自动门控制系统的设计

毕业设计报告（论文）系专业题目指导教师完成时间

自动门控制系统的设计2016年12月17日容摘要随着科学技术的日新月异，我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。其中自动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。为了增强自动门运行的可靠性,提出了一种以S7-200可编程序控制器(PLC)为核心的自动门控制系统。分析了该控制系统的工作原理,描述了系统的硬件组成,介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程,对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。结合PLC的运行特点,对控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础上,采用结构化的编程方法,给出了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结果表明,整个系统功能完善,性能可靠。索引关键词：可编程控制器S7-200 自动门 控制系统目B录第一章概论 1第二章自动门控制系统总体方案设计 22.1自动门的功能需求分析 . 22.2自动门控制系统构成. 22.3自动门的机械传动系统构成设计 . 3第三章系统硬件设计 33.1PLC简介与选型. 33.2驱动装置的设计. 43.3感应器件的设计. 53.4变频器的选择. 53.5行程开关的工作原理. 63.6硬件电路设计. 7第四章系统软件设计 84.1程序的设计思路. 84.2程序设计. 9后记 11参考文献 12自动门控制系统的设计自动门控制系统，在现当代社会是一个应用非常广泛的设备，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部分——自动门控制系统正是我们这论文的主要研究讨论的课题。自动门是指:可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。例如：各种用可识别感应器控制的自动专用门。这是实现生活自动化进程的一个重要组成部分。自动门的问题研究，其控制系统可追溯到早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。而基于PLC（可编程控制器，以下统一用“PLC”表示）控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。所以此设计中，我以西门子公司S7-200系列PLC为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。而感应部分，采用BISS0001芯片与RE200B热释电元件的组合，实现人或物体进出时的信号转换装置。而实现门的开与关，则用直流电机作为动力装置，配以继电器控制来达到电机正反转动作，并加上行程开关作为限位，以实现该功能，因为以上器件在生活中非常容易购买，且价格适宜，同时也便于维护，非常适合广泛生产应用。本课题所研究的自动门控制系统，主要通过 PLC作为控制基础，加上对红外热释电传感器的应用，从而实现了门的“自动”功能，此设计拓展了PLC的应用层面，增加了实现自动门控制系统的选择性。第一章概论本章主要从自动门的研究背景与意义、自动门的介绍及起源、自动门的组成及分类三个部分来对自动门进行简单的了解。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。自动门除可美化出入口环境外，由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌（目前有很多自动门品牌是有一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成，应尽量避免购买此类产品）。不要认为样本上全是外国语，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，浴室迅速在国外的建筑市场上得到大围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修所不可少的一项配置。第二章自动门控制系统总体方案设计2.1自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。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由以下功能：一、开门和关门控制应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。当信号采集装置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口且门未关闭， PLC动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。二、紧急停止当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。自动门控制系统包含PLC控制和执行元件构成。采用自动和手动控制方式，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自动门控制系统构成一、当有人由到外或由外到通过光电检测开关 K1或K2时，开门执行机构 KM1二、自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。三、在关门过程中，当有人员由外到或由到外通过光电检测开关 K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。四、在门打开后的 8秒等待时间，若有人员由外至或由至外通过光电检测开关。K2或K1时，必须重新开始等待 8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。五、设计自动门系统的梯形图程序，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。2.3自动门的机械传动系统构成设计自动门控制系统包含 PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动电动控制方式，此种控制方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。

PLC为PLC基于电子计算机，但并不等同于计算机。普通计算机进行入出信息交换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性、以及信息的实际使用。特别要考虑怎样适应于工业环境，如便于安装便于门外感应采集信号，便于维修和抗干扰等问题，入出信息变换及可靠地物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本点。PLC可以通过他的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电器控制装置多得多、强得多。一、自动门的传动主要包括安装版，轨道，门机，皮带，吊挂件等。二、所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。三、电机：驱动电机采用 64V直流电动机，功率大，可调性强四、导轨：水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆得问题，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，实现了维护方便的特点。五、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。六、皮带：采用齿形皮带，齿形皮带的截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了使用寿命。第三章系统硬件设计3.1PLC简介与选型随着时代和科技的不断进步， PLC也在不断发展，现在对它进行一个比较准确的定义还是比较困难的。美国电气制造商协会（ NEMA）经过多年的研究和调查工作，在 1980年向大众宣布正式将可编程序的控制器命名为

PC（ProgrammableController

），为了和个人计算机

PC（PersonalComputer

）相互区分，人们常常将可编程控制器简称为

PLC。PLC的工作方式是“顺序扫描，不断循环”。也就是在PLC工作时，CPU依据个体用户编写完成并存储在用户存储器中的程序，按指令的步序号作周期性循环扫描，如在该程序中无跳转指令，则从用户第一条指令开始按照顺序逐次执行用户程序，直到该程序结束。然后再重新返回最开始的指令，进行新的扫描。PLC面积小、作用强。PLC的控制是由软件来实现的，大量减少了继电器、定时器的应用，同时也提供了大量的软触点来代替传统电路中的硬触点。这些特点不但增加了功能同时也缩小了它本身的体积，减少了其自身能耗。同时也更有利于其在控制过程中发挥作用。

