基于PLC的公共场所自动门开关系统设计

基于PLC的公共场所自动门开关系统设计摘要本文介绍了基于可编程序控制器（PLC）和非接触式IC卡的自动门控制系统的设计方法。它利用三菱PLC可靠性高、功能完善、适用性强、易学易用等特点，设计出一套自动门控制系统，并且选择了可以与考勤系统相结合的非接触式IC卡来提供自动开门信号，从而使自动门控制系统不仅具有自动和手动两种模式，而且相比于普通自动门来说还添加了系统报警和人过门即关的功能，从而来满足人类社会发展对自动门所提出的高安全性、高保密性和高效率的要求。同时本设计还利用三菱仿真软件来对其自动门控制系统所编程序的各项功能进行调试和验证。关键词：可编程序控制器；自动门；IC卡ABSTRACTThisthesisintroducesaprogramaimingatdesigningacontrolsystemoftheautomaticdoor,basedontheProgrammableLogicController(PLC)andcontact-lessICcards.Itattemptstodesignacontrolsystemoftheautomaticdoor,putMitsubishiPLC’scharacteristicsofhigh-reliability,complete-capability,extensive-applicabilityandreadily-masteryandsoontouse.Additionally,itselectscontact-lessICcardswhichcanbecombinedwiththesystemofattendance-checking,toprovidetheautomaticdoorsignals,andtherebyitnotonlymakesthecontrolsystemoftheautomaticdoorbothownautomaticandmanualmodes,butalsobringswiththefunctionsofsystematicalarmanddoor-close-immediatelywhilepeoplegetthrough,comparedwiththeordinaryautomaticdoors.Thusitwillmeetwiththerequirementsofhigh-securityandhigh-efficiencyoftheautomaticdoors,withthedevelopmentsofhumansociety.Inthemeanwhile,Mitsubishisimulationsoftwareisusedtodebugandvalidatethefunctionalityofitsautomaticdoorcontrolsystem.Keywords：theProgrammableLogicController(PLC)；Automaticdoor；ICcard

目录1概述 11.1国内自动门发展现状 11.2自动门的技术发展方向 11.3研究背景和研究意义 21.4本课题研究的内容 31.4.1自动门硬件系统的设计 31.4.2自动门软件系统的设计 32自动门控制系统的总体方案设计 42.1自动门的功能需求分析 42.2自动门系统设计的基本步骤 52.3自动门的技术参数的确定 72.4自动门的机械传动机构设计 73自动门控制系统的硬件设计 93.1控制系统结构设计 93.2可编程控制器（PLC） 93.2.1PLC的特点 103.2.2PLC的选型 103.3非接触式IC卡 123.3.1非接触式IC卡定义 123.3.2非接触式IC卡发射原理 123.3.3非接触式IC卡的优点 133.3.6非接触式IC卡的选型 133.4驱动装置的选型 143.5传感器的选型 153.5.1光电开关选型 153.5.2定位传感器的选型 163.6自动门控制系统的I/O分配表 173.7PLC的接线图 184自动门控制系统的软件设计 194.1三菱GX-Developer编程软件介绍 194.1.1三菱GX-Developer编程软件的主要功能 194.1.2GX-Developer软件的编程界面 204.2自动门控制系统的程序流程图 214.3自动门控制系统的顺序功能图 224.4自动门控制系统的梯形图 235程序的调试记录与结果分析 245.1自动门控制系统的仿真 245.2程序功能验证 265.2.1自动模式功能 265.2.2手动模式功能 275.2.3几种特殊功能 28结论 33致谢 34参考文献 35附录 36附录1自动门控制系统梯形图 36附录2自动门控制系统指令表 39PAGE341概述自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。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。现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如感应自动门，其各类大致可分为：红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应、刷卡自动门等。自动门以其方便、安全、节能等特点已经成为许多大型公司、工厂、宾馆、超市、百货大楼等现代化建筑所必备的了[1]。1.1国内自动门发展现状自动门的出现给公司的管理提供了很大的便利，目前国外的自动门控制系统性能比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品价格便宜但是性能较差，故障率较高。自动门的发展在国内呈现以下几点发展状况：（1）厂家多，规模小。5～6年来几年来，自动门在国内得到了快速的发展。据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有50多家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。（2）专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，因此导致了竞争更加激烈。（3）高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略显粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。（4）产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而不是最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。1.2自动门的技术发展方向由于目前没有相关的技术标准，各厂家的产品都按照自己的企业标准进行生产，对各项技术指标的要求和测量方法都不尽相同，如提升力等参数，差别较大，在市场上造成了较大的混乱，给用户选择带来很多不便，也不利于行业的发展。因此，有必要制定自动门的技术标准，明确规定的主要技术指标以及测试方法等，引导市场有序竞争，促进行业发展。经过多年发展，自动门行业呈现以下发展趋势：智能化，多功能：今后的还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，始终保持较高的遇障保护灵敏度等。还将增加一些新的功能，如与住宅安防系统配合使用等。免维护：采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。多样化：将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需要。高安全性：随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标，也将是一项基本要求。1.3研究背景和研究意义21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成为了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。但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。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，自动门除可美化出入口环境外同时要满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。因此门体本身必须安全、稳定、保密、可靠。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。由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可以节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。但是随着经济的发展，自动门已经不再仅仅是一种档次的象征，在一些保密性高的公司、企事业单位以及政府机关等场所需要对其进出门的人员进行严格的控制，并达到另外更高的控制要求，所以这就是本课题的研究意义。

