基于PLC的自动门控制系统的设计

本科毕业设计（论文）摘 要本文论述的自动门控制系统主要有以下几部分构成：可编程控制器（PLC） 、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置。PLC 选用日本三菱电机公司生产的 FX2N-32M 小型 PLC；信号采集装置选用上海晶园微电子公司生产的微波感应器；变频器采用日本三菱电机公司生产的 FR-540 变频器；驱动装置采用天津安全电机有限公司生产的 YSM100/112、W、S 三相异步电机，额定转矩为0.43N.m，额定转速为 400r/min;传动装置采用皮带来带动门的运动。本设计对周围环境的要求较低。本设计主要的工作原理是通过信号采集装置判定有无人经过并将信号转换成开关量信号传到 PLC，PLC 根据开关信号的来控制变频器的开停和速度的变换，再由传动装置带动门的运动。关键词：自动门 PLC 变频器 感应器本科毕业设计（论文）AbstractAutomatic door control system in this paper has the following main parts: programmable logic controller (PLC),Signal acquisition device, frequency converter, driving device, transmission device. PLC selection of Japanese Mitsubishi Motor Company produced FX2N-32M small PLC; signal acquisition device using microwave sensors Shanghai wafer microelectronics company; frequency converter by FR-540 converter Japanese Mitsubishi Motor Company production; driving device using YSM100/112, W, S three-phase asynchronous motor Tianjin safe motor limited production, rated torque is 0.43N.m, the rated speed 400r/min; transmission device adopts the belt to drive the movement of the door. Requirements on environment around the design of low.The design of the main working principle is through the signal acquisition device judges have no pass and converts the signal into the switch signal to the PLC, PLC according to the stop and speed of the transformation of the switch signal to control the frequency converter, and is driven by the driving device of door movement.Keywords: automatic door sensors PLC converter本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）目录摘 要 .I1 绪论 .11.1 国内外自动门发展现状 .11.2 本课题研究的内容 .21.2 本课题研究的目的和意义 .32 自动门控制系统总体设计方案 .52.1 自动门的功能需求分析 .52.2 系统设计的基本步骤 .52.3 自动门技术参数的确定 .62.4 自动门的机械传动机构设计 .73 自动门硬件系统的设计 .93.1 控制系统结构设计 .93.2 可编程控制器（PLC）的选型 .93.2.1 PLC 概述 .93.2.2 PLC 的选型 .113.3 驱动装置的选型 .143.4 变频器的选型 .143.4.1 变频器原理 .143.4.2 变频器的选型 .143.4.3 变频器的参数设定 .153.5 感应开关的选型 .164 自动门控制系统软件的设计 .184.1PLC 梯形图概述 .184.2 梯形图编程环境 .184.3 梯形图的设计 .195 系统调试 .215.1 程序调试记录及结果分析 .216 总结 .22致谢 .23参考文献 .24本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 国内外自动门发展现状在国外，进入 90 年代以来，自动化技术发展很快，技术已经相对成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分，在现在人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘、同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用广泛。随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用自动门。但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。在自动门控制系统中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。客流量的差异会对自动门的使用产生很大的影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和频繁使用的自动门。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，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，目前市场上流行的平移型自动门一般是两开，这种门的特点是简单易控，维护方便。自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当有人走进自动门的时候，感应器感应到人的存在，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。