基于PLC自动门的控制系统设计-毕业论文

吉林工业职业技术学院毕业论文 I 毕业论文毕业论文 基于基于 PLCPLC 自动门的控制系统设计自动门的控制系统设计 PLC Based Control System of Automatic Doors design 学 生 姓 名：姜景涛 专 业 班 级： 生产过程自动化 3082 班 指 导 教 师：渠珊珊 完 成 日 期： 吉林工业职业技术学院 Jilin Vocational College of Industry and Technology 吉林工业职业技术学院毕业论文 I 摘摘要要 自动门是随着人们对生活条件的不断追求、科技的不断发展应运而生的高科技产品，因 此，它具备了普通门所没有的优势：雅观漂亮，而且使用管理起来更加的安全、方便、舒适， 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。因此自动门被广泛的应用于大型商场、银行、大酒店、机场、办公大厦等各 种大型的公共场所。 本文通过结合 PLC 控制系统的简介及各种普遍应用的自动门的特点，对由 PLC 作为控制 系统的自动门的概况、主要分类、组成、原理、软硬件控制系统、PLC 程序的编写等都进行 了一定的介绍。 关键字关键字：自动门PLC控制编程 吉林工业职业技术学院毕业论文 II PLC Based Control System of Automatic Doors AbstractAbstract Automatic door is the living conditions as people continue to pursue the development of science and technology came into being in the high-tech products, so it does not have the advantages of ordinary doors: decency beautiful, but it is more secure use and management, convenience, Comfort, power can be achieved after the unattended while at the same energy saving air conditioning, wind, dust, noise reduction, convenient and improve the grade of the building. Therefore, automatic doors are widely used in large shopping malls, banks, large hotels, airports, office buildings and other large public places. In this paper, combined with PLC control system and a variety of widely used introduction to the automatic doors to the characteristics of the control system by the PLC as an overview of automatic doors, the main classification, composition, theory, hardware and software control systems, PLC and so on for the preparation of the program some introduction. Key words: Automatic DoorControlProgrammingPLC 吉林工业职业技术学院毕业论文 III 引引言言 随着科技的不断发展，各种各样的自动门应运而生，但由于 PLC 技术的不断完善，自动 门大多采用 PLC 系统来进行集中控制。因此自动门的发展一个是在硬件设施上的完善，另一 个就是 plc 控制系统的不断发展。自动门尤其是高级自动门的造价不菲，目前多应用于大型 商场、银行、大酒店、机场、办公大厦等各种大型的公共场所。自动门虽然作为高科技产品， 但仍会有一些安全隐患存在，如果关门过程控制不当，容易对人们造成挤伤，碰伤，所以自 动门在稳定性上还需要不断的突破。 影响自动门不稳定因素的原因是多方面的，但主要是噪声、电磁场的干扰，他导致电源 电压便的不稳定是一个重要方面，它对安全产生很大的影响，因此，设计系统时考虑执行部 分的输送电压稳定是一个应该重视的问题。 由于中国的自动门技术起步较晚，掌握的技术相对稚嫩。虽然从事自动门行业的厂家很 多，但真正掌握成熟技术的却很少。因此多是代理一些国外的自动门。 由于这些因素，未来自动门的发展应该朝着精简化、安全化去努力，使自动门的使用更 普遍，安全性更有保障。 目前在各种建筑物中应用比较广泛的主要是平移形感应自动门，这种自动门主要是通过 红外探头来感应是否有人靠近，红外探头主要是对产生热量的物体有感应，当人靠近是时， 红外感应到人的存在，就会发送信号到控制部分，控制部分接收到信号通过处理后发送信号 到驱动部分，通过电机执行动作完成开门动作。但这种技术存在着一些弊端，它会对一些高 温的物体产生误操作。 