1.4本课题研究的内容综合了自动门的简洁、简单的要求，本课题主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有自动和手动开关门功能。另外还可以通过非接触式IC卡所提供的开门信号与考勤系统相连进行人事考勤，帮助公司进行管理，以满足其高效率和高安全性的要求。1.4.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控制器为稳定性良好的三菱FX2N系列PLC。在提供开门信号的方式上选用了非接触式IC卡通过信号识别来提供控制系统的开门信号。来在自动门的开关门控制上本设计选用功率适中且稳定性较好的自带减速装置的三相交流电机，并且采用高精度的光电转换开关来进行门控的信号采集。1.4.2自动门软件在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言——梯形图语言，而且是直接通过顺序功能图转换而来。梯形图的编程能直观明了地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GXDeveloper编程软件，此软件支持全部的三菱PLC型号，并且具有强大的诊断功能，能更快地查找出故障的原因，从而大大地缩短了维修的时间。同时该软件支持三菱PLC仿真软件GXSimulator，这样可以直接地观察出仿真的效果，从而验证出编写的程序是否有达到所需的控制要求。

2自动门控制系统的总体方案设计实现自动门控制的有多种方案，比较常见的有单片机控制自动门系统，另外就是本论文所设计的基于PLC的自动门控制。早期的自动门控制系统还采用继电器逻辑控制，现如今已逐渐被淘汰。PLC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。因此在一些日常生活控制的场合得到了广泛的应用。同时自动门控制系统的设计方案也是多种多样的。如利用数字电路来设计自动门控制系统，但数字电路设计复杂，可靠性也不是很理想；也可以利用单片机来设计自动门控制系统，但利用汇编语言来编写程序来实现其功能又显得更为麻烦。本自动门控制系统是利用PLC为核心来控制，其电路结构简单，单元电路分别通过原理图设计、由梯形图语言设计完成，利用三菱仿真软件来模拟和验证程序。自动门控制系统的设计特点：本自动门控制系统分别利用原理图硬件设计和梯形图软件设计的优点完成了对应单元的电路进行设计,使系统较为简洁。PLC具有抗干扰能力强，可靠性高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易学易用；功能完善；设计、施工、调试的周期短；体积小，维护操作方便等优点。根据具体的要求,还可对系统的功能进行再编程设计来不断完善系统功能,缩短设计周期,同时保证设计系统的可靠性。2.1自动门的功能需求分析本课题的研究对象主要是面向那些保密性要求高的公司、企事业单位以及政府机关等单位，其简单的结构图如图2-1所示：图2-1自动门的示意图根据要求，本课题所设计的自动门应有下列功能：（1）开门和关门控制应具有手动和自动两种方式此两种模式并非是指需要人去切换这两种模式，当有IC卡信号输入到PLC来的时候系统就运行自动模式；当有人按门铃时，那么系统就运行手动模式。（2）开关门提示开关门提示不用蜂鸣器，这是为营造安静环境所特别要求的。所以将常规的蜂鸣器提示音改换成用红绿灯来提示。绿灯表示开门动作，红灯表现关门动作。（3）人过门即关这是出于安全考虑，门在开门之后延时时间设为6s，意思是系统得到正确的IC卡信号开门之后，若6s内没有检测到有人通过的光电信号，那么门将自动关闭，若在这6s开门状态时间内检测到了有人通过的信号，那么门将立即执行关门动作。（4）防夹人以及系统报警的功能当有人在关门的时候才进门，那么为了防止安全事故的发生，必须对该系统进行防夹的功能的设置，所以该系统的PLC输入又增加了两个，当门在进行关闭动作的时候，若光电探头检测到一个光电信号，那么电机将立即反转，门立刻进行开门动作，并到达到开门限位开关之后又立即进行关门动作，在此同时还会有报警信号输入到报警器使其发出报警。