旋转自动门控制系统电气设计

1、 目 录中文摘要英文摘要1绪论21.1 课题背景21.2 设计指标31.3 本设计的工作32 PLC与变频器的应用62.1 PLC的产生与发展62.2 PLC的组成与工作原理72.3 变频调速技术的方式及原理123设计思想与方案论证173.1 设计方案173.2 论证分析194系统设计224.1硬件设计224.2 软件设计354.3 系统调试395系统抗干扰设计435.1 变频器的谐波及抗干扰设计435.2 PLC的抗干扰设计455.3 PLC与变频器相连时的抗干扰设计475.4系统软件抗干扰设计48结论49参考文献50附录1总电路图48附录2 PLC外部接线图49附录3控制面板50附录4元器

2、件表51附录5 PLC程序梯形图52致谢5458 / 60文档可自由编辑打印1绪论自从20世纪80年代以来，变频调速技术在工业化国家已开始了规模化的应用。80年代末，我国的民用及工业建筑电气设计等领域也开始使用变频调速技术。现在，变频器已经广泛地应用于交流电动机的速度控制，其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。可编程序控制器同变频器一样，也是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代电气控制装置。利用可编程序控制器设计自动控制系统，结合变频器来实现旋转门电机调速，操作方便，控制性能高，使旋转门旋转平稳。另外，在提高旋转门安全性的同时，还可以达到节能的效果，是一种很好的交流调速方式。1

3、.1 课题背景随着社会的发展，自动旋转门越来越多，在较大的商家、宾馆或金融大厦，一般都有一台或几台自动旋转门。它具备通行能力强，入口较大的特点，是非常安全和舒适的通道，能使行人很方便得出入。1903年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的出入口提供了完美的选择。我国的全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、日本等国。90年代后期旋转门开始在我国建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。旋转门的厂家：国外著名厂家有：荷兰的B00N EDAM; 瑞典的BESAM; 德国的多玛、盖泽; 日本的纳

4、博克、寺冈等。国内专业厂家：北京有凯必盛、宝盾、青木、智辉、巨方圆、信步等。外省市有上海康育、广州盛维、沈阳金海、青岛帝盟等。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。随着旋转门的普及，对旋转门的

5、控制系统的控制要求也就越来越高。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。现在，可编程控制器可与变频器组成变频调速控制系统，提高控制交流电动机的自动化水平。可编程控制器是微机技术和继电器常规控制相结合的产物。它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，是一种适用于工业环境的通用控制装置，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。在工业控制系统中，可编程控制器执行顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能。它解决了工业控制系统中大量开关量的控制问题，取代体积大、耗能多、故障率高的继电器控制系统，消除由于硬接线所造成的故

6、障，提高控制系统的可靠性。 随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到充分得重视和发展，交流电动机变频调速技术已日趋完善，变频调速技术用于交流异步电机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式。与传统的调速技术如直流电动机调速相比，变频调速具有极大的优越性，整个调速系统体积小，重量轻、控制、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简便、通用性强，使传动论证系统具有很优良的性能。此外，由于异步电动机还具有对环境适应能力强，结构简单，维护方便等许多直流电动机所不具备的优点，因而成为交流电动机调速的最新潮流。再者，变频器的外部接口功能越来越丰富，可以很方便地作为自动控制系统中

7、的一个部件使用，构成所需要的自动控制系统。而且，以变频器为中心的变频调速装置驱动电动机去拖动风机、水泵、旋转电机等机械时，与常规的不调速电机相比，节能效果十分可观。使用变频器构成自动控制系统时，它需要接收来自自控系统的频率指令信号和其他运行控制信号等，并给信号提供变频器运行状态的监测信号。在许多情况下，变频器需要和可编程控制器等上位机配合使用。利用可编程控制器的开关量输入输出模块控制变频器多功能输入端，以控制电机转速，实现有级调速。1.2 设计指标 设计一个旋转门控制系统具体化技术指标如下：（1）系统的基本功能：人数较少时，正常速度运转；人数较多时，加速运转；无人接近旋转门时，停止；按残疾人专

8、用按钮，旋转门低速运行；按停止按钮，电机停转。（2）系统安全措施：行人被夹，迅速制动，解脱后，自动恢复正常运行。能对旋转门各运行状态进行显示，出故障时，能进行声光报警。1.3 本设计的工作详细分析课题任务，熟悉可编程控制器和变频调速技术的原理，深入研究可编程控制器和变频器的实际应用，然后根据课题任务的要求设计出相应的控制系统，按照PLC控制系统设计原则与步骤，完成硬件设计和软件设计，并进行实验调试，最后对系统的抗干扰措施进行分析与设计。1.3.1 设计原则PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统应遵循以下原则：（1）根据工艺流程进行设计，力求

