基于PLC自動門控制系統(tǒng)設計.doc

安徽機電職業(yè)技術學院安徽機電職業(yè)技術學院畢 業(yè) 論 文 基于PLC自動門控制系統(tǒng)設計 系 別 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 姓 名 學 號 指導教師 白金老師 2014 2015 學年第二學期摘 要隨著科學技術的日新月異，我們的生活發(fā)生了巨大的變化。一個智能化、自動化的社會已經(jīng)開始呈現(xiàn)于我們的眼前，這為我們提供了非常多的便利。其中自動門就是自動化進程中的一個典型代表，此設計就是運用所學的知識，結合實際需要而進行研究的。 為了增強自動門運行的可靠性,提出了一種以S7-200可編程序控制器(PLC)為核心的自動門控制系統(tǒng)。分析了該控制系統(tǒng)的工作原理,描述了系統(tǒng)的硬件組成,介紹了人體感應探測、自動門運行位置檢測、門運行障礙檢測等控制電路的工作過程,對PLC的選型及I/O點的確定進行了說明。結合PLC的運行特點,對控制系統(tǒng)的工作流程作了合理的優(yōu)化。在此基礎上,采用結構化的編程方法,給出了主程序模塊、開門子程序模塊、關門子程序模塊的程序流程圖、順序功能圖、外部端子接線圖及PLC控制梯形圖等。系統(tǒng)已通過硬件和軟件調試,在實際中獲得了應用。應用結果表明,整個系統(tǒng)功能完善,性能可靠。 本設計介紹應用可編程控制器取代傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動門控制的過程。關鍵詞：可編程控制器、 S7-200、 自動門、 控制系統(tǒng)I 目 錄摘 要II前 言1第一章 緒論21.1 研究背景與研究意義21.2 自動門的簡介31.3 自動門的組成及分類31.4 本章小結4第二章 PLC的介紹及選擇52.1 PLC的簡介52.2 PLC的主要功能及特點52.3 PLC的組成與基本結構62.4 PLC的工作原理72.5 本章小結8第三章 自動門的執(zhí)行機構的設計93.1 穩(wěn)壓電源設計93.2 無刷直流電機的應用103.3 本章小結12第四章 自動門的硬件設計134.1 自動感應門的基本工作原理134.2 限位開關的工作原理144.3 光電開關的工作原理144.4 無刷直流電動機的工作原理144.5 PLC的選擇144.6 自動門的硬件部分174.7 本章小結18第五章 自動門的軟件系統(tǒng)195.1 控制系統(tǒng)流程設計195.2 MCGS組態(tài)控制設計205.3 PLC梯形圖的設計215.4 本章小結24結論25參考文獻26致 謝271引 言自動門控制系統(tǒng)，在現(xiàn)當代社會是一個應用非常廣泛的設備，自動門已經(jīng)廣泛應用于酒店、銀行、超市、停車場或公共建筑等入口，其主要核心部分自動門控制系統(tǒng)正是我們這論文的主要研究討論的課題。自動門是指:可以將人接近門的動作（或將某種入門授權）識別為開門信號的控制單元，通過驅動系統(tǒng)將門開啟，在人離開后再將門自動關閉，并對開啟和關閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。自動門的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。目前自動門及其自動化行業(yè)最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（以下簡稱PLC）,PLC是一種專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點例如：各種用可識別感應器控制的自動專用門。這是實現(xiàn)生活自動化進程的一個重要組成部分。自動門的問題研究，其控制系統(tǒng)可追溯到早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，已逐漸被淘汰。而基于PLC（可編程控制器，以下統(tǒng)一用“PLC”表示）控制自動門由于具有故障率低、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，因而得到廣泛的應用。所以此設計中，我以西門子公司S7-200系列PLC為控制系統(tǒng)的核心元件，作信號的處理工作。而感應部分，采用BISS0001芯片與RE200B熱釋電元件的組合，實現(xiàn)人或物體進出時的信號轉換裝置。而實現(xiàn)門的開與關，則用直流電機作為動力裝置，配以繼電器控制來達到電機正反轉動作，并加上行程開關作為限位，以實現(xiàn)該功能，因為以上器件在生活中非常容易購買，且價格適宜，同時也便于維護，非常適合廣泛生產(chǎn)應用。本課題所研究的自動門控制系統(tǒng)，主要通過PLC作為控制基礎，加上對紅外熱釋電傳感器的應用，從而實現(xiàn)了門的“自動”功能，此設計拓展了PLC的應用層面，增加了實現(xiàn)自動門控制系統(tǒng)的選擇性。0 第一章 緒論本章主要從自動門的研究背景與意義、自動門的介紹及起源、自動門的組成及分類三個部分來對自動門進行簡單的了解。1.1 研究背景與研究意義21世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調了有效性:有效的防范通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調門與建筑藝術的理念，強調門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調、和諧。自動門大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨具規(guī)模專業(yè)制造商。門的高級形式自動門起源在歐美，迅速發(fā)展至今，已經(jīng)形成了種類齊全、功能完善、造工精細的自動門家族。