基于PLC的自动旋转门控制系统胡设计.docx
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基于PLC的自动旋转门控制系统胡设计
绪论
1.1 背景
人们更加注重自动化和人性化的产品。
自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化
技术产品,它给人以亲切大方的感觉,同时营造出奢华的气氛,其全新的概念,宽敞
的开放门面和高格调的设计,堪称建筑物的点睛之笔,立足于建筑时代大潮的最前端。
自动旋转门由于其可以实现无人看管,同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪
音,既方便又提高了建筑的档次的原因,在银行、写字楼、酒店等办公娱乐场所得到
了广泛普及应用。
由于自动旋转门的人流量有限,通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门,
一方面增加通行能力,另一方面当自动旋转门出现故障时,不影响人的通过。
但在静
态密封效果方面,自动旋转门远不如其他自动门,因为其门体运动方式决定着只能使
用毛条密封。
因此针对自动旋转门系统的设计就显得更具有实际意义,不仅可以提高
旋转门的智能化程度,更能促进旋转门的技术更新和产品的应用。
1.2 自动旋转门的发展趋势
自 1903 年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门,旋转门至今已有一百年的历史,
发展到今天,旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术,其智能化高格调的设
计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。
国外著名厂家有:
荷兰的 B00N
EDAM瑞典的 BESAM德国的多玛、盖泽日本的纳博克、寺冈等。
经过多年发展,旋转门行业呈现以下发展趋势:
①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,以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,如和住宅安防系统配合使用等。
②免维护:
采取多种措施,减少使用过程中的维护工作。
③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。
④高安全性:
随着用户安全意识的提高,安全性将成为非常重要的一项指标,也
是一项基本要求。
1
2设计方案的确定
旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统,检测系统,安全系统等几个方面进行
考虑。
从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。
2.1 自动旋转门系统的方案设计
(1)框架总成:
分为固定部分和旋转部分,均由铝型材框架和玻璃等组成。
立柱、
曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材,结构简洁,精密牢固。
采用中心门轴结构安
装和驱动旋转门体设计,每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触,使门
扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用(3+3)夹胶玻璃或 6mm 厚钢化玻璃,曲
壁玻璃一般采用(4+4)夹胶玻璃,安全可靠。
门体结构简图如图 2-1 所示。
图 2-1 门体结构简图
(2)驱动系统:
由一个三相交流电机提供动力,用减速器带动中心门轴驱动。
(3)控制系统:
由可编程控制器 PLC、变频器、功能开关组成。
(4)检测系统:
由红外传感器实现有无人自动检测,自动对电机启停进行操作。
(5)安全系统:
主要有接触和非接触安全感应器。
旋转门入口立柱均装有安全胶条,
防止行人夹伤,自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器,如受挤压门扉即
马上停止运转。
胶条恢复正常,门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰
感应器,碰到物体或行人门扉立即停止运转。
胶条恢复正常,门扉则自动转动。
2.2 旋转门控制方案的确定
通过分析可知本设计是利用可编程控制器(PLC)、变频器传感器等构成三翼自动
旋转门的控制系统。
根据控制原理和设计要求确定了系统的结构框图如图 2-2 所示。
2
红外传感器作用是检测是否有行人通行;红外防夹传感器和防夹接近开关用来检
测是否有人被夹;定位接近开关用来检测门翼是否停在定位位置;防碰撞传感器用来
检测是否有人被碰或被撞;主控芯片用来判断传感器传来的各种信号并经过判断做出
相应控制动作;变频器接收控制信号对电动机进行调速。
另外还有运行状态指示灯和
过载报警等等。
旋转门控制系统实现了对门的自动启停、自动定位、速度调节、安全智能和夜间
