毕业论文-基于plc的自动门控制系统设计与实现

摘要随着科学技术的日新月异，我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。其中自动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。为了增强自动门运行的可靠性,提出了一种以S7200可编程序控制器PLC为核心的自动门控制系统。分析了该控制系统的工作原理,描述了系统的硬件组成,介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程,对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。结合PLC的运行特点,对控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础上,采用结构化的编程方法,给出了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结果表明,整个系统功能完善,性能可靠。关键词可编程控制器；S7200；自动门；控制系统ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,OURLIVESCHANGEDGREATLYANINTELLIGENTANDAUTOMATIONHASBEGANTOAPPEARINOURVIEW,THISGIVESUSGREATCONVENIENCEINTHEPROCESSOFAUTOMATICDOORISOFATYPICALAUTOMATION,THISDESIGNISTHEUSEOFKNOWLEDGE,ANDCOMBININGWITHACTUALNEEDANDRESEARCHTOSTRENGTHENTHERELIABILITYOFTHEOPERATION,AS7200（PLCASTHECOREOFTHEAUTOMATICCONTROLSYSTEMANALYZEDTHECONTROLSYSTEMWORKS,ADESCRIPTIONOFAHARDWARESYSTEM,INTRODUCEDTHEBODYAUTOMATICALLYDETECTANDRESPONDTOTHEOPERATIONPOSITIONOFTHEINSPECTIONANDOPERATIONOFTHEINSPECTIONANDCONTROLCIRCUITTOTHEWORKOFTHEPROCESS,THEPLCANDOFCOURSEIWOULDLIKETOCONFIRMTHEORDERITWASINTRODUCEDHOWTOCHOOSEAPLCTYPE,TOREALLYSETTLETHEI/OORDERSCOMBININGTHEOPERATIONCHARACTERISTICSOFPROGRAMMABLECONTROLLER,AREASONABLEOPTIMIZATIONWASMADEFORTHEWORKFLOWOFTHESYSTEMONTHISBASIS,USINGSTRUCTUREDPROGRAMMINGMETHOD,THEPROGRAMFLOWCHARTSOFMAINPROGRAMMODULEANDOPENINGDOORSUBROUTINEMODULEANDCLOSINGDOORSUBROUTINEMODULEWEREDEVELOPEDTHEDEBUGGINGOFTHECONTROLSYSTEMWASDEVELOPEDANDTHECONTROLSYSTEMHASBEENADOPTEDTHEPRACTICALAPPLICATIONSHOWSTHATTHECONTROLSYSTEMISGOODANDRELIABLEKEYWORDSPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLC；S7200；AUTOMATICDOOR；CONTROLSYSTEM目录第1章绪论111选题背景112课题来源及意义113自动门的简介214自动门的组成及分类3第2章PLC的介绍和选择521PLC的简介522PLC的基本组成与结构523PLC的工作原理624PLC的主要功能及其特点7241PLC的主要功能7242PLC的主要特点825PLC在自动门中的应用9第3章自动门的执行机构的设计1131稳压电源设计1132无刷直流电机的应用1233直流电动机的选型14331直流电动机的调速14332直流电动机的优势16第4章自动门的硬件设计1741自动感应门的基本工作原理1742限位开关的工作原理1843光电开关的工作原理1844无刷直流电动机的工作原理1845PLC的选择19451输入输出（I/O）点数的估算19452存储器容量的选择20453控制功能的选择21454机型的选择21455对PLC响应时间的选择2246自动门的硬件部分23461驱动装置选型23462感应器选型23463自动门系统I/O地址的分配情况24第5章自动门的软件系统2551控制系统流程设计2552MCGS组态控制设计27521自动门组态控制对象分析27522自动门监控系统初方案指定27523自动门组态控制实时数据2753PLC梯形图的设计28531设计梯形图的基本方法和步骤28532梯形图编辑注意事项29533梯形图以及指令29534过程分析31第6章程序调试3361硬件线路连接3362联机调试34第7章结论35致谢36第1章绪论11选题背景自动门控制系统，在现当代社会是一个应用非常广泛的设备，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部分自动门控制系统正是我们这论文的主要研究讨论的课题。自动门是指可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。例如各种用可识别感应器控制的自动专用门。这是实现生活自动化进程的一个重要组成部分。自动门的问题研究，其控制系统可追溯到早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。而基于PLC（可编程控制器，以下统一用“PLC”表示）控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。所以此设计中，我以西门子公司S7200系列PLC为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。而感应部分，采用BISS0001芯片与RE200B热释电元件的组合，实现人或物体进出时的信号转换装置。而实现门的开与关，则用直流电机作为动力装置，配以继电器控制来达到电机正反转动作，并加上行程开关作为限位，以实现该功能，因为以上器件在生活中非常容易购买，且价格适宜，同时也便于维护，非常适合广泛生产应用。本课题所研究的自动门控制系统，主要通过PLC作为控制基础，加上对红外热释电传感器的应用，从而实现了门的“自动”功能，此设计拓展了PLC的应用层面，增加了实现自动门控制系统的选择性。12课题来源及意义21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性有效的防范通行、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，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、时尚的姿态。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们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有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）。不要认为样本上全是外国语，资料也是外国语的商品就是进口商品，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所不可少的一项配置。自动门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，不管人员是否移动，只要在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。13自动门的简介自动门英文名AUTOMATICDOOR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，电气式已开始出现，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。例如各种用可识别控制的自动专用门，如感应自动门红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应、刷卡自动门等。利用脚踏板、光电束等作用以电力、气压或液压为动力自动启闭门扇的系统。