大中型公共場所，為這些建筑增添了亮麗、時尚的姿態(tài)。自動門從理論上理解應該是門的使用觀念的延伸，是人們根據(jù)需要對門的功能的提升和完善。所以對自動門的認識應該從人們對門功能的要求開始。作為建筑物一部分的門，從最基本的意義上講，要同時滿足隔離外部環(huán)境和不妨礙人的通行這兩種要求。因此門體本身應牢固、密封。自動門的普及和應用，改變了人們的防護意識，提升了人們的安全觀念。自動門除可美化出入口環(huán)境外，由于中國沒有相關的自動門國家標準，導致自動門檔次、質量良莠不齊。如果你沒有使用過自動門，最好選擇一個由專業(yè)廠生產(chǎn)、能提供較完善售后服務的自動門品牌（目前有很多自動門品牌是有一些貿(mào)易公司購買散件加上自己拼裝而成，應盡量避免購買此類產(chǎn)品）。不要認為樣本上全是外國語，資料也是外國語的商品就是進口商品，其實這樣是違反國家規(guī)定的。真正的知名品牌，合法的商品不會這樣做。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音，既方便又提高了建筑的檔次，浴室迅速在國內(nèi)外的建筑市場上得到大范圍的普及。同時也幾乎成為了銀行，寫字樓，酒店等辦公娛樂場所裝修所不可少的一項配置。自動門平移門最常見的形式是自動門機及門內(nèi)外兩側加雷達，當人走近自動門時，雷達感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動平移門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，既方便又提高了建筑的檔次，于是迅速在國內(nèi)外建筑市場上得到大范圍的普及。自動門的開門信號是觸點信號，微波雷達和紅外傳感器是常用的兩種信號源。微波雷達是對物體的位移反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動后，雷達便不再反應，自動門就會關閉，對門機有一定的保護作用。紅外傳感器對物體存在進行反應，不管人員是否移動，只要在處于傳感器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應即傳出觸點信號。缺點是紅外傳感器的反應速度較慢，適用于有行動遲緩的人員出入的場所。1.2 自動門的簡介自動門 英文名：automatic door 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀年以后。二十年代后期，美國的超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，世界第一自動門品牌多瑪在1945年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，新建大樓的正門也開始使用了。到了1962年，電氣式已開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設，自動門技術的領域每年都在增加。當初，用供給建筑物用電源進行電動機的速度控制很難，只好進行油壓、空壓速度控制，轉換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術已經(jīng)成熟，直接控制電動機的電氣式自動門逐漸成為主流。例如：各種用可識別控制的自動專用門，如：感應自動門(紅外感應,微波感應,觸摸感應,腳踏感應)、刷卡自動門等。利用腳踏板、光電束等作用以電力、氣壓或液壓為動力自動啟閉門扇的系統(tǒng)。公元1世紀,希臘人希羅建造的自動打開廟門的裝置是最早利用氣壓和液壓為動力的自動門。如圖所示，祭壇點火使1的空氣膨脹，水流入2，利用水的重量使軸3轉動,將門打開。祭壇滅火，門即自動關閉。現(xiàn)代自動門的操作主要有三種方。腳踏板式：在踏板之下裝有壓力開關。光電束式：在門的附近設置光束發(fā)射裝置和光電傳感裝置。按鈕方式：用手按類似開關的按鈕使門扇打開。自動門以滑動、鉸鏈或折疊等方式啟閉門扇。為了防盜，必須同時裝有特殊的設備，例如家庭用的自動門就需要裝設來人識別裝置或電視監(jiān)視器等，對家庭以外的人員進行嚴格限制。自動門在商場、賓館、飯店、機場、車站、銀行等場合已得到廣泛應用。1.3 自動門的組成及分類1.3.1 自動門的組成主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令、指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控制器調節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。感應探測器：負責采集外部信號，如同人們的眼睛，當有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號；動力馬達：提供開門與關門的主動力，控制門扇加速與減速運行。門扇行運軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。門扇吊具走輪系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶）：用于傳輸馬達所產(chǎn)動力，牽引門扇吊具走輪系統(tǒng)。下部導向系統(tǒng)：是門扇下部的導向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。1.3.2 自動門的分類自動門主要有:旋轉自動門、弧形自動門、平滑自動門、平開自動門、折疊自動門、重疊自動門、醫(yī)用自動門、卷閘自動門、車庫自動門、特種自動門。如圖1-1 弧形自動門 雙重平移自動門 雙扇平移自動門 圖1-1 自動門分類1.4 本章小結本章主要介紹了自動門控制系統(tǒng)的研究意義與背景、自動門的介紹與起源、自動門的組成及分類。主要是對自動門的發(fā)展歷史以及其基本概念有一個大致的了解，為下面的設計打下一個基礎。