PLC的编写程序简单、易于实现、维修方便。梯形图语言其表现形式与继电器电路的原理图有很大的相似之处，使用户能够很快掌握其编程语言并运用到实际工程中。 PLC本身的功能就具有完善的故障诊断，其本身也是采用模块化结构，使维修人员快速和准确地找到出现问题的模块，并及时的更换出问题的模块或者对其进行其它处理， 所以其维修相当方便。关于PLC型号的选择。工艺流程的实际需要和控制要选型的主要根据。因此在工业设计中对工程设计选型和计算时，应该对该工艺过程的特点和控制要求进行详细的理论分析和工程计算，进而确定该系统控制任务，确定所要进行的每一步操作和外部负载的动作要求，根据系统的控制要求，及其它设备所需的技术参数确定PLC所要完成的功能、所需的外部设备等，最后选择性价比较高的PLC类型，并按照控制要求设计控制系统。在本次设计中根据控制要求系统不需要扩展单元，所以关于PLC型号的选择我们可以使用应用比较广泛的西门子系列,按照最终的功能实现，考虑到经济及其他因素我们选择PLC型号为CPU315-2DP的S7-300系列PLC。3.2驱动装置的设计驱动装置即自动门的动力系统是自动门是否能够完成要求动作的根本保障，本次设计中我们选择使用直流无刷电机作为自动门的驱动装置。直流无刷电动机有以下特点完全满足本次设计需要，首先直流无刷电机功率高，工作时基本没有噪音，而且其调速性能良好，针对本次自动门系统直流无刷电机具有交流电动机的显著特点其结构简单、工作可靠、并且维护维修方便，另外直流无刷电机功也拥有直流电动机的特点，它具有良好的线性机械特性、调速性能好、启动时转矩较大、运行工作效率高。该设计中使用直流无刷电机功作为驱动装置是最佳的选择。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，在结合了安全、稳定的考虑，本设计的自动门控制系统的驱动装置选用步进电机。在实际的生产部分的直流电动机的电枢绕组都是在电动机的转子上，定子和电动机的外壳固定在一起，用来产生一个固定不动的磁场。要想使直流电动机旋转起来，就必须要通过电动机中间的结构来不停地改变绕组中流过电流的方向，这也就是电刷和换向器的作用，在这种情况下两个磁场的方向一直都是相互垂直的，产生一个恒定的转矩使电动机不断动作。无刷直流电动机与传统直流电动机有很大的区别，它去掉了电刷等换向设施，将电枢移到定子，而转子则用永磁体制成，其结构设计完全与普通直流电动机相反。就算这样改变结构电动机仍然是不会旋转的。为了保证电动机的正常工作，则需要给定子上的各相绕组连续地换相通电，这样定子绕组产生的磁场与转子永磁磁场会存在一定的空间角度，这样就会产生足够大的转矩推动转子不断旋转。电动机也就正常工作了。3.3感应器件的设计感应装置是自动门系统中必不可少的一部分，其工作性能是否良好直接影响到所辖在自动门系统的安全性和稳定性，依据系统不同的功能需求和感应装置自身的特性及应用在各种各样的自动门控制系统中，结合本设计的具体情况和控制要求我们选用光电检测开关作为自动门系统的感应器件。光电检测开关是一种应用广泛的传感器，它能够以输出电流变化的形式来反映其发射端和接收端之间光强的微弱变化从而达到检测物体的目的。在光电开关中两个反馈电路之间有良好的保护措施，使两个回路不会相互干扰所以它得到广泛推广应用在各种各样的场合。由于物对光具有遮挡或反射的作用，光电开关正是利用物对光的遮挡或反射这一物理现象对物体进行检测，将光信号转变为电流信号从而检测其前方是否有物体存在。当然被检测物体不仅只有金属，还有其它一切可以对光反射和遮挡的物体。在光电开关的发射器上它将电流信号转变为光信号发出，在前方一定围形成检测区域。在光电开关的接收器上将接收到的光信号转换为电流信号并作出判断从而达到检测的目的。3.4变频器的选择根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点：一、变频器与负载的匹配问题电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。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。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最大启动电流为0.37A，故所用的变频器的最大电流应大于电机的最大启动电流。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。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。二、三菱FR-540变频器具有以下优点：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。3.5行程开关的工作原理行程开关：利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。行程开关又叫限位开关，是一种应用广泛的位置开关。其原理就是利用物体机械运动的触碰使其触头动作，从而达到接通或者关断控制电路的目的，最终实现整个系统的控制要求。