可编程自动门控制系统设计毕业设计.docx

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可编程自动门控制系统设计毕业设计

毕业设计（论文）

题目可编程自动门控制系统设计

专业机械设计制造及其自动化

可编程自动门控制系统设计

何彬

重庆三峡学院应用技术学院机械设计及其自动化专业2009级重庆万州404000

摘要本文是关于自动门控制系统的设计，自动门系统主要由可编程控制器（PLC）、感应器件、驱动装置和传动装置组成。

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PLC，PLC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，使驱动装置运行，在通过传动装置带动门的动作。

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用越来越广泛。

PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点。

本文通过介绍自动门的设计要求、自动门的硬件设计、PLC选型、驱动装置选型、感应器件的选型、系统软件设计、PLC梯形图设计等实现自动门控制的过程。

关键字自动门PLC感应器件驱动装置

第1章自动门的概要

1.自动门的分类

自动门通常可分为:

平移自动门（如图1-1）、圆弧自动门（如图1-2）、折叠自动门（如图1-3）、旋转自动门（如图1-4）等。

图1-1平移自动门图1-2圆弧自动门

图1-3折叠自动门图1-4旋转自动门

2.国内自动门发展现状

厂家多，规模小。

05～06这几年来，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。

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，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。

高、低档次的市场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，但生产工艺略显粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。

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。

3.自动门技术发展方向

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。

免维护：

采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。

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。

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。

第二章PLC的介绍

1.PLC的起源

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

上世纪60年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装、使用简便、低价格、长寿命。

它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。

2.PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

3.PLC的基本结构

图2-1PLC结构示意图

4.PLC的各器件介绍

（1）、CPU即中央处理器（CentralProcessingUnit），是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。

（2）、I/O模块即输入/输出模块，是PLC与外界连接的接口。

（3）、编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。

编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。

（4）、PLC内部配有开关式稳定电源的电源模块，用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。

5.PLC的功能

（1）、数据采集与输出。

（2）、控制功能。

包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

（3）、数据处理功能。

包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

（4）、输入/输出接口调理功能。

具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

（5）、通信、联网功能。

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制。

多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文文件转移、监视和诊断。

（6）、支持人机界面功能。

提供操作者以监视机器工作过程必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便做决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

（7）、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

6.PLC的主要特点

（1）、可靠性高。

（2）、结构形式多样，模块化组合灵活。

有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集中控制系统。

（3）、功能强大。

（4）、编程方便，控制具有极大灵活性。

（5）、适应工业环境。

适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。

（6）、安装、维修简单。

（7）、与DCS相比，价格低。

（8）、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。

（9）、易学易用，深受工程技术人员欢迎。

（10）、体积小，重量轻，能耗低。

7.PLC的工作原理

可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。

PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。

CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地集中采样、集中输出的方式来完成。

一个扫描周期（工作周期）主要成分为以下几个阶段：

（1）、输入采样扫描阶段

这是第一个集中批处理过程，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态是否变化。

即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。

（2）、执行用户程序扫描阶段

这是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。

如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。

对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。

在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。

在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而变化的。

（3）、输出刷新扫描阶段

这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。

第3章自动门控制系统功能要求分析

1.课题研究内容

以某银行的平开自动门为例，设计了以PLC为控制器的自动门控制系统。

在银行自动门正上方里外各安装一个探测开关，当有人欲进入时，探测开关检测出有人要进入或出去，从而产生输出信号。

PLC获取到该输入信号，启动电机，将门打开。

当门打开到一定程度后，碰到限位开关，限位开关动作，产生输出信号，自动门停止动作。

等待一段时间后，自动门自动合上。

在闭合过程中，如探测开关检测有人要进入或出去时，自动门停止闭合，并立刻打开。

为了保障门的安全性，设置关门限位开关，从而保障在自动门闭合即将结束时，不会发生两扇门相撞的事故。

（如图3-1）

K1（K2）

图3-1

2.自动门控制系统构成

自动门控制系统包含PLC控制、驱动装置、传动装置、感应器件构成。

采用自动和手动控制方式。

自动门具体组成如图3-2：

图3-2

由图3-2可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC，PLC根据已经采集的信号发出控制信号，使驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运动。