吉林工业职业技术学院毕业论文 IV 目目录录 摘摘要要.I AbstractAbstractII 引引言言 III 目目录录IV 第一章第一章自动门的简介自动门的简介1 1.1自动门的发展1 1.2自动门的分类1 第二章第二章自动门的硬件系统自动门的硬件系统3 2.1自动门的硬件组成3 2.2硬件的工作原理3 2.3 自动门控制器.3 2.3.1 自动门控制器的介绍.3 2.3.2 自动门控制器遥控.6 2.3.3 自动门控制器遥控系统的组成.6 2.3.4 常见故障的排除.6 2.4 自动门的系统配置.7 第三章第三章PLCPLC 控制系统简介控制系统简介.9 3.1PLC 的概述.9 3.2PLC 的主要功能及特点.9 3.2.1PLC 的主要功能.9 3.2.2PLC 的特点.10 3.2.3PLC 的发展趋势.11 3.3PLC 的组成与基本结构.12 3.3.1PLC 的硬件系统.12 3.3.2PLC 的软件系统.13 3.4PLC 的工作原理及在自动门中的应用.13 3.4.1PLC 的工作原理.13 3.4.2PLC 在自动门中的应用.13 第四章第四章执行机构的设计执行机构的设计15 4.1稳压电源设计15 4.2无刷直流电机的应用16 第五章第五章自动门的软件系统自动门的软件系统18 5.1控制系统流程18 5.2PLC 程序的编写.18 5.3PLC 在底层电梯自动门中的应用举例.20 5.3.1 电梯控制门的控制要求.20 5.3.2自动门控制线路及 PLC 梯形图设计.21 结束语结束语 24 致致谢谢 25 参参 考考 文文 献献 26 吉林工业职业技术学院毕业论文 1 第一章第一章自动门的简介自动门的简介 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。 1.1自动门的发展 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。 1.2自动门的分类 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。 吉林工业职业技术学院毕业论文 2 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。 根据一些不同的要求，某些厂家在生产自动门的时候会增加一些个性功能，以方便管理 和维护。如福州蔚蓝电子有限公司自动门，它具备以下特点： 1.自动门微波感应器对物体的运动进行反应，灵敏度可调，性能稳定！ 2.自动门加密遥控器聚多功能为一体，对感应门进行加密，可以避免工程上出现的赖帐， 呆帐，等现象从而有效保护经销商的利益，同时可以实现遥控开门、常开、上锁、开锁；具 有连接读卡机、指纹、出门按扭、电锁等外围设备的功能。 3.安全光线 可以有效克服感应探头感应不到的盲区，从而使感应门更安全。 4.自助银行刷卡机整体一机设计，ABS 电镀外壳坚固耐用方便安装，可搭配任何银行提 款卡使用，无卡片容量限制，进口合金磁头灵敏度高、超耐磨、高抗(400)或低抗(300)Oe 磁 卡均可使用；适用于自助银行。 5.自动门微波模块、踢脚开光、ID 卡密码机、遥控收发模块、电动车报警器、伸缩门电 子显示屏、摩托车报警器。 . 吉林工业职业技术学院毕业论文 3 第二章第二章自动门的硬件系统自动门的硬件系统 2.1自动门的硬件组成 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介绍它的硬件，主要有： 自动感应门主控制器，自动感应门感应探测器，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 （图 2-1） 。 图 2-1 自动门组成 2.2硬件的工作原理 1. 自动感应门主控制器：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；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、 开启幅度等参数。 2. 自动感应门感应探测器：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. 自动感应门动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。 4. 自动感应门门扇行进轨道：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，牵引门扇吊具走轮系 统。 7. 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。 2.3 自动门控制器 2.3.1 自动门控制器的介绍 吉林工业职业技术学院毕业论文 4 自动门控制器是一种采用数字化技术设计的智能型多功能手动、无线遥控两用电动门控 制器。电动门控制器具有良好的智能判定功能和很高的可靠性，是当前电动伸缩门系统中首 选的自动控制设备。 1.主要功能及性能指标 （1）使用电源：180240V5060Hz （2）最大负载功率：1200W（阻性） （3）控制器自身消耗功率：5W （4）控制方式：手动控制：机箱面板控制和外接按钮控制；无线遥控：频率为 315MHz/433Mhz，采用编码加密控制；信号转换时间：10.5S；自动停机：具有限位停机和 35s，70s， 110s，145s， 180s 五挡自动延时停机（产品出厂时设置为 145s） 。 （5） 报警控制： 输出接口： 控制器对报警器探头可提供 12V 或 15V 直流电源； 输入接口： 报警器输出为继电器独立常开触点；报警器探头：可使用红外线热释、光电对射、声波振动、 多普勒雷达探测、电磁感应等类型。门体开关时报警功能自动解除。 探头监测距离不小于 6 7m。 （6）其他功能接口：可驳接电子显示屏、万年历显示屏、警灯和门体声讯器等。 （7）声光显示：控制器在下述状态下均有显示：数码显示：控制器接通电源显示“-” ， 此时为待机状态；报警功能选通后由“-”状态变为“日” ；开门时显示“H” ，关门时显示“E” ， “”为停机；声讯提示： 开门或关门时有低频讯响，报警时变为高频讯响。 （8）使用环境条件：温度：10 45；相对湿度：85；无腐蚀性气体和电磁干 扰 2.自动门控制器使用操作 （1）安装：应当由专业人员按照说明书的要求正确进行安装。电源线和电机动力线应选 用线径不小于 1.5mm2 铜芯护套电缆， 其它控制线应选用导线截面不小于 0.5mm2 的铜芯电缆。 电源火线应接于控制器的 L 端，零线应接于控制器的 N 端。机内保险应使用520mm6A 的快速熔断器， 严禁将机内保险作直接短路使用。 电动门的门头电机应接于机内的 P1 端子排。 报警器应接于机内的 P4 端子排。其他基本控制线应接于机内 P2 端子排。安装接线时应参照 产品所附的接线图正确连接。尤其要注意，不得将低压控制线接于高压端子上或将高压控制 线接于低压端子上。控制器的接线安装除本产品规定的事项外，其他事项应遵守电气安全操 作规程的有关规定。控制器的安装位置根据用户的具体情况选择适当位置悬挂于五磁场干扰 的墙体上。安装高度距地面不应小于 1.2m。引出的电缆应沿墙体固定牢固。通电前应对全部 安装工作进行全面检查，确认无误之后方可送电试机。探头安装于室外适当高度，角度可以 调整。 （2）操作： 吉林工业职业技术学院毕业论文 5 门体开关手动控制：接通电源后，控制器数显窗口中间应显示“” ，此时为控制器的待 机状态。控制器面板上的四个按键分别是“关门” 、 “停止” 、 “开门” 、 “报警” 。按下“开门” 或“关门”键时，显窗口应分别显示“H”或“E” 。此时门机拖动门体运动，控制器此时并有 低频讯响声发出。门体在运动时，当限位开关起作用或自动延时动作，门体自动停止运动， 此时低频讯响声自动停止发声。由开门到关门，或有关们到开门转换时，必须按动停止键方 可进行转换。 门体开关遥控控制：遥控器的“A”键对应手动开关的“开门” ， “B”键对应手动开关的 “停止” ， “C”键对应手动开关的“关门” ， “D”键对应手动开关的“报警”功能。使用时， 按下遥控器相应的功能键约 10.5S 时门体将按照既定功能运动或停止，其操作过程同手 动控制。遥控器的控制距离与现场的电磁场强弱、遥控发射器的电池电压、气候的变化等因 素有一定影响，这是正常现象，使用拉杆天线可适当增加控制距离。 报警功能设置：按动手动控制的“报警”或遥控器的“D”键可以设置报警状态。该键为 重复键，即报警的设置和解除交替产生。当报警状态为设置时，窗口显示“日” 。当报警状态 为解除时， 窗口显示为 “” 。 当报警出现时， 控制器将有高频声讯信号发出。 当门体启动（开 关）时，报警状态自动解除。门体运动时，仍可设置报警，但报警功能处于暂停状态，当门 体运动停止时，报警状态自动恢复。 3.自动门控制器使用注意事项 （1） 报警功能的性能取决于报警探头的性能， 用户应根据报警的实际需要选配报警探头。 控制器成套出厂时配一只热释型报警探头。如果不用报警功能，探头不椄即可。 （2）报警探头输出信号接口的类型应为继电器输出接口,供电电压应为直流 1215V,否 则不能由本控制器直接供电。探头耗电应100 毫安。根据现场情况可配用多只探头（一般 以 12 只为宜） ，多探头时采用并接方式。探头.应避免其他热源或直射光影响，上方应加 防雨罩。 （3）延时自动停机功能可根据用户的门体行程设置，出厂时设定为 145 秒左右。 （4）发现开门和关门方向相反时，将控制器的“V” 、 “W”端子接线对调即可。同样，STOP 显示屏指示方向与实际相反时，按同法调整接线。 （5）本控制器发生故障时，应由专业人员进行维修或与供货方和生产厂联系维修。以免 故障扩大影响使用。 （6）控制器应保持清洁，防止进水或其他有害物质侵蚀。机壳清洁严禁使用有机溶剂。 （7）电动门的电缆芯数一般不应少于 8 线（过去有 7 线的，接线不很合理） ，门体电缆 中间不应含有接头。 （8）遥控发射器应保持外壳好，防止挤压、振动、跌落、进水等现象。注意检查电池电 压，必要时及时更换。当遥控距离过近时，一般应更换电池。电池型号为 KC12V-23A。遥控 器应尽量避开电磁干扰源。 吉林工业职业技术学院毕业论文 6 （9）遥控器出厂时按编码加密使用，不能互换。用户需要更改时可由厂家按要求变更密 码。 2.3.2 自动门控制器遥控 自动门遥控器（Autodoor Remote Controller）是利用无线电信号对远方的各种机构进 行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机 械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械 进行需要的操作。作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类，在车库门、电动门、道闸遥 控控制，防盗报警器，工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用。 2.3.3 自动门控制器遥控系统的组成 常用的自动门遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分一般分为两种类型，即遥 控器与发射模块，遥控器和遥控模块是对于使用方式来说的，遥控器可以当一个整机来独立 使用，对外引出线有接线桩头；而遥控模块在电路中当一个元件来使用，根据其引脚定义进 行应用，使用遥控模块的优势在于可以和应用电路天衣无缝的连接、体积小、价格低、物尽 其用，但使用者必须真正懂得电路原理，否则还是用遥控器来的方便。