自动门的控制方法的很多，从控制器的不同来分，有传统的继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控制；智能控制器控制，即通过运用现在自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产商所运用，由于继电器逻辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制的自动门所淘汰。在智能控制器的选择上，自动门的主控器有微电脑控制和可编程控制器（PLC）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC 控制的特点是稳定性高，维护方便。本科毕业设计（论文）由于目前没有相关的技术标准，各厂家的产品都按照自己的企业标准进行生产，对各项技术指标的要求和测量方法都不尽相同，如提升力等参数，差别较大，在市场上造成了较大的混乱，给用户选择带来不便，也不利于行业的发展。因此，有必要制定自动门的技术标准，明确规定的主要技术指标以及测试方法等，引导市场有序竞争，促进行业发展。在建筑金属结构协会和门业标委会的大力推动下， 自动门标准编制工作已经展开，目前有许继施普雷特机电设备有限公司、深圳固威特科技有限公司、沈阳未来科技发展有限公司、福建漳州市麒麟电子有限公司和上海昌顺电子信息技术有限公司等 5 家单位参与了此标准的编制工作。2005 年 4 月 2 日，在北京召开了编制组成立会和首次工作会议。经过编制组两个多月的工作，现该标准的初稿已经形成，拟于近期召开编制组第二次工作会议，对初稿进行讨论和修改。经过多年发展，自动门行业呈现以下发展趋势：智能化，多功能：今后的还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，以始终保持较高的遇障保护灵敏度等，还将增加一些新的功能，如和住宅安防系统配合使用等。免维护：采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。 多样化：将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需要。高安全性：随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标，也将是一项基本要求。1.2 本课题研究的内容本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。.自动门类型的选择。综合了自动门的简洁、简单的要求，在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能和分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。.自动门硬件系统的设计。本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需求，故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的三菱 FX 系列PLC。在自动门的开关门速度控制上本设计以三菱变频器作为调节器，运用变频器的三段速控制来实现自动门的转速控制，为了解决变频器在频率很低的时候会出现不稳定的问题，驱动装置选用功率强大、稳定性较好的自带减速装置的三相交流电机，在感应器运用自动门专用的微波雷达感应器和在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应本科毕业设计（论文）器的开关量信号输入给 PLC 来实现 PLC 对自动门的控制。.自动门软件的设计。本设计中选用了目前运用最多的 PLC 编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出自动门控制的要求，并能更好的考虑到安全和故障报警灯问题。1.2 本课题研究的目的和意义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。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。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。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。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。本科毕业设计（论文）自动门在国外早已得到普遍通用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门发展的黄金时期。PLC 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和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用 PLC 控制自动门具有较高的可靠性，维修方便等特点。本课题的自动门设计运用 PLC 做控制器大大提高自动门的稳定性和经济性，对于整个自动门行业是一次技术的革新，提高了自动门的使用率，因此，进行自动门的 PLC 控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大 PLC 在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。本科毕业设计（论文）2 自动门控制系统总体设计方案2.1 自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需求有安全和可靠性，在设计的时候改进了自动门的友好性。根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应具有以下功能：1.开门和关门控制应具有手动和自动方式。为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。手动和自动开门方式由手动转换开关来控制，当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。当转换开关拨向自动位置时，手动开关失效，由感应器检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门且门未关闭，PLC 动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。2.蜂鸣器的提示功能当自动门开启和关闭时，PLC 输出信号给蜂鸣器，蜂鸣器响以提醒来往行人注意。3.防夹人功能为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在门附近的人被门所夹住。自动门控制系统包含 PLC 控制和动作执行元件构成。