（5）复位功能此功能是为排除故障所设计的，当发生诸如掉电之类的故障，使电机或PLC在执行开关门动作时停止运行了，那么门就会处于打开或半开的状态，并且在重新得电之后不会自动恢复，所以得添加一个手动复位开关。当然也可以设计成为一个PLC得电自动复位模式，但是这样给自动门检修又带来了不便，同时也出于安全的考虑，还是决定采用手动复位的方式。2.2自动门系统设计的基本步骤在自动门控制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。在自动门控制系统的设计过程中主要应该考虑以下几点：（1）深入了解和分析自动门的工艺条件和控制要求。（2）确定IO设备，根据自动门控制系统的功能要求，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、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配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，根据工作要求设计出完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。（6）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。（7）在有条件的情况下将自动门控制系统进行的整体的调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图2-2步骤流程图2.3自动门的技术参数的确定自动平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，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应该调节门体，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重量。通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的检修和调整。公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型商场和医院的人员流动每天可达到成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。而本课题主要是从它的反应速度以及安全性等方面来进行设计，所以其具体参数如表2.1所示表2.1自动门的具体参数单扇门开户的宽度（m）1高度（m）2最快开/关门速度（m/s）0.5开启保持时间（s）6s(也可根据现场需要而定)PLC电源220VAC,50-60Hz驱动器电源380VAC,50Hz驱动器输出额定功率120W2.4自动门的机械传动机构设计在本课题设计的自动门主要针对人流稳定的高级企事业单位或是安全保密性要求比较高的政府机关，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械转动设计中考虑了一下几方面：（1）自动门的驱动部份主要包括安装轨道、电机、皮带以及一些其它的吊挂件等。（2）所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。（3）电机：驱动电机采用380V三相交流电机，功率大，起动快，可调性强。（4）导轨：水平双导轨结构，并且实现上下分别是固定上左右两扇门上，这样有效地节约了电机的带动齿轮的数量，而且还能保证左右两扇门在运动时的速度一样，实现两扇门同步的功能，因而也节约了定位传感器的个数。（5）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。（6）皮带：采用齿形皮带，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用尼龙加油，养活了齿距变形的可能性，处长了其使用寿命。（7）传动结构简单示意图如图2-3所示。其中马达皮带轮直径选用5cm，皮带滑轮内径选用13.5cm，外径为图2-3传动结构简单示意图

