基于PLC控制的平滑自动门电气控制系统设计李宏鹏廖曦文Word格式文档下载.docx

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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，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。

目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（简称PLC），PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，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，能耗低等优点，因而得到广泛应用。

本课题就是基于西门子公司的S7-200PLC、利用变频器调速而设计的多功能实用型平滑自动门控制系统。

第1章设计任务与目的

1.1设计背景

自动化的发展与应用给人们的生活带来了无穷便利，融入生活的方方面面。

生活中无处不存在着自动化气息，甚至连我们常见的门也加入了自动化的行列。

众所周知，自动门已经依靠其特有的优势广泛的应用于商场、银行、学校、宾馆等场所。

自动门控制系统各种各样，都有着其优点与缺陷。

从早期繁杂的继电器逻辑控制到现在高级芯片的应用，自动门的发展日新月异。

简单实用稳定可靠的的自动门控制系统有着其经济价值和普及性。

本课题基于此原因，分析自动门基本工作原理、硬件组成、软件流程等理论知识，运用自动化专业学习到的知识设计一个简易平滑自动门控制系统。

1.2设计意义与目的

本次设计首先参考已经成熟的多种自动门控制系统，分析其优缺点和控制精髓，了解自动门基本控制思想。

利用所学的传感器检测、电机拖动、自动控制系统、自动控制理论、现代电气控制及PLC等专业知识，独立从硬件、软件、调试、仿真设计一个自动门控制系统，将所学知识应用实际，在设计中提高系统控制思想合和动手能力。

本次设计要求达到的目标如下：

（1）初步掌握一般电气控制技术，PLC应用技术及其设计的基本方法。

（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。

（3）巩固常用电子仪器的使用方法。

（4）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风。

1.3设计任务

本次平滑自动门控制系统设计包括：

（1）分析商用平滑自动门运行特点，给出调速特性

（2）分析平滑自动门的驱动及调速控制机理

（3）分析平滑自动门的各种保护功能

（4）分析平滑自动门的各种功能设定

（5）设计电机电气控制系统

（6）设计基于PLC的控制系统架构

（7）设计变频调速控制子系统

（8）设计保护及功能设定子系统

（9）PLC编程及仿真调试

（10）完整的课程设计报告

第2章自动门概述

1.1自动门介绍

自动门是门的一种，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。

自动门起源于20世纪30到40年代，当时主要用于军事仓库、重要工厂，为的是防火、防弹及开门方便。

20世纪50年代后，自动门应用日渐广泛，形成批量生产。

许多大型银行、宾馆、酒店、大厦为提高档次和服务水平，为了与高层次的建筑相匹配，竞相采用自动门，促进了自动门的迅速发扎。

真正较大规模生产和应用时70年代以后的事。

目前自动门的主要生产国是美国、德国、意大利、荷兰和日本等发达国家。

自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，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（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。

1.2自动门分类

自动门可根据不同特点进行分类。

根据门的结构特点，自动门主要分九大类，即自动旋转门、圆弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、伸缩式自动门、卷帘式自动门、提升式自动门及自动挡车器。

按用途分类，自动门主要分五大类，即民用自动门、商用自动门、工业用自动门、车库用自动门及庭院自动门。

1.3自动门基本组成

自动平移门机组由以下部件组成：

（1）主控制器：

它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；

同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

（2）感应探测器：

负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；

（3）动力马达：

提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

（4）门扇行进轨道：

就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。

（5）门扇吊具走轮系统:

用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。

（6）同步皮带：

用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。

（7）下部导向系统：

是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。

1.4平滑自动门工作原理

　感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。

马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；

门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。

1.5商用平滑自动门运行特点

商用平滑门使用广泛，有着其独特的运行特点。

（1）自动启闭，使用方便。

自动门以微电脑控制门扇的启闭和速度，系统自我监视，自动门控制定好的最佳模式运行。

使用方便，断电后可以手动，门的阻力很小，手动轻便灵活。

（2）运行平稳、安静、可靠，通行效率高。

门扇运行中根据设定值，速度快慢可自行变换。

根据现场需要进行最佳的开启和关闭动作调节，通过最佳制动控制使门扇开闭平顺，出入顺畅。

由于吸音结构导轨，自动门特别适合宁静环境。

若采用直流电机，使门扇开启速度更加迅速。

开启和关闭快速，大大提高了通行效率。

（3）运行安全可靠。

自动门在关闭时，如果碰到人或物体会迅速后退自动打开，确保人与物的安全，再次关闭至受阻位置时改用慢速至全比，以测试阻碍物是否存在。

（4）密封性能好，节省能源。

自动门可以自动调节开门的宽度，在冬夏两季开门宽度可以调节到更小些，这样可以节省暖气和冷气费用。

又因为门扇开关速度很快也会很好地保持密封性，防止灰尘进入。

（5）具有自动补偿功能，环境适应能力强。

自动门在运行中因风力加大或其他因素阻力增加时，自动门的补偿机构会自动提高驱动力，以补偿外界环境变化的需要。

（6）设备可靠，可保证连续运行吴故障。

自动门若采用直流电机可靠的电控系统和安全系统设计，自动门可保证能连续运行而不停止。

全部控制电流触点不使用物理电器触点而采用光电耦合器，因而无造成故障的电气触点，这会大大延长使用寿命，消除运行中的故障。

（7）维护简单、方便。

万一出现故障，自动门维修简单，进行简单的调整就可设定准确的开启和关闭动作。

电机部件和控制部件安装和拆卸方便，很容易装入规定位置，门扇的安装和调整也很方便。

所偶的电气接线都采用快速连接器，不需要配线，保证接线快速。

1.6平滑自动门调速特性分析

平滑自动门打开时采用加速、全速、制动后中速、慢速、停止、全部打开、保持一段时间的控制方式，使其快速启动，慢速停止，保证运行稳定。

使用变频器控制驱动电机，从而调节运转速度。

采用变压变频技术，在不同时段选择不同电压、频率，达到不同转速。

频率平稳下降，而非跳跃式骤降，这样保证了自动门平滑的运行特性。

同样，在关门时，也采用加速、全速、制动后中速、慢速、停止、全部关闭的控制手段。

频率的改变有安装在自动门顶部的多个限位开关控制，分别控制中速、慢速、停止。

第3章自动门总体方案设计

3.1系统设计基本步骤

一个好的PLC控制系统要有完整的、清晰的、可行的系统设计步骤，见图3-1。

图3-1PLC控制系统设计步骤

在自动门控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：

（1）深入了解和分析评估自动门的控制任务。

（2）根据I/O点数选定PLC型号、容量、生产厂家等。

（3）选择I/O设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、蜂鸣器等。

（4）I/O地址分配，编制输入输出分配表，包括名称、代码、地址。

（5）分解控制任务。

把一个完整系统的控制任务和过程分解成独立或相对独立的几个部分，把各部分操作的功能描述、逻辑关系、接口条件等详细罗列出来。

（6）硬件系统设计。

主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计、安全电路的设计以及抗干扰措施的设计等。

（7）安全电路、保护功能设计。

为防止突发的或不可预知的安全问题，引起故障，导致人身财产损失，必须考虑采用独立于PLC的机电冗余设置保护功能，防止不安全操作。

（8）软件设计。

列出程序流程图，使用梯形图设计程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。

（9）系统调试。

将程序下载至PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

（10）文档编制。

系统完成后要及时整理技术材料并存档，需要编制的文档有系统设计方案、原器件清单、软件系统结构和组成、系统使用说明书。

3.2系统基本原理框图

平滑自动门系统基本工作原理为门内外感应探测器将门内外进出检测信号传送给PLC，PLC将控制信号通知给变频器和驱动电机，变频器负责调节驱动电机的运行速度，使其平稳运行；