采用自动和手动点动控制方式，此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用 PLC 为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。2.2 系统设计的基本步骤在自动门系统设计与调试过程中最主要的是先列出设计的主要步骤流程图。在自动门控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：1.深入了解和分析自动门的工艺条件和控制要求。2.确定 I/O 设备。常用输入设备有按钮、开关、传感器等。 3.根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。本科毕业设计（论文）4.分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。5.设计自动门系统的梯形图的程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。6.将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，将系统程序更加完善。7.自动门系统的整体调试，在 PLC 软硬件和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题逐一排除，直至调试成功。图 2.2 设计调试步骤图设计安装线路现场施工连线修改程序测试正常？满足要求？自动门整体测试安全使用编制技术文件绘制流程图设计梯形图程序写入 PLC软件测试开始确定 I/O 点数PLC 硬件系统配置分析控制要求分配 I/O 点本科毕业设计（论文）2.3 自动门技术参数的确定自动平移门安装和调试的关键是提高精度，即导轨的平直度和水平度，门体的两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应该常调节门体，修正运行产生的误差。要严格限制门体的重量，不能超过自动门的额定负重。通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的清理和调整。公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可以达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量。加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。自动门具体参数设定如下：单扇开启宽度（mm） 1250mm（最宽）单扇门的最大承重（kg） 1120kg高度（mm） 2500mm最快开/关门速度（cm/s） 60cm/s常速开/关门速度（cm/s） 32.5cm/s减速开/关门速度（cm/s） 20cm/s开启保持时间（s） 15s(程序中可调)可编程控制器（PLC）电源 220v AC, 50Hz-60Hz驱动器电源 380v AC, 50Hz 驱动器输出额定功率 120W2.4 自动门的机械传动机构设计本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：1.自动门的传动主要包括安装版，轨道，门机，皮带，吊挂件等。2.所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。3.电机：驱动电机采用 380V 三相交流电机，功率大，可调性强。4.导轨：水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。本科毕业设计（论文）5.滑轮：采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。6.皮带：采用齿形皮带，齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。7.传动结构中马达皮带轮直径为 5cm,皮带滑轮内径为 13.5cm,外径为28.5cm。本科毕业设计（论文）3 自动门硬件系统的设计3.1 控制系统结构设计本设计运用 PLC 控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门云装的控制方式。采用变频器电路，结构简单，控制方便，可靠性高，交流电机具有效率高、维护成本低的特点。交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长等优点，并且系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩、高速恒功率运转等特性。随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的大量运用提供了条件。图 3.1 控制系统结构图3.2 可编程控制器（PLC）的选型3.2.1 PLC 概述PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC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、计门内外感应器采集信号手动控制开关安全感应器变频器交流电机开/关门指示灯蜂鸣器PLC本科毕业设计（论文）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。PLC 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。 ” PLC 是用于工业现场的电控制器，它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计算 机 相 同 ， 其 中 有 中 央 处 理 单 元 (CPU)， 中 央 处 理 单 元 (CPU)是 PLC 的 控 制中 枢 。 它 按 照 PLC 系 统 程 序 赋 予 的 功 能 接 收 并 存 储 从 编 程 器 键 入 的 用 户 程 序和 数 据 ； 检 查 电 源 、 存 储 器 、 I/O 以 及 警 戒 定 时 器 的 状 态 ， 并 能 诊 断 用 户 程序 中 的 语 法 错 误 。 当 PLC 投 入 运 行 时 ， 首 先 它 以 扫 描 的 方 式 接 收 现 场 各 输 入装 置 的 状 态 和 数 据 ， 并 分 别 存 入 I/O 映 象 区 ， 然 后 从 用 户 程 序 存 储 器 中 逐条 读 取 用 户 程 序 ， 经 过 命 令 解 释 后 按 指 令 的 规 定 执 行 逻 辑 或 算 数 运 算 的 结 果送 入 I/O 映 象 区 或 数 据 寄 存 器 内 。 