自动门控制系统的设计

1、内 容 摘 要随着电子技术的进展，可编程把握器（以下简称PLC）不断更新、进展，PLC把握是自动把握中最常见把握方式之一，自动门就是自动把握应用的一典型例子，由于可编程把握器具有很好的处理自动门的开关把握及良好的稳定性，而且可以很简洁的转变把握的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的把握器。目前自动门在日常生活中运用越来越广泛。索引关键词：PLC 变频器 驱动装置 感应器欢迎下载目 录第一章 绪论11.1 国内外自动门进呈现状11.2 本课题争辩的内容11.3 本课题争辩的目的和意义2其次章 自动门把握系统总体方案设计32.1 自动门的功能需求分析32.2 系统设计的基本步骤42

2、.3 自动门技术参数的确定42.4 自动门的机械传动机构设计4第三章 自动门硬件系统的设计53.1 把握系统结构设计53.2 可编程把握器(PLC)的选型63.3 驱动装置的选型83.4 变频器的选型93.5 感应开关的选型11后记12参考文献13欢迎下载自动门把握系统的设计第一章 绪 论1.1 国内外自动门进呈现状在国外，进入90年月以来，自动化技术进展很快，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。在现代人们生活中自动门可以节省空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用格外广泛。随着我国经济的飞速进展，自动门在人们的生活中的运用越来越广

3、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。在自动门把握系统的设计中，稳定、节能、环保、平安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影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和可频繁使用的自动门。自动门依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，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且格外浩大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，

4、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，这种门的特点是简洁易控，维护便利。自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当人走近自动门时，感应器感应到人的存在，给把握器一个开门信号，把握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，既便利又提高了建筑的档次，于是快速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。自动门的把握方法很多，从把握器的不同来分，有传统的继电器把握，即通过按钮和简单的接线安装来把握；智能把握器把握，即通过运用现代自动化设备来把握，它具有稳定性高，平安等优点，因此被很多生产厂商所运用。由于继

5、电器规律把握的自动门系统因存在很多缺陷而逐步被智能把握器把握把握的自动门所淘汰。在智能把握器的选择上，自动门的主控器有微电脑把握器把握和可编程把握（PLC）把握，微电脑把握主要有体积小、安装便利等特点，目前有很多厂家接受此种方式生产自动门，PLC把握的特点是稳定型高、维护便利，目前很多大型的商场的自动门都是由这种方式来把握。1.2 本课题争辩的内容本设计将在以下几个方面对自动门的把握系统进行争辩和论证。1.自动门类型的选择。综合了自动门的简洁、简洁的要求，在本课题中主要争辩自动平移门，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把握功能以及配备平安防夹人光线、后备电源等帮助装置来满足

6、商场等人流众多的场所的高效率、高平安性的要求。2.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要，故在本设计中所选用的智能把握器为稳定性良好的三菱FX系列PLC。在自动门的开关门速度把握上本设计以三菱变频器作为调整器，运用变频器的三段速把握来实现自动门的转速把握，为了解决变频器在频率很低的时候会消灭不稳定的问题，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沟通电机，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把握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，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对自动门的把握。由于本课题的具体需求

7、在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动门的经济有用、稳定的需要。3.自动门软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯齐鲁工业高校课程设计专用纸（附页）梯形图的编程能直观明白的设计出自动门把握的要求，并能更好的考虑到平安性和故障报警等问题，梯形图的编写运用三菱的GX Developer编程软件，此软件支持全部的三菱的PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的缘由，从而大大缩短了修理时间。1.3 本课题争辩的目的和意义在超级市场、公共建筑、银行、医院入口，经常使用自动门把握系统。使用自动门，可以节省空调能源、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

8、用格外广泛。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加光电感应开关，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，给把握器一个开门信号，把握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，既便利又提高了建筑的档次，于是快速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门进展的黄金时期。早期的自动门把握系统接受继电器规律把握，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易修理等缺点已渐渐被淘汰。PLC是一种特地为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它接受可以编制程序的存储器，用来在其内部存储