第二章 PLC的介紹及選擇可編程控制器（Programmable Controller 簡稱PLC）。PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破骶哂心芰姟⒖煽啃愿?、配置靈活、編程簡單等優(yōu)點，是當代工業(yè)生產(chǎn)自動化的主要手段和重要的自動化控制設備。由于PLC在自動化控制中的種種優(yōu)勢，因此被廣泛的引用于自動門系統(tǒng)中。2.1 PLC的簡介由于PLC在不斷發(fā)展，因此，對它進行確切的定義是比較困難的。美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經(jīng)過四年的調查工作，于1980年正式將可編程序控制器命名為PC（Programmable Controller），但為了與個人計算機PC（Personal Computer）相區(qū)別，常將可編程控制器簡稱為PLC，并給PLC作了定義：可編程序控制器是一種帶有指令存儲器、數(shù)字的或模擬的輸入輸出接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和運算等功能，用于控制器或產(chǎn)生過程的自動化控制裝置。1982年，國際電工委員會（International Electrical Committee，IEC）頒布了PLC標準草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中對PLC作了如下的定義：“PLC是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序控制器的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備，都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴展其功能的原則而設計?！鄙鲜龅亩x表明，PLC是一種能直接應用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字電子裝置，是以微處理器為基礎，結合計算機技術、自動控制技術和通信技術，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程是一種簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置。2.2 PLC的主要功能及特點2.2.1 PLC的主要功能1.開關邏輯和順序控制這是PLC應用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而可以實現(xiàn)各種控制要求。2.模擬控制（A/D和D/A控制）在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多連續(xù)變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。過去，PLC長于邏輯運算控制，對于模擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)，目前大部分PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用方便。3.定時/計數(shù)控制PLC具有很強的定時、計數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。對于定時器，定時間隔可以由用戶加以設定；對于計數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進行計數(shù)，則可以選擇高速計數(shù)器。4步進控制PLC為用戶提供了一定數(shù)量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步進控制功能。5.運動控制在機械加工行業(yè)，可編程序控制器與計算機數(shù)控（CNC）集成在一起，用以完成機床的運動控制。6.數(shù)據(jù)處理大部分PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，它不僅能進行算術運算、數(shù)據(jù)傳送，而且還能進行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)顯示打印等操作，有些PLC還可以進行浮點運算和函數(shù)運算。7.通信聯(lián)網(wǎng)PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。2.2.2 PLC的特點1.可靠性高，抗干擾能力強 2.配套齊全，功能完善，適用性強 3.易學易用，深受工程技術人員歡迎 4.系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 5.體積小，重量輕，能耗低 2.3 PLC的組成與基本結構PLC是微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC也是一種計算機系統(tǒng)，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的輸入/輸出接口，具有更適用于控制要求的編程語言，具有更適應于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。因此，PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。2.3.1 PLC的硬件系統(tǒng)PLC的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)（如圖2-1）輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)及外部設備組成。