毕业设计（论文）PLC自动门控制系统设计

苏州市职业大学机电工程系毕业设计说明书1 绪论在经济飞速发展的中国，在我们高楼耸立的大都市，在大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。自动门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。可编程控制器（PLC）在继电器的控制和计算机控制的基础上开发出来的，是一种应用于工业生产过程控制，具有实时数字化处理能力的硬件设备，为工业自动化提供高可靠性的自动控制装置。 可编程控制器（PLC）在工业现场因其编程方便，抗干扰能力强，获得了广泛的应用。具有可靠性高，环境适应好，编程简单，使用方便以及体积小，重量轻，功耗低等优点，迅速成为当代工业自动化的支柱设备。由于自动门的适用性、可编程控制器（PLC）的优越性，为此我设计自动门装置，它靠光电检测开关自动检测有无人员通过，具有安装维护简单、方便可靠、节能和安全等多种特性。本文论述的自动门控制系统主要由以下几部分构成：可编程控制器(PLC)、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置。可编程控制器选用日本三菱电机公司生产的FX2N-32M小型PLC；信号采集装置选用上海晶园微电子公司生产的微波感应器；变频器采用日本三菱电机公司生产的FR540变频器；驱动装置采用天津安全电机有限公司生产的YSM100/112、W、S三相异步电动机，额定转矩为0.43N.m，额定转速为400r/min；传动装置采用皮带来带动门的运动。本设计对于周围环境的要求较低。本设计主要的工作原理是通过信号采集装置判定有无人经过并将信号转换成开关量信号传到PLC，PLC根据开关信号的来控制变频器的开停和速度的变换，在由传动装置带动门运动。2 设计的意义和要求的介绍2.1究背景和研究意义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。自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式-自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。自动门从理论上理解应该是门的使用 观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。因此门体本身应牢固、密封。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。自动门除可美化出入口环境外由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌（目前有很多自动门品牌是由一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成，应尽量避免购买此类产品）。不要认为样本上全部是外国语，资料也是外国语的商品就是进口的商品，其实这样是违反国家规定的。真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌（目前有很多自动门品牌是由一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成，应尽量避免购买此类产品）。不要认为样本上全部是外国语，资料也是外国语的商品就是进口的商品，其实这样是违反国家规定的。真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。在购买自动门时最好在授权的指定经销商处或认定销售店的商店购买（有悬挂的授权书），而且在购买时要清楚所购买设备的基本配置，防止买家克扣部件。自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常宠大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门。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，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员进入的场所。本文拟使用PLC设计一个自动门控制器系统。2.2 自动门的简介人类文明的产物，自动门已经经过了数十年的漫漫发展，至今为止，通过应用PLC控制系统及其他各种科技产品，已经具备了及其完善的控制技术，形成了具有庞大规模的自动门家族。并且根据不同的需求制定了一系列的标准。如JG/T 177-2005是由中华人民共和国建设部于2005-12-01制定的中国自动门标准编号，标准内容主要有：规定了建筑用各种自动门的分类、规格、代号、材料、要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存。本标准适用于推拉自动门(弧形自动门)、平开自动门、折叠自动门、旋转自动门。其他自动门可参照执行。有特殊要求的自动门，还应参见其相关标准。门和人类文明是孪生的，它伴随着人类文明的发展而跃动。数千年来，门一直作为人类社会活动的守护神，拒侵入者于门外，而作为人类社会活动的航道，门又承载着文明，追寻着人们向往的光辉彼岸。人类对文明的渴望是无穷尽的。从古埃及到古罗马到今天的现代社会，都可以见到门迈动的足迹。往昔，门的屏障作用是被动隔离，而通道作用仅仅是保证通行。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。门的高级形式-自动门起源在欧美，从1802年8月，德标公司成功设计并开发出世界第一台感应自动门，门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。中国早在十多年前就开始引用欧洲自动门，并把它应用在酒店、机场、购物 中心、银行、写字楼等大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。2.3自动门控制系统总体方案设计2.3.1 自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需要有安全和可靠性，在设计的时候改进了自动门的友好性，结构如图2-1所示：图2-1 自动门结构图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具有以下功能：(1）开门和关门控制应具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。手动和自动开门方式由手自动转换开关来控制。当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器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且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动点动控制方式，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。2.3.2 系统设计的基本步骤在自动门系统设计与调试过程中最主要的是先列出设计的主要步骤流程图，如图2-2所示。在自动门控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1）深入了解和分析自动门的工艺条件和控制要求。2）确定I/O设备。