3自动门控制系统的硬件设计3.1控制系统结构设计本设计运用PLC控制交流接触器来调节交流电机运转以实现自动门运转的控制方式。采用交流接触器电路，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。交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长等优点，这为交流驱动系统在自动门中的大量运用提供了条件。控制系统的结构图如图3-1所示：3-1控制系统的结构图3.2可编程控制器（PLC）可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着科学技术的发展，这种装置的功能已经大大地超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是同时为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[2]。可编程控制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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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。PLC基于电子计算机，但并不同于普通的计算机。普通计算机进行信息变换时，大多数只考虑信息本身，信息传输的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息传输的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电器装置更多更强。3.2.1可编程序控制器（PLC）具有以下特点：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；编程方法易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低[3]。PLC还有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口，有大量的内存，有可靠的自身着重描写系统，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计算功能；中断处理功能；程序与数据存储功能；网络通信功能；自检测、自诊断等功能[4]。PLC有着其它控制产品，如工控机，DCS，单片机等控制产品，所无法替代的特性。可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。3.2.2基于PLC的自动门控制系统在设计时，首先应确定控制方案，接下来的一步工作就是PLC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，工程设计选型和估计时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确其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，估计输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能及其外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC来设计该自动门控制系统。（1）输入输出（I/O）点数的估计I/O点数估计是应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估计数据。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。根据估计的方法故本课题I/O点数为输入10点，输出10点。（2）存储器容量的估算：存储器容量是可编程序控制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，因此程序容量必须要小于存储器容量。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，需在程序调制之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一个估计，通常采用存储器容量的估计来替代。（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。五种标准化编程语言：顺序功能图（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，以满足特殊控制场合的控制要求[5]。(4)机型的选择①PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按照应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制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，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。②输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。③电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。④存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。⑤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[6]。在本课题中I/O配置需要9输入8输出，因此本课题选用了日本三菱的FX2N-32M小型PLC来实现整个自动门系统的控制，其实物图如图3-2所示。FX2N-32MR有16输入点和16个继电器输出图3-2三菱FX2N-32M小型3.3非接触式IC卡IC是英语IntegratedCircuit的缩写，意为集成电路。所谓IC卡就是把一个集成芯片镶嵌于PVC基片中，封装成卡片形式[7]。非接触式IC卡技术是最近几年发展起来的一项新技术，具有操作快捷便利、可靠性高、寿命长、防伪好、安全性好、抗干扰能力强和一卡多用等优点，可广泛应用于各种身份识别、收费系统中。