圖2-1 PLC硬件主機系統(tǒng)圖2.4 PLC的工作原理可編程控制器是一種專用的工業(yè)控制計算機，其工作原理與計算機控制系統(tǒng)的工作原理基本相同。PLC是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務的循環(huán)序列稱為掃描。CPU對用戶程序的執(zhí)行過程是CPU的循環(huán)掃描，并用周期性的地集中采樣、集中輸出的方式來完成。一個掃描周期（工作周期）主要成分為以下幾個階段：1.輸入采樣掃描階段這是第一個集中批處理過程，PLC按順序逐個采集所有輸入端子上的信號，不論輸入端子上是否接線，CPU順序讀取全部輸入端，將所有采集到的一批輸入信號寫到輸入映像寄存器中，在當前的掃描周期內(nèi)，用戶程序用到的輸入信號的狀態(tài)是否變化。即使此時外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，也只能在下一個掃描周期的輸入采樣掃描階段去讀取，對于這種采集輸入信號的批處理，雖然嚴格上說每個信號被采集的時間有先有后，但由于PLC的掃描周期很短，這個差異對一般工程應用可忽略，所以可以認為這些采集到的輸入信息是同時的。2.執(zhí)行用戶程序掃描階段是第二個集中批處理過程，在執(zhí)行用戶程序階段，CPU對用戶程序按順序進行掃描。如果程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、從左到右的順序進行掃描，每掃描到一條指令，所需要的輸入信息的狀態(tài)均從輸入映像寄存器中去讀取，而不是直接使用現(xiàn)場的立即輸入信號。對其他信息，則是從PLC的原件映像寄存器中去讀取，在執(zhí)行用戶程序中，每一次運算的中間結果都立即寫入元件映像寄存器中，對輸出繼電器的掃描結果，也不是馬上去驅動外部負載，而是將其結果寫入到輸出映像寄存器中。在此階段，允許對數(shù)字量I/O指令和不設置數(shù)字濾波的模擬量I/O指令進行處理，在掃描周期的各個部分，均可對中斷事件進行響應。在這個階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行而變化的。3.輸出刷新掃描階段這是第三個集中批處理過程，當CPU對全部用戶程序掃描結束后，將元件映像寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅動各輸出繼電器所帶的負載。2.5 本章小結本章主要介紹了PLC的基本概念、PLC的主要功能及特點、PLC的組成與基本結構、PLC的工作原理四個方面的內(nèi)容。通過對PLC的了解，掌握其基本功能，將其運用到自動門控制系統(tǒng)中去。第三章 自動門的執(zhí)行機構的設計本章主要是在上一章的基礎上對自動門的執(zhí)行機構進行設計，執(zhí)行機構主要分為有穩(wěn)壓電源設計、直流無刷電動機的應用這兩大部分，同時能夠通過這個設計對穩(wěn)壓電源的設計及無刷直流電動機有更深的了解。3.1 穩(wěn)壓電源設計隨著自動門的不斷發(fā)展，被越來越多的應用于各建筑物，廣泛的應用也使其安全變的越來越重要。對電源的影響因素是多方面的，其中主要干擾，來自噪聲的影響。因此，為了提高自動門的運行穩(wěn)定性，穩(wěn)定的電壓和較小的波紋是重點考慮的問題。較為普遍的穩(wěn)壓裝置是變壓器，因為它價格實惠，但有一定的弱點，對于電源的穩(wěn)壓性能并不是很強。因此我們需要設計穩(wěn)壓電源并根據(jù)無刷直流電機供電要求選擇合理的電路參數(shù)，同時需要合理設計交流濾波器以減少電磁干擾。由于自動門工作時間長、安全性要求高，因此從電網(wǎng)電源開始，就應用了過流、過熱保護以盡量避免意外發(fā)生。保護電路有多種形式，下面是一種保護電路的框圖（圖3-1）。圖3-1 保護電路框圖過壓保護采用壓敏電阻和瞬變電壓抑制器，以防止雷擊等意外事故產(chǎn)生的瞬間高壓。交流EMI濾波器主要是用來抑制共模、共差干擾。如圖（圖3-2）所示，它主要包括兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，電路包括共模扼流圈、濾波電容、共模濾波電容。圖3-2 交流EMI濾波器自動門的整流電路主要是把交變的交流電轉換成穩(wěn)定的直流電，使電源適合各種驅動裝置（如無刷直流電機）的使用。全橋是由4只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構成的。全橋的正向電流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A等多種規(guī)格，耐壓值（最高反向電壓有）25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多種規(guī)格。下圖（圖3-3）是其電路圖形符號與內(nèi)部電路。圖3-3 電路圖形符號與內(nèi)部電路3.2 無刷直流電機的應用目前自動門中的動力部分主要有無刷直流電機、交流變頻電機及步進電機的使用。今以無刷直流電機為例來介紹自動門系統(tǒng)中執(zhí)行機構的設計。下圖是電機的主電路圖（圖3-4）：圖3-4 主電路圖 無刷直流電機需要控制器來進行控制，MC33035無刷直流電機控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下保證高品質和高穩(wěn)定性。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時序的轉子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進行補償?shù)膮⒖茧娖?