闭锁等功能。
红外传感信号
防夹传感信号
防碰、撞信号
定位信号
锁门信号
西门子
S7-200
PLC
过载
警铃
状态指
示灯
变频器
M
3~
调速按钮
闭锁信号
图 2-2 控制原理框图
3三翼自动旋转门驱动系统设计
3.1 确定各扇门的质量
由于转轴中心两端是对称的,以一边门体计算即可。
铝型材密度:
代号为 L090704 的线密度为 0.966
代号为 L090706 的线密度为 0.836
代号为 L090707 的线密度为 1.152
每扇门框的质量:
3
m铝 = (2400 - 40) ⨯ 2ρ1 +1315⨯ ρ2 +1315⨯ ρ3
=2.360 ⨯ 2 ⨯ 0.966+1.135 ⨯ 0.836+1.135 ⨯ 1.152
=8.053kg式(3-10)
式中:
ρ1 , ρ2 , ρ3 分别为各铝型材的密度。
单扇门玻璃的质量:
m铝 = v玻 ⨯ ρ
= 2.2470 ⨯1.211⨯ 0.006 ⨯ 2500 = 40.82kg
式(3-11)
式中:
v玻 为玻璃的体积, ρ 为玻璃的密度。
单扇门的质量:
m = m玻 + m铝
=40.82+8.053
=49kg式(3-12)
式中:
m玻 为单扇玻璃的质量, m铝 单扇门框的质量。
3.2 各部分转动惯量的计算
假设门扇为均匀的质量体,其在宽度方向的面密度σ 可以用下式计算,σ =
R 为门扇的宽度,L 为门扇的长度。
则门扇对中心惯量可用下式计算
m
RL
其中
22
r
2
0
mR2
12
式(3-13)
由平行轴定理知,门扇相对于轴的转动惯量为:
mR2
12
R
2
)
= + 49 ⨯1.0455
12
=56.6式(3-14)
其中 L1 为轴的半径。
4
3.3 惯性力矩的计算
参照物理学力矩的计算,假设门体 1s 内加速到门体的快速转速,由于旋转门体的
最大转速为 6r/min,即角速度 w =
2π ⨯ 6
60
=
π
5
rad / s ,由于传感器一般工作在 2m 范围内
检测人是否来临,当人迈进门边时,门体要以正常速度转动,则在这时门体要加速到
正常速度。
在 0.5s 内加速到此速度,则角速度α =
2π
5 rad / s ,由于电机要带动门体转动,
有一个加速过程,此过程需要克服旋转门体的惯性力矩才能使其转动,根据力矩转动
惯量和角速度的关系 m = Jα ,则可算出旋转门体的惯性力矩为:
m惯 = 3Jα = 3⨯ 56.6 ⨯
2π
5
= 213.3N / m
式(3-15)
由上面的计算得出了旋转门体的力矩之后,就可为接下来的电机的选择确定了依
据。
3.4 电机的确定
根据机械设计中电机所需功率按下式计算:
P =
由电动机至转动轴的传动总效率为:
m惯
1000ηα
式(3-16)
43
ηα = η1 ⨯η2 ⨯η 3
式(3-17)
式中η1 ,η2 ,η3 分别为滚子轴承,齿轮,联轴器的传动效率。
取η1 = 0.98 ,η2 = 0.97 ,η3 = 0.99 ,则总的传动效率为:
ηα = 0.984 ⨯ 0.973 ⨯ 0.99
=0.83式(3-18)
则可以计算出电机的功率
213.3
1000 ⨯ 0.83
式(3-19)
由于门体还应能承受一定的风阻,以及旋转门体周围无条件与曲壁门体间的摩擦
阻力,尽管其产生的力较小,但由于门体直径过大,则会产生较大的阻力矩。
同时还
有一些其他没有考虑的因素,如齿轮的转动惯量,因此特将计算出的功率放大一些同
5
时门体的转动较底,则电机应适应转速较底的,根据相关的计算结果可以选以下两种
电机。
表 3.1 方案一电机参数表
方案
额定
转矩
同步
满载
总传
齿轮
减
型号
功率
转速
转速
传动
速
(KW)
(N.m)
(r/min)
(r/min)
动比
比
器
1JCJ71-0.550.5523.51500144024021.811
表 3.2 方案二电机参数表
额定
同步
满载
齿轮
减
方
案
型号
功率
(KW)
转矩
(N.m)
转速
(r/min)
转速
(r/min)
总传
动比
传动
比
速
器
2JXJ1-35-0.370.3767.9150014402406.935
由于电机输出的转速较大,一般在 1500r/min,通过减速器难以实现门体转速
6r/min,因此在选电机时可以选用带减速器的电机来实现要求。
根据相关要求,可以
选用一个 JXJ 系列齿轮减速三相异步电机,JXJ 系列异步电机按照 TB1T6442-92 标准设
计制造,广泛用于轻工、纺织、建筑机械行业。
JXJ 系列异步电动机是直接输出低转速,
大转距,且有转速型谱宽、运转平衡、噪声低、高效节能、体积小、重量轻、规格多、
选用方便等特点。
由于计算出所需电机功率为 0.26KW,加上一些忽略因素,应该选择电机功率在
0.26KW 上的电动机才行。
综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和齿轮传动,
可见方案 2 比较合适。
即选用 JXJ1-35-0.75 摆线针轮减速器三相异步电机。
4 主控芯片选择及辅助电路设计
4.1 主控芯片的选型
4.1.1 PLC 的简要介绍
PLC 即可编程序控制器(Programmable Controller,简称 PC),在其早期主要应用于
