基于三菱PLC的自动旋转门控制系统硬件设计

摘要三翼自动旋转门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，堪称建筑物的点睛之笔。其最大的特点在于它“永远开门，又永远关门”，即对于人来说，门总可以打开，可对于建筑物来说，门又总是关着。因此，自动旋转门在功能方面具有独特的发展。 本次的毕业设计主要论述了三翼自动旋转门的系统设计过程，主要对控制系统、安全系统做了详细的分析和设计。控制系统用 PLC 负责完成控制任务，根据要求选定 PLC 型号为 FXOS-32MR-001,并查阅相关资料确定 PLC 接线图。由变频器来实现门体多种转速的调节功能，根据功能要求选取了佳灵 JP6C-T9-0.75 型变频器，并画出了其电控系统电气原理图。安全系统采用红外线传感器检测进出旋转门的人员流动，使用多个接触式和非接触式传感器及光电接近开关来确保通行安全。关键词：自动旋转门；控制系统；安全系统；PLC；变频器- I -AbstractThree wings automatic revolving door is leading products in automatic doors, it can give generously warm and feeling and creating luxurious atmosphere, Meanwhile, it is a eye in modern building . The biggest characteristic is that it open and closed forever, forever, namely, the door for people to always can open doors, building and always closed. Therefore, the automatic revolving door in function of unique development.The graduation design mainly discusses the design about control system and safely system of the three wings automatic revolving door. PLC is responsible for the task of controller and the function of rotational speed is rely on the VVF. According to the requirements of PLC for the selected models FXOS-32MR-001and related data PLC hookup。According to the function requirement JiaLing chose JP6C - T9-0.75 and type inverter control system of the electrical diagram。People passing in and off the revolving door is checked by the infrared ray sensor, the safety of people are ensured by many contact and non-contact sensors and photoelectric proximity switchesKeyWords：automatic revolving door，control system，safely system，PLC ，Inverter- I -目录摘 要 .IAbstract .I1.绪论.11.1 选题背景11.1.1 旋转门浅析.21.2 自动旋转门设计实例32 系统整体方案设计.52.1 PLC 控制系统功能要求分析 .52.2 PLC 控制系统设计方案.62.2.1 PLC 控制系统设计的基本原则.62.2.2 PLC 控制系统设计方案.63.PLC 硬 件系统设计 .83.1PLC 简介 .83.1.1PLC 基本结构 .83.1.2 PLC 的工作原理 . .123.1.3 PLC 的应用领域及发展趋势.143.2 PLC 控制系统硬件设计.163.2.1 PLC 选型及 I/O 分配确定.163.2.2 变频器选型.193.2.3 传感器选型及安全系统设计.273.2.4 其它设备选型.333.2.5 PLC I/O 接线图设计.333.2.6 电控系统电气原理图设计.33结论.37致谢.38参考文献.39- 1 -1 绪 论1.1 选题背景旋转门起源于荷兰，至今已有一百年的历史，在这段时间内，从以前意义的专门到今天的全自动旋转门，旋转门经历了一个漫长的发展历史。其种类较多，按控制方式可分为全自动旋转门、半自动旋转门和手动旋转门；按旋转翼结构方式可分为两翼旋转门、三翼旋转门和四翼旋转门；按结构材料科分为金属框架旋转门、水晶旋转门和木旋转门。国外自动旋转门发展较早。器技术也较为成熟。自动旋转门的传动系统技术具有节能、低噪音、传动平稳、寿命长、性能可靠等优点；控制系统采用数字化设计的系统作为控制中枢，有功能更强大，操作更简便等优点；检测安全系统采用先进的红外与微波感应技术，用于感知物体的移动，操纵门体的运行，使用各种安全检测传感器，实现防夹、防撞、防碰功能。与此同时某些厂家生产的自动旋转门还具有远程控制和液晶显示功能。新中国成立以来，特别是改革开放以后，旋转门也大量的出现在我国的各种公共和高档场合。在我们高楼耸立的大都市，在大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。大厦在需要持续不断的人流出入的同时，又要保持建筑物内良好的空气循环及环境的优美，这是建筑师所遇到的一大难题，而旋转门为大厦提供了理想的解决方案，它可有效地防风、防尘和隔音，- 2 -从而改善了大厦入口附近的环境。