公元1世纪,希腊人希罗建造的自动打开庙门的装置是最早利用气压和液压为动力的自动门。如图所示，祭坛点火使1的空气膨胀，水流入2，利用水的重量使轴3转动,将门打开。祭坛灭火，门即自动关闭。现代自动门的操作主要有三种方。脚踏板式在踏板之下装有压力开关。光电束式在门的附近设置光束发射装置和光电传感装置。按钮方式用手按类似开关的按钮使门扇打开。自动门以滑动、铰链或折叠等方式启闭门扇。为了防盗，必须同时装有特殊的设备，例如家庭用的自动门就需要装设来人识别装置或电视监视器等，对家庭以外的人员进行严格限制。自动门在商场、宾馆、饭店、机场、车站、银行等场合已得到广泛应用。14自动门的组成及分类主控制器它是自动门的指挥中心，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；同时人们通过主控制器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。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；动力马达提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。门扇行运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。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。同步皮带（有的厂家使用三角皮带）用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。下部导向系统是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。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。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，雷达通过发射微波感应到人的存在，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。另外还有红外感应形式，主要是通过红外线来感受指定范围内温度变化，当人走进时，微波感应其器发射信号控制门的变化。微波感应器和红外感应器的区别主要是微波感应器，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，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动，雷达便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。红外感应器，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。红外感应器的反应速度比微波感应器慢。第2章PLC的介绍和选择21PLC的简介由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但为了与个人计算机PC（PERSONALCOMPUTER）相区别，常将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制器或产生过程的自动化控制装置。1982年，国际电工委员会（INTERNATIONALELECTRICALCOMMITTEE，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中对PLC作了如下的定义“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序控制器的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。”上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。22PLC的基本组成与结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC的硬件系统由主机系统（如图1）、输入/输出扩展环节及外部设备组成。图1PLC硬件主机系统图23PLC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。24PLC的主要功能及其特点241PLC的主要功能1开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。2模拟控制（A/D和D/A控制）在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。3定时/计数控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4步进控制PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。5运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。6数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。7通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。242PLC的主要特点PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下1可靠性高可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。2控制功能强一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。3用户使用方便可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4编程方便、简单梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单、易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。5设计、安装、调试周期短可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。6易于实现机电一体化可编程序控制器体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。目前以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置已成为典型。25PLC在自动门中的应用通过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。使用红外感应器或微波发射器来感应外界的物体，当有人进如了感应范围之后，感应器通过感应到人的到来，会产生一个信号，通过PLC的模拟/数字输入部分输入PLC。玻璃门的打开或关闭由电机控制来完成，目前少数由交流变频电机或无刷直流电机来实现。但更多的使用步进电机来实现。步进电机作为可靠性好，控制简单，价格低廉的动力装置已经被广泛的应用于自动门。图2是一个以PIC为控制器，统一控制传感器、步进电机，通过机械直线运动单元驱动玻璃门的PLC自动门控制系统。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。图2第3章自动门的执行机构的设计31稳压电源设计随着自动门的不断发展，被越来越多的应用于各建筑物，广泛的应用也使其安全变的越来越重要。对电源的影响因素是多方面的，其中主要干扰，来自噪声的影响。因此，为了提高自动门的运行稳定性，稳定的电压和较小的波纹是重点考虑的问题。较为普遍的稳压装置是变压器，因为它价格实惠，但有一定的弱点，对于电源的稳压性能并不是很强。因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。由于自动门工作时间长、安全性要求高，因此从电网电源开始，就应用了过流、过热保护以尽量避免意外发生。保护电路有多种形式，下面是一种保护电路的框图（图3）。图3保护电路框图过压保护采用压敏电阻和瞬变电压抑制器，以防止雷击等意外事故产生的瞬间高压。交流EMI滤波器主要是用来抑制共模、共差干扰。如图（图4）所示，它主要包括两个输入端、两个输出端和一个接地端，电路包括共模扼流圈、滤波电容、共模滤波电容。自动门的整流电路主要是把交变的交流电转换成稳定的直流电，使电源适合各种驱动装置（如无刷直流电机）的使用。全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。