其中非接触式IC卡读写器是非接触式IC卡应用的关键[8]。3.3.1非接触式非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分。是最近几年发展起来的一项新技术,它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源(卡内无电源)和免于接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围(通常为5～10mm)靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。3.3.2非接触式非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通讯频为13.56MHZ。非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成一次读写操作。读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。组成:一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。3.3.3非接触式IC卡与接触式IC卡相比较,非接触式卡具有以下优点：可靠性高，操作方便，防冲突，可以适合于多种应用，加密性能好等优点。3.3.6非接触式磁卡、条码卡由于其结构简单，存储容量小，安全保密性差，已逐渐被淘汰。接触式IC卡由于芯片外露而导致的污染、损伤、磨损、静电干扰等以及插卡这不便的读写过程,导致它已越来越不能满足是常的需求。而非接触IC卡，在继承了接触式IC卡优点的同时，如大容量、高安全性等，又克服了接触式IC卡所无法避免的缺点。非接触IC卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使之不受外界不良因素的影响。卡本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大高于接触式IC卡。因而，非接触IC卡成为市场异口同声的呼吁。因此，我们下面重点讨论一下非接触IC卡的种类及性能分析。由于非接触IC卡的用途极为广泛，各厂商由于自身的背景及目标市场定位不同，其推出的非接触IC卡也有各自不同的特点。目前的非接触IC卡主要可分为以下几类：射频卡（RF-ID）:只读型，目前也有部分厂家提供了非加密存储读写功能。非接触逻辑加密卡（Contact-lessICCard）:可读写。非接触CPU卡（Contact-lessCPUCard）:芯片中含有CPU和内置COS，可读写。混合卡（HybridCard）:接触式和非接触式双方式读写，双芯片。非接触逻辑加密卡，感应频率符合ISO14443的13.56MHZ。自92年诞生以来，已达到成熟使用阶段；良好的性能价格比，已成为企业级非接触IC卡使用的首选。非接触CPU卡，感应频率符合ISO14443的13.56MHZ。由于内置CPU和COS，因此其开放性优于逻辑加密卡，其安全性设计也较灵活。目前的非接触CPUCARD正向JAVACARD方向发展，但目前的8位CPU难以满足复杂的密码计算，而高速的CPU又面临供电瓶颈的障碍，因此该技术发展处于不稳定阶段，有待于进一步的技术难题的克服。且目前该类卡可靠性及抗干扰性能不及逻辑加密卡，价位高，所以对于我们来说不太适用。综上所述，在非接触IC卡几种类型中，我们认为非接触逻辑加密卡的性能优良，再结合项目的实际功能要求，我们选用非接触逻辑加密卡中的EM4025这一款IC卡，它不但拥有数字识别功能，另外还有可擦写的功能。其实物图形如图3-3所示。图3-3非接触式IC卡实物样本3.4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，在本设计中是利用电机的反应迅速灵敏度高的特点，以达到迅速驱动自动门的目的。这种方式具有稳定性能好，维修方便，连接简单，成本较低，是在目前的自动门行业主流控制方式。根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。并且转速不高于500r/min的电机，在结合了安全、稳定的考虑课本课题所设计的自动控制系统的驱动装置选用天津安全电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的380V三相交流电机，电机实物如图3-4所示。图3-4YSM100/112、W、S的380V三相交流电机实物图3.5传感器的选型在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。可以说，没有众多的良好的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。3.5.光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光\o"信号"信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活多样等特点，因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。根据本课题所需要达到的控制要求，我们选用性能良好的欧姆龙光电开关E3Z-R61，用以探测人通过自动门的信号。其实物图如图3-5所示。E3Z-R61型号的光电开关是一种回归反向型光电开关，其检测距离是4m，而本课题所设计的自动门两扇宽度为2.光源（发光波长）：红色发光二极管（660nm）电源电压：DC12～24V±10％波动(p-p)10％以下耐电压：AC1000V50/60Hz1min消耗电流：30mA以下应答时间：动作、复位各1ms以下图3-5欧姆龙光电开关E3Z-R613.5.2定位传在设计自动门开/关门动作的时候，我们还得考虑它在什么位置停下来。当自动门在开或关到一定的位置时，我们必须上电机停止，不然自动门就会发生“碰撞”，没有定位传感器的自动门系统将会是一个无法正常动作的系统。于是乎我们在距门中心约10cm处安装有U型定位传感器，我们称之为关门限位开关，其具体示意位置见图2-1。当门运行至此处时传感器就会检测到一个关门限位信号，从而将此信号输入到PLC，控制电机停止转动；同理也存在着一个关门限位开关。图2-1也有表示出。因此本设计选用了两个10mm槽型光电开关，型号为ITR-20010。其实物图如图3-6所示。图3-6ITR-20010槽型光电开关