旋转门的最大优点在于它永远开门，又永远关门，即对于行人来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果较好。因此，自动旋转门在功能方面具有独特的发展。1.2 旋转门浅析1) 旋转门的定义旋转门：单扇或多扇沿竖轴转动的门叫旋转门。自动旋转门：利用各种控制器、信号控制，实现单扇或多扇沿竖轴自动转动和自动停止的门叫自动旋转门。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。2）自动旋转门的结构传统的三翼和四翼旋转门就是这种结构，即中心门轴通过轴承机构垂直安装于地面，三个或四个门翼呈发散式固定在中心门轴上，各门扇之间的角度相等，人在内扇之间推动（按逆时针）门扇，就成为一个手动旋转门。中心门轴的上方安装电动机及其他电气控制部件，再配以感应装置和安全装置，就成为自动旋转门。这种结构是稳定性，使用的可靠性很高，使用寿命长。考虑到旋转门在停止时一定要密封，所以三翼旋转门的每个分隔可以容纳更多的人，可是门的净开口的宽度较小。而四翼旋转门的每个分隔可以容纳较少的人，可是门的净开口宽度却较大。但是，这种旋转门门翼与中心轴的固定方式决定了门扇宽度不能太大，所以这种旋转门的直径最大只有约 4M。为了解这一问题，工程师们将中心门轴设计成了中间展示室，相对减小了门扇宽度，增加了电机对门中心的旋转作用力矩，使这种旋转门的最大直径扩大到 6M，中间展示室又有很好的装饰效果。作为通道门的自动旋转门还要考虑紧急状态时人员的快速疏散，于是旋转门的门翼要能够在停电时手动推开，所以带紧急打开功能的自动旋转门采用特制的类似合页的门体接五金件。可是当风压很大时，这种门扇结构容易被风吹开。五金件的强度也成为这种自动旋转门的主要质量问题之一。国际自动旋转门生产厂又设计了专用的电磁锁，在断电- 3 -时才使门扇可以被推动。3）自动旋转门的性能大厦在需要持续不断的人流出入的同时，又要保持建筑物内良好的空气循环及环境的优美，这是建筑师所遇到的一大难题，而旋转门为大厦提供了理想的解决方案，它可有效地防风、防尘和隔音，从而改善了大厦入口附近的环境。旋转门的最大优点在于它 永远开门，又永远关门 ，即对于行人来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果较好。因此，自动旋转门在保安功能方面具有独特的发展，但在人员流量方面自动旋转门却没有优势，因为门的转速是固定的，每个门翼之间可容纳的人员也是有限的。每种自动旋转门都有标定的人员流量数值。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果在经常使用的条件下相对于其它两种自动门要好。由于自动旋转门的人流量有限，在大型公共场合还是选择其它两种自动门，毕竟自动旋转门的本成较高。通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。但是在静态密封效果方面，自动旋转门远不如其它自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。4) 旋 转 门 在 我 国 的 市 场 前 景随 着 我 国 国 民 经 济 持 续 稳 定 地 增 长 ， 2008 年 北 京 申 奥 成 功 和 WTO 的 加 入 。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 。1.3 自动旋转门设计实例自动旋转门控制系统主要由旋转门、接近传感器、可编程序控制器和变频器组成。1）旋转门及接近传感器该旋转门由 4 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。- 4 -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，一个面向出门的行人；在门框外侧的边沿上分别安装了 2 套防夹传感器；在圆弧门框外侧的表面上，分别安装了暂停按键和残疾人专用换速按键。2）可编程控制器 PLC该系统利用三菱公司的 FXOS-32MR-001 系列 PLC，作为该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。3）变频器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 JP6C-T9-0.75型变频器。该变频器具有快速响应的电流限制功能，当负载波动相当大时，变频器不跳闸，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先进功能。4）旋转门运行状态诊断程序楼宇自动监控系统除了使用摄像机获取旋转门的外部工作状态信息外，还需要使用 PLC 获取旋转门控制系统内部的工作状态信息。所以在编辑控制系统内部状态诊断程序时，不但要照顾到现场维护人员能利用 PLC 诊断故障，还照顾到楼宇自动监控系统准确、方便地使用 PLC 提供的诊断信息。综上所述，该旋转门设计新颖、外观大方、功能齐全、使用控制方便，行人所接触到的按键也能够保证安全。同时，接近传感器的可靠性也是实现旋转门控制系统自动化和智能化关键之一。是集机电于一体化的高新技术产品。同时其较好地满足了广大用户的求，扩大了 PLC 和通用变额器的应用范围，提高了旋转门控制系统的自动化和智能化程度，深受物业管理行业科技人员和维护人员的青睬。52 系统整体方案设计2.1 PLC 控制系统功能要求分析PLC 控制系统硬件设计需满足如下几个功能：(1)自动转停功能 来人时自动启动，并以正常转速动转，15s 时无人进出，则自动停转并封门。(2)残疾变速功能 旋转门设有低速，中速，高速三种旋转速度，分别对应残疾，middle 和 high 三个按钮进行切换，以适应残疾人通过、正常运转和紧急疏散对转速的不同要求。30s内始终以 2r/min 的速度低速运转，此时按中速（Middle）和高速（High）无效，以确保残疾人安全通过。30s 后来人，门自动以正常速度运转。