9、设计出来的控制系统能最大限度地满足控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。（4）控制系统使用和维护方便、安全可靠。1.3.2 设计步骤PLC控制系统设计的一般步骤如图1.1所示，具体操作如下1。实际在本设计中采用了前面的七个步骤。 （1）控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。（2）确定输入/输出设备 根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）

10、和输出设备（接触器、继电器等）。并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。（3）选择合适的PLC 确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数，控制要求等来继续PLC的选择。包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块等。（4）I/O点数分配点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。（5）PLC程序设计本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。（6） 模拟调试程序编好后，可以用按钮和开关模

11、拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。（7）现场联机调试现场联机调试就是将PLC和现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。（8）整理技术文件这一步主要包括整理和设计有关的文档，包括设计说明书、电气原理图、程序清单和使用说明书等。图1.1 PLC控制系统设计步骤2 PLC与变频器的应用本章作为系统设计的理论部分，主要介绍了PLC与变频调速技术的产生、原理及发展，并对变频器的结构及组成进行了阐述。 2.1 PLC的产生与发展在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连

12、锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制

13、器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%至40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便

14、、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。21世纪，PLC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于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超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，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况

15、来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2.2 PLC的组成与工作原理2. 2.1 PLC的组成从结构上分，PLC分为整体式和模块式两种。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，

16、这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、存储器和专门设计的输入输出接口电路组成2。如图2.1所示图2.1 PLC结构简图（1）中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它

17、们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。（2）存储器根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。系统程序存储器：用来存放系统软件的存储器。系统

18、程序相当于计算机操作系统，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统辨编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用来存放用户话剧控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。（3）I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）

19、，模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（4）电源部分

20、PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。除了以上介绍的这几个主要部分外，PLC还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及A/D、D/A、串行通信模块等，可以十分方便地用电缆进行连接。2.2.2 PLC的工作过程及原理（1）PLC的工作过程 PLC运行时内部进行的一系列操作可分为四大类：故障诊断及处理、数据输入与输出、执行用户程序、服务于外设命令3。PLC中的CPU按分时原则操作顺序进行，即每一时刻执行一个

21、操作。这种分时操作的过程称为对程序的扫描。CPU的扫描过程也就是PLC的工作过程，如图2.2所示：输出刷新执行用户程序输入刷新通信自诊断RUN上电服务于外设故障处理图2.2 PLC扫描工作过程PLC处理I/O信号的过程如图2.3所示。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新阶段。PLC以扫描工作方式将所有输入信号读入到输入映像寄存器中存储（输入刷新）。用户程序执行时按从上到下、从左到右的顺序扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器获得所需数据进行运算、处理，再将程序执行效果写入输出映像寄存器。在执行完所有用户程序后，将输出映像寄存器的值送到输出锁存器（输出刷新）以驱动用户设备。P

22、LC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里以批处理方式进行。在一个工作周期内，输入/输出映像寄存器的信息保持不变。每次执行完用户程序后，如果没有外设命令，则系统会自动循环地扫描运行。元件受控信号现场读写读刷新输出采样输入输入端子输入缓冲器输入印象寄存器用户程序执行输出印象寄存器输出锁存器输出端子图2.3 PLC对输入输出的处理过程（2）PLC的工作原理可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本一致，通过执行用户程序实现控制任务。但是在时间上，可编程控制器执行任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务有所不同4。可编程序控

23、制器的工作过程如上所述是以循环扫描的方式进行的，在一个扫描周期中，程序对各个过程输入信号进行采样、运算和处理，并把运算结果输出到相应的执行机构。在这个执行周期中，一些输入变量可能有所变化，而有些输入变量可能没有变化，相应的有些输出变量有变化，而有些输出变量没有变化。在可编程序控制器中，采用循环扫描方式，不断地对输入和输出变量进行采样、运算和输出，使得满足程序条件的变量能及时得到处理并有相应的输出，使执行机构动作。在程序执行时，如果在一个扫描周期中，这个变量的条件满足时，程序将处理这个变量。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件时就能被可编

24、程序控制器的程序处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电-接触器控制中触点的竞争和时序的失配问题，这是PLC可靠性高的原因之一。2.2.3 PLC程序设计语言在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。这两种编程语言用的最为广泛。2.2.4 梯形图程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描

