PLC自动门.doc

【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。为了完成自动门这一设计，我翻阅了大量的资料，以及搜查了很多相关的网页，了解各组成部件的功能特性，经过对比，最终确定最优方案。此设计，以PLC为基础，以红外热释传感器为感应装置，直流电动机为动力单元，达到设计的要求，通过对以上电路单元的组合，提高了对各功能电路的认识，增加对元器件的了解，掌握了可编程控制器相关软件的应用，最终通过设计提高了自己的动手能力。关键词:自动门、三菱公司FX系列PLC、热释电红外传感器、直流电动机 3目录前 言 1.设计思路1.1 自动门介绍1.2自动门的组成及工作原理1.3 自动门控制装置的设计任务及方案说明2 自动门控制装置框图与原理 2.1 自动门控制装置系统的组成框图 2.2 自动门控制装置系统的工作原理 3 自动门控制装置系统的总体设计 3.1 主控电路图 3.2继电器接触控制接线图4 自动门控制装置的单元电路设计 4.1感应部分4.1.1 热释电红外传感器介绍4.1.2 BISS0001芯片技术参数4.1.3 BISS0001芯片工作原理4.1.4 RE200B 热释电元件技术参数 4.1.5 菲涅尔镜片的原理和应用 4.1.6 基于BISS0001芯片的RE200B热释电红外开关应用电路图4.2 PLC控制器4.2.1 PLC的起源4.2.2 PLC的功能4.2.3 PLC的主要特点 4.2.4 PLC的选型4.2.5 PLC控制输出输入接线图 5 自动门控制装置系统程序 5.1 自动门控制装置系统程序流程图 5.2 程序梯形图及指令5.3过程分析结束语 参考文献 前 言自动门控制系统，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银行、酒店、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部份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，我以三菱公司FX系列PLC为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。而感应部份，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的正反转动作，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。1设计思路1.1 自动门介绍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，如：玻璃自动门、不锈钢自动门应在此范围内。自动门的种类有: 弧形自动门、双重平移自动门、双扇平移自动门。1.2自动门的组成及工作原理自动门机组由以下部件组成:（1） 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） 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，控制门扇加速与减速运行。（4） 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） 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。当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门扇开启；门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。1.3 自动门控制装置的设计任务及方案说明本人通过细读设计要求，结合学过的知识，总结此自动门设计应该实现如下目标：1能感应靠近门的人，从而实现门的自动开启，同时待人通过后，等待数秒（时间可调节），在没有人再靠近门时，门自动关闭。此过程可通过热释电红外传感器实现感应功能，直流电动机实现门的开与关。2在休息休假时，门可以转为门禁功能，当有人靠近只作报警，不启动电机。这里可以加一套响铃电路实现，而感应部分仍然选用热释电红外传感器。3考虑到一些场合人流通量大，长期开关会导致门的耗损较大，因此设有手动开关门的按钮。原理就是电机的交流接触器的互锁与正反转功能来实现。2 自动门控制装置框图与原理 2.1 自动门控制装置系统的组成框图是否有保安前来确认结束否K1 K2是否有信号是否工作日开始开门（KM0通电，直流电机正转）门碰到行程开关k3后停止（门处于全开状态）延时8S (通过可调延时器实现)等待时是否有人经过关门（KM1线圈通电，驱动电机反转）关门时是否有人经过结束门碰到行程开关k4后停止（门处于关闭状态）K1 K2是否有信号号是是是是否否否否电铃发声告警没有是有返回返回 2.2 自动门控制装置系统的工作原理 1) 当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关时，开关上有电流通过（光电检测开关是脉冲触发须对其自锁）由于开门限位开关常闭，所以线圈上有电通过，电动机正转，到达开门限位开关位置时，电机停止运行，从而完成开门工作。2) 当自动门到开门限位开关位置时启动可调延时定时器8秒后，自动进入关门过程，电动机反转，当门移动到关门限位开关时，电机停止运行，完成关门过程。3) 在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关，应立即停止关门，并自动进入开门程序。4) 在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。5) 因有时人员流通量大时，频繁开门关门会影响电机工作寿命，因此设有启动按钮，在开门或关门状态下，关闭自动门，即可实现。6) 考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制从在一定的问题，最后决定加增手动开门和关门开关。7) 在休息休假时,可转为门禁模式,当有人靠近门时,靠光检测开关感应,然后激活告警单元通知保安,而不进行门的开关。3自动门控制装置系统的总体设计 3.1 主控电路图 3.2继电器接触控制接线图图中器件说明：15KM0：正转线圈KM1：反转线圈SB1、SB2：红外热释应用电路转出端SB3、SB4门的限位开关SB5：过载保护开关SB6：紧急停车保护控制开关SB7：启动/停止开关SB10：手动开门SB11：手动关门4自动门控制装置的单元电路设计 4.1感应部分4.1.1 热释电红外传感器介绍热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。 由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。红外线传感器能以非接触形式检测人体中辐射出的红外线能量变化，并将此变化电压信号输出。4.1.2 BISS0001芯片技术参数这里我们选用BISS0001芯片，它是是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。管脚图内部框图4.1.3 BISS0001芯片工作原理1)BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。 不可重复触发工作方式下的波形首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。 