(3)防夹功能 当门扇运转靠近曲壁立柱时，如果行人试图从两者之间(防夹区)进入旋转门，则门立即自动停转以防夹伤行人。行人离开防夹区，门自动恢复运转。(4)防撞功能 行人紧靠右侧立柱或遇到物体碰撞右侧立柱,则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体，行人或物体离开右侧立柱,自动门恢复运转。(5)防碰功能 行人在旋转门内通行过程中，如遇到门扇碰到行人脚后跟，则门立即停转，以防止碰伤行人。行人离开门扇，门自动恢复旋转。(6)急停功能 当出现紧急意外事故十，按下急停按钮，门立即停转，解除急停信号，门又自动恢复运转。(7)暂停功能(STOP 按钮) 与急停功能相当，不同的是按 STOP 钮后，必须用残疾，middle 和 high 三个按钮中的一个进行恢复。(8)电动机过载保护功能 当电动机过载时，门停转并且指示灯闪烁报警。过载消除后门自动恢复运转。(9)变频器报警输出和延时自动复位功能 6当变频器过压或过流时，关闭输出，门停转并报警( 指示灯闪烁)，延时 3s 自动复位。2.2 PLC 控制系统设计方案2.2.1 PLC 控制系统设计的基本原则1) 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。2) 保证控制系统的安全可靠保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。3）满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单经济适用和维修方在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。4）选择 PLC 是要考虑生产和工艺改进所需的余量由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、I/O 点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2.2.2 PLC 控制系统设计方案自动旋转门 PLC 控制系统由信号输入元件、输出执行元件、显示器件和 PLC构成。因此，自动旋转门 PLC 控制系统的设计，就包括这些器件的选取和连接等。1)选取信号输入器件、输出执行器件、显示器件等7为了满足自动旋转门的各种功能，需要选取红外感应器、防碰传感器、防撞传感器、防夹传感器及相应开关等。其输入信号在进入 PLC 后，可以在 PLC 内部多次重复使用，而且还可获得其常开、常闭、延时等各种形式的触电。因此，所选用信号输入器件有一个触点。输出器件则选取相同电源电压、工作电流较小的器件。显示器件则选取寿命较长，而且工作电流较小的 LED 器件。2)设计控制系统主回路 由于行人可能有残疾人，故自动旋转门需选取变频器来满足其要求。合理进行调速，按此设计控制系统主回路，绘制电控系统电气原理图。3)选取 PLC 根据自动旋转门输入、输出信号的数量，以及输入输出信号的空间分布，程序容量的大致情况等条件选择 PLC。4)进行 I/O 分配 根据自动旋转门的设计要求及输入输出信号，进行 I/O 分配。绘制 PLC I/O 接线图。5)编写使用说明书。- 8 -3 PLC 硬件系统设计3.1 PLC 简介3.1.1 PLC 基本结构PLC 硬件基本结构主要有中央处理单元（CPU ）、存储器、I/O 接口电路（或称为 I/O 模块）、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。其中， CPU 是 PLC 核心，I/O 模块是连接现场 I/O 设备与 CPU 之间的桥梁，通信接口用于与编程器、上位计算机等外围设备连接。1）中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而不同，常用有三类，通用微处理器（如 Z80、8086 、80286 等）、单片微处理器（如8031、8096 等）和位片式微处理器（如 AMD29W 等）。小型 PLC 得多采用 8 位通用微处理器和单片微处理器，中型 PLC 大多采用 16 位微处理器和单片微处理器，大型 PLC 大 同一般的微机一样，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而不同，常用有三类多采用高速位片式微处理器。目前，小型 PLC 为单 CPU 系统，而中、大型 PLC 则大多为双 CPU 系统，甚至有些 PLC 中国多达 8 个 CPU。对于双 CPU 系统，一般一个为字处理器，通常采用8 位或 16 位处理器，另一个为位处理器，采用各厂商设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和微处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现 PLC 编程语言向机器语言转换。位处理器的采用提高了 PLC的速度，是 PLC 更好的满足实时控制的要求。在 PLC 中，CPU 按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：（1）接收从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源、PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。（3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入印象寄存器或数据寄存器中。（4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。- 9 -（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出印象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些 PLC 还具有制表打印或数据通信等功能。