【《自动门控制系统的硬件和软件设计案例》6400字】

自动门控制系统的硬件和软件设计案例1硬件系统的设计1.1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运转的控制方式。采用变频器电路，结构简单，控制方便，可靠性高，交流电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。控制系统结构图如图4-1所示：图4-1控制系统结构图1.2驱动装置的选择自动门的驱动器是当前判断自动门能否良好工作一项重要的保证因素，本设计中是通过变频器来自动调节电机的速度，从而来驱动自动门。这种方法具有稳定性较好，效率较高，成本较低等诸多优点，是在目前的自动门行业的主流控制方式。根据本设计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、过载能力强的特点，在考虑了安全和稳定的因素之后，本设计的自动门控制系统的驱动装置选用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个同定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100％)的特点，广泛应用于各种开环控制。PLC对电机的控制有两种方式：一种是脉冲+方向控制；一种是正反向脉冲输出。这里采用第1种方法。PLC的高速脉冲输出提供一个指定脉冲数目的方波输出(占空比为50％)。在加速和减速时输出脉冲的频率(或周期)线性变化，而在恒定频率段部分保持不变。一旦产生完指定数目的脉冲，PTO输出变为低电平，直到装载一个新的指定值时才产生脉冲。PTO输出占用一个PLC输出点，用于控制门体的位移和速度，由另一个输出点的信号控制门体运动的方向。这两个信号送给步进电机驱动器去驱动电机，以带动门体完成相应的运动。1.3变频器的选择1.3.1变频器原理变频器是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。它的主电路由三部分构成，即整流器、平波回路和逆变器，并一般分为电流型和电压型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。。1.3.2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(1)电压匹配：变频器和负载的额定电压要保持一致，本设计所用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。(2)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。在本设计所使用的三相交流电机的星型接法位为0.38A,三角形接法0.66A，，所以在本设计中应该采用星型的接法，故所用的变频器的最大电流应大于电机的最大启动电流。(3)转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生，本设计所使用的最初启动转矩为1.4N/m，所以，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，其容量要稍大于普通电机的选型。综合以上因素，本设计变频器采用日本三菱公司生产的FR-540变频器作为控制电机转速的控制器。三菱FR-540变频器具有以下优点：(1)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。(2)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。(3)频率设置简单，并且具有三速设定功能，可以满足本设计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。1.4探测器的选择目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应开关，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，在酒店和安全规格比较高的地方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，选择区域比小较准确的感应器。根据本设计的需要选用人体感应探测器。人体都有恒定的体温，一般在37°，发出波长为10微米左右的红外线。热释电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为10微米左右的红外辐射非常敏感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产生相应的信号。人体感应探测电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自动门两侧。当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。电子开关信号输入到PLC输入继电器中，PLC根据收到的信号，驱动步进电机将门打开。人体感应探测器需要2个，分别用来感应门内外的来人情况，占用PLC两个输入点。1.5自动门运行位置检测本系统的关键是控制门的运行，为了达到更好的控制效果，PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理，所以在关键的位置上安装位置传感器，并把传感器信号传给PLC。为此设置了两个行程开关，一个用于检测门完全打开时的位置，叫开门极限开关，一个用于检测门完全关闭时的位置，叫关门极限开关。当门在运行过程中，接近最大位置时，限位开关的信号传给PLC，电机停止运转。门离限位开关较近时，电机低速运行，通过程序来控制。2个行程开关，占用PLC3个输入点。1.6门运行障碍检测、报警在门的操作过程中，有时会遇到障碍物阻止它运行。此时，我们需要分析具体问题。如果在开门过程中发生这种情况，可能是路上的障碍物被挡住了，或者门的限位开关坏了，停止运行并报警；如果在门关闭时发生这种情况，可能会挤压人或物体。应反向运行并发出报警信号。

设置了一个传感器，用于在关门过程中检测门中间是否有人或物体。主动红外防夹传感器由发射特定频率的红外发射器和接收器组成。它的红外频率不同于自然界和人体。在关门过程中，当有人或物体阻挡时，接收器接收不到光信号，产生负脉冲。作为PLC的中断信号，PLC控制门向相反方向移动。这是一个非常重要的保护功能。可防止接触人或物体，保护自动门电机不因过载而烧毁。在自动门运行中，由于电机的频繁转动，可能会使电机过热造成电机机芯的损坏，因此，在电机上安置一个温度传感器来监测电机的温度，当电机的温度高于预定值时，传感器把信号传给PLC，PLC分析输出信号，指示灯亮，提醒监管人员的注意，以保证电机的良好运转。1.7可编程控制器(PLC)的选型1.7.1PLC概述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：（1）使用方便，编程简单