，同時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調制器比較器、三個集電極開路頂端驅動輸出和三個非常適用于驅動功率場效應管（MOSFET）的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外，MC33035還有欠鎖定功能，同時帶有可選時間延遲鎖存關斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部運行使能等。自動門控制要求。物體靠近門時傳感器獲得信號傳給控制器，控制器根據(jù)當前所在位置決定門的動作。有三種情況：門處于關閉狀態(tài)，控制器應驅動執(zhí)行電機以最佳速度曲線打開門。門處于半開狀態(tài)，控制器應根據(jù)門當前所在位置，以適當?shù)乃俣闰寗訄?zhí)行電機開門。門處于開啟狀態(tài)，控制器使門保持開啟狀態(tài)。無物體靠近門時：如果門處于開啟狀態(tài)，延時適當?shù)臅r間后以最佳速度曲線關閉門：如果門處于關閉狀態(tài)，維持相應的開、關門速度曲線如圖一所示。關門時：OA段為加速段，AB段為穩(wěn)速運行段，BC段為減速停止（門關到位）段。開門時：CB段為加速段，BA段為穩(wěn)速運行段，OA段為減速停止（門開到位）段。根據(jù)自動門控制要求，系統(tǒng)原理框圖如下圖（圖3-5）所示。開門門磁：檢測門的最大開啟位置，門開后驅動電機停止工作，并防止開門過量而損壞系統(tǒng)部件。閉門門磁：檢測門的關閉位置，門關后驅動電機停止工作。驅動器：擴大驅動功率以驅動150w的無刷直流電機。工作指示燈：（a）有電源指示燈；（b）正常、故障指示燈。超過預期時間門不到位即是故障狀態(tài)。圖3-5 系統(tǒng)原理框圖3.3 本章小結本章主要是對自動門控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構進行設計。主要設計的分為穩(wěn)壓電源和無刷直流電機的應用兩大部分。通過這個設計能更多的了解穩(wěn)壓電路特點結構等方面，也對無刷直流電機有了很多認識，最重要的是能夠掌握其在自動門控制系統(tǒng)中的應用。第四章 自動門的硬件設計自動門的硬件根據(jù)不同的類型各有不同，此以平移型感應門為例子介紹它的硬件，主要有：自動感應門主控制器，自動感應探測器，自動感應門動力馬達，自動感應門門扇行進軌道，門扇吊具走輪系統(tǒng)，同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶），自動感應門下部導向系統(tǒng)：是門扇下部的導向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。大體分為6部分如圖4-1。圖4-1 硬件組成框圖4.1 自動感應門的基本工作原理首先，平移式自動感應門由以下部件組成：（1）主控器：它是自動感應門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令，指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。（2）感應探測器：負責采集外部信號，如同人的眼睛，當有移動物體進入它的 工作范圍時，它就給主控器一個脈沖信號。（3）無刷直流電動機：提供開門與關門的主動力，控制自動感應門的速度。（4）自動感應門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定的方向行進。（5）門扇吊具走輪系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力的牽引下帶動門扇運行。（6）同步皮帶：用于傳輸馬達所產(chǎn)動力，牽引自動感應門扇吊具走輪系統(tǒng)。（7）下部導向系統(tǒng)：是自動感應門門扇下部的導向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)門體擺動。自動感應門門扇完成一次開門與關門，其工作流程如下：感應探測器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達，同時監(jiān)控馬達轉數(shù)，以便通知馬達在一定時候加力和進入慢行運行。馬達得到一定運行電流后做出正向運行，將動力傳給同步皮帶，再由同步帶將動力傳給吊具系統(tǒng)使自動感應門門扇開啟；自動感應門門扇開啟后由控制器做出判斷，若需關閉自動感應門，通知馬達做相反運動，關閉自動感應門。4.2 限位開關的工作原理行程開關又稱為限位開關，用于控制機械設備的行程及保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝有生產(chǎn)的機械部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。4.3 光電開關的工作原理它是光電接近開關的簡稱，是利用被測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通所要接通的電路，從而檢測物體的有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉化為光信號射出，接受器再根據(jù)接受到的光線強弱或有無目標物體進行探測。4.4 無刷直流電動機的工作原理是將交流電源整流后變成直流，再由逆變器轉換成頻率可調的交流電，但是，注意此處逆變是工作在直流斬波方式。它是由同步電動機和驅動器組成，是典型的機電一體化產(chǎn)品。同步電動機的定子繞組多做成對成星型接法，同三相異步電動機十分相似。而轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不像異步電動機那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅損耗又無鐵損耗，所以效率比同容量異步電動機高10左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（cos）比同容量異步電動機高12-20。