3.6自动门控制系统的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，它包含了9个输入和8个输出在表3.1中分别列出。表3.1自动门控制系统I/O分配表类型PLC元件作用输入X0复位开关X1IC卡感应信号X2门铃X3开门限位X4管理员应答开关X5光电检测信号（下降沿有效）X6关门限位X7光电检测信号（报警信号）X10手动关门开关输出Y0初始状态指示灯Y1开门动作Y2关门动作Y3呼叫器Y4开门状态Y5开门指示灯（绿灯）Y6关门指示灯（红灯）Y7报警器

3.7PLC的接线图根据自动门控制系统的I/O分配表，得出对应的PLC接线图，如图3-7所示。此接线图是一个接线简图，只大致地描绘了I/O分配，电源以及其它设备已经略掉。图3-7PLC接线简图

4自动门控制系统的软件设计4.1三菱GX-Developer编程软件介绍GX-Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的在线更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。4.1.1三菱GX-GX-Developer的功能十分强大，集成了项目管理、程序键入、编译链接、模拟仿真和程序调试等功能[9]，其主要功能如下：（1）在GX-Developer中，可通过线路符号，列表语言及SFC符号来创建PLC程序，建立注释数据及设置寄存器数据。（2）可以将PLC程序存储为文件，用打印机打印。（3）可在串行系统中通过PC与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及各种测试功能。（4）可脱离PLC进行仿真调试。（5）可通过此软件将程序从PC机中与入PLC，也可从PLC中读出到PC机中。其示意如图4-1所示。4-1PLC的写入与读出示意图

4.1.2GX-Developer软件的编程界面三菱PLC编程软件GX-Developer的编程界面如图4-2所示。GX-Developer的界面由项目标题栏、下拉菜单、快捷工具栏、编辑窗口、管理窗口等部分组成。在调试模式下，可打开远程运行窗口，数据监视窗口等[10]。图4-2GX-Developer编程软件的界面

4.2自动门控制系统的程序流程图程序流程图是对自动控制系统的各种控制功能的一个很好的展示方法。如图4-3所示，该自动门控制系统的程序流程图将自动门所要实现的各个功能和运行步骤都清楚表示出来了。简单地描述一下自动门控制系统的自动、手动模式是如何实现的：（1）当PLC得电后便自动进入到初始状态，我们称之为S0状态。当系统有IC卡信号进入并识别成功后系统进入到自动模式，并完成开门到延迟6s，再到关门，回到初始状态。（2）在初始状态下，若外来来访人员按下了呼叫开关，则系统进入到手动模式，此时需要管理员应答，管理员确认后通过手动开门开关来进行开门，当确认人员全部通过之后，又通过手动关门开关来将其关闭，从而又回到了初始状态。另外，还有手动复位、系统报警、人过门即关和防夹人的功能。4-3自动门控制系统的程序流程图

4.3自动门控制系统的顺序功能图顺序功能图（sequencefunctionchart，SFC）是IEC标准规定的用于顺序控制的标准化语言。顺序功能图是全面描述控制系统的控制过程、功能和特性，而不涉及系统所采用的具体技术，是一种通用的技术语言，可供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流使用，例如，可以根据顺序功能图设计PLC的顺序控制程序。顺序功能图以功能为主线，表达准确、条理清晰、规范、简洁，是设计PLC的顺序控制程序的重要工具[11]。图4-4所示，自动门控制系统的各个功能如何实现都可以通过这张功能图完全地体现出来。在此就不做多的介绍，将在下一章节里面的功能验证逐一说明。图4-4自动门控制系统的顺序功能图

4.4自动门控制系统的梯形图梯形图设计是本控制系统的核心部份。PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用都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。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的ICE1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（Sequentialfunctionchart）、梯形图（Ladderdiagram）、功能块图（Functionblackdiagram）、指令表（Instructionlist）、结构文本（structuredtext）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图[2]。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，事件的结果表示在右面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到广泛的欢迎，并得到广泛的用。梯形图程序设计语言的特点是：与电气操作原理图相似，具有直观性和对应性；与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；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。因为用经验法设计本控制系统的梯形图存在设计方法很难掌握，设计周期长，以及装置交会使用后维修困难等问题[2]。所以本自动门控制系统采用了顺序控制方式来进行设计，即在有些已经发生的动作后必须进行下一步动作。如果第一个动作没有完成，那么第二个动作将无法启动[12]。顺序控制的设计又主要用顺序功能图来进行表示，如图4-4。则自动门控制系统的梯形图就直接通过顺序功能图转化而得到，见附录1。进一步地可以通过梯形图直接转化为指令表，见附录2。