3.自动感应门的工作过程

当自动感应门门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：

感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。

马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使自动感应门扇开启；自动感应门扇开启后由控制器作出判断，如需关自动感应门，通知马达作反向运动，关闭自动感应门。

4.自动门控制系统的控制要求

（1）、当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开关执行机构KM1动作，电动机高速正转，当门移动到低速感应开关K5位置时，低速开门执行机构KM3动作，当门移动到限位开关K3位置时，所有电动机停止运行。

（2）、自动门在开门位置停留8s后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2动作，电动机高速反转，当门移动到低速关门感应开关K6时，低速开门执行机构KM4动作，当门移动到关门限位开关K4位置时，所有电机停止运行。

（3）、在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关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8s等待时间内，若有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待8s后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

（5）、开门与关门不可同时进行。

第4章自动门的硬件选取

1.自动感应门的基本组成

（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，控制自动感应门扇加速与减速运行。

（4）、自动感应门扇行进轨道：

就像火车的铁轨，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：

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。

2.自动门的机械传动选取

（1）、自动门的传动主要包括安装板、轨道、门机、皮带、吊挂件等。

（2）、所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。

（3）、导轨：

水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性。

并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方便的特点。

（4）、滑轮：

采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。

（5）、皮带：

采用齿形皮带，齿形皮带的截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了使用寿命。

3.传感器的选型

3.1传感器的组成

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。

传感器主要由敏感元件和转换元件组成。

3.2传感器的分类

传感器目前采用二种分类方法：

一种是按被测参数分类，如温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。

另一种是按传感器的工作原理分类，如应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等。

3.3自动门行业传感器介绍及选型

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、光电感应器等。

微波感应器：

又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，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，平面型天线感应系统，以微处理器作控制。

微波感应器是以10.525GHz微波频率发射、接收，其探测方式具有非接触探测、不受温度、湿度、噪音的影响等优点。

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慢。

光电感应器：

是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。

由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。

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，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。

由于光电传感器应用广泛，本课题传感器的检测距离为1米，故而在本系统中选择MGK系列光电传感器。

3.4MGK系列光电传感器特点

（1）、具有自诊断稳定工作区指示功能，可及时告知工作状态是否可靠；

（2）、对射式、反射式、镜面反射式光电开关都有防止相互干扰功能，安装方便；

（3）、响应速度快，高速光电开关的响应速度可达到0.1ms，每分钟可进行30万次检测操作，能检出高速移动的微小物体；

（4）、采用专用集成电路和先进的SMT表面安装工艺，具有很高的可靠性；

（5）、体积小（最小仅20×31×12mm）、重量轻，安装调试简单，并具有短路保护功能。

3.5光电传感器使用及注意事项

（1）、避免强光源：

光电开关在环境照度较高时，一般都能稳定工作。

但应回避将传感器光轴正对太阳光、白炽灯等强光源。

在不能改变传感器（受光器）光轴与强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或套上遮光长筒。

（2）、防止相互干扰：

防止干扰最有效的办法是投光器和受光器交叉设置，超过2组时还拉开组距。

（3）、镜面角度影响：

当被测物体有光泽或遇到光滑金属面时，一般反射率都很高，有近似镜面的作用。

这时应将投光器与检测物体安装成10~20°的夹角，以使其光轴不垂直于被检测物体，从而防止误动作。

（4）、自诊断使用功能：

在安装或使用时，有时可能会由于台面或背景影响以及使用振动等原因而造成光轴的微小偏移、透镜沾污、积尘、外部噪声、环境温度超出范围等问题。

这些问题有可能会使光电开关偏离稳定工作区，这时可以利用光电开关的自诊断功能而使其通过STABLITY绿色稳定指示灯发出通知，以提醒使用者及时对其进行调整。

4.直流电动机的选型

4.1直流电动机的调速

并励或他励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。

由直流电动机的转速公式4-1所示

n=（U-IaRa）/KeΦ（4-1）

可知：

Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。

4.2直流电动机的优势

直流电动机在调速方面很简单，相对于异步电动机来说又有以下的优点：

（1）、由于采用高性能永磁材料，无刷直流电机的转子尺寸得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。

（2）、由于没用转子损耗（转子使用永磁材料），也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电机具有较高的效率和功率密度。