9、执行规律运算、挨次运算、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规律把握的输入和输出，把握各种类型的机械或生产过程。PLC具有牢靠性高，抗干扰力量强，功能完善，适用性强，系统的设计、建筑工作量小，维护便利，简洁改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程把握器在机械制造、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进展。因此运用PLC把握自动门具有较高的牢靠性，修理便利等特点。本课题的自动门设计运用PLC做把握器能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把握系统设计，可以推动自

10、动门行业的进展，扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有肯定的经济和理论争辩价值。其次章 自动门把握系统总体方案设计2.1 自动门的功能需求分析本设计面对商场入口的应用，需要有平安和牢靠性，在设计的时候改进了自动门的友好性。结构如图2.1所示：图2-1依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.开门和关门把握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自动转换开关来把握。当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调整开或者关。当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，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

11、且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来把握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，蜂鸣器响以提示来往行人留意。3防夹人功能为了杜绝自动门的夹人大事，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在门四周的人被门所夹住。自动门把握系统包含PLC把握和动作执行元件构成。接受自动和手动点动把握方式，此种把握模式为目前大多自动门的把握方式。本课题所设计的自动门把握系统接受PLC，为把握中心来把握传动机构从而把握门的开和关实现门的自动化把握。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，如图2.2所示

12、。在自动门把握系统的设计过程中主要考虑以下几点：1.深化了解和分析自动门的工艺条件和把握要求。2.确定I/O设备。依据自动门把握系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3.依据I/O点数选择合适的PLC类型。4.安排I/O点，安排PLC的输入输出点，编制出输入输出安排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程序，依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。将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。2.3 自动门技术参数的确定自动平

13、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，最大限度地削减门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应经常调整门体，修正运行产生的误差。要严格限制门体重量，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由于使用频率格外频繁，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，在这种状况下，要使用自动门就必需进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。2.4 自动门的机

14、械传动机构设计在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对四周环境进行综合考虑，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板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。2全部的组件都为插入式元件，使得安装很简便。3电机：驱动电机接受380V三相沟通电机，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，避开积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。5滑轮：接受特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有肯定的减震效果。6皮带：接受齿形皮带,齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，

15、提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部接受尼龙加强，削减了齿距变形，提高了使用寿命。7传动结构如图2.3所示。其中马达皮带轮直径为5cm,皮带滑轮内径为13.5cm,外径为28.5cm。图2-3 第三章 自动门硬件系统的设计3.1 把握系统结构设计本设计运用PLC把握变频器来调整沟通电机运转来实现自动门运转的把握方式。接受变频器电路，结构简洁，把握便利、牢靠性高，沟通电机具有效率高、维护成本低的特点。沟通电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简洁、维护便利、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。随着变频技术的进

16、展，沟通电机把握的成本得以降低，为沟通驱动系统在自动门中的大量运用供应了条件。把握系统结构图如图3.1所示：图3-13.2 可编程把握器(PLC)的选型一、PLC概述可编程把握器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电把握器。它源于继电器把握技术，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把握。PLC基于电子计算机，但并不等同于一般计算机。一般计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理

17、过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的牢靠性、实时性，以及信息的实际使用。特殊要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于修理及抗干扰等问题,入出信息变换及牢靠的物理实现，可以说是PLC实现把握的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电把握装置多的多、强的多。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，有门内外感应器，采集信号，PLC手动把握开关，平安感应器，变频器，沟通电机，蜂鸣器，开/关门指示。牢靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：1.规律处理功能；2.O2数据运算功能；3.O3精确定时功能；4.高速计数功能；5.

18、中断处理（可以实现各种内外中断）功能；6.程序与数据存储功能；7.联网通信功能；8.自检测、自诊断功能。可以说，凡一般小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电把握电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用供应了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化制造了条件。二、可编程把握器（PLC）的选型在PLC系统设计时，首先应确定把握方案，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，工程设计选型和估算时，应具体分析工艺过程的特点、把握要求，明确把握任务和范围确定所需的操作

19、和动作，然后依据把握要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最终选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的把握系统。1.输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常依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。实际订货时，还需依据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。依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把握器本身能供应的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，

20、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肯定估算，通常接受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，很多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015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），另外再按此数的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过程中有足够的空间。3.把握功能的选择该选择包括运算功能、把握功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。依据本课题所设计的自动门把握的需要，主要介