25、述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。梯形图是用来描绘输入和输出之间的逻辑关系的，与继电器、接触器控制电路十分类似。各类继电器的基本符号如图2.4所示。 图2.4 梯形图的基本符号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，具有直观性和对应性；（2） 原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；（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，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转

26、换和程序的检查。2.3 变频调速技术的方式及原理2.3.1变频调速技术的方式交流调速技术自问世到现在，经历了几十年的过程，先后出现了多种调速方式，直到现在，一些调速方式仍然继续在一些生产过程中使用5。由电机学可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 （2.1）式中 -同步转速（）-定子频率（即电源频率 ）-磁极对数异步电机的转速为： （2.2）式中 -转差率从上式可知，要调节异步电动机的转速应从改变、三个分量入手，因此，异步电动机的调速方式相应可分为三种：即变极调速、变转差率调速和变频调速。（1）变极调速对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从

27、而实现异步电动机的有极调速。这一调速方法适用于不需要平滑调速的场合，变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为两种速度，三种速度以上的变极调速电机绕组结构复杂，应用较少。变极调速的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改变以达到最好的电机技术性能指标。定子绕组的不同接法可实现恒转矩调速及近似恒功率调速。此方法适用于笼型异步电动机。（2）变转差率调速对于饶线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁离合器调速）改变气隙磁场等方法均可实现变转差S，从而对电机进行无级调速

28、。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中仍占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。（3）变频调速通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。2.3.2 变频调速技术的原理由电机学可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定子每相电动势的有效值是： （2.3）式中：-气隙磁通在定子每相中感应电动势

29、的有效值，单位为； -定子频率，单位为； -定子每相绕组串联匝数； -与绕组结构有关的常数； -每极气隙磁通量，单位为。由式2.3可知，如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况：如果大于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会小于额定气隙磁通量。其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机6。如果小于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重知会因绕组过热而损坏电机。要实现变频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用电机铁心，发挥电机转矩的能力，最好在变

30、频时保持每极磁通量为额定值不变。对于直流电机，励磁系统是独立的，尽管存在电枢反应，但只要对电枢反应作适当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，如何才能保持磁通基本不变呢？（1）基频以下调速由式2.3可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，使=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得 =常数 （2.4）这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，我们能够证明：机械特性基本上是平行下移的，如图2.5所示。图

31、2.5 基频以下调速时的机械特性这和他励直流变压调速的特性相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为得把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。（2）基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压却不能超过额定电压，最多只能保持。由式2.3可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电

32、机弱磁升速的情况。在基频以上变频调速时，由于电压不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如图2.6所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转矩升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上调速属于恒功率调速。图2.6 基频以上调速时机械特性把基频以下和基频以上两种情况和起来，可的图2.7所示的异步电动机的变频调速控制特性。应该注意，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲变形，并增加电机中的损耗。因此，在选购变频器时，变频器输出的谐波越小越好。通过分析可得如下结论：当时，变频器

33、装置必须在改变输出频率的同时改变输出电压的幅值，才能满足对异步电动机变频调速的基本要求。 图2.7 异步电动机的变频调速控制特性3设计思想与方案论证本章主要对系统的设计方案进行了选择和论证。分析可知，本设计实际上是要设计一个旋转门电机的调速系统。而从调速控制原理上可将调速系统分为开环调速系统和闭环调速系统。对于动态指标要求不高的简单用途，例如泵类及风机、简单的运输机械传动，选用开环控制。根据系统控制要求，电机调速性能要求不高，只要实现有级调速就可以了，所以调速系统选用开环控制。3.1 设计方案方案一：单片机控制直流电机（1）硬件组成：主要由传感器、信号变换电路、单片机、键盘电路、光电耦合器、功

34、率放大电路、直流电机等组成。（2）工作原理外部传感器负责将感应到的旋转门现场情况经过信号变换电路后转变成单片机可以接受的电平信号，键盘电路负责接收外部命令，都发送到单片机中。单片机接收命令后，运行相关程序，通过PWM端口输出PWM脉冲波，经过光电耦合器，再通过功率放大电路将PWM脉冲波信号进行电流和电压放大，使电机随着不同的PWM脉冲波信号作正转、反转、快转、慢转和停止等，驱动旋转门运行在不同状态。（3）系统原理框图图3.1 方案一系统原理框图方案二：PLC控制交流电机（1）硬件组成主要由操作面板、PLC、定位行程开关、接近传感器、防夹传感器、交流电机等组成。（2）工作原理在PLC构成的自动控