当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 2)以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。 在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。4.1.4 RE200B 热释电元件技术参数热释电元件RE200B ,该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。实物图热释电元件RE200B参数灵敏元面积2.01.0mm2噪声200mV基片材料硅平衡度20%基片厚度0.5mm工作电压2.2-15V工作波长7-14m工作电流8.5-24A平均透过率75%源极电压0.4-1.1V输出信号2.5V工作温度-20- +70视场139126保存温度-35- +804.1.5菲涅尔镜片的原理和应用菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生误动作和漏动作，致使用户或者开发者对其失去信心。配用得当充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断扩大。菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。下图是常用镜片外观示意图： 下图是常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。 镜片主要有三种颜色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。二、白色主要用于适配外壳颜色。三、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。 每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：一、外观描述外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。二、探测范围指镜片能探测的有效距离（米）和角度。三、焦距指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。镜片与探头的配合应用我们常用的是双源式探头，揭开滤光玻璃片，其内部有两点对714um的红外波长特别敏感的TO5材料连接着场效管。静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产生电信号输出。动态情况下，人体经过探头先后被A源或被B源感应，SaSb产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图（3C）。当人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb不产生差值，双源很难产生信号输出。因此，探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜。根据以上原理探头与镜片结合可以做成以下感应方式的人体探测器。A、单区多段水平式和单区多段垂直式。图（4）单区多段水平式感应角度大，这是探头水平视场角度大的缘故，形成一个长方形扇面感应区，单区多段水平式亦称水平幕帘式感应，此感应方式能避开上下红外线干扰。图（5）单区多段垂直式感应角度小，这是探头垂直视场角度小的缘故，形成一个垂直形扇面感应区，单区多段垂直式亦称垂直幕帘式感应，此感应方式能避开左右红外线干扰。图（6）探头与镜片配合不符合SaSb产生差值的要求，因此感应不灵敏。采用双区同心圆相近的镜片也能达到幕帘式感应效果。单区多段和双区多段多用于局部区域感应。B、多区多段感应式和多区多段圆锥体式。图（7）是多区多段感应式探头与镜片对应位置和探测效果图，多区多段感应式多用于挂墙式安装，倾斜向下探测三个不同的区域。图（8）是多区多段圆锥体感应式，多用于吸顶式安装，直接向下探测。采用双源探头配用圆形镜片感应方向图不似圆锥体，因为探头水平视角大于垂直视角而且出现Sa=Sb的现象，圆锥体效果图会中间凹陷。如果圆形镜片配用四源探头，感应方向图更趋似圆锥体，见图（8）探测效果图。多区多段感应式和多区多段圆锥体式感应区域宽广，多用于大面积探测。4.1.6 BISS0001的热释电红外开关应用电路图BISS0001的热释电红外开关应用电路图上图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。4.2 PLC控制器4.2.1 PLC的起源PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程控等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。4.2.2 PLC的功能1、数据采集与输出。2、控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。 3、数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。 4、输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。 5、通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文文件转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成集中管理、分散控制的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。 6、支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。4.2.3 PLC的主要特点1)、可靠性高。PLC的MTBF一般在4000050000h以上，有的在1020万h，且均有完善的自诊断功能。2)、结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。3)、功能强大。4)、编程方便。控制具有极大灵活性。5)、适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。6)、安装、维修简单7)、与DCS相比，价格低。8)、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。4.2.4 PLC的选型在三菱公司FX系列PLC中，系列PLC是最低端的产品，其运算处理速度是0.550.7/指令，但是对于此次自动门控制系统的要求来说已经够用了，而且其存储器使用的是不需要定时更换锂电池的EEPROM。此次设计中只有开关量的输入和输出，输入点数大约是9到10点，输出点数大约是3点。此自动门控制系统最终选择的PLC型号为FX1S-20MR-D，它拥有6点输入和4点继电器输出，运算处理速度0.550.7/指令，2000步EEPROM，通用辅助继电器有384点（M0M383）,的定时器63点（T0T62）。实物图4.2.5 PLC控制输出输入接线 第五章 自动门控制装置系统程序 5.1程序流程图 5.2 梯形图以及指令图4X001 门外光检测电开关 X002 门内光检测电开关X003 开门限位电开关 X004 关门限位电开关X005 过载保护开关 X006 紧急停车开关X007