基于PLC自动门控制系统设计Word文件下载.docx

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在国外，进入新世纪以来，自动化技术发展很快，技术相对成熟，并获得了惊人的成就。

自动化技术是自动门技术的重要组成部分，在现代人们生活中，自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘。

同时可以使入口显得庄重、高档。

因此应用非常广泛。

自动门、智能门控的主要产品品牌均来自于：

美国、德国、韩国、日本等国家和地区的著名电器制造商制造。

比如国外的品牌有：

日本扶桑，中美合资奥都马，美国德罗思等。

在国内，随着我国经济的飞速发展。

自动门在人们生活中的运用越来越广泛，自动自动门适用于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等。

但在国内，自动门自主研发尚处于初级阶段。

在自动自动门控制系统中：

稳定、节能、环保、安全及人性化石需要首先考虑的因素。

自动门的控制方式有许多种，比如从控制器的不同上来分，有传统的继电器控制，就是通过按钮和复杂的连线安装来控制；

另一种就是智能控制器控制，就是通过运用现代化的自动化设备来控制，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控自动门系统存在很多的缺陷而慢慢的被智能化的控制器所取代。

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）控制两种。

微电脑控制的优点是体积小，安装方便等。

而PLC控制器的优点是稳定性高，维护方便等。

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：

（1）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。

（2）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PLC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自动门的控制要求

（1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。

（2）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。

（3）在关门过程中，当有人员由外到内或由内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。

（4）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内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。

2.3自动门控制系统构成

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。

2.3.1PLC概述

可编程控制器，英文ProgrammableController,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控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，它通过运行储存在其内存中的程序，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。

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，如便于安装便于门内外感应采集信号，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。

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，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本功能：

（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。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎都可以做到。

像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的，更是传统的继电器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、智能化创造了条件。

现代化工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。

PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程人员的欢迎。

其主要特点有:

抗干扰能力强，可靠性能高

控制系统结构简单，通用性强

编程方便，易于使用

功能强大，成本低

设计、施工、调试的周期短

维护方便

（1）PLC与其它典型控制系统的区别

继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点。

是设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

控制逻辑

继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想在改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差，而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式储存在内存中，要改变控制逻辑，只需要改变程序即可，因此灵活性和扩展性很好。

工作方式

电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时处于受控制状态，它属于并行方式。

而PLC得控制逻辑中，各内部期间都处于周期性扫描过程中，各种逻辑、数值输出地结果都是按照在程序中的前后顺序计算出来的，它属于串行方式。

PLC有微型计算机的许多特点，但他的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式。

而PLC则采用不断循环的顺序扫描的工作方式。

每次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令开始，按顺序逐条的执行用户程序知道用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。

PLC就是这样周而复始的重复上述循环扫描的，这种工作方式是在系统的控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。

PLC是一种工业控制计算机，所以他的工作原理是建立在计算机的工作原理基础上的，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。

但是CPU是分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序一次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。

由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入输出的响应是有滞后的。

控制速度

继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作一般几十毫秒数量级。

另外机械触点还会出现抖动问题；

而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。

（2）与单片机控制系统的区别

本质区别

单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制系统是基于板级或模块级的系统。

其实PLC本身就是一个单片机系统，他是已经开发好的单片机产品。

开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在产品的单片机控制系统上进行二次开发。

使用场合

单片机控制系统适合于家电产品、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用；

而PLC控制系统适合在单片机电气控制系统、工业控制领域的制造业自动化和过程中使用。

使用过程

设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需要的电子元件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰等大量工作需要专门的开发装置和低级编辑语言控制程序，进行系统联调；

而PLC不必操心内部的计算机系统是否可靠和他们的抗干扰能力，软件设计使用工业编程语言，相对来说比较简单。

进行系统调试时，因为有好的工程工具帮助，所以非常容易。

2.3．2具体构成

自动门系统的具体组成如下图：

图1

由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC,PLC根据已经采集的信号发出控制信号，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。

2.4自动门的机械传动机构设计

在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，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版，轨道，门机，皮带，吊挂件等。

（2）所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。

（3）电机：

驱动电机采用64V直流电动机，功率大，可调性强。

（4）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。

（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，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。

3自动门控制系统的硬件设计

3.1PLC的选择

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，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，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

（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，通常根据统计的输入输出点数，在增加10%到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）存储器容量的选择

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实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。

设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须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代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到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），另外再按次数的25%考虑余量。

因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，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

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性能的选择。

根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。

控制功能

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

编程功能

离线编程方式：

PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。

完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。

离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

编程方式：

CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，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送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。

这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化变成语言：

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言表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

诊断功能

PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。

硬件诊断通过硬件的逻辑判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，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤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能力的要求，并影响平均维修时间。

（4）机型的选择

PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块两类型型，按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/0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/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

经济的考虑

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，最终选出比较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。

在估算和选用时应充分考虑，使整个控制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控制系统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。

（5）对PLC响应时间的要求

对于多数场合，PLC的相应时间基本上能满足控制要求。

响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。

PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。

综合以上因素，本课题的设计日本三菱公司生产的FX1S小型PLC来实现整个系统的控制。

3.2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。

在本设计中是运用直流无刷电机。

直流无刷电机功率密度高，噪音极小、调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。

是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择本设计选用的是亚坦电机控制有限公司生产的45BLDC系列直流无刷电机，电机直径φ45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m，功率15W～100W。

额定电压24VDC。

3.3感应器件的选型

目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。

微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面型天线昨感应系统，以微处理器作控制。

整机关键元器件均为进口器件，方案设计选择器件均确保了产品可靠性。

微波感应器的特点：

微波感应器是以10.525GHz微波频率发射、接收。

其探测方式具体如下优点：

（1）非接触探测。

（2）不受温度、湿度、噪音。

红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢。

根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，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自动门的人员检测上运用上海顺安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB-3004，其规格如下：

表1

型号

WB-3004

供电电压

AC/DC12V-AC/DC24V

工作频率范围

50Hz-60Hz

感应探头工作频率

10.525GHz（9.00GHz-12.00GHz）

工作指示方式

LED

感应时间/延时时间

REAL-TIME/0.6SEC

感应范围

4.0M（W）*3.0M（D）

静态功耗

工作功耗

200Mw12V

550Mw12V

探头可调节角度

40-160°

工作温度范围

-25℃-+60℃

相对湿度

0-95%

安装方式

WALL

3.4直流电动机的选型

3.4.1直流电动机的调速

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。

因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。

这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。

由直流电动机的转速公式：

n=（U-IaRa）/KEΦ

可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。

但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。

现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

（1）调磁法

即改变磁通量Φ。

当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，所示。

由于

　n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·

T

可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图14所示。

在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。

由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞nn）。

调速的过程是：

当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。

由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·

Φ·

n就减小，Ia随之增加。

由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。

如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。

随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。

但这时转速已比原来升高了。

必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。

这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。

这种调速方法有3个优点：

调速平滑，可无级调速；

调速经济，控制方便；

机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。

因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。

在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

（2）调压法

即改变电压U。

当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由

n=U/KT·

Φ-Ra/KE·

KT·

Φ2·

可见，n0变低了，但△n未改变。

因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。

在一定负载下，U愈低，则n愈低。

由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调（nn）。

当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。

如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。

随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T=Tc时为止。

但这时转速已比原来降低了。

由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。

这种调速方法有下列优点：

机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；

调速幅度大；

可均匀调节电枢电压；

得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。

近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这