根据自动门控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5）设计自动门系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。6）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。7）自动门系统的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图2-2 设计调试步骤图2.3.3 自动门技术参数的确定自动平移门安装和调试的关键是提高精度，即导轨的平直度和水平度，门体的两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应经常调节门体，修正运行产生的误差。要严格限制门体重量，不能超过自动门的额定负重。通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的清理和调整。公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。具体参数如表2-1所示。表2-1 自动门具体参数单扇开启宽度（mm）1250mm（最宽）单扇门的最大承重（kg）1x120kg高度（mm）2500mm最快开/关门速度（cm/s）60cm/s常速开/关门速度（cm/s）32.5cm/s减速开/关门速度（cm/s）20cm/s开启保持时间（s）15s（程序中可调）可编程控制器（PLC）电源220V AC,50-60Hz驱动器电源380V AC,50Hz驱动器输出额定功率120W在本毕业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，使得安装很简便。3）电机：驱动电机采用380V三相交流电机，功率大，可调性强。4）导轨：水平双导轨结构，形成正悬挂，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，实现了维护方面的特点。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, 齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。7）传动结构如图2-3所示。其中马达皮带轮直径为5cm,皮带滑轮内径为13.5cm,外径为28.5cm。图2-3 机械传动3 自动门控制系统硬件介绍3.1 控制系统结构设计本设计运用PLC控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门运转的控制方式。采用变频器电路，结构简单，控制方便、可靠性高，交流电机具有效率高、维护成本低的特点。 交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长等优点,并且系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩、高速恒功率运转等特性。随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的大量运用提供了条件。控制系统结构图如图3-1所示：变频器门内外感应器采集信号P L C交流电机手动控制开关开/关门指示灯蜂鸣器安全感应器图3-1 控制系统结构图3.2 可编程控制器(PLC)的选型3.2.1 PLC概述可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内外中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.2.2与单片机控制系统的区别a.本质区别单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制系统是基于板级或模块级的系统。其实PLC本身就是一个单片机系统，他是已经开发好的单片机产品。开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在产品的单片机控制系统上进行二次开发。b.使用场合单片机控制系统适合于家电产品、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用；而PLC控制系统适合在单片机电气控制系统、工业控制领域的制造业自动化和过程中使用。c.使用过程设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需要的电子元件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰等大量工作需要专门的开发装置和低级编辑语言控制程序，进行系统联调；而PLC不必操心内部的计算机系统是否可靠和他们的抗干扰能力，软件设计使用工业编程语言，相对来说比较简单。进行系统调试时，因为有好的工程工具帮助，所以非常容易。3.2.3可编程控制器（PLC）的选型在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的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、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，再增加10%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）存储器容量的估算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使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需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替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015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），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，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特性的选择。根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。（1）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的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个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。在线编程方式：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。五种标准化编程语言：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句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。