2）存储器存储器主要有两种，一种可读/写操作的随机存储器（ RAM），另一种是只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（ PROM）、电可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）。在 PLC 中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据等。系统程序是由 PLC 的制造厂商编写的，与 PLC 的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供 PLC 运行的平台。系统程序关系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用过程中不会变动，所以是由制造厂商直接固化在 ROM、PROM 或 EPROM 中，用户不能访问和修改。用户程序是随 PLC 的控制对象而定，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM 中程序的破坏，当用户程序经过运行正常不需要改变时，可将其固化在 EPROM 中。先在许多PLC 直接采用 EEPROM 或闪速（Flash）ROM 作为用户存储器。工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，它存放在 RAM中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放 I/O 继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要部分数据在掉点时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉点时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接关系，所以在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量一般指用户程序存储器。当 PLC 提供的用户程序存储器容量不够用时，许多 PLC 还提供存储器扩展功能。3）I/O 接口电路I/O 接口电路通常也称为 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连接部件。PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对被控对象进行控制的依据。同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以达到控制目的。- 10 -由于外围输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部 CPU的处理信息只能是标准电平，所以 I/O 接口可以实现这种转换。 I/O 接口一般都具有光隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力。另外，I/O 接口上通常还有状态指示，工作状况能够直观的显示出来，以便于维护。PLC 提供了多种操作电平和驱动能力的 I/O 接口以便用户选用。I/O 接口模块的主要类型有：开关量（数字量）输入、开关量输出和模拟量输入、模拟量输出等。常用开关量输入接口按其使用的电源不同分为三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。常用开关量输出接口按其输出功率开关器件分为三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出电路可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；晶体管输出电路的响应时间快，动作频率高，只能用于驱动直流负载；双向晶闸管 VT 输出接口的响应速度快，只能用于驱动交流负载。PLC 的 I/O 接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为 PLC 的 I/O 点数。I/O 点数是选择 PLC 的重要依据之一。当系统的 I/O 点数不够时，可通过 PLC 的I/O 扩展接口对系统进行扩展。4）通信接口PLC 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC 通过这些通信接口可与打印机、监视器、其他 PLC 计算机等设备实现通信。PLC 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印。与监视器连接，可将控制过程图像显示出来。与其他 PLC 连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程 I/O 系统也必须配备相应的通讯接口模块。5）编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 PLC 内部状态和参数，与 PLC 进行人机对话。它是开发、应用、维护 PLC 不可缺少的工具。编程装置可以使专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由 PLC 厂商生产，专供该厂商生产的某些 PLC 产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器分为简易编程器和智能编程器两类。- 11 -简易编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，须将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，他可以直接插在PLC 的编程插座上，或者用专用电缆与 PLC 相连，以方便编程和调试。