毕业设计（论文）-基于PLC的旋转门控制系统.doc

目 录 中文摘要、关键字.1 英文摘要 关键字.2 第 1 章 绪论.3 1.1 课题研究的背景.3 1.2 可编程控制器 PLC .4 1.2.1 PLC 的定义.4 1.2.2 PLC 的产生背景.4 1.2.3 PLC 的发展现状.5 1.2.4 PLC 与继电控制系统的比较与分析.7 1.2.5 PLC 与计算机控制系统的比较.8 1.3 研究的主要意义和目的.8 第 2 章 旋转门控制系统硬件设计.10 2.1 可编程控制器硬件设计基本步骤.10 2.2 旋转门的组成及特点.13 2.3 旋转门控制系统方案设计.14 2.4 FX 系列 PLC 及变频器的选择原则 .14 2.5 旋转门运行状态分析及设计.15 第 3 章 旋转门控制系统软件设计.18 3.1 可编程序控制器软件设计步骤.18 3.2 变频器的主要控制参数.19 3.3 三菱 PLC 指令系统.20 3.4 三菱 PLC 程序流程图.22 3.5 控制系统程序梯形图.23 结论.31 致谢.32 参考文献.33 1 基于 PLC 的旋转门控制系统 摘要：随着科学技术的不断发展，旋转门在人们的日常生活中得到了广泛的应用，同时 对其性能和安全性等方面的要求也越来越高。由于 PLC 的高稳定性和对环境较强的适应 能力，使得 PLC 在旋转门控制装置中的应用也日益广泛。 本文围绕旋转门控制装置展开研究。首先分析了国内外自动门发展的趋势和采用的技 术，详细介绍了可编程控制器的产生和发展过程以及它与其他控制装置的比较。在此基 础上选择通用变频器和 FX 系列 PLC，控制四翼自动旋转门的硬件系统组成和软件实现。 完成了系统的 I/O 分配图、PLC 梯形图程序设计，设置了变频器参数，最后还设计完成了 旋转门运行状态故障诊断程序。 在软硬件设计的基础上，按照课题要求，通过一系列的模拟试验，得出符合课题要求 的实验结果。同时设计过程中给出的方法，对今后进行同样相关设计时也有很大的指导 意义和应用价值。 关键词：旋转门 PLC I/O 分配图 梯形图 故障诊断 2 The control system of revolving door based on PLC Abstract:With the continuing development of science and technology,the revolving door have been widely used in peoples daily life,meanwhile,The requirements in peformance and security have been higher and higner.Due to the high stability and environmental adaptability,PLC has had wider application in revolving door control device. This paper study the revolving door control device.First, analyze the trend of the development of automatic door and the technology they have adopted,introduce the development process of programmable controller in detail and its comparison with other control device.Then, choose the general inverter and FX series PLC,in order to control the four wing automatic revolving door hardware and software system. Complete the system I/O allotment,design the PLC ladder-diagram ,set the inverter parameter and finally complete the revolving door operation fault diagnosis procedure. According to the topic request, this paper has a series of simulation experiment on the basis of the design of hardware and software and, the result fits to the requirements. While the method used in the design process also have great significances and application value for the design in the future. Key words: revolving door；PLC；I/O allotment diagram；ladder-diagram；fault diagnosis 3 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景 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。 在大中型公共场所，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。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，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。 作为自动门中的顶级产品，旋转门给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛， 其宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔。其全新的概念，无可动摇 地立足于建筑时代大潮的最前端。但其高造价也不是一般人能接受的。 自动旋转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使旋转门以设定好的 速度匀速旋转，当无人通过时，旋转门又可以自动复位。