基于PLC步进电机控制自动门系统的设计.doc

基于PLC步进电机的自动门控制系统设计I基于PLC步进电机控制自动门系统的设计TheDesignOfStepMotorAutomaticDoorControlSystem基于PLC步进电机的自动门控制系统设计II基于PLC步进电机控制自动门系统的设计摘要本文主要通过对自动门控制系统的功能要求和运行过程的分析，确定了自动门控制系统的总体设计方案。自动门系统的设计主要集中在硬件和软件设计两部分。并主要进行了自动门控制驱动和控制系统的设计。针对自动门控制系统的特点和设计要求，采用步进电机驱动方式，通过四相八拍步进电机来精确控制自动门的开关，给设计要求创造了条件。在控制部分，应用步进电机和可编程序控制器技术，对自动门控制系统进行了硬件和软件设计。实现了自动门控制系统的传动和控制要求，满足了环保、高效、可靠和低成本的要求。关键词步进电机；三菱可编程序逻辑控制器；自动门；超声波开关；TheDesignOfStepMotorAutomaticDoorControlSystemElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyFENGJiayingAbstract:Thispaperthroughtheautomaticcontrolsystemandtheworkingprocessofthefunctionalrequirementsofanalysis,theautomaticcontrolsystemoftheoveralldesignscheme.Automaticsystemismainlyfocusedonthedesignofhardwareandsoftwaredesign.Theautomaticcontrolandmaindriveandcontrolsystemdesign.Automaticcontrolsystemforthecharacteristicsanddesignrequirements,adoptingstep-motordrivemode,throughthefourthphaseeightclapsteppermotortoprecisecontroloftheautomaticswitch,createconditionsfordesignrequirements.Incontrol,applicationofsteppingmotorandprogrammablecontrollertoautomaticPLCcontrolsystem,thehardwareandsoftwaredesign.Automaticcontrolsystemisachievedthetransmissionandcontrolrequirementsaremet,andtheenvironmentalprotection,efficient,reliableandlowcost.Keywords:steppermotor；threemitsubishiprogrammerlogiccontroller；automaticdoor；ultrasonicswitch；基于PLC步进电机的自动门控制系统设计III目录1引言.11.1研究的目的与意义.11.2国内外研究现状.12FX2系列的PLC.22.1FX2PLC的主要介绍.22.2FX2PLC的主要编程元件.33步进电机的介绍.44步进电机的自动门控制系统硬件的设计.74.1本设计的任务要求.74.2本设计的可行性分析.74.2.1步进电机的基本参数.94.2.2步进电机动态指标及术语.104.2.3步进电机运动速度和正、反的控制.114.3设计思想.124.31流程图.124.32控制过程分析.124.33控制接线图.135步进电机控制自动门系统的软件设计.145.1I/O口分配表.145.2程序编写.145.21梯形图.145.22程序指令表(见附录).175.23验证调试.17结束语.18参考文献.19附录.20致谢.22基于PLC步进电机的自动门控制系统设计11引言1.1研究的目的与意义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。自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，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。由于大规模集成电路与微型计算机技术的发展，给电气控制技术开辟了新的前景。PLC作为一种新型工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来，其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因此，在很多领域得到了广泛应用1。1.2国内外研究现状自动门主要有:旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门。两翼旋转自动门新型两翼自动旋转门是集自动旋转门和自动平滑门二者优点于一身的完美结合，是旋转门、平移门和豪华展箱的完美结合，是融合世界先进科技与现代时尚的经典之作。中间的自动平开门可实现单、双向通行和常开等运作模式。是最适合饭店、机场、大型商场、医院、商户会馆、酒店、办公楼、大型大厦等的出入口系统。三翼旋转自动门三翼旋转门诞生于一种全新的构思和功能之中。简单实用，安全稳定，它将旋转通道体系和最大旋转直径容为一体，同时满足了“最大程度的通行量”与“完美无缺的除风效果”这两个相对立的条件，适用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。四翼旋转自动门四翼自动旋转门是最美观最经济实用的旋转门，其结构坚固耐用，操作方便简单，它具备通行能力强，入口较大的特点，运行安全可靠，故障率极低，免维护时间最长，是非常安全和舒适的通道，能使行人很方便得出入，是应用最广泛的一种旋转门。适基于PLC步进电机的自动门控制系统设计2用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。环柱旋转自动门环柱旋转门是先进的电子技术与现代化的结构设计的结合，使围柱式旋转门的使用非常安全和方便，现代化的结构设计使它和建筑物本身容为一体。有效地阻隔了严寒、酷暑、风沙的侵袭，减少了制冷和供暖的能源消耗，而且营造了清洁、安静、四季宜人的绿色通行环境。水晶旋转自动门水晶门可以大大减低紫外线的破坏力，防止室内装饰摆设及展品因受光照而导致出现老化和变黄等现象。水晶片的隔热效果较玻璃优胜10倍，同时也可保持室温，节省能源。色泽鲜艳、颜色丰富，易清洗，造型多样。晶莹剔透，透视清晰，方便巡视，可增强保安效益。2FX2系列的PLC2.1FX2PLC的主要介绍三菱公司是日本国生产PLC的主要厂家之一。先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、FX2、FX1、FX2C、FX0FX0S、FX2N、FX2NC等系列。其中F系列已停产。F1系列在我国曾有较广泛的应用。FX2系列机是F、F1、F2等机型的更新换代产品，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的典型产品。FX2N型机是三菱公司的近期产品，按叠装式配置。另外，三菱公司还生产A系列PLC，这是一种大型模块式机种。本设计采用FX2系列PLC，FX2系列PLC是三菱公司高性能小型机的代表作。系统最大I/O点数为128点，配置扩展单元后可达256点。FX2系列机执行基本指令的速度为0.48us/步，用户程序存储器的容量可扩展至8K步。