全桥的正向电流有05A、1A、15A、2A、25A、3A、5A、10A、20A等多种规格，耐压值（最高反向电压有）25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。下图（图5）是其电路图形符号与内部电路。交流EMI滤波器整流电路变压器二次滤波过压保护过流、过热的保护电路图4图532无刷直流电机的应用目前自动门中的动力部分主要有无刷直流电机、交流变频电机及步进电机的使用。今以无刷直流电机为例来介绍自动门系统中执行机构的设计。下图是电机的主电路图（图6）图6无刷直流电机需要控制器来进行控制，MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部运行使能等。自动门控制要求。物体靠近门时传感器获得信号传给控制器，控制器根据当前所在位置决定门的动作。有三种情况门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。门处于半开状态，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门。门处于开启状态，控制器使门保持开启状态。无物体靠近门时如果门处于开启状态，延时适当的时间后以最佳速度曲线关闭门如果门处于关闭状态，维持相应的开、关门速度曲线如图一所示。关门时OA段为加速段，AB段为稳速运行段，BC段为减速停止（门关到位）段。开门时CB段为加速段，BA段为稳速运行段，OA段为减速停止（门开到位）段。根据自动门控制要求，系统原理框图如下图（图7）所示。开门门磁检测门的最大开启位置，门开后驱动电机停止工作，并防止开门过量而损坏系统部件。闭门门磁检测门的关闭位置，门关后驱动电机停止工作。驱动器扩大驱动功率以驱动150W的无刷直流电机。工作指示灯（A）有电源指示灯；（B）正常、故障指示灯。超过预期时间门不到位即是故障状态。图7系统原理框图33直流电动机的选型331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（UIARA）/KE可知，RA、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）调磁法红外传感器开门门磁闭门门磁控制器驱动器电源20V市电M执行电机即改变磁通量。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，如图13所示。由于NU/KERA/KTKET可知磁通减少时，N0升高，转速降N增大，但后者与2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，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（N），将转速往上调（NNN）。调速的过程是当电压U保持恒定时，减小磁通。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势EKEN就减小，IA随之增加。由于IA增加的影响超过减小的影响，所以转矩TKTIA也就增加。如果阻转矩TC未变，则TTC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TTC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TKTIA，故减小磁通量后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（1）调速平滑，可无级调速；（2）调速经济，控制方便；（3）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NU/KTRA/KEKT2T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TTC，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TTC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（1）机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；（2）调速幅度大；（3）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。332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。第4章自动门的硬件设计自动门的硬件根据不同的类型各有不同，此以平移型感应门为例子介绍它的硬件，主要有自动感应门主控制器，自动感应探测器，自动感应门动力马达，自动感应门门扇行进轨道，门扇吊具走轮系统，同步皮带（有的厂家使用三角皮带），自动感应门下部导向系统是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。大体分为6部分如下图8。图8硬件组成框图41自动感应门的基本工作原理首先，平移式自动感应门由以下部件组成（1）主控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，如同人的眼睛，当有移动物体进入它的工作范围时，它就给主控器一个脉冲信号。（3）无刷直流电动机提供开门与关门的主动力，控制自动感应门的速度。（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，使其按特定的方向行进。（5）门扇吊具走轮系统用于吊挂活动门扇，同时在动力的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。人机界面红外传感限位开关控制器PLC电机（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门体摆动。自动感应门门扇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，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出正向运行，将动力传给同步皮带，再由同步带将动力传给吊具系统使自动感应门门扇开启；自动感应门门扇开启后由控制器做出判断，若需关闭自动感应门，通知马达做相反运动，关闭自动感应门。42限位开关的工作原理行程开关又称为限位开关，用于控制机械设备的行程及保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装有生产的机械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。43光电开关的工作原理它是光电接近开关的简称，是利用被测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通所要接通的电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可检测。光电开关将输入电流在发射器上转化为光信号射出，接受器再根据接受到的光线强弱或有无目标物体进行探测。44无刷直流电动机的工作原理是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电，但是，注意此处逆变是工作在直流斩波方式。它是由同步电动机和驱动器组成，是典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成对成星型接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不像异步电动机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜损耗又无铁损耗，所以效率比同容量异步电动机高10左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（COS）比同容量异步电动机高1220。因此，它采用的是方波自控永磁式同步机，以霍尔传感器取代碳刷换向器，以钕铁硼作为转子的永磁材料；产品性能超越传统直流电机的所有优点，同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点，数字式控制，是当今最理想的调速电机。45PLC的选择在PLC系统设计时，首先要确定控制方案，下一步的工作就是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，应该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。451输入输出（I/O）点数的估算I/O点数的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到20的可扩展。