5程序的调试记录与结果分析由于硬件条件的限制，不能够现场实地进行调试验证，所以只能通过三菱仿真软件进行仿真调试。5.1自动门控制系统的仿真1．PLC写入将“梯形图逻辑测试启动”打开，那么就能够将程序写入PLC，这是程序仿真的第一步，可以验证所编的程序是否有错。如果程序里面有语法错误时，“LADDERLOGICTESTTOOL”就会报错，程序进入到ERROR状态。若程序无误便会得到如图5-1所示，进入到RUN状态。图5-1启动梯形图逻辑测试2．继电器内存监视选择“菜单起动”→“继电器内存监视”，便进入到了继电器内存监视状态，如图5-2所示。这样我们就能够进入到输入/输出的仿真监视窗口了，这个窗口为我们仿真控制和观察控制效果提供了一个很好的平台。

图5-2继电器内存监视3．输入/输出效果按“软元件”→“位软元件窗口”→“X”和“Y”顺序依次打开“位软元件”。即可得到如图5-3所示，X代表PLC输入触点，其中我们需要用到X0～X10共9个输入点；Y代表输出触点，其中需要用到Y0～X7共8个输出点。从而可通过控制输入点的开/关来控制输出，观察它的控制效果进行程序功能的验证。图5-3位软元件测试

5.2程序功能验证逐一按照控制系统所设计的要求，分别将各输入信号按照流程输入进行程序功能验证。为了便于观察，调整窗口位置及大小，如图5-4所示，进行控制检验。图5-4自动门控制系统的输入与输出5.2.1即在关门初始状态下有人通过IC卡刷卡并成功地通过验证而进入门的过程。在PLC得电后将自动输出Y0，此为一个待机的指示灯而已，表示其正处于正常待机状态。当有IC卡刷卡感应当通过验证后，X1便得电，然后电机开始正转Y1，从而驱动门打开，在开门限位开关得电之后，电机又停止转动，延时6s后电机反转Y2，驱动门关闭。从而回到初始状态S0，过程如图5-4所示。a.初始状态b.X1检测到了IC卡信号c.门达到开门限位开关d.开门状态保持6s后自动关门e.门达到关门限位开头，回到初始状态图5-4自动模式过程5.2.2当有外来方人员在门外按下门铃X2时，呼叫器Y3就被接通，以提醒管理员进行应答，待管理员验证来访人员身份后给予是否开门的答复。若应答，则通过手动开关X4将门打开，当门达到开门限位开关之后，门自动停止，但不会延时自动关闭，这是为了应来访客人多的情况下而设计的。待管理员再通过手动关门开关X10将门关闭，回到初始的状态；若不应答则不进行任何操作，过程如图5-5。a.来访人员按门铃X2b.管理员应答X4c.达到开门限位并一直保持d.管理员手动关门e.达到关门限位，回到初始状态图5-5手动模式过程5.2.31.人过门即关自动模式下，有人通过IC卡刷卡进门，门自动被打开，当遇到开门限位开关时，电机停转，保持开门状态6s，在此时间段内，若有人通过，那么门便立即执行关门动作Y2，直至达到关门限位开头，过程如图5-6所示。a．IC卡刷卡，门正在被开启 b．门正常进入到开门状态c．光电探头检测到有人进入，无变化d．人过门即关（下降沿触发）图5-6人过门立即关过程注：这种“人过门即关”的功能仅限于自动模式下，而在手动模式下则没有设计此功能，这是考虑到该控制系统能够由人工完全控制的彻底性而定的。2．防夹人功能的实现及报警信号的触发当门正在关的时候，若光电开关检测到了此时有人经过的信号X7，即有人在此时进门，为了防止安全故障的发生，需要马上将电机反转，执行开门动作Y1，从而避免造成人员伤害。并且同时发出报警声Y7，在门达到开门限位的时候电机停止，此时报警器发出周期性的报警声，并一直持续