因此，它采用的是方波自控永磁式同步機，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉子的永磁材料；產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點，同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點，數(shù)字式控制，是當今最理想的調速電機。4.5 PLC的選擇在PLC系統(tǒng)設計時，首先要確定控制方案，下一步的工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此工程設計選型和估算時，應該詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍，確定所要的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估計輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。4.5.1 輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)的估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10到20的可擴展。留有余量后，就作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。在實際訂貨時，還需要根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法本設計的I/O點數(shù)為輸入12點，輸出12點。4.5.2 存儲器容量的選擇存儲器容量是可編程控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目實用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。在設計階段，由于用戶的程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，須在程序調試之后在知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量估算來代替，存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的形式，許多文獻資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10到15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此為內(nèi)存的字數(shù)（16位為一字），另外再按次數(shù)的25考慮余量。因此，本設計的PLC內(nèi)存容量選擇應能存儲索要儲存的程序，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。4.5.3 控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等性能的選擇。 根據(jù)本設計的要求，主要由以下幾種功能的選擇。（1）控制功能 PLC主要用于順序邏輯控制，因此，在大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需要的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。（2）編程功能 離線編程方式：PLC和編程器共用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場進行控制，不能進行編程。在線編程方式：CPU和編程器都有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，在下一個掃描周期里，主機就根據(jù)新收到程序運行。這種方式成本高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大型PLC中常采用。編程軟件應該帶有五種標準化的編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）、語言表（IL）、和結構文本（ST）。選用的編程語言應遵守標準（IEC6113123），同時，也應支持多種語言編程方式，如C語言，Basic語言等，以滿足特殊控制場合的控制要求。（3）診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷是通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置。軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷，通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。4.5.4 機型的選擇（1）PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊型，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型的PLC的I/O點數(shù)是固定的，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理的選擇和配置系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方面靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。（2）經(jīng)濟角度的考慮 在選擇PLC時，應該考慮其性能價格比?？