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，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换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(1)PLC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，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。（2）经济性的考虑选择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。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU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择整体型PLC。综合以上因素，本课题的设计采用日本三菱公司生产的FX2N-32M小型PLC来实现整个自动系统的控制，如图3-2所示。图3-2 FX2N可编程控制器（PLC）三菱FX2N-32M具有如下优点：最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱FX2N-32M具有突出的寄存器容量：三菱FX2N-32M包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。 丰富的元件资源：3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器、实时时钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。3.3 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，在本设计中是运用变频器的三段速度调节来自动调节电机的速度，以达到驱动自动门的目的。这种方法具有稳定性能好，维修方便，连接简单，成本较低，是在目前的自动门行业主流控制方式。根据本课题所设计的自动门的要求应选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准规定的，具有噪声低、过载能力强的特点的并且转速不高于500r/min的电机，在结合了安全、稳定的考虑本课题所设计的自动控制系统的驱动装置选用天津安全电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的3相380V交流电机，电机如图3-3所示。图3-3 YSM100/112、W、S交流电机3.4变频器的选择3.4.1 变频器的原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们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。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。3.4.2 变频器的选型根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点：1.变频器与负载的匹配问题（1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。本次所用的电机的额定电压为380V，故在选择变频器时要符合电机的额定电压。（2）电流匹配；变频器的额定电流与电机的额定电流相符，以最大电流确定变频器电流和过载能力。在本课题所使用的三相交流电机的最大起动电流为Y形接法为0.37A，形接法为0.64A，本设计中采用Y形接法，所用的变频器的最大电流应大于电机的Y形接法的最大起动电流。（3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生，本课题所用电机的最初起动转矩为1.4Nm，在选型中要考虑。2.在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。综合以上因素，本课题变频器采用日本三菱公司生产的FR500系列中的FR-540变频器（如图3-4所示）作为控制电机转速的控制器。图3-4 三菱FR-540变频器三菱FR-540变频器具有以下优点：(1) 接线简单，可运用PLC的继电器输出接到变频器的控制输入端来控制变频的正反转和频率。(2) 安装灵活，可以根据实际需要，把控制装置安装到任何位置，进行远距离操作。(3) 频率设置简单，并且具有三速设定功能，可以满足本课题自动门系统的控制要求，且操作方便，只需轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置。3.4.2 变频器的参数设定本课题所设计的自动门系统具有如下速度要求：自动门要求快速启动（限位）常速运行（限位）慢速运行停止, 构成了如图3-5的开门和关门曲线。根据转速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示电流的频率，p表示电机的极对数，s表示电机的转差率，n表示转子的实际转速，计算出变频器的设定频率。根据公式和电机参数p=6，额定转速为400 r/min，算出电机的转差率S=-0.25，马达皮带轮与门上的皮带轮外径、门上的皮带轮内径转速比为5.7：1：2.1,得出马达皮带轮与门上的皮带轮内径转速比为2.4：1。1.根据上一章提到的门的规格,加速开门或者关门的距离为30cm，时间控制在0.5S，速度为3600 cm /min，此时要求转子的转速为204r/min。2.中速开门和关门的距离为65cm，时间为2s,速度为1950cm/min，此时要求电机的转速为110.4r/min。3.减速开门和关门的距离为30cm,时间为1.5s,速度为1200cm/s，此时要求电机的转速为67.9r/min。根据以上速度要求设置变频器，变频器的频率具体设定方式见表3-1，根据以下设定方式按课题要求设定好变频器三速控制的频率。图3-5 开门和关门曲线表3-1 变频器设定名 称设定范围最小设定单位设定值上限频率(Pr1)0120Hz0.1Hz50Hz下限频率(Pr2)0120Hz0.1Hz0.1Hz3速设定（高速）(Pr4)0120Hz0.1Hz25.5Hz3速设定（中速）(Pr5)0120Hz0.1Hz13.8Hz3速设定（低速）(Pr6)0120Hz0.1Hz8.5Hz加速时间(Pr7)0999s0.1s0.3s减速时间(Pr8)0999s0.1s0.3s操作模式选择(Pr79)04,7,812 3.5感应开关的选型目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应器，红外感应器，接近感应开关等，根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中，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。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3-2自动门感应器WB-3004 型号 WB-3004 供电电压 AC/DC 12VAC/DC 24V 工作频率范围 50HZ60HZ 感应探头工作频率 10.525GHz(9.00GHz12.00GHZ) 工作指示方式 LED 感应时间/延时时间 REAL TIME/0.5SEC 感应范围 4.0M(W)X3.0M(D) 静态功耗 200mW12V 工作功耗 550mW12V 探头可调节角度 40160 工作温度范围 -25 +60 相对湿度 0-95% 4 功能器件的基本工作原理4.1 自动感应门机的基本工作原理及流程4.1.1自动门的原理自动门的基本工作原理： 自动门机的基本组成大体上相同，有了以上构成，再加上开门信号，就可以配置成一套简单的自动门系统了。 