对于同等容量输出，交流异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。

（3）、由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题。

（4）、交流异步电机由于其非线性本质，实现控制极为复杂。

无刷直流电机把其复杂的磁场定向控制简化为离散状态的转子位置控制，无需坐标变换，调速范围更宽，控制性能更好。

4.3自动门直流电动机的负载

电动机是自动门能否良好工作的保障，根据测量，自动门单扇门的最大承重为120kg，为了保证自动门的正常运转，故而本设计选用的是亚坦电机控制有限公司生产的45BLDC系列直流无刷电机，电机直径φ45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m，功率70W～100W，额定电压24V。

直流电机功率密度高，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，又具备直流电动机线性机械特性好、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。

5.限位开关的选择

限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。

用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。

限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。

当生产机械运动到某一运动位置时，限位开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。

根据本次自动门设计的要求，故选择滚轮式行程开关。

而滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位式和双滚轮（羊角式）非自动复位式，双滚轮行移开关具有两个稳态位置，有“记忆”作用，在某些情况下可以简化线路。

因为自动门需要自动复位，所以选择单滚轮自动复位式行程开关。

6.PLC的选型

6.1PLC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，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

结合本课题的应用角度考虑因此选用整体型PLC。

6.2PLC经济的考虑

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，最终选出比较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

当点数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC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。

本课题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用整体型PLC。

6.3对PLC响应时间的要求

对于多数场合，PLC的相应时间基本上能满足控制要求。

响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。

PLC的工作方式决定了它不能接受频率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。

综合以上因素，本课题的设计采用德国西门子公司生产的S7200小型PLC来实现整个系统的控制。

第5章控制系统及程序设计

1.自动门控制系统设计

1.1自动门控制系统的硬件组成

由德国西门子公司S7200小型PLC、MGK系列光电传感器、亚坦45BLDC系列直流无刷电动机、门外光电探测开关K1、门内光电探测开关K2、开门到限位开关K3、关门到限位开关K4、低速开门感应开关K5、低速关门感应开关K6、开门执行机构KM1（使直流电动机正传）、关门执行机构KM2（使直流电动机反转）、低速开门执行机构KM3（使直流电动机低速正传）、低速开门执行机构KM4（使直流电动机低速反传）等组成。

1.2控制要求

（1）、当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开关执行机构KM1动作，电动机高速正转，当门移动到低速感应开关K5位置时，低速开门执行机构KM3动作，当门移动到限位开关K3位置时，所有电动机停止运行。

（2）、自动门在开门位置停留8s后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2动作，电动机高速反转，当门移动到低速关门感应开关K6时，低速开门执行机构KM4动作，当门移动到关门限位开关K4位置时，所有电机停止运行。

（3）、在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关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8s等待时间内，若有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待8s后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

（5）、开门与关门不可同时进行。

2.自动门控制装置主要技术指标

（1）、自动门采用平开形式，两只门分别向左右移动实行开启与关闭，单只开启门宽为1m，总开启门宽度为2m；门框总长为4m，高为2m。

（2）、采用高速、低速控制自动门开启与关闭，高速开门速度：

0.5m/s；低速开门速度：

0.2m/s；高速关门速度：

0.4m/s；低速关门速度：

0.1m/s。

（3）、单扇门的最大承重120kg。

（4）、使用了光电传感器；多种触发开门方式（感应、按钮、刷卡等）；后备电源；上电后门自动检测运行；人夹住后反弹。

3.自动门控制装置系统的工作原理

3.1开启动作

当人靠近自动门时，设置于门内外侧的检测装置（光电开关）将其检测出来，之后，信号送到控制装置。

控制装置接到该信号后驱动高速马达向门的开启方向旋转带动皮带轮、皮带或链条，使门向开启方向运动。

当门接触到减速开关时，信号送到控制装置。

控制装置接到该信号后驱动低速马达向门的开启方向旋转并停止高速马达。

当门接近门接触到开门限位开关时，信号送到控制装置，控制装置接到该信号后停止所有马达，靠惯性行至门挡位置后停止。

3.2关闭动作

当人离开检测装置的检测范围，开启定时器定时结束后，控制装置将高速马达逆转，使门向关闭方向动作，当门接触到减速开关时，控制装置将低速马达逆转，门徐行后在开门限位开关位置停止。

4.自动门控制装置系统程序

4.1自动门控制装置原理框图（如图5-1）