等 所 有 的 用 户 程 序 执 行 完 毕 之 后 ， 最 后 将I/O 映 象 区 的 各 输 出 状 态 或 输 出 寄 存 器 内 的 数 据 传 送 到 相 应 的 输 出 装 置 ， 如此 循 环 运 行 ， 直 到 停 止 运 行 。 为 了 进 一 步 提 高 PLC 的 可 靠 性 ， 近 年 来 对 大型 PLC 还 采 用 双 CPU 构 成 冗 余 系 统 ， 或 采 用 三 CPU 的 表 决 式 系 统 。 这 样 ，即 使 某 个 CPU 出 现 故 障 ， 整 个 系 统 仍 能 正 常 运 行 。 另 外 存 储 器 是 存 放 系 统 软件 的 存 储 器 称 为 系 统 程 序 存 储 器 。 存 放 应 用 软 件 的 存 储 器 称 为 用 户 程 序 存 储器 。 同 时 PLC 的 电 源 在 整 个 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。 如 果 没 有 一 个 良 好的 、 可 靠 的 电 源 系 统 是 无 法 正 常 工 作 的 ， 因 此 PLC 的 制 造 商 对 电 源 的 设 计和 制 造 也 十 分 重 视 。 一 般 交 流 电 压 波 动 在 +10%(+15%)范 围 内 ， 可 以 不 采 取其 它 措 施 而 将 PLC 直 接 连 接 到 交 流 电 网 上 去 ； 至 于 输 入 输 出 接 口 电 路 ， 在 现场 输 入 接 口 电 路 由 光 耦 合 电 路 和 微 机 的 输 入 接 口 电 路 ， 作 用 是 PLC 与 现 场控 制 的 接 口 界 面 的 输 入 通 道 ； 现 场 输 出 接 口 电 路 由 输 出 数 据 寄 存 器 、 选 通 电路 和 中 断 请 求 电 路 集 成 ， 作 用 PLC 通 过 现 场 输 出 接 口 电 路 向 现 场 的 执 行 部 件输 出 相 应 的 控 制 信 号 。PLC 的 工 作 原 理 ： 当 PLC 投 入 运 行 后 ， 其 工 作 过 程 一 般 分 为 三 个 阶 段 ，即 输 入 采 样 、 用 户 程 序 执 行 和 输 出 刷 新 三 个 阶 段 。 完 成 上 述 三 个 阶 段 称 作 一个 扫 描 周 期 。 在 整 个 运 行 期 间 ， PLC 的 CPU 以 一 定 的 扫 描 速 度 重 复 执 行 上 述三 个 阶 段 。 (一 ) 输 入 采 样 阶 段 在 输 入 采 样 阶 段 ， PLC 以 扫 描 方 式 依 次 地读 入 所 有 输 入 状 态 和 数 据 ， 并 将 它 们 存 入 I/O 映 象 区 中 的 相 应 得 单 元 内 。输 入 采 样 结 束 后 ， 转 入 用 户 程 序 执 行 和 输 出 刷 新 阶 段 。 在 这 两 个 阶 段 中 ， 即本科毕业设计（论文）使 输 入 状 态 和 数 据 发 生 变 化 ， I/O 映 象 区 中 的 相 应 单 元 的 状 态 和 数 据 也 不 会改 变 。 因 此 ， 如 果 输 入 是 脉 冲 信 号 ， 则 该 脉 冲 信 号 的 宽 度 必 须 大 于 一 个 扫 描周 期 ， 才 能 保 证 在 任 何 情 况 下 ， 该 输 入 均 能 被 读 入 。 (二 ) 用 户 程 序 执 行 阶段 ， 在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 总 是 按 由 上 而 下 的 顺 序 依 次 地 扫 描 用 户 程 序(梯 形 图 )。 在 扫 描 每 一 条 梯 形 图 时 ， 又 总 是 先 扫 描 梯 形 图 左 边 的 由 各 触 点 构成 的 控 制 线 路 ， 并 按 先 左 后 右 、 先 上 后 下 的 顺 序 对 由 触 点 构 成 的 控 制 线 路进 行 逻 辑 运 算 ， 然 后 根 据 逻 辑 运 算 的 结 果 ， 刷 新 该 逻 辑 线 圈 在 系 统 RAM 存储 区 中 对 应 位 的 状 态 ； 或 者 刷 新 该 输 出 线 圈 在 I/O 映 象 区 中 对 应 位 的 状 态 ；或 者 确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所 规 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 在 用 户 程 序 执 行 过程 中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发 生 变 化 ， 而 其 他 输 出点 和 软 设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据 都 有 可 能 发 生变 化 ， 而 且 排 在 上 面 的 梯 形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用 到 这些 线 圈 或 数 据 的 梯 形 图 起 作 用 ； 相 反 ， 排 在 下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑线 圈 的 状 态 或 数 据 只 能 到 下 一 个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的 程 序 起 作 用 。在 程 序 执 行 的 过 程 中 如 果 使 用 立 即 I/O 指 令 则 可 以 直 接 存 取 I/O 点 。 即 使用 I/O 指 令 的 话 ， 输 入 过 程 影 像 寄 存 器 的 值 不 会 被 更 新 ， 程 序 直 接 从 I/O模 块 取 值 ， 输 出 过 程 影 像 寄 存 器 会 被 立 即 更 新 ， 这 跟 立 即 输 入 有 些 区 别 。(三 ) 输 出 刷 新 阶 段 ， 当 扫 描 用 户 程 序 结 束 后 ， PLC 就 进 入 输 出 刷 新 阶 段 。在 此 期 间 ， CPU 按 照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 状 态 和 数 据 刷 新 所 有 的 输 出 锁 存 电路 ， 再 经 输 出 电 路 驱 动 相 应 的 外 设 。 这 时 ， 才 是 PLC 的 真 正 输 出 。 PLC 有 丰 富 的 指 令 系 统 ， 有 各 种 各 样 的 I/O 接 口 、 通 信 接 口 ， 有 大 容 量的 内 存 ， 有 可 靠 的 自 身 监 控 系 统 ， 因 而 具 有 以 下 基 本 的 功 能 ： 逻 辑 处 理 功 能 数 据 运 算 功 能 准 确 定 时 功 能 高 速 计 数 功 能 中 断 处 理 （ 可 以 实 现 各 种 内 外 中 断 ） 功 能 程 序 与 数 据 存 储 功 能 联 网 通 信 功 能 自 检 测 、 自 诊 断 功 能像 PLC 这 样 ， 集 丰 富 功 能 于 一 身 ， 是 别 的 电 控 器 所 没 有 的 ， 更 是 传 统 的继 电 控 制 电 路 所 无 法 比 拟 的 。 