接收部分一般来说也 分为两种类型，即超外差与超再生接收方式，超再生解调电路也称超再生检波电路，它实际 上是工作在间歇振荡状态下的再生检波电路。超外差式解调电路与超外差收音机相同，它是 设置一本机振荡电路产生振荡信号，与接收到的载频信号混频后，得到中频 （一般为 465kHz） 信号，经中频放大和检波，解调出数据信号。由于载频频率是固定的，所以其电路要比收音 机简单一些。超外差式的接收器稳定、灵敏度高、抗干扰能力也相对较好；超再生式的接收 器体积小、价格便宜。 2.3.4 常见故障的排除 表 2-1 常见故障及排除方法 常见故障常见故障排除方法排除方法 1 1通电后指示灯不 亮，门体不能启动 1、检查电源 2、检查机内保险管 3、检查 控制电缆 4、检查电机和起动电容 5、检查机 内 P5 插座接触是否良好 6、机头离合器没脱开 2 2门体运动不能限 位 1、检查干簧管或磁钢是否正常 2、检查控 制线路是否开路 3、防碰撞感应开关是否正常 4、延时停机设置是否正确并调整拨盘开关调整 延时设置 吉林工业职业技术学院毕业论文 7 3 3遥控器不起作用 或不灵敏 1、检查发射器电池电压是否低于 10V 2、 检查附近有无电磁干扰 3、遥控器是否受潮， 按键内有无污垢 4、检查控制器电源电压是否 偏低 4 4报警功能不正常1、 控制器是否设定在报警状态 2 检查探头 与控制器电缆连接 3、检查探头性能 4、插头 接线是否正确 5 5控制器窗口无显 示 1、P5 插座接线是否正常 2、数码管是否损 坏 6 6声信号不正常1、机内连线有无开路 2 IC 或晶体管是否 损坏 3、讯响器是否损坏，可用电池试一下应 有响声 7 7保险丝熔断1、检查保险管容量是否正确 2、门头机有 无短路， 可先甩掉门机负荷再试一下以判断故障 是门机还是控制器 3、电缆短路 2.4 自动门的系统配置 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。自动门安装公司有责任在对用 户系统需求的充分了解的基础上，向用户提供合理而经济的系统配置方案。 1. 开门信号。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耍进门，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。还有所谓脚踏开关，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。现在的楼字自控有 吉林工业职业技术学院毕业论文 8 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。极少情况下，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，还预设定的时间将自动门处于自动开启或锁门状态。 2. 门禁系统统与非公共区域的自动门如果说对自动门的性能和质量要求最高的是在使 用频率极高的大型公共区域，那么那自动门自动控制功能要求最高的对进出人员进行选择的 非公共区域。门禁系统是对入门授权的识别。在识别或检测入门授权通过以后，向自动门的 控制系统提供开门信号。在提供开门信号之前，自动门必须处于锁门的状态。门禁系统包括 从最简单的钥匙开关，密码锁，磁卡锁。一直到复杂的体重识别系统，指纹识别系统等。但 无论系统怎样复杂，最终都是给自动门提供开门的触点信号。信号电路的屏蔽对避免由于无 关信号的干扰而误开门的情况发生非常重要。 3. 对自动门的要求就是解锁动作与开门动作之间的协调。 应用于自动平移门的电子锁有 锁皮带的电磁锁和锁门体吊挂件的电动锁两种。后者用于重型自动平移门，自动平开门的电 子锁有电磁门吸，电子插销锁和电子开门器，电子开门器又称阴锁。作用力方向不影响门的 开启动作，不易发生误操作。还有一种带触点开关的机械锁，使锁与开关结合，锁不处于开 锁状态，触点就不能接触，不可能发生误操作。 4. 集中控制。 集中控制的概念包括集中监视自动门运行状态和集中操作多个自动门两层 含义，集中监视自动门开门关门状态可以通过位置信号翰出电路来实现，可以采用接触式开 关，当门到达一定位置（如开启位置）时，触动开关而给出触点信号。也可以采用感应式信 号发生装置，当感应器探测到门处于某一位置时发出信号。在中控室设置相应的指示灯，就 可以显示自动门的状态，而集中操作通常指同时将多个门打开或锁住，这取决于自动门控制 器上有无相应的接线端子。 吉林工业职业技术学院毕业论文 9 第三章第三章PLCPLC 控制系统简介控制系统简介 可编程控制器（Programmable Controller 简称 PLC） 。PLC 是在传统的顺序控制器的基础 上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装 置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。 可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化 的主要手段和重要的自动化控制设备。由于 PLC 在自动化控制中的种种优势，因此被广泛的 引用于自动门系统中。 