由于自动旋转门在通电后可以 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。本文拟设计基于 PLC 的旋转门控制系统。 4 1.2 可编程控制器 PLC 可编程控制器（PLC），是随着科学技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应 多产品、小批量生产的需要而产生、发展起来的一种新型的工业控制装置1。 PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今还不到 40 年，但由于其具有通用灵活的控制性能、 可以适应各种工业环境的可靠性与简单方便的使用性能，在工业自动化领域取得了广泛 的应用，曾经有人将 PLC 技术与数控技术（CNC）、CAD/CAM 技术、工业机器人技术并称 为现代化工业自动化技术的四大支柱。 1.2.1 PLC 的定义 可编程控制器（Programmable Controller）简称 PC，但个人计算机（Personal Computer）也简称 PC，为了区别，人们仍习惯称可编程控制器为 PLC（Programmable Logical Controller）。 国际电工委员会（International Electrical Committee）于 1987 年颁布了可编程 控制器的标准及其定义：“可编程控制器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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、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。可编程控制器及其有关的外围设备都应该按易于 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。” 1.2.2 PLC 的产生背景 在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继 电器构成的控制系统存在明显的缺点，尤其是对生产工艺多变的系统适应性较差。1968 年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，为了完成“多品种、小 批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电 器控制装置。第 2 年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台 PLC，将其应用于美 国通用汽车自动装配生产线上，并取得了极大的成功。此后随着计算机技术、半导体集 成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的不断进步，PLC 也迅速发展起 来。 PLC 初创阶段的代表产品有 MODICON 公司的 084、AB 公司的 PDQIl、DEC 的 PDP14 和日立公司的 SCY022 等。该时期 PLC 产品的主要功能是执行原先由继电器完成的顺序 控制、逻辑运算、定时和计数等。它的 CPU 由中小规模的数字集成电路组成，在 IO 接 口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求，它的控制功能比较简单。在软件编程上， 5 采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。 而通用汽车公司（GM）公司为了适应生产工艺不断更新的需求，从用户角度提出了新 一代控制器应具备的 10 项指标： (1) 编程方便可现场修改程序 (2) 维修方便采用模块化结构 (3) 可靠性高于继电器控制装置 (4) 体积小于继电器控制组装置 (5) 具有数据通信功能数据可直接送入计算机管理 (6) 成本可与继电器控制系统竞争 (7) 输入可为市电 (8) 输出可为市电容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器、电磁阀等 (9) 易于扩展，扩展时原系统改变最小 (10) 用户存储器大于 4KB 1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器 DSC-8。1973 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程序控制器。我国从 1974 年开始 研制，1977 年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程 序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1.逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制， 均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLCProgrammable Logic Controller）。 进入 70 年代，随着微电子技术的发展，PLC 采用了通用微处理器，这 种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为 PC 可编程序控制器。 至 80 年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以 16 位和 32 位微 处理器构成的微机化 PC 得到了惊人的发展。使 PC 在概念、设计、性能、价格以及应用 等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高， 编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理以及图象显示 的发展，使 PC 向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支 柱。 