丰 富 的 功 能 为 PLC 的 广 泛 应 用 提 供 了 可 能 ，同 时 ， 也 为 自 动 门 行 业 的 远 程 化 、 信 息 化 及 智 能 化 创 造 了 条 件 。本科毕业设计（论文）3.2.2 PLC 的选型在 PLC 系统设计时，首先应该确定控制方案，下一步工作就是 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，工程设计选型和估计时，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需要的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需要存储器容量、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。1.输入输出（I/O）点数的估算I/O 点数估算时应该考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。根据估算的方法故本课题的 I/O 点数为输入12点，输出12点。2.存储器容量的估算存储器容量是可编程序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的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。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的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，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10-15倍，加上模拟 I/O 点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字） ，另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的 PLC 内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造中有足够的空间。3.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特性的选择。根据本课题设计的自动门控制的需要，主要介绍一下几种功能的选择。控制功能PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，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。编程功能离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模拟时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制，完成编成后，编程器切换到运行本科毕业设计（论文）模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU 和编程器有各自的 CPU，主机CPU 负责现场控制，并在一个扫描周秦内与编程器进行数据交换，编程器把在线编程的程序或数据发送到主机，在一个扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC） 、梯形图（LD） 、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL） 、结构文本（ST）两种文本语言。 诊断功能PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断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 与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。4.机型的选择PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，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 PLC 的 I/O 点数固定，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 卡件或插件，因此用户可较合理的选择和配置控制的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。经济性的考虑选择 PLC 时，应考虑性能价格比，考虑经济性，应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，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，结合经济性的考虑因此选择整体型 PLC。综合以上因素，本课题的设计所采用的小型 PLC 来实现整个自动系统的控制，并具有以下优点：最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，他可以为自动化应用提供做大的灵活性和控制能力。同时具有突出的寄存器容本科毕业设计（论文）量：三菱 FX2N-32M 包括8K 步内置 RAM 寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步 RAM 或 EEPROM。丰富的元件资源：3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器、实时时钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。3.3 驱动装置的选型自动门的驱动装置是自动门能否良好的工作的保障，在本设计中是运用变频器的三段速度调节来自动调节电机的速度，已达到驱动自动门的目的。这种方法具有稳定性能好，维修方便，连接简单，成本较低，是在目前的自动门行业主流控制方式。根据本课题所设计的自动门的要求应选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准规定的，具有噪声低、过载能力强等特点的并且转速不高于 500r/min 的电机。 