图形编程器又称智能编程器，本质上它是一台专用便携式计算机。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂商的几种 PLC 进行编程，使用范围有限，价格较高。同时由于 PLC 产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。基于个人计算机的程序开发系统功能强大的特点，它既可以编制、修改 PLC 的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等功能。因此，先在的趋势是使用一个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买 PLC厂商提供的编程软件和相应的编程电缆即可。这样，用户只用较少的投资就能得到高性能的 PLC 程序开发系统了。6）电源及其他外围设备PLC 配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC 电源的稳定性好、抗干扰能力强。它对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值 15的范围内波动。许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于外部传感器供电。其他外围设备除了以上所述的部件和设备外，PLC 还有许多外围设备，如 EPROM 写入器、外存储器、人机接口装置等。EPROM 写入器是用来将用户程序固化到 EPROM 中的一种 PLC 外围设备。为了使调试好的用户程序不易丢失，经常用 EPROM 写入器将 PLC 内 RAM 保存到EPROM 中。PLC 内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器做成的存储盒等来存储 PLC 的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其他智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。- 12 -人机接口装置用来实现操作人员与 PLC 控制系统的对话、交互功能。最简单、最普遍的人机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED 显示器、声光报警器等器件构成。对于 PLC 系统，现在普遍采用半智能型人机接口装置和智能型终端人机接口装置。图形操作终端作为人机接口有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与 PLC 相连，也可作为独立的节点介入 PLC 网络。3.1.2 PLC 的工作原理。PLC 有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。RUN 状态是执行应用程序的状态。STOP 状态一般用于程序的编制、修改和下载。为了使 PLC 的输出能够及时相应可能随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至 PLC 停机或切换到 STOP 状态，因此 PLC 采用的是周期循环扫描工作方式。一个扫描周期可分为以下 5 个阶段：内部处理阶段、通信服务阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。CPU 对用户程序的执行过程是 CPU 的循环扫描过程，并且是采用周期性地集中输入采样、集中输出刷新的方式来完成的。1）内部处理阶段CPU 对 PLC 内部的硬件作故障检查，复位监控定时等。2）通信服务阶段通信服务阶段是扫描周期的信息处理阶段，PLC 与外围设备、编程器、网络设备等进行通信，CPU 处理从通信端口接收到的信息。当 PLC 处于 STOP 状态时，只执行以上两个阶段的操作。当 PLC 处于 RUN 状态时，还要完成输入采样、程序执行和输出刷新阶段的操作。在 PLC 存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC 梯形图中的其他编程软件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。3）输入采样（输入处理）阶段每次扫描周期开始时，先读取输入端子的当前值，然后写到输入映像寄存器中。在随后的用户程序执行的过程中，CPU 访问输入映像寄存器，而非读取输入端子的状态，通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被相应。- 13 -4）程序执行阶段用户程序执行阶段，PLC 按照梯形图的顺序，自左而右、自上而下地逐步扫描，在这一阶段中，CPU 从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器和其他软元件映像寄存器中。CPU 逐条解释并执行用户程序。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。5）输出刷新（输出处理）阶段每个扫描周期结束时，CPU 先把存在输出映像寄存器中的数据写入输出锁存器中。再输出到数字量输出端子，以更新输出状态。然后 PLC 进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。综上所述，在输入处理阶段，PLC 把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。外接的输入触电接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只可能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束为止。