3.1PLC 的概述 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(Programmable Controller)，但为了与个人计算机 PC（Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器 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，用于控制机 器或生产过程的 自动化控制装置。 1982 年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了 PLC 标准 草案第一稿，1985 年提交了第 2 稿，并在 1987 年的第 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。它采用可编制程序的存储器，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和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关 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” 编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。 3.2PLC 的主要功能及特点 3.2.1PLC 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 吉林工业职业技术学院毕业论文 10 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移位寄存器，用移位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 与上位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。 8. 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元(即 I/O 扩展单元)模块来增加输入输出点数， 也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 plc 的控制功能。 3.2.2PLC 的特点 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。 吉林工业职业技术学院毕业论文 11 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。 3.2.3PLC 的发展趋势 PLC 总的发展趋势是向高集成发展、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发 展。具体表现在以下几个方面。 1. 向小型化、专用化、低成本方向发展。 随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使得 PLC 结构更为紧 凑，相当于一本精装本书的大小，操作使用十分方便。PLC 的功能不断增加，将原来大、中 型 PLC 才有的功能部分移植到小型 PLC 上。 2. 向大容量、高速度方向发展 大型 PLC 采用多微处理系统，有的采用了 32 位微处理器，可同时进行多任务操作，处理 速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理功能。另外，存储荣来那个大大增加。 3. 智能型 I/O 模块的发展 智能型 I/O 模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的 CPU 与 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。 4. 基于 PC 的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。编程软件 可以对 PLC 控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模 块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。 5. 与个人计算机相比，PLC 的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件 方面，各厂家的 CPU 模块和 I/O 模块互不通用。PLC 的编程语言和指令系统的功能和表达方 吉林工业职业技术学院毕业论文 12 式也不一致，因此各厂家的可编程控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC 制定了可编程 控制器标准。标准中共有 5 种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种语言，这种编程 能够选择不同的语言来适应特殊的工作。 6. PLC 通信的易于化 PLC 的通信联网功能使它与个人计算机的其它智能控制设备交换数字信息，使系统形成 一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。 7. 组态软件与 PLC 的软件化 个人计算机(PC)的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交流的功能。 8. PLC 与现场总线相结合 现场总线 I/O 与 PLC 可以组成功能强大的、廉价的 DCS 系统。 9. 开发新型特殊功能模块 I/O 组建可以提高 PLC 的智能化、高密集度和增大处理能力。 