一般情况下，行程开关应用在限定物体机械运动方位的场合中，这样物体运动到指定位置后自动停止运动或者反向运动甚至进行变速运动等。直动式行程开关：动作原理同按钮类似，所不同的是：一个是手动，另一个则由运动部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其触头动作，当运动部件离开后，在弹簧作用下，其触头自动复位。滚动式行程开关：当运动机械的挡铁(撞块)压到行程开关的滚轮上时，传动杠连同转轴一同转动，使凸轮推动撞块，当撞块碰压到一定位置时，推动微动开关快速动作。当滚轮上的挡铁移开后，复位弹簧就使行程开关复位。这种是单轮自动恢复式行程开关。而双轮旋转式行程开关不能自动复原，它是依靠运动机械反向移动时，挡铁碰撞另一滚轮将其复原。在现代的电气控制系统中，行程开关的作用是不容忽视的，它主要实现定位操作和检测当前工作位置的状态。主要目的是有效的控制机械设备的动作行程及对设备进行限位保护。实际生产生活中，在应用行程开关时，首先要将其安装在先前制定好的位置，只有这样才能使机械运动的物体在指定位置触碰到行程开关，这样行程开关部的触点运动，进而实现控制电路的转换。我们可以把行程开关理解为是一种依据运动部件的动作围而实现电路切换的电器，它的工作原理与按钮有许多相似之处。因此在实际应用中我们要多加注意其功能。行程开关在各类机械加工设备及其它机械的行程控制中得到广泛的应用。当机械部件运动到某一特定方位时，正是这样的机械运动才使行程开关将机械运动信号转变为电信号，从而实现对运动机械的限位控制，限制它的动作围。以此更加有效的保护了运动机械电路。PLC硬件接线图也是整个自动门控制系统中必不可少的一个环节，正确的硬件接线图将PLC与外部硬件有机的结合在一起，同时工程人员也可以根据硬件接线图连接线路，达到工程控制的目的。3.6硬件电路设计如图3-1所示。图3-1PLC硬件接线图也是整个自动门控制系统中必不可少的一个环节，正确的硬件接线图将PLC与外部硬件有机的结合在一起，同时工程人员也可以根据硬件接线图连接线路，达到工程控制的目的。第四章系统软件设计4.1程序的设计思路在编写程序之前我们需要根据控制要求画出程序流程图，这是我们设计程序的思路，同时程序流程图也能更好地帮助我们修改和完善所编写的程序，使本次设计编写的程序更加完美地完成控制要求，最终达到控制目的。整个系统的动作流程需要一下几个步骤完成：一、按下启动按钮，系统开始工作。当光电开关检测到有人或者物体接近自动门时，光电开关触点动作，这样就是 KM1线圈得电，KM1主触点动作，电动机通电开始正转，自动门打开。当自动门运动到一定位置时，触发限位开关，导致KM1线圈断电，电动机停止正转。二、自动门运动到特定位置时，就会触发定时器，定时器定时 8秒后，KM2线圈得电，电动机反转，自动门进入关门状态。在关门过程中，自动门运动到起始位置触发限位开关，这样就使KM2线圈断电，电动机停止反转，自动门静止在起始位置，等待下一个动作。如果在关门过程中，光电开关检测到有人再次接近自动门，自动门将停止关门动作，进入开门动作。三、在自动门打开后8秒等待的过程中，如果光电开关检测到有人或者物体接近自动门时，计时器将从新计时，自动门将会继续8秒的等待，8秒的计时时间到自动门进入关门状态，等待下一步的动作指令。这样的设计就大大提高了自动门的可控性和安全性。另一方面也增加了自动门的安全性，当出现一些紧急情况时可以用手动按钮进行自动门的操作，防止造成人身伤害。自动门的程序流程图如图 4-1所示。图4-14.2程序设计前期的准备工作都已经完成，接下来就是要根据控制要求编写具体的操作程序。程序就是PLC的激活码，如果没有程序下载到 PLC中，PLC是无常工作的。只有当一定的程序下载进入PLC之后它才能正常工作，并且可以按照程序所反应和要求的控制动作驱动外部的硬件进行动作，已达到最终的控制目的，由此可见编写程序是关系到整个系统能否完成的关键。在程序编写完成后，我们要仔细对程序进行检查和修改，然后进行仿真，进行仿真的目的就是检验程序能否更好地完成控制要求，对不能完成控制要求的程序段进行修改，这也是检测程序对错的有效方法。首先在操作界面中点击“打开/关闭仿真器”按钮，便可以进入仿真器界面，进入仿真界面后，在主界面上点击下载按钮其功能就是将所编的梯形图程序下载下来，在仿真器中点击RUN按钮，然后点击相对应的控制按钮，对自动门的各种工作情况进行仿真，首先仿真在通电情况下光电检测开关检测到有人接近自动门的时候自动门能否准确的进行开门动作。然后再仿真自动门打开后是否能够在一个位置保持8秒的开门状态，保证人员的安全进出。还要仿真在8秒开门状态时，光电开关再次检测到有人或者物体接近自动门时，自动门能否重新计时，在原位置再次保持8秒的状态。最后检测当自动门出现夹人的紧急情况下自动门启动紧急停止开关，自动门能不能按照控制要求紧急停止关门动作，并进入自动开门状态，避免夹人情况的出现。同时检验程序的正确性，保证程序顺利完成各种控制要求的动作。后记现如今PLC在全国各地发挥着举足轻重的作用，而且逐步成为工业时代的主流控制器件。越来越多的计算机新技术会应用于 PLC的设计和制造上。PLC作为自动化控制系统的重要组成部分，在工业及其他行业也发挥着不可替代