1.2.3 PLC 的发展现状 我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC 产品有很大的应用空间，如机械行业 80% 以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。因此，PLC 在我国的应用潜力远没有 6 得到充分发挥。 我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小 型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。随着竞争的日益加剧，越来越 多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济 效益和竞争实力。 中国加入 WTO 后越来越多的国际公司把其制造基地转移到中国。同时，中国的国有 企业和民营企业也在利用难得的历史机遇大力发展制造业。中国正在努力成为世界新的 制造业基地。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC 是该领域控制系统的首选。制造企 业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用 PLC，从而为 PLC 的应用提供广阔的应 用前景。 自 2001 年以来，作为基础工业之一的机械工业成为我国工业发展新的增长点，年均 增长率超过 20%。与流程工业对模拟量的反馈调节不同，机械工业需对开关量进行连锁及 顺序控制，因此 PLC 成为其控制产品的首选。机械行业的高速增长和自动化现状为 PLC 应用提供了巨大的市场空间。 我国在“十五规划中已明确提出了“用信息化带动工业化的发展计划，大量传统产 业的自动化改造将为 PLC 的应用提供巨大的发展空间。 我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经 济形势分析，我国将迎来一个 PLC 市场高速增长的时期。 基于上述原因和中国经济高速增长的现状，今后若干年内中国 PLC 市场将保持持续高 速增长。综合相关资料提供的数据，并分析目前中国 PLC 市场主要厂商的经营数据，初 步估计目前在我国本土销售的 PLC 总量为 3040 亿元人民币（不含随进口主设备配套的 PLC），年增长率为 1520%。 巨大的市场需求为发展 PLC 业务提供了难得的历史机遇，国内有实力的自动化公司应 充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积累，大力拓展 PLC 业务，使国产 PLC 早日成为中国 PLC 市场的主要参与者之一。 目前中国 PLC 市场主要厂商为 Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc 等国际大公司，欧美公 司在大、中型 PLC 领域占有绝对优势，日本公司在小型 PLC 领域占据十分重要的位置， 韩国和中国台湾的公司在小型 PLC 领域也有一定市场份额，中国大陆 PLC 厂商的市场份 额几乎可以忽略。 7 大型 PLC 的目标用户在选用 PLC 时一般不会把价格作为首要考虑因素，而是更关注产 品性能、质量和品牌，对价格不是十分敏感，故日本产品很难进入该领域。韩国和中国 台湾的产品从一开始就是模仿日本产品，基本沿袭日本产品的技术路线，其在中国的市 场策略、行业影响基本是步日本厂商的后尘，只不过比日本产品滞后一段时间。 对中、小型 PLC 的目标用户而言，市场上主要厂商的 PLC 产品均能满足其要求，所 以在产品选型时价格是十分重要的因素。因此，日本产品在该领域占有绝对优势。 Siemens 在推出新一代小型 PLC 产品 S7200 后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小 型 PLC 的市场增长迅速，已经与日本主要产品（Mitsubishi 和 Omron）在小型 PLC 领域 取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分 PLC 厂商 在小型 PLC 领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。 1.2.4 PLC 与继电控制系统的比较与分析 几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在 工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能己无法满足与适应工业控制的要 求和发展，与 PLC 相比较，存在着质的差别，表 1.1 给出了 PLC 与继电器控制系统功能 与特点的比较。 8 表 1.1 PLC 与继电器的功能与特点比较 比较项目比较项目继电器控制继电器控制 PLCPLC 控制功能的实现 由许多继电器，采用接线的 方式来完成控制功能 各种控制功能是通过编制的 程序来实现的 对生产工艺过程变更的适应 性 适应性差，需要重新设计， 改变继电器和接线 适应性强，只需对程序进行 修改 可靠性差，触电多，故障多 高，因元器件采取了筛选和 老化等可靠性措施 柔韧性与灵活性差 具有种类齐全的扩展单元， 扩展灵活 控制的实时性 机械动作时间常数大，实时 性差 微处理器控制，实时性非常 好 占用空间与安装 控制柜体积大、笨重，安装 施工工作量大 体积小，重量轻，安装工作 量少 使用寿命易损，寿命短寿命长 复杂控制能力极差很强 价格较低较高 维护复杂、工作量大工作量小 1.2.5 PLC 与计算机控制系统的比较 通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据处理的速度已达到极高 的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面远远没有 PLC 功能强大，表 1.2 给出了它们的对比2。 1.3 研究的主要意义和目的 随着我国国民经济持续稳定地增长，从本世纪开始，我国进入了全面建设小康社会 的新阶段，创造美好生活环境是装饰业发展的巨大推动力。现代城市建筑物装饰装修中， 将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。对门的选择由 单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格 调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。