驱动电机经过传动装置控制门的开合，以便人进出。

还设置模式转换开关以便在不同时段和遇到故障时进行人工控制。

另外，还设置了安全传感器，在进出时遇到故障立刻启动保护功能。

蜂鸣器在门开合时发出提示音。

故障指示功能在自动门运行遇到故障时提示管理人员。

基本原理框图见图3-2。

图3-2平滑自动门控制系统基本原理框图

3.3自动门功能设定

一个实用性强、适用范围广泛、运行可靠的商业平滑自动门控制系统，应该具备多种工作模式以供选择，以便在不同时段、不同情况下合理控制。

另外，还应该具备保护功能，保证行人通行顺畅、运行安全。

3.3.1工作模式分析

（1）自动模式

在人流量不大时，使用自动模式，自动门打开保持时间为10s，自由出入。

（2）手动模式

选择手动模式时，可以通过控制点动开关，控制门开合幅度，以便特殊情况下使用。

在上下班高峰期，使用高峰模式，手动打开自动门，以便人员出入，减少自动门时开时闭造成的损伤。

（3）禁出模式

在特殊情况下，关闭门内感应探测器，限制内部人员出去。

需要开门时，可以使用手动开门。

（4）禁入模式

在特殊场合特殊时段，限制外人进入，可以关闭门外感应探测器，需要开门时使用手动开门。

（5）夜间值班模式

在夜间，为保证财产安全，使用夜间值班模式，关闭门内外感应探测器，禁止出入，需要时可使用手动控制自动门开关。

（6）紧急停止模式

在自动门打开或关闭时，遇到紧急情况，需要停止自动门运转，此时使用紧急停止模式关闭所有检测装置和电机运行。

3.3.2保护功能分析

（1）防夹行人功能

在检测到无人通过时，关闭自动门，若此时突然有人出入，为防止夹伤行人，需要立刻停止关门进程，并即可开启开门进程。

使用安全检测传感器提供防夹行人功能。

（2）电机过载保护功能

因特殊情况产生负载过大等，导致电机电流过大，为避免损伤电机，此时需切断电机电源，进行电机过载保护。

（3）电源缺相保护

使用三相交流异步电动机做驱时，必须避免电动机缺相运行。

在电动机侧需要增加电流检测装置，时刻监测电源情况。

出现缺相时立刻切断电源，停止运转。

（4）异常复位功能

在某些情况下，外界的环境等因素，可能造成程序运行紊乱，导致自动门失控，此时需要使用复位保护功能，使PLC进入复位状态，重新启动使用。

（5）自动门扇防磨损保护

长时间的开合，自动门扇底部长时间与地面摩擦，造成不可恢复性损伤，为减少硬性损伤，需要在底部铺设软质地材料，如棉布。

（6）释放功能

当自动门夹人时，电机堵转，电流迅速上升。

对电流进行检测，可以判断是否夹人，从而时自动门开门。

第4章自动门硬件系统设计

4.1主控制器

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。

PLC是按照集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。

PLC的主要特点为：

抗干扰能力强、可靠性高，控制系统机构接单、通用性强，编程方便、易于使用，功能强大、成本低，设计、施工、调试周期短，维护方便等。

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，因而具有以下基本的功能：

逻辑处理功能；

数据运算功能；

准确定时功能；

高速计数功能；

中断处理功能；

程序与数据存储功能；

联网通信功能；

自检测、自诊断功能。

在PLC系统设计时，选择一个合适的PLC是很重要的。

选择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的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、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。

根据以上选择时的标准，在自动门控制系统中选择西门子公司生产的S7-200PLC，它的主要特点是：

较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实施特性强和强大的通信能力。

其主要组成包括：

CPU模块、扩展模块、功能模块、通信模块、HMI人机界面模块。

西门子S7-200系列包括有五种不统结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226，每个品种里又分出两种类型：

一种是DC24V供电/晶体管输出；

一种是AC220V供电/继电器输出，所以一共有10种CPU模块。

本次设计使用S7-200系列CPU224PLC，集成了14输入/10输出，因其特有的优势，是使用最多的S7-200产品。

图4-1-1西门子S7-200CPU224PLC实物图

图4-1-2CPU224CN端子连接图

4.2电机电气控制子系统

电机是自动门系统的主要驱动装置，合适的电机对系统设计至关重要。

电机主要分为直流电机、交流电机。

其中交流又分为交流异步电机和同步电机。

对于自动门拖动单元，针对不同的自动门则选择不同的电机及拖动调速控制方式。

大部分的平滑自动门用直流电机来拖动，二绝大部分的自动旋转门则是使用三相交流异步电动机来拖动。

直流电机拖动的控制技术已经很成熟，直流拖动具有较运行效率高、调速性能好、良好的启动制动性能的优点。

直流拖动使用的电机有有刷电机和直流无刷电机。

但是直流电机由于使用直流电源，其实用范围受到限制。

交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

本次自动门控制系统设计选用普通三相交流异步电机。

采用变压变频调速，可以增加其机械特性和调速范围。

4.3变频调速控制子系统

变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。

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。

变频器通常分为4部分：

整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容存储转换后的电能。

逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。

变频器调速的特点有:

可以使用标准电动机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变转速方向。

其优点是启动电流小，可调节加速减速，电动机可以高速化、小型化，防爆容易，保护功能齐全（过载保护、短路保护、过电压和欠电压保护）。

变频器的分类有很多种，根据变流环节分：

交-直-交变频器、交交变频器。

根据直流电路的滤波方式分：

电压型变频器、电流型变频器。

根据控制方式分：

V/F控制、矢量控制、直接转矩控制。

根据输出电压调制方式分：

PAM方式、PWM方式。

根据输入电源分：

单相变频器、三相变频器。

变频器的主要功能有：

频率给定功能，升速、降速、制动控制，控制更能，保护功能。

变频器选型时要确定以下几点：

（1）变频器与负载的匹配

1）电压匹配：

变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

2）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。

3）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。

（2）种类选择

目前市场上主要有三种：

通用型、高性能、专用型变频器。

要是情况而定。

综合自动门系统控制，采用日本三菱公司生产的FR－500系列中的FR-E540变频器作为控制电机转速的控制器。

技术参数为：

功率范围：

0.4~7.5KW（三相380VFR-E540系列）；

采用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出；

PID，15段速度等多功能选择；

内置独立RS485通讯口；

柔性PWM，实现更低噪音运行；

可选择FR-PA02-02简易型面板或FR-PU04-CH型LCD显示面板。

图4-3-1实物图图4-3-2与电机连接图

图4-3-3输入、输出分布

图4-4-4基本参数

在平滑自动门控制系统中采用变压变频（VVVF）控制，三档速度控制：

高速启动50HZ，中速运行30HZ，慢速运行10HZ。

运行时间由门限开关控制。

在自动门运行过程中，遇到不同的门限开关时，通过三个输出端子给变频器三个调速端子RH、RM、RL不同的值，并在启动前设定变频器频率值。

图4-3变频器工作频率

4.4感应探测器设计

感应探测器是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器检测具有准确、灵敏、耐久的特点，因而在自动门中得到广泛的应用。

自动门传感器的类型如下：

（1）垫式传感器。

垫式传感器有橡胶垫式和铝格栅垫式，都是安装在自动门前的地上。

其工作原理是：

当人或物压在垫上，垫子产生机械变形而发出信号。

这种传感器的特点是检测范围清晰，信号准确，工作稳定，但耐久性受垫子寿命影响稍差。

使用时又要防止受力超重，并需防火。

这种传感器属静止检测型。

（2）有源红外传感器。

有源红外传感器能发射出不可见红外光束。

当光束射到人体等移动物体时，光束产生变量信号，通过将信号放大、整形、指令驱动电机工作。

其主要特点是检测准确，抗干扰能力强，耐久性好，受温度变化影响小，但要防雨雪。

这种传感器属静止检测

（3）无源红外传感器。

无源红外传感器为热感应传感器，其基本原理是利用温差光电阻效应。

当检测区有目标时，红外检测元件就能接受从目标热物体发出的固定波长的远红外线，进而输出一电信号，指令自动门的门扇开启关闭。

其主要特点是检测范围清晰，检测面积大，耐使用，但只适用于检测有温度的目标，对无温度类物体无作用。

（4）声波传感器。

声波传感器有超声波、雷达和微波等几种型式，他们能发射超声波或微波型号。

当信号遇到障碍时，声波的波长或频率发生变化而产生信号，控制电机的开关。

其主要特点是受环境温度影响小，耐久性好，但抗干扰能力差，检测范围不是十分清晰，有一定的使用范围。

（5）电眼。

电眼是利用人或物进入检测区遮挡住光线，使接收器无法接收到光线，通过光线变化进行检测并发出信号，主要用于平滑自动门两活动门扇间用于防夹安全保护传感器。

在门内外信号检测上，有两种比较通用的传感器，一种是红外传感器，另一种是微波传感器。

红外传感器是利用红外线的物理性质进行测量的检测的传感器。

而微波传感器是应用微波用到目标物后被吸收或反射使功率发生变化来进行检测的传感器。

考虑到微波传感器受风力影响较大，强风时传感器精度大打折扣，决定使用热释电红外传感器。

热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。

图4-4-3热释电传感器实物

4.5机械