（2）功能强，性能价格比高

（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

（4）可靠性高，抗干扰能力强

（5）系统的设计、安装、调试工作量少

（6）维修工作量小，维修方便像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。1.7.2可编程控制器(PLC)的选型在PLC系统的设计中，首先要确定控制方案，其次是PLC工程设计方案的选择。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，在工程设计的选择和评价中，应详细分析过程的特点和控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作。然后根据控制要求，对输入输出点、所需存储容量、PLC功能和外部设备的特性进行估算，最终选择性价比高的PLC，并设计了相应的控制系统1.输入输出(I/O)点数的估算估计I/O点时，应考虑适当的裕度。通常，根据统计的输入输出点，增加10%～20%的可扩展裕度作为输入输出点估计数据。在实际订单中，输入和输出点数应根据制造商的产品特性进行四舍五入。根据估算方法，本设计的I/O点数为12个输入点和11个输出点。2.存储容量的估算存储器容量是可编程控制器能够提供的硬件存储单元的大小。程序容量是用户应用程序项目在内存中使用的存储单元的大小，因此程序容量小于内存容量。在设计阶段，由于用户应用程序尚未编译，设计阶段程序容量未知，需要在程序调试后才能知道。为了估计程序容量，通常使用内存容量。

没有固定的公式来估计记忆的记忆容量。许多文献给出了不同的公式。一般来说，它们是数字I/O点数的10~15倍，模拟I/O点数的100倍。这个数字是内存中的总字数（16位是一个字）；此外，还考虑了这一数额的25%。因此，本次设计选用的PLC内存容量应能存储2000梯形图，以便在以后的改造过程中有足够的空间。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。根据本设计所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。控制功能

PLC主要用于顺序逻辑控制。因此，在大多数情况下，通常采用单回路或多回路控制器来解决模拟量的控制问题。有时采用专用的智能输入输出单元来完成所需的控制功能，以提高PLC的处理速度，节省内存容量。

（2）编程功能

离线编程模式：PLC和编程器共用一个CPU。当编程器处于编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不控制现场设备。编程完成后，程序员切换到操作模式，由CPU控制现场设备，无法编程。离线编程可以降低系统的成本，但不便于使用和调试。在线编程模式：CPU和程序员有自己的CPU。主机CPU负责现场控制，在一个扫描周期内与编程器交换数据。编程器向主机发送在线程序或数据，主机在下一个扫描周期内根据新接收到的程序运行。这种方法成本高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中经常使用。有五种标准编程语言：SFC、LD、FBD、IL和St。选择的编程语言应符合其标准（iec6113123）。同时，还应支持C、basic等多种语言编程形式，以满足特殊控制场合的控制要求。1.机型的选择(1)PLC的类型LC按结构分为整体式和模块式，按应用环境分为现场安装和控制室安装：按CPU字长，从应用角度分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等，可根据控制功能或输入输出点数进行选择。

整体式PLC具有固定的I/O点，用户选择较少，适用于小型控制系统；模块化PLC提供多种I/O卡或插件，用户可以合理选择和配置控制系统的I/O点。功能扩展方便灵活。它一般用于大中型控制系统。(2)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，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，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本设计所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，因此选择整体型PLC。综合以上因素，本设计采用选用S7-200来实现整个自动系统的控制。2自动门软件系统的设计2.1程序流程图根据本设计的需要和安全的考虑，现设计如图5-1的程序流程图以满足本系统的对于各个方面的要求和达到完成该设计的目的。图5-1系统设计流程图首先当门完全打开之后，此时开门限位的开关打开，自动门停止运行并且进行相应的延时。假如此时感应器重新检测到人经过的信号，则会再次进行延时。当延时过程进行结束之后，电动机会自动进行反转，此时进入到了关门的过程。在关门过程中，假设检测到了人经过的信号，此时将关门的过程进行中断并且重新执行开门的过程。考虑到万一自动门发生突发状况，无法使用自动门控制系统，就要设置手动开门和手动关门的装置，以确保能够在规定的时间内做出反应。以上过程皆如流程图表达所示以确保自动门的正常运行。2.2PLC梯形图概述PLC是专门为工业控制而开发的设备。它的主要用户是工厂的电气技术人员。为了适应自己的传统习惯和掌握能力，PLC通常不使用微机的编程语言，而是采用面向自然语言的编程来控制过程和问题。国际电工委员会（IEC）1994年5月颁布的Iec1131-3（可编程控制器语言标准）规定了语法、语义和以下五种编程语言：功能图、梯形图、功能框图、指令表和结构文本。梯形图和功能框图是图形语言，指令表和结构文本是文本语言。功能列表图是一种结构框图控制流程图。

梯形图编程语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种编程语言。采用梯形图编程语言，用因果关系描述事件发生的条件和结果，每一步都是因果关系。在级联中，描述事件发生的条件在左侧，事件发生的结果在右侧。

梯形图编程语言是最常用的编程语言，它来源于对继电逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员熟悉继电器逻辑控制。因此，用这种逻辑控制技术开发的梯形图受到了广泛的欢迎和应用。首先我们要确定I/O表的输入端根据我们之前的程序流程图我们可以确定我们需要自动门开门装置，自动门关门装置，关门等待标识和手动开关门中继等等I/O口。经过一系列定义得到下图的输入定义。图