堪称建筑物的点睛 之笔。因此，自动旋转门的使用越来越多，对旋转门控制系统的控制要求也就越来越高。 结合市场调研，根据实际需要，所设计的旋转门应该具有下列功能：当无人接近旋转门 时，旋转门能自动停止；当进出旋转门的人比较多时，旋转门能自动加速旋转；当按下 9 残疾人专用按键时，旋转门能启用残疾人专用旋转速度；当行人通过旋转门不慎被夹时， 旋转门能迅速制动，待行人解脱后旋转门能自动恢复正常旋转速度；旋转门的全部运行 状态都送入楼宇自动监控系统等。因此，要求旋转门控制系统在控制上具有更高的自动 化和智能化。 表 1.2 PLC 与通用计算机控制系统功能与特点比较 比较项目比较项目通用计算机系统通用计算机系统PLCPLC 控制系统控制系统 工作目的科学计算，数据管理等 工业自动控制 工作环境对工作环境的要求较高对环境要求低，可在恶劣的 工业环境 工作方式中断处理方式循环扫描方式 系统软件需配备功能较强的系统软 件 一般只需简单的监控程序 采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊 断，断电保护 编程语言汇编语言，高级语言如： BASIC、C 等 梯形图，助记符语言，SFC 标 准化语言 对操作人员的要求需专门培训，并且有一定 的计算机基础 一般的技术人员，稍加培训 即可操作使用 对内存的要求容量大容量小 价格价格高价格较低 其他若用与控制，一般需自行 设计 机种多，规模种类多，易于 集成系统 根据旋转门国内外发展现状，通过详细考察市场，分析同行业产品以及用户使用情况， 本文研制开发了具有多重保护功能的智能型旋转门。这种旋转门通过“以人为本”的设 计理念，在传统的旋转门控制系统的基础之上增加了多项安全保护功能，在多重安全系 统的保障下，可以保证不会发生夹人事故，保障了用户和行人的安全。 10 第 2 章 旋转门控制系统硬件设计 2.1 可编程控制器硬件设计基本步骤 1PLC 型号的选择 在做出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制 要求，从而决定是否选用 PLC 进行控制。 在控制系统逻辑关系较复杂(需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等)、工艺 流程和产品改型较为频繁、需要进行数据处理和信息管理(有数据运算、模拟量的控制、 PID 调节等)、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下， 使用 PLC 控制是很必要的16。 目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭 乱、无所适从。所以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选 择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的 浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。 (1) 对输入/输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。 要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 至 20留出备用量 (为系统的改造等留有余地)后确定所需 PLC 的点数。另外要注意，一些高密度输入点的 模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60；PLC 每个输出点的驱动能力(mA/点)也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小 还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低 等。在选型时要考虑这些问题。 PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可 以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之 间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC。 (2) 对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入 总点数乘 10 字/点输出总点数乘 5 字/点来估算；计数器/定时器按(3 至 5)字/个估算； 有运算处理时按(5 至 10)字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入 /(或输出)一路模拟量约需(80 至 100)字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接 口 200 字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 至 100留有裕量。对缺乏 11 经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。 (3) 对 I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延 迟(一般在 2 至 3 个扫描周期)等。对开关量控制的系统，PLC 和 I/O 响应时间一般都能满 足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系 统就要考虑这个问题。 (4) 根据输出负载的特点选型 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择 晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多 优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力 较强，其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、 直流负载可以选择继电器输出型的 PLC。 (5) 对在线和离线编程的选择 离线编程是指主机和编程器共用一个 CPU，通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的 编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU 只为编程器服务，而不对现场进行控制。 专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机和编程器各有一个 CPU，主机的 CPU 完 成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机， 在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编 程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法 应根据需要决定。 (6) 根据是否联网通信选型 若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC、上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前 大部分小型机也具有通信功能。 (7) 对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功 能扩展灵活，维修方便(换模块)，容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构 形式。 2分配输入/输出点 一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。 分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编 12 号。 在个别情况下，为节省输入点，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入 点前，按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联)，然后再接到输入点。 (1) 确定 I/O 通道范围 不同型号的 PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选 PLC 型号，查阅 相应的编程手册，决不可“张冠李戴”。必须参阅有关操作手册。 (2) 内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定 时器/计数器时作数据存储或数据处理用。 从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。 (3) 分配定时器/计数器 绘制电气原理图是很关键的一步。在绘制 PLC 的输入电路时，不仅要考虑到信号的 连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊 条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到 PLC 的输入端， 把高压引入 PLC 输入端，会对 PLC 造成比较大的伤害。在绘制 PLC 的输出电路时，不仅 要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到 PLC 输出模块的带负载能力和 耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和极性问题。在整个电路的绘制中，还 要考虑设计的原则努力提高其稳定性和可靠性。虽然用 PLC 进行控制方便、灵活。但是 在电路的设计上仍然需要谨慎、全面。因此，在绘制电路图时要尽量考虑周全。 控制系统采用市电和 UPS 双重供电，由 KM 接触器来完成市电和 UPS 间的自动转换。 当市电有电时，KM 的动合触点闭合为系统供电，此时 KM 的动断触点断开；当市电停电时， KM 的动合触点断开，KM 的动断触点闭合为系统供电。 空气开关 Q 为系统提供过压、欠压、过流等保护，也可以利用 Q 实现手动为系统断电 或停电。 强电系统还为其它有强电需求的部件提供电源，如：PLC 控制器、变频器、抱闸、照 明等。 其中，电机抱闸线圈常得电，由电机的控制部分来执行抱闸与否。考虑到安全原因， 系统照明电压为 24VDC，由变压整流模块来完成变压和整流功能。 采用 FX32MR 型三菱系列的 PLC 作为控制器。输入部分为共点输入方式，有按钮、 扭子开关、无触点开关等组成；输出部分要求全部为 220VAC，故将所有 COM 端子连接 13 在一起，并加装熔断器防止短路造成故障范围扩大。 为了现场安装、拆卸方便，同时也为了防水、防尘，从控制箱到旋转门各个部件的 连线采用航空防水、防尘接头。同时考虑到强电对弱电可能产生的干扰，以及现场可能 出现的误插等因素，采用的接头有多种。现场即使误插也不会造成器件损坏的事故。 2.2 旋转门的组成及特点 旋转门主要由旋转门门体、接近传感器、可编程序控制器和变频器组成，如图 2-1 所 示7。 图 2.1 旋转门总体结构图 旋转门的特点： （1）全数字化的程序控制器 简单明了的人机对话操作界面，驱动部分为日本生产 的变频和交流电机； （2）高速运转 当上下班高峰期时，旋转门以高速运转，增加单位时间的客流数量； （3）正常运转 一般情况下，旋转门以常人的步行速度运转，满足常人的通行要求； （4）慢速运转 当有老人、小孩或残疾人通过时，按下残疾人按扭，旋转门以正常 14 转速的一半运转，运行一周后，自动恢复到正常运转速度； （5）定位功能 智能化自动定位停车功能； （6）安全系统 多部传感器对通行区域进行监控，防止发生夹人、撞人事故。 2.3 旋转门控制系统方案设计 根据旋转门的总体结构和特点，初步确定其控制功能，由此设计出旋转门的基本控 制功能框架图，并在其基础上设计控制系统的硬件和软件（见图 2.2）。 该旋转门由多扇玻璃门相互垂直地镶嵌在同一个轴柱上构成，电机通过减速机构带 动旋转门的轴柱，从而产生门的旋转运动(见图 2.3)。 图 2.2 旋转门控制功能框图 2.4 FX 系列 PLC 及变频器的选择原则 该系统利用日本三菱公司的 FX 系列 PLC 作为系统的控制指挥中心。