35、制系统中，传感器将旋转门现场信息直接送入PLC中，操作面板可以进行旋转门控制一些手动操作，PLC负责把来自传感器和操作面板的信息收集、处理后，驱动接触器，从而完成对交流电机的控制，可以实现电机额定转速下的正转、反转。（3）系统原理框图图3.2 方案二系统原理框图方案三：PLC控制变频器来驱动交流电机（1）硬件组成主要由操作面板、PLC、变频器、定位行程开关、接近传感器、防夹传感器、交流电机等组成。（2）工作原理在PLC和变频器构成的开环速度控制系统中，通过对变频器多功能输入端的设定，可设定多级速度频率，并可通过外部信号的选择使用某一级速度。PLC把来自旋转门现场的检测信号、变频器的状态信息以及

36、操作面板的操作信息，经过收集、处理后，完成对变频器的多功能输入端的控制，可实现电机多级调速运转，从而使旋转门的运行实现自动化和智能化控制。（3）系统原理框图图3.3 方案三系统原理框图3.2 论证分析：下面从三个方面对这三种方案进行分析：（1）控制器比较：方案一采用的控制器是单片机，而方案二和方案三的控制器都是PLC。两种控制器的比较如下。单片机是一种芯片，在一定场合，配合外围电路，可以用来设计所需要的各种功能，大都用汇编语言、C语言等来开发嵌入式软件，可应用于多种领域7。单片机的可靠性：由于目前国内市场上的单片机芯片的品质良莠不齐，很大一部分还是国外筛选出来的次等品，加上其它外围元件（如电阻

37、、电容等）的参数离散性也很大，批量小的产品不可能经过筛选配对等技术处理，因此这样的产品很难做到很好的一致性和高可靠性，因为任一元件的参数偏离设计要求都会引起系统的不稳定。另外，单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，而国内的电源一般都很差，因此，更可能引起单片机系统的不稳定。单片机的可扩展性：由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。这样对于增加功能的开发成本和周期都会增加。 单片机的可维护性：一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了。操作：单片机系

38、统的操作采用的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。特别是故障显示只能显示故障代码，一旦发生故障，操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，最终按说明书指示排除故障，这样排除故障的时间相对较长。总之，这样的人机对话不够友善。 PLC是一种可编程的控制器，相当于一种控制设备，主要用于工业自动化等领域，大都采用梯形图编程，也可以用组态软件。PLC控制开关量的能力是很强的。PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变

39、换的需要。PLC的可靠性：进口PLC采用的CPU都是生产厂家专门设计的工业级专用处理器，其余各元件也是直接向生产厂家购买的，经过严格挑选的工业级元件，另外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力有很大提高，即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工作。 PLC的可扩展性：要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序，而PLC的编程相对比较简单，这样对于开发周期会缩短。PLC的可维护性：PLC本身有很强的自诊断功能，一旦系统出现故障，根据自诊断很容易诊断出故障元件，即使非专业人员也能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，由于它提供完善的调试工具，要找

40、出故障也较为简单。操作：在后面两种方案中，PLC的操作都是采用操作面板。操作按钮少，而且操作方便，这就降低了对操作人员的要求。这样的人机界面比较受操作人员欢迎。（2）电机驱动方式：方案一：采用全控型的开关功率元件进行PWM脉宽调制的调速方式。PWM调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性，即改变电机电枢两端的电压的大小和极性，从而实现电机调速。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有不错的发展前景。方案二：直接通过PLC对交流接触器的控制来实

41、现电机的转动，可以实现匀速正反转，但是不能变速转动。方案三：采用变频器来驱动电机。变频器不仅仅是一种性能优良的电动机调速控制装置，而且以最合理的方式对电机进行全面控制。可以实现电动机的软起动和软停车；可以实现频繁的起动、正反转、停车和制动等，并且还有完善的保护电路，电机不需要另外设计保护电路。另外，变频器的节能效果也比较显著。（3）执行机构：方案一的执行机构是直流电机，方案二和方案三的执行机构是交流异步电机。两种电机的比较如下8。由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： 需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； 由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； 结

42、构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： 结构坚固，工作可靠，易于维修保养； 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，交流电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。综上所述，方案三在控制器和驱动机构以及执行机构上明显优于方案一.和方案二相比，尽管使用了变频器，价格会贵一些。但是方案三可以实现电机调速，接线简单，操作维护方便，可靠性和安全性能高，对电机能够起到很好的保护作用，节能效果也比较理想，能够

