基于PLC自动门控制系统设计.docx
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基于PLC自动门控制系统设计
1绪论
在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经随处可见。
自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走进自动门是感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过之后，再将门关上。
由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。
自动门在国外早已得到普遍的应用，在我国也以优异的性能逐步得到大家的认同，中国已迎来了自动们发展的黄金时期
自动门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PLC，它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
目前他在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。
因此运用PLC控制自动门具有较高的可靠性、维修方便等优点。
由此看来，进行自动门的PLC控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。
本课题主要介绍运用PLC为控制器的自动门控制系统的设计，所有产品的开发都要讲究实用本课题开发的产品对许多场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发还是使用者来说都是最好的。
此系统的设计既满足了自动门的基本要求，还可以保证自动门的稳定性。
研究本课题意味着产品成本的下降，效益提高。
因此是一个比较实用且经济的产品。
1.1论文研究背景与意义
近年来，随着我国国民经济的增长，国人对建筑装饰的要求是越来越高，自动门作为自动门中的顶级产品，以其华丽大方的外表和宽敞的开房门面受到了大家的喜爱。
但是自动自动门市一种颇具技术含量的产品。
自动门主要用于宾馆、酒店、大厦、豪华公寓、大型企事业单位等，它结构严谨，将传统的自动门和数字化控制技术有机的结合起来。
尤为优越的是不论旋转到任何角度，它始终将室内和室外隔离开来。
在具有豪华外观的同时还具有防尘、隔音、保温的功能，再加上它全方位的安防设置，使之成为宾馆、酒店等的最佳选择。
在人们追求美的同时，却忽略自动自动门的安全问题，多次出现伤人事件。
所以要设计出更加可靠安全的自动门对于人们来说是非常重要的。
早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点，已经被逐渐的淘汰，所以我想设计基于PLC技术的自动自动门。
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。
它采用可以编程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。
本课题自动门设计运用PLC作为控制器，能大大提高自动门的稳定性和经济性。
因此，进行自动门的PLC控制系统的设计，可以推动自动门的发展，扩大PLC在自动门及整个自动化行业的应用。
1.2国内外关于该论题的研究现状和发展趋势
在国外，进入新世纪以来，自动化技术发展很快，技术相对成熟，并获得了惊人的成就。
自动化技术是自动门技术的重要组成部分，在现代人们生活中，自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘。
同时可以使入口显得庄重、高档。
因此应用非常广泛。
自动门、智能门控的主要产品品牌均来自于：
美国、德国、韩国、日本等国家和地区的著名电器制造商制造。
比如国外的品牌有：
日本扶桑，中美合资奥都马，美国德罗思等。
在国内，随着我国经济的飞速发展。
自动门在人们生活中的运用越来越广泛，自动自动门适用于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等。
但在国内，自动门自主研发尚处于初级阶段。
在自动自动门控制系统中：
稳定、节能、环保、安全及人性化石需要首先考虑的因素。
自动门的控制方式有许多种，比如从控制器的不同上来分，有传统的继电器控制，就是通过按钮和复杂的连线安装来控制；另一种就是智能控制器控制，就是通过运用现代化的自动化设备来控制，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控自动门系统存在很多的缺陷而慢慢的被智能化的控制器所取代。
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）控制两种。
微电脑控制的优点是体积小，安装方便等。
而PLC控制器的优点是稳定性高，维护方便等。
2自动门控制系统总体方案设计
2.1自动门的功能需求分析
本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。
根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能：
（1）开门和关门控制应有手动和自动方式
为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。
当信号采集装置检测到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动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。
（2）紧急停止
当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。
自动门控制系统包含PLC控制和执行元件构成。
采用自动和手动控制方式，此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。
本课题所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，开门执行机构KM1动作，电动机正转，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8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，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8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关K2或K1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。
2.3自动门控制系统构成
自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。
采用自动和手动电动控制方式，此种控制方式为目前大多自动门的控制方式。
本课题所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。
2.3．1具体构成
自动门系统的具体组成如下图：
图1
由上图可知，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，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。
2.4自动门的机械传动机构设计
在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：
（1）自动门的传动主要包括安装版，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）电机：
驱动电机采用64V直流电动机，功率大，可调性强。
（4）导轨：
水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆得问题，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。
（5）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。
（6）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自动门控制系统的硬件设计
3.1PLC的选择
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要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、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，在增加10%到20%的可扩展。
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PLC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课题的I/O点数为输入12点，输出12点。
（2）存储器容量的选择
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实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。
设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须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形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，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性能的选择。
根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。
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要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器共用一个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。
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。
五种标准化变成语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语言表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
诊断功能
PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
（4）机型的选择
PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块两类型型，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/0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/0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/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
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。
点当数增加到一数值后，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。