该 PLC 把来自旋 转门现场的检测信号、变频器的状态信号以及楼宇自动监控系统的指令，经过收集、处 理后，完成对变频器的频率控制和对楼宇自动监控系统的信息反馈。当 X0 闭合时，启动 该旋转门控制系统。 由于旋转门处于公共场所，行人或物品阻碍旋转门正常旋转的现象时常发生，因此 15 导致电动机的负载变化大、过电流现象发生频繁，所以选用通用 FVR015E7S-7EX 型变频 器。该变频器具有快速响应的电流限制功能，当负载波动较大时，变频器并不跳闸，能 自动减速运行；当负载恢复正常时，变频器能自动升速到设定值。使用该变频器，电动 机低速驱动能力强，起动转矩能达到额定值的 150%，该变频器还具有电压自整定等一系 列功能。 2.5 旋转门运行状态分析及设计 (1) 自动运转功能：当红外线动作感应器感应到行人时，门扇马上用正常速度转动， 若一直有行人通过转门，则旋转门一直不停的旋转。行人离开后，转门自动变为慢速运 转或停止。 (2) 速度可调功能：旋转门的运转速度(正常速度和慢速)均可根据门的大小和客户 的要求进行调整。 (3) 定位停功能：当行人离开转门时，门扇将由正常运转状态变为慢速运转并自动 停止于双层密封位。 (4) 当 X1 闭合时，旋转门的转速不受客流量多少的控制，以固定不变的转速旋转。 反馈给楼宇自动监控系统的信息状态如表 2.1 所示。 该旋转门由多扇玻璃门相互垂直地镶嵌在同一个轴柱上构成，电机通过减速机构带 动旋转门的轴柱，从而产生门的旋转运动(见图 2.3)。 16 L N X0 X1 Y0 COM1 Y1 Y4 COM X2 X3 X4 Y5 Y6 Y7 COM2 X5 X6 X7 X16Y12 FX2N-32MR X17 X10 X11 X12 Y13 Y10 Y11 COM3 X13 X14 X15 COM Y3 COM4 + - KM 到到机机械械抱抱闸闸系系统统 楼楼宇宇 自自动动 化化系系 统统 RST X2 X1 FWD CM RT1 30A 30C 故故障障 报报警警 220V UVW 变变频频器器 FR M 3 KM 220V 楼楼宇宇自自动动监监 控控系系统统 30C FR 24V 传传感感器器电电源源 进进门门防防夹夹传传感感器器 门门外外接接近近传传感感器器 B2 C2 门门内内暂暂停停按按键键 门门内内换换速速按按键键 门门内内接接近近传传感感器器 出出门门防防夹夹传传感感器器 定定位位行行程程开开关关 D2 门门外外换换速速按按键键 C1 B1 E1 门门外外急急停停按按键键 定定位位行行程程开开关关 D1 A2 A1A1A1 旋旋转转门门 减减速速机机构构及及机机 械械抱抱闸闸系系统统 图 2.3 旋转门控制系统结构图 为了实现系统的全部自动化和智能化，系统在旋转门圆形框架的上端，安装了 4 个 接近传感器，其中 3 个面向进门的行人(见图 2.3 的 A1)，一个面向出门的行人(见图 2.3 的 A2)；在门框外侧的边沿上分别安装了 2 套防夹传感器(见图 2.3 的 E1 和 E2)；在圆弧 门框外侧的表面上，分别安装了急停按键和残疾人专用换速按键(见图 2.3 的 B1、B2 和 C1、C2)；D1 和 D2 是旋转门的定位或加减速起点行程开关。 本章介绍了旋转门的组成和功能特点，对控制系统的硬件和控制方案进行了设计， 选用了合适的 PLC 和变频器，对旋转门的运行状态进行了分析和设计。 17 表 2.1 旋转门运行状态表 Y7Y6Y5Y4 诊断信息 0000 控制系统没工作 0001 将有人进门 0010 将有人出门 0011 进出人都有 0100 有多人进门 0101 旋转门低速运行(按键 C1 动作) 0110 旋转门低速运行(按键 C2 动作) 0111 旋转门高速运行 1000 旋转门急停(出门人被夹) 1001 旋转门急停(进门人被夹) 1010 旋转门停转(按键 B1 动作) 1011 旋转门停转(按键 B2 动作) 1100 旋转门停转(变频器故障) 1101 旋转门停转(电动机故障) 1110 旋转门停转(没有人进出) 注：表中“1”表示“ON”，“0”表示“OFF”。Y7、Y6、Y5、Y4 为 PLC 的输出端。 18 第 3 章 旋转门控制系统软件设计 3.1 可编程序控制器软件设计步骤 软件部分设计主要就是程序的编制，在确定了 PLC 程序结构之后，就要具体地编制 程序了。编制 PLC 控制程序的方法很多15,16，综合考虑以下几种典型的编程方法。 1. 图解法编程 图解法是靠画图进行 PLC 程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑 流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 (1) 梯形图法 梯形图法是用梯形图语言去编制 PLC 程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。 其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易地就可以把原继电 器控制电路移植成 PLC 的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一 种编程方法。 (2) 逻辑流程图法 逻辑流程图法是用逻辑框图表示 PLC 程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻 辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑框图表示出来形成系统的逻辑流程图。这种方 法编制的 PLC 控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及联锁条件明确。逻辑流 程图会使整个程序脉络清楚，便于分析控制程序，便于查找故障点，便于调试程序和维 修程序。有时对一个复杂的程序，直接用语句表和用梯形图编程可能觉得难以下手，则 可以先画出逻辑流程图，再为逻辑流程图的各个部分用语句表和梯形图编制 PLC 应用程 序。 (3) 时序流程图法 时序流程图法是首先画出控制系统的时序图(即到某一个时间应该进行哪项控制的控 制时序图)，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成 PLC 程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。 (4) 步进顺控法 步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序，都 可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。 从整个角度去看，一个复杂系统的控制过程是由这样若干个步组成的。系统控制的任务 实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。为此，不少 PLC 生产厂家在自己的 PLC 中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可 以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。 19 2. 经验法编程 经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是设计前先选择 与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的 情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有 的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，就需要日积月累，善于总结。 3. 计算机辅助设计编程 计算机辅助设计是通过 PLC 编程软件在计算机上进行程序 设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。使用编程软件可以十分方便地在计 算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序 的存取、加密以及形成 EXE 运行文件。 PLC 软件系统设计的步骤: 在确定了程序结构和编程方法后，就要编写 PLC 程序了。编写 PLC 程序和编写其他计 算机程序一样，都需要经历如下过程。 (1) 对系统任务分块(模块化) 分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样就把一个 复杂的大问题化为多个简单的小问题。这样可便于编制程序以及将来的程序调试。 (2) 编制控制系统的逻辑关系图 从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又导出哪些动 作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍 为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输 出的关系。 (3) 编制 PLC 程序并进行模拟调试 在绘制完电路图之后，就可以着手编制 PLC 程序了。当然可以用上述方法编程。在 编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、 便于修改。编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改。 4. 现场调试 现场调试是整个控制系统完成的重要环节。任何程序的设计很难说不 经过现场调试就能使用的。只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系 统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行 现场调试才能最后实地测试和最后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。 3.2 变频器的主要控制参数 经现场调试后，变频器的主要控制参数确定如下： 当客流量较小或 X0 为“ON”时，变频器的工作频率为 42HZ(仅当 Y11=ON)，上升时 20 间 6s，下降时间 15s；当客流量比较大时（X3、X4 和 X5 都为“ON”时），变频器的工作 频率为 50HZ（Y11 和 Y10 同为“ON”时）；当第一次按动换速键时，变频器的工作频率 为 21HZ(当 Y11 和 Y13 同为“ON”时)，当第二次按动换速键时，变频器工作状态由其他 现场状态控制；当有行人不慎被夹时，旋转门迅速制动并待行人解脱后，经过 10s 的延 迟，启用变频器第二“加/减速”选择，自动恢复到正常旋转速度（上升时间和下降时间 均为 25s，实现方法是 Y11 和 Y3 都为“ON”）。变频器主要控制端子与输出频率之间的 关系如图 3.1 所示。 f t 50HZ50HZ 42HZ 21HZ ON ON ON ON ON ONFWD-CM X1-CM X2-CM RT1-CM 图 3.1 变频器输出频率与控制端子的关系 3.3 三菱 PLC 指令系统 采用的 PLC 是三菱 FX232MR，下面简单介绍一下它的指令系统。三菱的 PLC 为当今 世界上最先进的小型 PLC，具有各类功能齐全的高性能模块，及快速可靠的系统网络10。 1三菱 PLC 分类及性能分析 三菱 PLC 可分为小型系列、中型和大型系列。小型系列为 I/O 点数最大 256 点的 FX 系列，大中型系列为 I/O 点数可达到 8192 点。各系列 PLC 的性能指标比较见表 3.1。 21 表 3.1 各系列 PLC 的性能指标比较 分类Q 系列QnA 系列FX 系列 总体比较高中高中 程序语言 语句表、梯形图、 SFC(标签、功能块编 程) 语句表、梯形图、 SFC(标签编程) 语句表、梯形图、 SFC(标签编程) I/O 点数 256 至 4096 点(远程 8196) 512 至 4096 点(远程 8169 点) 256 点以下 处理速度/s/步(刷 新方式) 0.034 至 0.20.075 至 0.20.09 至 1.0 指令数/条 基本型 CPU：249 高性能型 CPU：360 761 至 808271 至 482 程序容量/k 步8 至 25228 至 1246 至 120 可执行程序数/个 基本型 CPU：1 高性能型 CPU：28 至 124 28 至 124 1 内部继电器容量(k)12 至 24 24 3 至 16 内部寄存器容量(k)14 至 153 23 2.5 至 7 2. 三菱 PLC 指令系统的特点 (1) 采用高速系统总线 通过高速的系统总线，FXCPU 与输入输出模