10. CPU 的处理速度进一步加快 目前，PLC 的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的 CPU 也不过 80486，将来会全面用 64 位的 RISC 芯片，采用多 CPU 进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化， 部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使 PLC 的处理速度达到纳秒级。 3.3PLC 的组成与基本结构 PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，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。 3.3.1PLC 的硬件系统 PLC 的硬件系统由主机系统（如图 3-1） 、输入/输出扩展环节及外部设备组成。 主机 电源 微处理器(CPU) 运算器 控制器 输 入 单 元 存储器 EPROM (系统程序) RAM (用户程序) 外设 I/O 接口 I/O 扩展 接口 用 户 输 入 设 备 输 出 单 元 用 户 输 出 设 备 I/O 扩展 接口 PLC或上位计算机 图形监控系统 EPROM写入器 打印机 盒式磁带机 编程器 外部设备 图 3-1 PLC 的硬件系统 吉林工业职业技术学院毕业论文 13 3.3.2PLC 的软件系统 PLC 的软件系统主要包括系统程序和用户程序。 3.4PLC 的工作原理及在自动门中的应用 3.4.1PLC 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，并用周期性地集中采样、集中输出的方 式来完成的。一个扫描周期（工作周期）主要分为以下几个阶段： 1. 输入采样扫描阶段 这是第一个集中批处理过程，在这个阶段中，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（ON 或 OFF） 均从输入映像寄存器中去读取，不管此时外部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、从左至右的顺序进行扫描，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 的元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 不断变化的。 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。 在输出刷新阶段结束后，CPU 进入下一个扫描周期，重新执行输入采样，周而复始。 3.4.2PLC 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 吉林工业职业技术学院毕业论文 14 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 3-2 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。 图 3-2PLC 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。 吉林工业职业技术学院毕业论文 15 第四章第四章执行机构的设计执行机构的设计 4.1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 4-1） 图 4-1 保护电路的框图 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 4-2）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、差模滤波电容、共模滤波电容。 图 4-2 过压保护 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 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、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、 吉林工业职业技术学院毕业论文 16 1000V 等多种规格。 （图 4-3）是其电路图形符号与内部电路。 图 4-3 整流电路 4.2无刷直流电机的应用 1. 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 4-4） ： 图 4-4主电路 无刷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 内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。 吉林工业职业技术学院毕业论文 17 2. 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，控制器根据门当前所在 位置决定门的动作。有三种情况： （1）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。 （2） 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。 （3）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