝，T2为快速自恢复温度保险丝。

T2安装在GTO上，监测GTO的温度，温度在72℃以下时，T2处于关闭状态，当温度高于72℃时，T2断开。

3传感器与检测技术

3.1传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的点信号部分。

在本设计中，我采用的是热释电人体红外线传感器。

图2-3　过流过热保护装置

3.2热释电人体红外线传感器的原理和应用

热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。

现在，已得到越来越广泛的应用。

目前，一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。

3.2.1热释电人体红外线传感器的基本结构

目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPONCERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。

虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。

    热释电人体红外线传感器（以下简称：

传感器）主要由敏感单元和滤光窗两大部分组成。

（1）敏感单元

对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。

如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3制成。

这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

但这两个电容的极性是相反串联的。

这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。

   当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。

当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。

传感器仍然没有信号输出。

同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.1～10Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为5～15μm），因此，传感器对它们不敏感。

    当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。

    从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。

环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1～10Hz）和对特定波长红外线（一般为5～15μm）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。

所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

（2）滤光窗

   它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0～14μm波长以外的红外线。

例如，SCA02-1对7.5～14μm波长的红外线的穿透量为70%，在6.5μm处时下降为65%，而在5.0μm处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为6～14μm，中心波长为10μm。

物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足λmT=2989（μm.k）（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。

人体的正常体温为36～37.5℃，即309～310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309～310.5）=9.67～9.64μm，中心波长为9.65μm。

因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7～14μm）的中心。

所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

   综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

菲涅尔透镜，不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。

配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。

例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。

菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。

透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。

最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。

中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。

当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。

由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。

任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。

也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。

菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，其焦点一般为5厘米左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方1～5厘米的地方。

菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10μm左右的红外线来说却是透明的。

  表3-1　热释电人体红外线传感器SCA02-1的主要电参数

项目

参数

 条件

电源电压

2.2～10.0V

----

源极电压

0.3～2.0V

 25℃

源极阻抗

47KΩ 

Id=6～43μA

电平衡

10%（Max）

----

频率响应

0.3～30Hz 

12db（Max）

响应波长

7.5～14μm

平均大于70%

工作温度

-10～+50℃

----

3.2.2热释电红外探头的工作原理及特性

 在自然界，任何高于绝对温度（零下273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

    在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8--12μm之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。

    另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。

菲涅尔透镜作用有两个:

一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。

（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

（3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

（4）人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

（5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密[12]。

3.2.3热释电人体红外线传感器的基本应用

    PY1为传感器P2288或SCA02-1，IC1为低噪声高速运算放大器LM358等。

PY1检测到人体红外线信号后，从2脚输出极微弱的电信号直接输入同相放大器IC1a放大约2500倍，再从1脚输出一定幅度的信号，再经电容C8耦合到反相放大器IC1b进一步放大。

IC2构成窗口式电压比较器，当IC1b的7脚电压幅度在Ua和Ub的幅值之间时，IC2的1、7脚无输出；当IC1b的7脚电压幅度大于Ub的幅值时，IC2的7脚输出高电平；当IC1b的7脚电压幅度低于Ua的幅值时，IC2的1脚输出高电平；经D1、D2相互隔离和“或”的作用，从P点输出高电平控制信号。

R11用于设置窗口的阀值电平，调节R11可以调整检测器的灵敏度。

P点输出高电平控制信号可以用于以下各种实用电路中。

（1）“有电，危险”安全警示电路用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。

（2）自动门主要用于银行、宾馆。

当有人来到时，大门自动打开，人离开后又自动关闭。

   （3）红外线防盗报警器用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。

   （4）高速公路车辆车流计数器。

   （5）自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。

3.3检测技术的定义及应用

3.3.1检测技术的定义

检测技术属于信息科学的范畴、与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。

检测是指确定被对象属性值为目的的全部操作。

测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。

3.3.2检测技术的应用

客观世界的一切物质都以不同的形式在不断地运动着。

运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的，这就是信号。

人们为了认识物质世界，就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系。

这就是检测的任务。

现在人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术，例如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、防盗和防尘等的测试、控制，以及有视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉等感觉器官并有思维能力和机器人来参与各种家庭事务管理和劳动等，都要靠各种检测技术。

尤其是自动化生产出现以后，例如，自动化流水线生产、在机床控制、自动门控制以及一些现在化的自动控制中，要求生产过程的参数检测、自动控制装置的自动工作能自动进行。

这时就产生了自动检测系统。

目前，检测技术与自动化装置将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的符合技术，广泛应用于自动门控制、交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。

检测技术与自动化装置的研究与应用，不仅具有重要的理论意义，符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。

4可编程序控制器的概述

4.1PLC的产生和定义

4.1.1PLC的产生

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。

因而设想把计算机的完备功能、灵活及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，制成一种适合于工业控制的新型控制器，用“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件（有名的“GM10条”）。

1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

接着，美国国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。

1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。

我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。

使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

4.1.2PLC的定义

可编程序控制器（ProgrammableController）缩写为PC。

为了和个人计算机（personalcomputer）相区别，把可编程控制器缩写为PLC（ProgrammableLogicController）。

国际电工委员会（IEC）曾于1987年2月颁布了第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其中内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

而有关的外围设备都应按易于与工业系联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

4.2PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性高

微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。

而PLC在电子线路、机械结构及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC句有较高的抗干扰能力。

PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。

（2）控制系统结构简单，通用性强

在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。

当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用语不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。

（3）编程方便，易于使用

PLC是面向拥护的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。

（4）功能完善

PLC的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。

在PLC内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以及移位器存器、中间寄存器等。

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。

（5）设计、施工、调试的周期短

采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入/输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

由于用软件变成取代了硬接线实现空子功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。

因为PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便拥护的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

（6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

4.3PLC的应用和发展

4.3.1PLC的发展状况

在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。

由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。

目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

我国市场上流行的主要有如下几家PLC产品:

（1）施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

（2）罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前