43、很好的满足控制要求，所以本设计采用方案三。4系统设计系统设计包括硬件设计和软件设计。硬件系统设计主要包括系统电源设计、PLC及外围线路的设计、相关硬件选型、操作面板设计、电气线路的设计等。软件系统设计主要指PLC控制程序的编制及调试等。4.1 硬件设计系统硬件设计包括电气原理图设计、元件选型和操作面板设计组成。电源电路为整个系统提供电源；PLC外部接线电路是指操作面板、传感器、变频器等与PLC的连接电路，PLC作为系统的控制器，对旋转门的运行状态进行自动化控制；变频器电路主要是指异步电机的控制电路；操作面板是人与PLC控制系统交换信息的中介设备。通过它可以了解和控制现场状态。具体如附录1（电路

44、总图）所示。设计过程：先进行系统电源设计，然后进行电气元器件的选择。电气元器件的选择主要是根据控制要求选择传感器、行程开关、变频器、按钮、指示灯、保护电器等。之后进行PLC选型和I/O口地址分配，绘制电气控制系统原理图。电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括PLC的I/O口接线和自动部分的详细连接等，有时还要在电气原理图中标上器件代号或另外配上安装图、端子接线图等，以方便操作面板的安装。最后对操作面板进行设计。操作面板设计是设置启动、停止按钮、与旋转门运行状态有关的指示灯以及报警显示等。4.1.1 电源电路设计根据系统要求，电源电路分为三个部分。电路如图4.1所示：（1）为主电

45、路的变频器提供380V，50Hz的交流电源；（2）为PLC提供220V，50Hz的交流电源；（3）为外部传感器提供24V的直流电源。变频器的电源：从三相四线制的电网上引出L1、L2、L3，再通过空气隔离开关和电磁接触器从R、S、T进入到变频器中。另外，如果外部干扰比较严重时，可以在电路中添加滤波器和电抗器等。PLC供电电源：为50Hz、220（1±10%）V的交流电,输出端口为。对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波器。

46、图4.1 系统电源电路传感器电源：一般情况下，PLC的内部开关电源电路可以提供+24V电源用作输入电路的电源，也可以作为外接传感器的电源。但是在本设计中，考虑到传感器数量较多以及减少干扰，单独使用直流稳压电源。稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等组成9。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值26V，然后通过桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的波纹，必须通过滤波电容C1加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有上下10%的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作

47、用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出电压稳定。采用三端集成稳压器7824作为稳压器。电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，可以减少稳压电源输出端右输入电源引入的低频干扰。D是输入端放电保护二极管。正常工作时，输入、输出电压差为23V，满足传感器的电源要求。4.1.2 传感器的选型（1）传感器的选用原则传感器的可靠性是实现旋转门控制系统自动化和智能化关键环节之一。如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，是需要认真考虑的问题。选择传感器主要考虑其静态特性、动态响应特性和测量方式等三方面的问题，而静态特性又包括灵敏度、

48、线形度、精度等指标，动态响应包括稳定性、快速性等指标。 灵敏度 一般来说，灵敏度传感器越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。 线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成正比例关系，线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。然而，对于任何传感器，保证其绝对工作在区域内是不容易的。在某些情况下，在许可的限度内，也可以取其近似线性区域。 稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性质。影响传感器稳定性的因素是时间很温度。为了保证稳定性，

49、在选择传感器时，一般应该注意两个问题。其一，根据环境条件选择传感器。其二，要创造或保持一个稳定的环境。在要求传感器长期地工作而不需要经常地变更或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。 快速性传感器在所测频率范围内，为保证不失真的测量条件，其输出响应总不可避免地有一定的延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物理型传感器（如利用光电效应、压电效应等传感器），响应时间短，可工作频率宽；而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响，往往由于机械系统惯性质量的限制，影响到传感器的工作频率范围。 精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的一致程度。传感器处于测试系统的输

50、入端，因此，传感器能否真实的反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。然而在实际中也并非要求传感器的精确度越高越好，还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。 测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器应考虑的重要因素，例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。（2）接近传感器本设计的接近传感器采用的是光电开关。光电开关是接近开关的一种，它除克服了接触式行程开关存在的诸多不足外，还克服了接近开关的作用距离短、不能直接检测非金属材料等缺点。它具有体积小、功能多

51、、寿命长、精度高，响应速度快、检测距离远以及抗电磁干扰能力强等缺点。还可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。目前，光电开关已被用做物位检测、液体控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出以及安全防护等诸多领域10。光电开关按检测方式可分反射式、对射式和镜面反射式三种类型。光电开关一般都具有良好的回差特性，即使被检测物在小范围内的晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。图4.2是反射式光电开关的工作原理框图。图中，由振荡