基于PLC的自动门控制系统的设计说明书

.../...XX理工大学XX科技学院课程设计说明书<论文>作者:赵青学号：0801010407学院<系>:机械工程学院专业:机械工程及自动化题目:基于PLC的自动门控制系统的设计王荣林王荣林指导者：20XX10月摘要随着电子技术的快速发展,可编程控制器〔PLC不断更新,PLC控制已经成为自动控制中最常见控制方式之一。由于可编程控制器能够很好的控制自动门的开关从而改变可以其控制方式以及它具有良好的稳定性。所以很多自动门的生产商家都运用PLC来实现自动门的控制。本文是关于自动门的控制系统的设计,自动门的系统主要由可编程控制器<PLC>、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置等组成。主要工作原理是利用感应器件来检测由人体或物体发出的信号,将其传送给PLC,PLC根据开关信号的来控制变频器的开停和速度的变换,在由传动装置带动门运动。本文总共分四个章节进行叙述其软、硬件结构、工作原理等,具体如下：第一章介绍自动门发展现状,本课题研究的内容和目的意义。第二章主要介绍自动门控制系统方案的设计要求。第三章介绍了自动门的硬件系统的设计,PLC的选型,变频器的选型,感应器件的选型,驱动装置。第四章介绍了系统软件的设计,PLC梯形图设计,程序流程图,程序的编写工作。关键词：PLC,自动门,驱动装置,感应器。引言在经济飞速发展的中国,自动门是楼宇设备中的光机电一体化产品。它已经广泛用于都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼等。自动门的工作方式主要是通过门内外两侧的感应开关来感应人的出入,当人走近自动门时,由于感应开关感应到人的存在,给控制器开门信号,控制器从而通过驱动装置将门打开。当人通过门之后,再将门关闭。由于自动门最大的优点在于它"永远开门,又永远关门",即对于人来说,门总可以打开,可对于建筑来说,门又总是关着。因此在保安方面具有独到的作用。另外在通电后它可以实现无人管理,给我们带来人员进出方便,还可以节约能源、防风、防尘、降低噪音等好处,也打破了传统门的造型,给门添加了高贵典雅的气息。自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置,早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制,由于它安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点被逐渐淘汰。目前自动门及其自动化行业采用的控制装置是可编程控制器〔PLC,PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的工业计算机。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、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。目前,PLC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充分的发展。因此利用PLC控制自动门具有较高的可靠性,较强的适用性,良好的维修性等优点。由此看来,运用PLC来实现自动们控制系统设计,可以推动自动门行业的发展,扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用,具有一定的经济和理论研究价值。本课题主要介绍运用PLC为控制器的自动门的设计,由于产品的开发都要讲究实用性,所以本课题开发的产品不但能够适应多种场合而且简单化。不论对于产品开发商还有使用者来说,都是最好的。此系统的设计既满足了自动门的基本要求,还可以保证自动门的稳定性。研究本课题意味着产品成本的下降,效益提高。因此还是具有一定的市场价值。1.概述1.1国内自动门发展现状随着我国经济的飞速发展,自动门在人们的生活中的运用越来越广泛,宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等已经广泛使用自动门。在我国,自动门的自主研发尚处于初级阶段。在自动门控制系统的设计中,稳定、节能、环保、安全及人性化是首先需要考虑的因素。在目前市场上,根据自动门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,因此可以把自动门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。自动门根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、等,其中平开门用的场合较少,旋转门由于昂贵而且非常庞大,一般只用于有需要的高档宾馆,但是自动平移门使用范围广,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,这种门的特点是简单易控,维护方便。在国内,自动门的控制方法很多,从控制器的不同来分,有传统的继电器控制,即通过按钮和复杂的接线安装来控制；智能控制器控制,即通过运用现代自动化设备来控制,它具有稳定性高,安全等优点,因此被很多生产厂商所运用。由于继电器逻辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制控制的自动门所淘汰。在智能控制器的选择上,自动门的主控器有微电脑控制器控制和可编程控制器〔PLC控制,微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点,目前有许多厂家采用此种方式生产自动门,PLC控制的特点是稳定型高、维护方便,目前许多大型的商场的自动门都是由这种方式来控制。1.2本课题研究的内容本课题将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。1.自动门类型的选择。由于考虑到自动门的简洁、简单的要求,在本设计中主要研究自动平移门。本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能和开关门实现减速功能以及配备安全防夹人光线等来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。