自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控制等。必须根据建筑物的使用特点。通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。 自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源： 微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用； 红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。另外，如果自动门接受触点信号时间过长，控制器会认为信号输入系统出现障碍。而且自动平移门如果保持开启时间过长，也会对电气部件产生损害。由于微波雷达和红外传感器并不了解接近自动门的人是否真要进门，所以有些场合更愿意使用按键开关。按键开关可以是一个触点式的按钮，更方便的是所谓肘触开关。肘触开关很耐用，特别是它可以用胳膊肘来操作。避免了手的接触。 还有脚踏开关，功能一样，但对防水的要求较高，而且脚踏的力量很大，容易使脚踏开关失效。还有一种带触点开关的拉手，当拉手被推(或在反方向拉)到位时，向门机提供触点信号。现在的楼宇自控有时会提出特殊的要求，例如使用电话的某一分线控制开门。要达到这个要求，只要保证信号是无源的触点信号即可。有些情况下，人们会提出天线遥控的要求。用一个无线接受器与自动门进行触点式连接，再配一个无线发射器，就可以达到要求。不过，现在的无线电波源太多，容易导致偶然开门是一个麻烦的问题。定时器可以自动控制门的状态，其原理是将时钟与特定的开关电路相连，可预设定时间将自动门处于自动开启或锁门状态。 4.1.2平移式自动感应门机组成部件（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。 4.1.3工作流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.通过PLC控制系统作为中央处理器，来宏观整体调控自动门中各硬件设施协调工作，来完成自动打开和关闭大门。目前一些厂家PIE供应商都提供可直接控制步进电机运动的定位控制单元，可直接控制步进电机，通过编程完成单轴，两轴插补运动。直线运动系统设计师习惯上自行设计包括轴承、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。因此，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。 步进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PIC信号，PLC通过定位控制单元立刻控制步进电机中断当前运动，回零位。开始速度逐渐提高，在即将闭合时，速度逐渐减为零。而当门在关闭的过程时，一旦有人通过，应立即停止动作，转入开门过程。PIC 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，PIC 控制步进电机中断当前运动，向终点运动，速度控制如前。4.2 行程开关(限位开关)的工作原理行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于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，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮(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。5 自动门的程序设计5.1 I/O的地址分配 输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图，装配图，让装配人员根据线路图和安装控制柜。分配输出点地址时，要注意负载类型的问题。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表5-1所示。表5-1 I/O分配表类型PLC元件作用输入X0紧急停止X1手/自动转换开关X2感应开关（内）X3感应开关（外）X4防夹人光栅（常闭）X5关门下限X6开门下限X7开门/关门中速X10关门低速/开门高速X11手动开门X12手动关门X13关门高速/开门低速X14异常复位输出Y1手动开门Y2手动关门Y3开/关门中速Y4开/关门低速Y5开/关门高速Y6自动开门灯闪烁Y7自动关门灯闪烁Y10开/关门提醒Y11故障报警灯Y12自动开门Y13自动关门Y14异常停止5.2 PLC控制输出输入接线本课题设计的自动门控制系统的控制连接电路主要包括自动门控制系统连接电路、自动门I/O接线电路，详细的接线方式分别在附表和中列出。5.3 PLC梯形图概述及环境PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是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）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（sequential function chart）、梯形图（Ladder diagram）、功能块图（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、结构文本（structured text）。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，功能表图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程序设计语言。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，事件发生的结果表示在右面。梯形图程序设计语言是最常用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，并得到广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：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）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流（Power Flow）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继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。本设计的梯形图编程是运用三菱公司的GX Developer 7.0编程软件完成的，其编程环境界面如图5-1所示：图5-1 GX Developer 7.0编程界面下面主要介绍下GX Developer 7.0编程软件概要：GX Developer 7.0是具有下列功能的软件包。 