紤]經(jīng)濟時，也應該同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素。進行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接的影響，當點數(shù)增加到一定數(shù)值后，相應的存儲器容量也應增加。因此，點數(shù)的增加對PLC選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有一定的影響。所以，在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本設計的自動門屬于小型控制系統(tǒng)，結合經(jīng)濟性的考慮，選用整體型PLC。4.5.5 對PLC響應時間的選擇對于多數(shù)場合，PLC的響應時間基本上能滿足控制要求。響應時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。PLC的工作方式?jīng)Q定了它不能接受頻率過高或持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號，當有此類信號輸入時需要選用掃描速度高的PLC或快速響應模塊和中斷輸入模塊。綜合以上的因素，本設計采用德國西門子公司生產(chǎn)的CPU224小型PLC來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。西門子S7-200系列PLC是西門子公司20世紀90年代推出的整體式小型可編程控制器，開始被稱為CPU21X，后被稱為CPU22X。其結構緊湊、功能強，具有很高的性能價格比，在中小規(guī)模控制系統(tǒng)中應用廣泛。在此設計中我們選擇S7-200 CPU224，它具有14輸入/10輸出，I/O共計24點。存儲容量大，有7個擴展模塊，有內(nèi)置時鐘，有更強的模擬量和高速計數(shù)處理能力。西門子S7-200 CPU224如下圖（圖4-2）圖4-2 S7-200CPU224圖對于本次自動門的設計，所選PLC為西門子S7-200 CPU224就能滿足要求，其性能如下表4-1：表4-1 S7 200的參數(shù)表主要性能集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點其他性能20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的高速計數(shù)器（100KHZ），2個100KHZ的高速脈沖輸出，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議，MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力特點本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O，位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等4.6 自動門的硬件部分主要是從以下幾個方面進行硬件設計：驅動裝置的選型、感應器件的選型、自動門控制系統(tǒng)I/O地址的分配。4.6.1 驅動裝置選型自動門的驅動裝置是自動門能否良好工作的保障，在本設計中是運用直流無刷電機。直流無刷電動機功率密度高，噪音極小，調速性能好，即具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機的線性機械特性、調速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等諸多優(yōu)點。是應用于“輕、小、薄、安靜、精密、可靠”等場合的最佳選擇。本設計選用亞坦電機控制有限公司生產(chǎn)的45BLDC系列直流無刷電機，電機直徑45，額定轉數(shù)4000轉，額定轉矩0.036N.m，功率15W-100W，額定電壓24V DC。4.6.2 感應器選型目前，自動門行業(yè)運用的感應器件主要由微波感應器、紅外線感應器等。（1）微波感應器，又稱微波雷達，對物體的移動進行反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所。微波感應器是以微波多普勒原理為基礎，平面型天線作感應系統(tǒng)，以微處理器作控制。微波感應器的特點：是以10.525GHz微波頻率發(fā)射、接收。其探測方式具體有以下優(yōu)點：非接觸探測和不受溫度、濕度、噪音影響。（2）紅外感應器，是對物體的存在進行反應，不管人員是否移動，只要處于感應器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應，另外，紅外感應器的反應速度比微波感應器慢。根據(jù)不同的功能和性能運用在各類不同場合的自動門控制系統(tǒng)中，感應器是自動門系統(tǒng)的重要部位，其性能直接影響自動門系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定，結合本設計要求，選用上海安達門業(yè)裝飾有限公司的微波自動門感應器WB-3004，其規(guī)格如下表4-2： 表4-2 感應器的參數(shù)表型號WB-3004供電電壓AC/DC12VAC/DC24V工作頻率50Hz60Hz感應探頭工作頻率10.525GHz(9.00GHz12.00GHz)工作指示方式LED感應時間/延時時間REAL-TIME/0.5SEC感應范圍4.0M(W)X3.0M(D)靜態(tài)功耗：工作功耗：200Mw/12V550Mw/12V探頭可調角度40160工作溫度范圍-25+60相對濕度095安裝方式WALL4.6.3 自動門系統(tǒng)I/O地址的分配情況輸入/輸出信號在PLC接線端子的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設計基礎。