2.自动门硬件系统的设计。由于自动门要适应大客流量的需要,因此稳定性要求比较高,故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的三菱FX系列小型PLC。在自动门的开关门速度控制上采用三菱变频器作为调节器来实现自动门的转速控制。为了解决变频器在频率很低的时候会出现不稳定的问题,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交流电机,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控制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对自动门的控制。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动门的经济实用、稳定的需要。3.自动门软件的设计。在本设计中采用PLC编程语言梯形图,因为梯形图的编程能直观明了的设计出自动门控制的要求,并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题,梯形图的编写运用三菱的编程软件。1.3本课题研究的目的和意义在超级市场、公共建筑、银行、医院入口等客流量大的地方,经常使用自动门。自动门使用方便,又可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘,同时可以使出入口显得庄重高档。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理,大大的减少了企业的费用,又提高了建筑的档次,所以在国内建筑市场上得到大范围的普及。由于在我国也逐步得到大家的认同,已经迎来了自动门发展的黄金时期。本课题的自动门设计运用PLC做控制器来提高自动门的稳定性和经济性,是对于整个自动门行业一次技术的革新,提高了自动门的使用率,适应了多种场合的需求。所以进行自动门的PLC控制系统设计,具有一定的经济和理论研究价值。2.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中要求具有安全和可靠性,根据设计要求,自动门应具有以下功能：1．开门和关门控制应具有手动和自动方式为了便于维护和避免紧急情况,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控制。当转换开关拨向自动位置时,手动开门失效,由信号采集装置来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且门未关闭,PLC动作输出信号来控制电机的正转<开门>或者反转〔关门。2．紧急停止当自动门出现夹人现象,可闭合紧急开关,从而起到保护作用。3．防夹人功能为了自动门产生夹人事件,应在在门两侧安装防夹人红外感应器,以防止停留在门附近的人被门所夹住。2.2自动门的机械传动机构设计本控制系统中锁用到的传动装置具体包括如下：1．自动门的传动主要包括安装板,轨道,滑轮,皮带,吊挂件等。2．所有的组件都为插入式元件,使得安装很简便。3．导轨：水平双导轨结构,为了避免侧摆的问题,要形成正悬挂来确保门扇的稳定性。导轨中采用双侧密封毛刷,形成密封式,避免积尘对导轨及滑轮的磨损。4．滑轮：采用特殊的XX尼龙滑轮,由于其强度高,耐磨性好,同时还有一定的减震效果。5．皮带：采用齿形皮带,齿形皮带增加了齿形的高度,提高了皮带与传动齿轮的吻合度,很大的程度上提高了机械效率。机械传动图3.自动门硬件系统的设计3.1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,交流电机具有效率高、维护成本低的特点。交流电机驱动系具有效率高、结构简单、维护方便、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。自动门控制系统图3.2可编程控制器<PLC>3.2.1PLC概述可编程控制器,英文称ProgrammableController,简称PLC。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。但并不等同于普通计算机,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控制。它要考虑怎么适应于工业环境,如便于安装,便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现,可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC有丰富的指令系统,具有以下基本的功能：〔1逻辑处理功能；〔2数据运算功能；<3>准确定时功能；<4>高速计数功能；<5>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。PLC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。3.2.2可编程控制器〔PLC的选型在对PLC选型时,工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。所以应详细分析工艺过程特点,选择合适的PLC。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,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%～20%的可扩展。由于在实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。所以在本次设计中输入为16点,输出也为16点。2．存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供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,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一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。