21、绍以下几种功能的选择。（1）把握功能PLC主要用于挨次规律把握，因此，大多数场合常接受单回路或多回路把握器解决模拟量的把握，有时也接受专用的智能输入输出单元完成所需的把握功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器供应服务，不对现场设备进行把握。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行把握，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不便利。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场把握，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发

22、送到主机，下一扫描周期，主机就依据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作便利，在大中型PLC中常接受。五种标准化编程语言：挨次功能图（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。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊把握场合的把握要求。(3）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规律推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

23、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力量的要求，并影响平均修理时间。4机型的选择(1)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把握室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度动身，通常可按把握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，用于小型把握系统；模块型PLC供应多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置把握系统的I/O点数，功能扩展便利机敏，一般用于大中型把握系统。（2）经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济

24、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，最终选出较满足的产品。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、把握功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个把握系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的自动门属于小型把握系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。综合以上因素，本课题的设计接受日本三菱公司生产的FX2N-32M小型PLC来实现整个自动系统的把握，如图3.2所示。图3-2 三菱FX2N-32M具有如下优点：最大范围地包涵了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信

25、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，它可以为自动化应用供应最大的机敏性和把握力量。三菱FX2N-32M具有突出的寄存器容量：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点帮助继电器、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器是自动门能否良好工作的保障，在本设计中是运用变频器的三段速度调整来自动调整电机的速度，以达到驱动自动门的目的。这种方法具有稳定性能好，修理便利，连接简洁，成本较低，是

26、在目前的自动门行业主流把握方式。依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、过电压爱护等符合国际平安标准规定的，具有噪声低、过载力量强的特点的并且转速不高于500r/min的电机，在结合了平安、稳定的考虑本课题所设计的自动把握系统的驱动装置选用天津平安电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的3相380V沟通电机。3.4 变频器的选型一、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把握装置。我们现在使用的变频器主要接受交直交方式（VVVF变频或矢量把握变频），先把工频沟通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

27、率、电压均可把握的沟通电源以供应电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和把握4个部分组成。整流部分为三相桥式不行控整流器，逆变部分为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转变的沟通电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供应电机定子的三相沟通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整技术逆变为频率可调、幅度也随之转变的三相沟通电，以此为电源再供应电机使用。二、变频器的选型依据自动门的需要，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；变频器的额定电压与负载的额定电

28、压相符。本课题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力量。在本课题所使用的三相沟通电机的最大起动电流为Y形接法为0.37A，形接法为0.64A，本设计中接受Y形接法，所用的变频器的最大电流应大于电机的Y形接法的最大起动电流。(3)转矩匹配；这种状况在恒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，其容量要稍大于一般电机

29、的选型。综合以上因素，本课题变频器接受日本三菱公司生产的FR500系列中的FR-540变频器（如图3.4所示）作为把握电机转速的把握器。 图3-4三菱FR-540变频器具有以下优点： （1）接线简洁，可运用PLC的继电器输出接到变频器的把握输入端来把握变频的正反转和频率。（2）安装机敏，可以依据实际需要，把把握装置安装到任何位置，进行远距离操作。（3）频率设置简洁，并且具有三速设定功能，可以满足本课题自动门系统的把握要求，且操作便利，只需轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置。三、变频器的参数设定图3-5本课题所设计的自动门系统具有如下速度要求：自动门要求快速启动（限位)常速运行（限位）

30、慢速运行停止,构成了如图3.5的开门和关门曲线。依据转速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示电流的频率，p表示电机的极对数，s表示电机的转差率，n表示转子的实际转速，计算出变频器的设定频率。依据公式和电机参数p=6，额定转速为400r/min，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为5.7：1：2.1,得出马达皮带轮与门上的皮带轮内径转速比为2.4：1。依据上一章提到的门的规格,加速开门或者关门的距离为30cm，时间把握在0.5S，速度为3600cm/min，此时要求转子的转速为204r/min。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。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。依据以上速度要求设置变频器，变频器的频率具体设定方式见表3.1，根 表3-1据以下设定方式按课题要求设定好变频器三速把握的频率。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，依据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门把握系统中，是自动门系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的平安及稳定，如在高档酒