對軟件設計來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖來安裝控制柜。I/O地址分配是編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是現(xiàn)成接線和調試的重要依據(jù)。PLC控制系統(tǒng)的I/O地址分配如下表4-3：表4-3 I/O地址分配表I0.1門外光檢測電開關I0.2門內(nèi)光檢測電開關I0.3開門限位電開關I0.4關門限位電開關I0.5過載保護開關I0.6緊急停車開關I0.7啟動停止I1.0手動開門I1.1手動關門4.7 本章小結本章主要是在上一章執(zhí)行機構設計的基礎上對自動門的硬件系統(tǒng)進行選擇與設計。其中主要是從以下幾個方面進行硬件設計：驅動裝置的選型、感應器件的選型、自動門控制系統(tǒng)I/O地址的分配。使我對這些硬件有了更深的了解。第五章 自動門的軟件系統(tǒng)本章主要是對自動門控制系統(tǒng)的軟件部分進行設計。通過上章對自動門控制系統(tǒng)的硬件部分的設計本章軟件采用MCGS組態(tài)軟件、IPC和PLC構成監(jiān)控系統(tǒng)。首先提出系統(tǒng)控制要求，然后對自動門對象進行分析，確定控制方案。5.1 控制系統(tǒng)流程設計當門扇要完成一次開門與關門 圖5-1 自動門系統(tǒng)流程圖框圖說明如下:（1）當有人有內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關K1或K2時，開門執(zhí)行機構KM1動作，電動機正轉，到達開門限位開關K3位置時，電機停止運行。（2）自動門在開門位置停留8s后，自動進入關門過程，關門執(zhí)行機構KM2被啟動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關K4位置時，電機停止運行。（3）在關門過程中，當有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關K2或K1時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。（4）在門打開后的8s等待時間內(nèi)，若有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關K2或K1時，必須重新開始等待8s后，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。5.2 MCGS組態(tài)控制設計5.2.1 自動門組態(tài)控制對象分析:被控對象自動門被控參數(shù)開關門動作、報警燈閃爍控制目標是自動門能夠接收開門、關門、停止等命令，并發(fā)出正、反轉信號，大門動作后，還應能夠檢測是否已經(jīng)全部打開或關閉，是否夾到人或物品，能夠自動打開。控制變量共兩個，分別控制正轉繼電器和反轉繼電器5.2.2 自動門監(jiān)控系統(tǒng)初方案指定從人身安全、公共利益，提高自動化程度、降低勞動強度考慮，本系統(tǒng)選擇閉環(huán)方案。自動門控制系統(tǒng)的閉環(huán)方案如圖5-2：圖5-2 閉環(huán)控制自動門系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制需要安裝3個傳感器，檢測門是否已全部打開、關閉，是否夾到人或物品，閉環(huán)控制在硬件結構上比開環(huán)開銷稍大，但可以實現(xiàn)到位后自動打開。5.2.2 自動門組態(tài)控制實時數(shù)據(jù)根據(jù)自動門組態(tài)對象的分析本設計需設置如下圖5-3的變量：圖5-3 自動門實時數(shù)據(jù)5.3 PLC梯形圖的設計5.3.1 梯形圖編輯注意事項（1）每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一個編號，每個元件的觸點使用沒有數(shù)量限制。（2）梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。（3）線圈不能直接接在左邊母線上。（4）在一個程序中，同一編號的線圈只能輸出一次。（5）在梯形體中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有電流流動，這個電流只能在梯形圖中單向流動即從左向右流動，層次的改變只能從上向下流動。（6）無論選用何種PLC機型，所使用的軟件編號（即地址）必須在該機型的有效范圍以內(nèi)。5.3.2 梯形圖以及指令圖5-4 自動門開門梯形圖圖5-5 自動門運行梯形圖圖5-6 自動門關門梯形圖圖5-7 自動門開門語句表圖5-8 自動門運行及關門語句表5.3.3 過程分析1.首先按下啟動按鈕使I0.7閉合，若外檢測開關或內(nèi)檢測開關有信號時I0.1或I0.2閉合。由于開門限位開關I0.3是長閉的，所以Q0.0線圈通電，有原理分析可知光電檢測開關的觸發(fā)方式是脈沖觸發(fā)所以需要自鎖。當Q0.0線圈通電時Q0.0閉合，此時電動機正轉帶動自動門扇移動，執(zhí)行開門過程。2.當門扇完全打開時，使開門限位開關I0.3打開，Q0.0線圈斷電.電動機停止轉動。3.當門扇停止移動時，由于開門限位開關的長閉變成長開，故使長開閉合。進行8秒的延時，若此時外檢測開關或內(nèi)檢測開關I0.1或I0.2有信號，則使T0重新延時。4.當8秒的延時完畢后T0線圈通電，關門限位開關關閉，所以使Q0.1通電并自鎖，電機反轉執(zhí)行關門過程。5.在關門過程中，若外檢測開關或內(nèi)檢測開關I0.1,I0.2有信號又使Q0.0通電，由于在關門過程中Q0.0長閉，此時打開并中斷關門過程，轉向開門過程。6.在此控制過程中，為了保證其安全性設置過載保護和緊急停車。7.考慮到主動門若出現(xiàn)故障時，使用自動控制系統(tǒng)有所不適，于是設置手動開門和手動關門。5.4 本章小結本章通過對自動門軟件部分的設計,完成了