、3.4 变频器的选型3.4.1 变频器原理变频器室利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆流河控制4个部分组成。整流部分分为三相桥式不可控整流器，逆流部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流，变成直流。再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。3.4.2 变频器的选型根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点：1.变频器与负载的匹配问题本科毕业设计（论文）电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。本课题的电机的额定电压为380V，故在选择变频器时要符合电机的额定电压。电流匹配：变频器的额定电流与电机的额定电流相符，以最大电流确定变频器电流和过载能力。在本课题中使用的三相交流电机的最大起动电流为 Y形接法0.37A，形接法为0.64A。本设计中采用 Y 形接法。转矩匹配：这种情况在横转矩负载或有减速装置时有可能发生，本课题所用电机的最初起动转矩为1.4Nm，在选型中要考虑。2.在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要大于普通电机的选型。3.本设计选用的变频器有以下优点：接线简单，可运用 PLC 的继电器输出接到变频器的控制输入端来控制变频的正反转和频率。安装灵活，可以根据实际需要，把控制装置安装到任何位置，进行远距离操作。频率设置简单，并且具有三速设定功能，可以满足本课题自动门系统的控制要求，且操作方便，只需轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置。3.4.3 变频器的参数设定自动门要求快速启动（限位）常速运行（限位）慢速运行停止。根据转速公式：n=60f/p(1-s)f 表示电机的频率，p 表示电机的极对数，s表示电机的转差率，n 表示转子的实际逆转，计算出变频器的设定频率。根据公式和电机参数 p=6，额定转速为400r/min，计算出电机的转差率S=0.25，马达皮带轮与门上的皮带轮外径、门上的皮带轮内径转速比5.7:1:2.1，得出马达皮带论与门上的皮带轮内径转速比为2.4:1。1.根据上一章提到的门的规格，加速开门或者关门的距离为30cm,时间控制在0.5S，速度为3600cm/min,此时要求转子的转速为204r/min。2.中速开门和关门的距离为65cm，时间为2s，速度为1950cm/min，此时要求电机的转速为110.4r/min。3.减速开门和关门的距离为30cm，时间为1.5s，速度为1200cm/s，此时要求电机的转速为67.9r/min。本科毕业设计（论文）开门曲线VS关门曲线图 3.5 开门和关门曲线表3.1变频器设定名称 表示 设定范 围 最小设定 单位 设定值上限频率（Pr1） P1 0-120Hz 0.1Hz 50Hz下限频率（Pr2） P2 0-120Hz 0.1Hz 0.1Hz3速设定（高速）（Pr4） P4 0-120Hz 0.1Hz 25.5Hz3速设定（中速）（Pr5） P5 0-120Hz 0.1Hz 13.8Hz3速设定（低速）（Pr6） P6 0-120Hz 0.1Hz 8.5Hz加速时间（Pr7） P7 0-999s 0.1s 0.3s减速时间（Pr8） P8 0-999s 0.1s 0.3s操作模式选择（Pr79） P79 0-4,7,8 1 2本科毕业设计（论文）3.5 感应开关的选型目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应器，红外感应器，接近感应开关等，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，是自动门系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，如在高档酒店，写字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，选择窄区域的感应器。本设计选用的微波感应器又称微波雷达，对物体的移动的反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是几乎不受周围环境因素影响。在防夹人感应器的选择上本设计选用的是微型红外安全光线，可以避免外界光线干扰。在门下行关闭时，当有人或车经过安全光线时，门体会自动停止下行，并自动上行以起到安全作用。自动门的速度信号采集上运用了非埋入型接近传感器，这种传感器的特点是能检测所有的金属，最大检测距离是 20mm，检测距离调节方便，安装简单。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。图3.6 I/O 分配表类型 PLC 元件 作用X0 紧急停止X1 手/自动转换开关X2 感应开关（内）X3 感应开关（外）X4 防夹人光栅（常闭）X5 关门下限X6 开门下限X7 开门/关门中速X10 关门低度/开门高速X11 手动开门X12 手动关门X13 关门高速/开门低速输入X14 异常复位Y1 手动开关Y2 手动关门Y3 开/关门中速Y4 开/关门低速Y5 开/关门高速输出 Y6 自动开灯闪烁本科毕业设计（论文）Y7 自动关门闪烁Y10 开/关门提醒Y11 故障报警灯Y12 自动开门Y13 自动关门Y14 异常停止本科毕业设计（论文）4 自动门控制系统软件的设计4.1PLC 梯形图概述梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。 梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。梯形图程序设计语言的特点是：1.与电气操作原理图相对应的，具有直观性和对应性；2.与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习； 3.与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需要与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计成为编程。4.2 程序流程图1. 制作程序 2. 对可编程控制器 CPU 的写入/读出 3. 监视功能，监视功能包括回路监视，软元件同时监视。此功能对于自动门的控制系统在查找故障的时候非常重要。 4. 模拟调试功能，把制作好的可编程控制器程序模拟写入可编程控制器的CPU 内，测试此程序能否正常运转。此功能对于完成自动门程序的时候进行程序的检查是很重要的。 5. PC 诊断功能，因为会见现在的错误状态