在执行指令时，从输入映像寄存器或其他元件映像寄存器中将有关编程软件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中。因此，各编程元件的映像寄存器的内容会随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输入映像寄存器的0/1 状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈 “通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。上面某一编程软件（如输入继电器、输出继电器）对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为 ON，元件映像寄存器为 “0”状态时，称该编程元件为 OFF。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。如果梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为“0”状态。在输出刷新阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。- 14 -3.1.3 PLC 的应用领域及发展趋势1）PLC 的应用领域目前，PLC 已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。现代 PLC 已经不仅仅具有逻辑判断和顺序控制功能，还同时具有数据处理、PID 调节、数据处理和通信连网等功能。PLC 的应用领域大体可归为如下几类：（1）开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制电路。实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台 设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注塑机、印刷机、食品机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）运动控制PLC 用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行结构，现在一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电动机或伺服机电动机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂商的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种运动机械、机床、机器人、电梯等场合。（3）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量和物位等缓慢变化的连续模拟量的闭环控制。为了使 PLC 处理模拟量，必须实现模拟量和数字量之间的 A/D 转换和 D/A转换。PLC 厂商都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使 PLC 可用于控制模拟量。作为工业控制计算机，对 PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一种闭环控制系统中用的较多的调节方法，大中型 PLC 都有 PID 模块，许多小型 PLC 目前也具有了这种功能模块。 PID 运算处理一般是在 PLC 内部运行专用的 PID 子程序，其过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有着非常广泛的应用。（4）数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序。查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信- 15 -功能传送到别的智能装置，或将他们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型过程控制系统。（5）通信及连网PLC 通信包括 PLC 间的通信及 PLC 与其他智能设备间的通信。随着计算机控制发展，工厂自动化网络发展迅猛，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自网络系统。新生产的 PLC 都具有通信网络接口，通常非常方便。2）PLC 的发展及其前景PLC 的发展大体上可分为 3 个阶段：(1)形成期（1970 1974 年）在这一期间 PLC 以计算的面貌与用户见面。在软件上采用机器码和汇编语言编写应用程序，在硬件上采用中小规模集成电路构成系统。其功能仅限于开关逻辑控制，且价格昂贵，只在一些大型生产设备和自动生产线上使用。(2)成熟期（ 19731978 年）在这一时期，一方面随着大规模集成电路的出现，出现了以微处理器为核心的新一代 PLC，另一方面采用了梯形图语言，通俗易懂。由此称为 PLC，且技术也日趋完善。(3)大发展时期（1977至今）由于 PLC 技术的发展始终保持两个特点：一是继承继电器控制系统的特点，二是应用了计算机技术。所以随着 PLC 应用的扩大，全面促进了 PLC 的生产和研究，产品的品种也越来越多，需求量也越来越大，而且很受欢迎，PLC 也成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。国家已形成为重要产业。据不完全统计，世界 PLC 总销售额 1987 年为 25 亿美元，1988 年为 31 亿美元，比前一年增长24。1989 年为 36 亿美元，比上一年增长 16。而且新的生产家不断涌现，产量产值大幅度增加，价格也普遍下降。