（5）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的工作方式决定了他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，本课题的设计日本三菱公司生产的FX1S小型PLC来实现整个系统的控制。
3.2驱动装置的选型
自动门的驱动器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、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15W～100W。
额定电压24VDC。
3.3感应器件的选型
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，平面型天线昨感应系统，以微处理器作控制。
整机关键元器件均为进口器件，方案设计选择器件均确保了产品可靠性。
微波感应器的特点：
微波感应器是以10.525GHz微波频率发射、接收。
其探测方式具体如下优点：
（1）非接触探测。
（2）不受温度、湿度、噪音。
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。
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。
结合本课题的实际需要在设计自动门的人员检测上运用上海顺安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB-3004，其规格如下：
表1
型号
WB-3004
供电电压
AC/DC12V-AC/DC24V
工作频率范围
50Hz-60Hz
感应探头工作频率
10.525GHz（9.00GHz-12.00GHz）
工作指示方式
LED
感应时间/延时时间
REAL-TIME/0.6SEC
感应范围
4.0M（W）*3.0M（D）
静态功耗
工作功耗
200Mw12V
550Mw12V
探头可调节角度
40-160°
工作温度范围
-25℃-+60℃
相对湿度
0-95%
安装方式
WALL
3.4直流电动机的选型
3.4.1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：
n=（U-IaRa）/KEΦ
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。
但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。
现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。
（1）调磁法
即改变磁通量Φ。
当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，所示。
由于
n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T
可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图14所示。
在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。
由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞nn）。
调速的过程是：
当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。
由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·Φ·n就减小，Ia随之增加。
由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。
如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。
随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。
但这时转速已比原来升高了。
必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。
这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。
这种调速方法有3个优点：
调速平滑，可无级调速；
调速经济，控制方便；
机械特性较硬，稳定性较好。
这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。
因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。
在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。
（2）调压法
即改变电压U。
当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由
n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T
可见，n0变低了，但△n未改变。
因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。
在一定负载下，U愈低，则n愈低。
由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调（nn）。
调速的过程是：
当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。
如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。
随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T=Tc时为止。
但这时转速已比原来降低了。
由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。
这种调速方法有下列优点：
机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；
调速幅度大；
可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。
这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。
近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。
印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。
3.4.2直流电动机的优势
因为直流电动机在调方面很简单，相对于异步电动机来说又有以下的优势：
（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（应用新理论），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。
综上所述，无刷直流电机具有更大的功率密度（铁芯利用率高）、更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。
3.5传动装置
本控制系统所用到的传动装置具体包括如下：
（1）自动门扇行进轨道：
就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。
（2）自动门扇吊具走论系统：
用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。
（3）同步皮带：
用于传输电机所产动力，牵引自动门吊具走论系统。
3.6限位开关
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，行程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。
3.7自动门控制系统I/0地址分配表
I/0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。
表2：
I/O分配表
X0
屋外光电开关控制的继电器KA1
X1
屋内光电开关控制的继电器KA2
X2
开门到位行程开关SQ1
X3
关门到位行程开关SQ2
X4
开门减速行程开关SQ3
X5
关门减速行程开关SQ4
Y0
开门接触器KM1
Y1
关门接触器KM2
Y2
换速继电器KA3
3.8自动们控制系统的原理图
3.8.1主电路及供电线路
图2
3.8.2外围接线
图3
如上图所示KA1KA2是感应器控制的两个继电器，有感应器感应到有人时会自动闭合，SQ1、SQ2是开关门到位行程开关，检测开关门是否到位检，SQ3、SQ4是开关门时减速行程开关。
4自动门控制系统软件的设计
4.1工作过程的分析
根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照下图所示的流程运行，已达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计，工作流程如下：
（1）首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体信号时，电动机正传，带动自动门执行开门过程。
（2）当门完全打开之后，使开门限位开关打开，此时自动门停止，进行8秒延时。
若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时
（3）当8秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。
在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。
（4）考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。
以上工作过程可用流程图表达如附图所示。
4.2梯形图程序
4.2.1梯形图的概述
PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者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）详细的说明了句法、语义和下述5中编程语言：
功能表图（sequentialfunctionchart）、梯形图（ladderdiagram）、功能块图（functionblackdiagram）、指令表（InstructionIist）结构文本（struredtext）。
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，功能表是一种结构块控制流程图。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种设计语言。
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，事件的结果表示在右面。
梯形图设计语言是最常见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技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛应用。
梯形图程序设计语言的特点：
（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）与原有继电器逻辑控制技术的不同点是：
梯形图中的能流（PowerFlow）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
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