根据经验,大体上都是按数字量I/O点数的10～15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．控制功能的选择在本次设计中由于采用小型的PLC,采用的是适合大多数场合常采用的单回路或多回路控制器解决模拟量的控制,同时采用梯形图编程,以简化整个设计。4．机型的选择PLC按结构分为整体型和模块型两类,在自动门控制系统中,根据输入输出的点数采用输出输入总点数为32位。在考虑到经济性因素时,应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。综上所述,本课题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。采用日本三菱公司生产的FX2N-32M小型PLC来实现整个自动系统的控制。3.3驱动装置的选型自动门能否良好工作基于驱动装置的优劣。根据本课题所设计的自动门的要求基础上,同时结合了安全、稳定的因素所以采用了系统的驱动装置选用采用XX铁宝电机有限公司生产的三速三相异步电动机〔YD100L-6/4/2>。它采用单绕组变极方法实现换速,具有体积小,重量轻,噪声低,运行可靠等优点。3.4变频器的选型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。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式,变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流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节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电,以此为电源再供给电机使用。变频器的选型在结合自动门的需要基础上,变频器选型时要满足电压匹配、电流匹配和转矩匹配原则。在电流匹配中采用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。综合以上因素,本课题变频器采用日本三菱公司生产的FR－500系列中的FR-540变频器作为控制电机转速的控制器。3.5感应器件的选型目前自动门行业的运用的感应开关主要有微波感应器,红外感应器等。接近感应开关等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,如在高档酒店、写字楼,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,选择窄区域的感应器。结合本课题的实际需要在设计的自动门的人员检测上运用上海顺安达门业装饰有限公司生产的WB-3004微波感应器,又称微波雷达,对物体的移动反应速度快,适用于行走速度正常的人员通过的场所,它的特点是几乎不受周围环境因素影响。在防夹人感应器的选择上本设计选用上海晶园微电子公司生产的WS-210微型红外安全光线,可避免外界光线干扰。自动门的速度信号采集上运用了Keyence〔基恩士公司生产的ED-130U非埋入型接近传感器,这种传感器的特点是能检测所有的金属,最大检测距离为20mm,检测距离调节方便,安装简单。3.6自动门系统I/O分配表I/O分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件,也是现场接线和调试的重要依据。根据自动门的控制系统的要求,确定了PLC的I/O分配表,在表中列出。表I/O分配表类型PLC元件作用输入X0门外光电检测开关X1门内光电检测开关X2开门限位开关X3关门限位开关X4开门减速行程开关X5关门减速行程开关X6急停开关X7手动开门X10手动关门输出Y0电机正转〔开门Y1电机反转〔关门Y2快速Y3慢速3.7控制系统的电气原理图3.8系统硬件接线图4.自动门控制系统的软件设计4.1工作过程分析当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关,开门执行机构KM1得电,电机正转,当到达开门限位开关时,电机停止运行。自动门在开门后停留10S后,自动进入关门状态,而此时KM2线圈得电,电机反转,当到达关门限位开关时,电机停止转动。在关门过程中,当有人由内到外或由外到内时,通过光电检测开关,应立即停止关门,并进行自动开门程序,以防夹伤行人。在门打开的10S等待过程中,若有人进出,必须重新等待10S,再进入自动关门状态,以保护行人安全。4.2梯形图概述PLC是专门为工业控制而开发的装置,其主要使用者是工厂广大电气技术人员,为了适应他们的传统习惯和掌握能力,通常PLC不采用微机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向问题的"自然语言"编程。在本次课程设计中主要采用梯形图。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言,这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果,每个梯级是一个因果关系。在梯级中,描述事件发生的条件表示在左面,事件发生的结果表示在右面。它具有直观性和对应性的特点,便于掌握和学习,被称为PLC的第一编程语言。4.3梯形图的设计本系统运用GXDeveloper7.0编程软件进行梯形图顺控程序编写,在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：1．每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号,每个元件的触点使用时没有数量限制。2．梯形图每一行都是从左边开始,线圈接在最右边〔线圈右边不允许再有触点。3．线圈不能直接接在左边母线上。4．在一个程序中,同一编号的线圈如果使用两次,称为双线圈输出,它很容易引起误操作,应避免。5．在梯形图中没有真实的电流流动,为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系,假定在