21 世纪，PLC 将会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用在 PLC 设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、功能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通- 16 -用的编程语言；从网络的发展情况来看，PLC 和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统，是 PLC 技术发展方向之一。可见，现代 PLC 的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。3.2 PLC 控制系统硬件设计3.2.1 PLC 选型及 I/O 分配确定 三翼自动旋转门控制是开关量控制的应用系统，而且控制速度不高，在其控制中没有模拟量输入，也没有比较环节等，因此不需要 A/D 转换功能、PID 调节功能、闭环控制功能、通信联网等功能。三翼旋转门控制对 PLC 的处理速度要求不高，允许执行一条基本指令的时间不超过 0.5us；不需要采用高速响应模块。同时，旋转门的运作过程比较固定，环境条件比较好，控制过程不复杂，因此可选用三菱公司FXOS-32MR-001 系列 PLC 机型，它是一种叠装式结构的小型 PLC。他指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性价比高，可以近乎完美的满足小规模控制的要求。- 17 -分析控制系统的 I/O 接点数表 1 输入地址分配表表 2 输出地址分配表输出地址 信号内容Y0.0 上电及报警信号Y0.1 电磁锁控制继电器Y0.2 电动机启停Y0.3 高速控制Y0.4 低速控制Y0.6 直流制动Y0.7 变频器复位输入地址 对应的外部设配X0.0 急停按钮X0.1 残疾按钮X0.2 STOP 开关X0.3 Middle 开关X0.4 High 高速按钮X0.5 锁钥X0.6 直流制动接近开关X0.7 防夹接近开关 1X1.0 红外线传感器 1X1.1 防撞传感器 1X1.2 防碰传感器 1X1.3 防夹传感器 1X1.4 变频器报警输出X1.5 锁门接近开关X1.6 防夹接近开关 2X1.7 红外线传感器 2X2.0 红外线传感器 3X2.1 红外线传感器 4X2.2 防撞传感器 2X2.3 防碰传感器 2X2.4 防碰传感器 2X2.5 防夹传感器 3X2.6 过热继电器- 18 -通过对三翼旋转门输入/出信号的分析可知：输入点有 23 个,输出点共 7 个。按照预留 15%-20%的接点数来计算，输入点至少要 30 个输出接点至少要 10 个。因此 PLC 所需要的 I/O 端口必须大于 23/7，一般来说应预留 30 %的点数来方便以后的改进，但如果因为预留需选择更高级的 PLC 时，这样做是不值得的，何况这个系统控制功能较为稳定。那么可以初选定三菱 FXOS-32MR-001，此模块有 16 点输入/16 点输出。2）容量大小估算本系统为个简单控制系统，按一般经验来估算，同时根据上面对 I/O 接点的分析主要有：开关量输入字节数：3015=450开关量输出字节数：108=80系统推断定时器/计数器字节数：81=8总计大约需要 538 个字节数容量。加上预留 30%，有 1K 的程序容量足够了。而三菱 FXOS-32MR-001 系列模块有用户存储器容量位 2560 字，远大于所需存储器的容量。因此，此模块是完全符合要求的。综上几点所述，本控制系统就选择三菱 FXOS-14MR-001 系列模块作为控制系统的硬件支持来实现三翼自动旋转门的控制。表 3 FXOS-32MR-001 技术指标型号 FXOS-32MR-001外形尺寸（L190W82H62mm）程序存储容量 4096 字数据存储容量 2560 字本机 I/O 16 入/16 出扩展模块数量 7掉电保持时间 190 小时脉冲输出（DC） 2 路 20KHz通讯口 2RS-485I/O 映象区 256（128 入/128 出）布尔指令执行速度 0.37us/指令- 19 -图 1 FXOS-32MR-001 外部结构图图 2 FXOS-32MR-001 端子接线图3.2.2 变频器选型变频器的选择主要涉及变频器容量的选择，而变频器的容量又由很多因数决定，如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的电动机的额定电流。- 20 -表 4 电机参数表电动机型号额定功率（KW）额定电流（A）额定电压（V）效率（%）功率因素最 大 转 矩额 定 转 矩 电机转动惯量 2(.)kgm飞轮的转动惯量Y80M1-40.55 1.51 380 73.0 0.76 2.3 0.0018 0.61)驱动一台电动机对于连续运转的变频器必须同时满足下列 3 项计算公式：满足负载输出/KVA： 式(3.1)cosmkP1.50(876).94满足电动机容量/KVA： 式(3.2)3cmePUI1081.5.94满足电动机电流/A： 式（3.3)cmeIk.516式中： 变频器的容量/KVAcmP负载要求的电动机轴输出功率/KW电动机额定电压/veU 电动机额定电流/AI电动机效率电动机功率因数cos电流波形补偿系数，k 约为 1.051.1。由于三翼自动旋转门是恒转矩负载，又因为三翼旋转门的转速不允许超过额定值，电机不会过载。因而可以选用通用的变频器，只要所选用的变频器满足一般环- 21 -境下使用即可。根据以上的计算的数据，选用佳灵 JP6C-T9-0.75 变频器。其性能参数如下：表 5 变频器参数表变频器型号 JP6C-T9-0.75适配电动机功率 /kW0.75额定容量/KVA 2.0电压/V 3 相,380440额定频率/Hz 50/60额定电流/A 2.5额定电流额定过载 短时间额定电流的150%1min相数,电压,频率 3 相,380440,50Hz/60Hz允许波动 电压 10%15%,频率5%15%瞬间电压降低范围 310V 以上,继续运转电源所需电源