1）对可编程控制器CPU的写入/读出图5-2 可编程控制器CPU的写入/读出示意图2）监视功能，监视功能包括回路监视，软元件同时监视，软元件登陆监视机能。此功能对于自动门的控制系统在查找故障的时候是非常重要的。3）模拟调试功能，把制作好的可编程控制器程序模拟写入可编程控制器的CPU内，测试此程序能否正常运转。次功能对于在完成自动门程序的时候进行程序的检查是很重要的。4）PC诊断功能，因为会见现在的错误状态或是故障履历表示出来，可以在短时间内恢复作业。对于自动门系统以后的故障查找是很重要的一项功能。GX Developer 7.0软件的特长：1）软件的共通化GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU）,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。此外，选择FX系列情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。2）利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升，能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。3）程序的标准化(1) 标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。(2) 功能块FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。 此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。(3) 宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。4）能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。5.4流程图根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照图5-3所示的流程运行，以达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计。图5-3 系统设计流程图5.5 梯形图的设计本系统运用GX Developer 7.0编程软件进行梯形图顺控程序编写，在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：1）每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。2）梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。3）线圈不能直接接在左边母线上。4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应避免。5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。根据以上规则和PLC的编程方法和思路编写了本课题设计的自动门控制系统的梯形图程序，具体梯形图程序在附录中列出。 5.6指令表如下表5-2：表5-2 指令表0 LD M80001 OUT T0 K54 LD T05 AND X0016 AND X0007 CJ P010 LD X01111 ANI M11512 AND X00013 OUT Y00114 LD X01215 ANI M11416 AND X00017 OUT Y00218 FEND19 LD XOO220 OR X00321 OUT TI K225 LD T126 PLS M12 28 DI X00329 ANI X00230 ANI M10931 OUT T4 K15034 LD T435 PLS M11337 LD X00438 PLF M11140 LD M11141 OR M10942 OUT M10943 LD X00544 OUT M11445 LD X00646 OUT M11547 LD X00748 MPS49 ANI M10950 ANI Y01251 AND Y01352 PLS M11653 MPP54 LD Y01355 AND Y01356 PLS M11757 LD X01058 MPS59 ANI M10960 ANI Y01261 AND Y01362 PLS M11863 MPP64 LDI Y01365 AND Y01266 PLS M11967 LD X01368 MPS69 ANI M10970 ANI Y01271 AND Y01372 PLS M12373 MPP74 LDI Y01375 AND Y01276 PLS M12477 LD X01478 PLS M12579 LD M12080 OR M11781 OR M11982 OR M12483 AND M11384 OR M11685 OR M11886 OR M12387 OUT M12288 LD M12089 OR M10990 OR Y01291 ANI M12292 ANI M11593 ANI Y01394 AND X00095 OUT Y01296 LD M801397 OUT Y00698 LD M11399 OR Y01399 ANI M114100 ANI M122101 ANI M109102 ANI Y012103 AND X000104 OUT Y013105 LD M8013106 OUT Y007107 LD Y012108 OR Y013109 MPS110 ANI T5111 OUT Y010112 MPP113 OUT T5 K10114 LD M122115 OR Y011116 OUT Y011117 LD M118118 OR M124119 OR Y004120 ANI M122121 ANI M114122 ANI M115123 OUT Y004124 LD M116125 OR M117126 OR Y003127 ANI M122128 ANI M118129 ANI M124130 OUT Y003131 OUT Y003132 LD M119133 OR M123134 OR Y005135 ANI M122136 ANI M116137 ANI M117138 OUT Y005139 LD M112140 OR Y014141 ANI M125142 OR X000143 OUT Y01144 END5.7 过程分析本课题进行了模拟的在线联机调试，目的在于确定整个系统的程序，在调试中，程序的变动，包括功能的增减、变化是难免的。程序是否好用，最终要通过调试才能使程序进一步完善和最终的确定。首先在PLC面板上将PLC设置为RUN位置，此时PLC开始运行。然后接好控制箱连线，根据I/O分配表中的输入输出所对应的开关进行调试。记录如表5-3。完成以下的基本调试，整个系统的调试工作基本完成了，最后的工作就是调试结果的分析。表5-3 PLC调试记录PLC元件动作记录动作结果X0OFF自动门停止运转X1ON程序跳转至自动，自动门自动运转启动X2、X3ONY12自动开门、Y6自动开门灯闪烁动作X4OFFY13自动关门停止，Y12自动开门动作X5ONY13自动关门停止、Y7关门灯停止闪烁X6ONY12自动开门停止、Y6开门灯停止闪烁X7ONY3自动开门/关门中速运行X10ON关门时，Y4自动门关门低速动作；开门时，Y5自动门开门高速动作X11ON在X1 OFF的时候，Y1手动开门动作X12ON