它有与F1兼容的20条基本指令和2条步进指令，此外还有功能很强的95种功能指令。它有6个和普通输入口兼容的告诉计数器输入点，最高计数频率为10KHz。FX2系列PLC在我国应用比较广泛。FX2系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。扩展模块用于增加用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。因扩展单元及扩展模块无CPU,必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置。如模拟量I/O单元、高速计数单元、位置控制单元、通信单元等；这些单元大多数通过基本单元的扩展口连接基本单元，也可以通过编程器接口接入或通过主机上并接的适配器接入，不影响原系统的扩展。FX2系列PLC具有数十种编程元件。FX2系列PLC编程元件的编号分为两部分，第一部分是代表功能的字母。如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示。第二基于PLC步进电机的自动门控制系统设计3部分为数字，数字为该类器件的序号。FX2系列PLC中输入继电器及输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。从元件的最大序列号我们可以了解可编程控制器可能具有的某类器件的最大数量。例如输入继电器的编号范围为X0X177，为八进制编号，我们可以计算出FX2系列PLC可能接入的最大输入信号数为128点。FX2系列可编程控制器有基本指令20条，步进指令2条，应用指令85条。FX2系列可编程控制器的编程语言主要有梯形图及指令表。指令表由指令集合而成，且和梯形图有严格的对应关系。梯形图主要使用图形符号及图形符号间的相互关联表达控制思想，而指令则是图形符号及它们间的关联语句表达3。2.2FX2PLC的主要编程元件可编程序控制器内部有许多具有不同功能的器件，从物理实质上讲，这些器件是由电子电路和存储器组成的。考虑到工程技术人员的习惯，常用继电器电路种类类似器件名称命名。为了明确它们的物理属性，称它们为“软继电器”。例如输入继电器X是由输入电路和输入影像寄存器组成的，输出继电器Y是由输出电路和输出影像寄存器组成的；定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态继电器S、数据寄存器D、变址寄存器V/Z等都事由相应的影像寄存器组成的。为了和通常的硬器件相区别，通常把上面的器件成为软器件，是等效概念抽象的模拟器件。并非实际的物理器件。在可编程序控制器中这种编程元件的数量往往是巨大的。为了区分它们的功能，通常给编程元件编上号码。这些号码就是计算机存储单元的地址510。(1)输入继电器X输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号电路的一种等效表示。PLC通过光电耦合器将外部信号的状态读入并存储在输入影像寄存器中。输入端可以外接动合触电点或动断触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器。FX2系列PLC输入继电器编号范围为X0-X177（128点）。(2)输出继电器Y输出继电器是PLC内部输出信号控制被控对象的电路的一种等效表示，它是用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。FX2系列PLC输出继电器编号范围为Y0-Y177（128点）。(3)辅助继电器MPLC中配有大量的通用辅助继电器，它是用软件实现的，它们不能接受外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，只能由程序驱动，是一种内部的状态标志，其主要的用途和继电器电路中的中间继电器类似，常用于逻辑运算的中间状态存储及信号类型的变换。辅助继电器分以下三种类型：a.通用型辅助继电器M0-M99（500点）。基于PLC步进电机的自动门控制系统设计4b.具有掉电保持的通用型辅助继电器M500-M1023（524点）。掉电保持的通用型辅助继电器具有记忆功能。所谓掉电保持是指在PLC外部电源停电后，由机内电池为某些特殊工作单元供电，可以记忆它们在掉电前的状态。c.特殊辅助继电器M8000-M8255（256点）。特殊辅助继电器是具有特定功能的辅助继电器。根据使用方式又可以分为二类。一类只能利用其触点的特殊辅助继电器，器线圈由PLC自行驱动，用户只能利用其触点。这类特殊辅助继电器常用做时基、状态标志或专用控制元件出现在程序中。例如M8000：运行标志（Run）PLC运行时监控接通。另一类是可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户驱动线圈后，PLC做特定动作。例如M8030：使BATTLED（锂电池欠压指示灯）熄灭。(4)定时器T定时器相当于继电器电路中的时间继电器，可在程序中用作延时控制。由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。FX2系列可变程序控制器具有以下四种类型。100ms定时器：T0-T199200点计时范围：0.1-3276.7s10ms定时器：T200-T24546点计时范围：0.01-327.67s1ms积算计时器：T246-T2494点（中断动作）计时范围：0.001-32.767s100ms积算定时器：T250-T2556点计时范围：0.1-3276.7s(5)计时器Ca.16位增计数器（设定值：1-32767）有两种16位二进制增计数器。通用：C0-C99（100点）掉电保持用：C100-C199（100点）b.32位增/减计数器（设定值-2147483648-+2147483647）有两种32位的增/减计数器通用：C200-C219（20点）掉电保持用：C220-C234（15点）3步进电机的介绍步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛基于PLC步进电机的自动门控制系统设计5应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图1（a）、图1（b）所示。步进电机的角位移量w或线位移量s与脉冲数k成正比如图2（a）所示；它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比，如图2（b）所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制67。步进电机脉冲分配器和功放输出轴控制脉冲图1（a）步进电机的功用图控制脉冲tt转角图1（b）步进电机的功用图基于PLC步进电机的自动门控制系统设计6Kws图2(a)步进电机的控制特性图fv图2(b)步进电机的控制特性图按励磁方式分类，步进电动机可以分为反应式、永磁式、和感应子式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单。反应子式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。其中典型结构如图3所示。这是一台四相电机，定子铁芯由硅钢片叠成，定子上有8个磁极（大齿），每个磁极上又有许多小齿。四相步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁芯构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制8。图3四相步进电动机的结构图