留有余量后，就作为输入输出点数估算数据。在实际订货时，还需要根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法本设计的I/O点数为输入12点，输出12点。I/O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。根据自动门的控制系统的要求，确定了PLC的I/O分配表，如下表所示类型设备PLC端子号门外感应探测器SB1X000门内感应探测器SB2X001开门减速开关SB3X002开门限位开关SB4X003关门减速开关SB5X004关门限位开关SB6X005防夹人SB7X006手动开门K1X007手动关门K2X010手动/自动开关K3X011电机过热K4X012输入端急停开关K5X013高速开门KM1Y000低速开门KM2Y001高速关门KM3Y002低速关门KM4Y003报警器Y004门动作中指示灯Y005门停止工作指示灯Y006门达到上限指示灯Y007电机过热指示灯Y010手动开门Y011输出端手动关门Y012452存储器容量的选择存储器容量是可编程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容量。在设计阶段，由于用户的程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须在程序调试之后在知道。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，以此为内存的字数（16位为一字），另外再按次数的25考虑余量。因此，本设计的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。453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。根据本设计的要求，主要由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，在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。（2）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对现场进行控制，不能进行编程。在线编程方式CPU和编程器都有各自的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，在下一个扫描周期里，主机就根据新收到程序运行。这种方式成本高，但系统调试和操作方便，在大型PLC中常采用。编程软件应该带有五种标准化的编程语言顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）、语言表（IL）、和结构文本（ST）。选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，也应支持多种语言编程方式，如C语言，BASIC语言等，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。硬件诊断是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。454机型的选择（1）PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型，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。整体型的PLC的I/O点数是固定的，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的I/O点数，功能扩展方面灵活，一般用于大中型控制系统。（2）经济角度的考虑在选择PLC时，应该考虑其性能价格比。考虑经济时，也应该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的影响，当点数增加到一定数值后，相应的存储器容量也应增加。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一定的影响。所以，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。本设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，选用整体型PLC。455对PLC响应时间的选择对于多数场合，PLC的响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。综合以上的因素，本设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。西门子S7200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，开始被称为CPU21X，后被称为CPU22X。其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。在此设计中我们选择S7200CPU224，它具有14输入/10输出，I/O共计24点。存储容量大，有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。西门子S7200CPU224如下图（图9）对于本次自动门的设计，所选PLC为西门子S7200CPU224就能满足要求，其性能如下表10表10S7200的参数表主要性能集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点其他性能20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHZ），2个100KHZ的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力特点本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等46自动门的硬件部分主要是从以下几个方面进行硬件设计驱动装置的选型、感应器件的选型、自动门控制系统I/O地址的分配。461驱动装置选型自动门的驱动装置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。直流无刷电动机功率密度高，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，又具备直流电动机的线性机械特性、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45，额定转数4000转，额定转矩0036NM，功率15W100W，额定电压24VDC。462感应器选型目前，自动门行业运用的感应器件主要由微波感应器、红外线感应器等。（1）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，平面型天线作感应系统，以微处理器作控制。微波感应器的特点是以10525GHZ微波频率发射、接收。其探测方式具体有以下优点非接触探测和不受温度、湿度、噪音影响。（2）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门控制系统中，感应器是自动门系统的重要部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，结合本设计要求，选用上海安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB3004，其规格如下表11感应器的参数表型号WB3004供电电压AC/DC12VAC/DC24V工作频率50HZ60HZ感应探头工作频率10525GHZ900GHZ1200GHZ工作指示方式LED感应时间/延时时间REALTIME/05SEC感应范围40MWX30MD静态功耗工作功耗200MW/12V550MW/12V探头可调角度40160工作温度范围2560相对湿度095安装方式WALL463自动门系统I/O地址的分配情况输入/输出信号在PLC接线端子的地址分配是进行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来安装控制柜。I/O地址分配是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现成接线和调试的重要依据。PLC控制系统的I/O地址分配如下表12表12I/O地址分配表I01门外光检测电开关I02门内光检测电开关I03开门限位电开关I关门限位I过载保护开关I紧急停04电开关0506车开关I07启动停止I10手动开门I11手动关门第5章自动门的软件系统本章主要是对自动门控制系统