开关量的逻辑控制,因此也称可编程序控制器为可编程序逻辑控制器
6
PLC(Programmable Logical Controller)。
可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信
技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、编程简单、功能强、
抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点,目前在冶金、化工、交通、
电力等工业控制领域获得了广泛的应用,成为了现代工业控制的四大支柱(可编程序控
制器技术、机器人技术、CAD/CAM 和数控技术)之一。
在可编程序控制器问世以前,工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。
这
种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点:
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运
行速度不高,尤其对生产工艺多变的系统适应性差。
如果生产任务和工艺发生变化,
就必须重新设计,并改变硬件结构,这不仅影响了产品更新换代的周期,而且对于比
较复杂的控制系统来说,不但设计困难,而且其可靠性不高,查找和排除故障也往往
是费时和困难的。
在这种形势下,60 年代末可编程控制器在美国首先出现,当时叫可
编程逻辑控制器 PLC(Programmable Logic Controller),目的是用来取代继电器,以执
行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、
灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起
来,控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象,将控制内容编成软件写入
控制器的用户程序存储器内。
随着半导体技术,尤其是微处理器和微型计算机技术的发展,到 70 年代中期以后,
PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、
大规模甚至超大规模的集成电路,这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能,还同时具有数
据处理、PID 调节和数据通信功能。
PLC 通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC 是
微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中机
械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用微处理
器的优点。
可编程控制器对用户来说,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺,因
此可在初步设计阶段选用可编程控制器,在实施阶段再确定工艺过程。
另一方面,从
制造生产可编程控制器的厂商角度看,在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设
计控制器,适合批量生产。
由于它本身具有可靠性高,编程简单,使用方便,控制系
统构成简单等优点,可编程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地
发挥着越来越大的作用。
7
4.1.2 PLC 的选型
通过分析可知,所需的控制的电气元器件有按钮开关和指示灯等。
具体如表 4-1
所示。
通过对旋转门控制要求的分析,PLC 控制输入信号有 22 个,输出接点共 8 个。
按
照预留 10%-20%的接点数来计算,输入接点至少要 30 个,输出接点至少要 10 个。
本系统是个简单控制系统,按一般经验来估算,同时由上段对 I/O 接点的分析主
要有:
开关量输入字节数:
30×10=300
开关量输出字节数:
10×8=80
系统推断定时器/计数器字节数:
8×2=16
总计大约需要 396 个字节数容量。
加上预留 20%,有 1K 的程序容量足够了。
由
以上可得,同时兼顾经济性原则。
在常用的 PLC 产品中 SIMATIC-S7-200 系列可编程
控制器是当今国内外最新,最具特色、最具代表性的 PLC。
在此系列 PLC 中设置了高
数计数器,对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理,扩大了 PLC 的应用领
域。
本系统选择了西门子系列型号为 SIMATIC-S7-200 PLC,参数见表 4-2。
由 PLC 的
型号可得主回路电压为 AC(110~220)V;输入端电压参数为 DC24V,电流为
5/7mA;继电器输出端电压为 AC150V,DC30V 以内。
根据系统设计要求,可得具体参数表如表 4-1 所示:
表 4-1 控制系统电气元件表
序号符号名称型号规格
1SA电磁锁D4JLDC24V
2SB1急停开关LW22DC24V
3SB2停止按钮开关LAY8DC24V
4SB3停止按钮开关LAY8DC24V
5SB4高速按钮开关LAY8DC24V
6SB5高速按钮开关LAY8DC24V
7SB6中速按钮开关LAY8DC24V
8SB7中速按钮开关LAY8DC24V
9SB8残疾按钮开关LAY8DC24V
8
10SB9残疾按钮开关LAY8DC24V
11FR1热继电器JR-201.6A
12LAMP报警指示灯XD8DC24V
13LAMP常速指示灯XD8DC24V
14LAMP高速指示灯XD8DC24V
15LAMP低速指示灯XD8DC24V
16BELL过载报警铃NFM1/22LAC150V~220V
表 4-2 PLC 性能参数表
PLC参数
性能指标S7-200-CPU226
程序存储容量4096B
数据存储容量2560B
I/O 点数256 位
指令类型149 种指令
基本指令执行时间0.22~0.37us
扩展 I/O 模块数量7 块
记时/记数区256 记时器/记数器
4.1.3 PLC 的 I/O 点分配
输入输出端口的保护及分配:
PLC 输入口电压定额一般为直流 24V,有一些输入
口是不接电源的,输出口的电压定额常接工频低压交流电源和直流电源。
当输入口端
连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高电压对输入输出口造成破坏,应在感
性元件两端加接保护元件。
对于直流电源,应并接续流二极管,对于交流电路应并接
阻容电路。
阻容电路中电阻可取 51~120 欧,电容可以取 0.1~0.47uF。
电容的额定电压
应大于电源的峰值电源,续流二极管可以选 1A 的管子,其额定电压应大于电源电压的
3 倍。
对 PLC 输入端电阻分析,自带电阻为 3k 欧,对于 DC24V 的电流为标准电流,
对输入口保护不需做特别处理。
输出为直流感性负载时,需在负载两端并联续流二极
管或齐纳二极管加以抑制。
查有关资料时,在直流感性负载输出时可选电流为 1A 左右
的二极管,电阻约为 50 欧左右。
本系统中输出口选交流电源,电阻取 65 欧。
9
根据实现功能和设计要求,对系统控制单元 PLC 的 I/O 点进行分配。
输出点详细
分配表见表 4-3,输入点详细分配表见表 4-4。
详细接线图如图 4-1 所示。
为了保护电路(短路保护)需要有熔断器 FU,选择的依据是熔体的额定电流 IR 大
于线路工作电流 I(I=2A),所以选择 RL1-15,熔体额定电流等级为 4。
本控制系统为 PLC 控制,各种开关的容量要求不高,普通的开关足已,主要考虑
输入参数要求。
对急停、STOP、middle、high、残疾开关,选择普通按钮开关 LA 系。
Middle、high、残疾、开关为 LA2,急停开关为 LA2(红色),STOP 关为 LA2-A 红色
(十字型)。
如表 4-1 所示。
表 4-3 输出地址分配表
输出地址信号内容
Q0.0上电及报警信号
Q0.1电磁锁控制继电器
Q0.2电动机启停(变频器智能端子 FWD)
Q0.3速度控制(变频器职能端子 X2)
Q0.4速度控制(变频器职能端子 X1)
Q0.6直流制动(变频智能端子 REV)
Q0.7变频器复位(变频智能端子 RESET)
Q1.0常速运行状态
Q1.1高速运行状态
Q1.2低速运行状态
Q1.3过载报警
4.2 系统控制电路的设计
对于本系统来说,主要的控制是由控制芯片通过变频器来调节电机转速完成控制
要求的。
因此变频器电路是系统控制电路的重要组成部分。
下面介绍本系统的变频器
10
及其电路。
+24V
Q0.0
LED1
L+
SA
中中
I0.5
Q0.2
KA16
SB1中中
SB2中中中中
SB3
SB4
SB6
SB8
KA15中中中中
I0.0
I0.2
I0.4
I0.3
I0.1
I0.6
Q0.5
Q0.3
Q0.4
KA18
KA17
KA14中中中中
KA13中中中中
KA12中中中中
I0.7
I1.6
I1.5
KA19
KA11中中中中
KA10中中中中
KA9中中中中
KA8中中中中
KA7中中中中
KA6中中中中
KA5中中中中
KA4中中中中
KA3中中中中
KA2中中中中
KA1中中中中
KM23中中
KA22中中
I1.3
I2.5
I1.2
I2.3
I2.4
I1.1
I2.2
I1.0
I1.7
I2.0
I2.1
I2.6
I1.4
Q0.7
Q0.1
Q1.0
Q1.1
Q1.2
Q1.3
L1
1L
2L
3L
KA20
KA21
LED1
LED3
LED4
NFM1/22L
中中中中
图 4-1 PLC 的 I/O 口电路
表 4-4 输入地址分配表
输入地址对应的外部设配
I0.0急停按钮
I0.1残疾按钮
I0.2停止按钮
I0.3常速按钮
11
I0.4高速按钮
I0.5电磁锁钥
I0.6直流制动接近开关
I0.7防夹接近开关 1
I1.0红外线传感器 1
I1.1防撞传感器 1
I1.2防碰传感器 1
I1.3红外防夹传感器 1
I1.4变频过载报警输入
I1.5锁门接近开关
I1.6防夹接近开关 2
I1.7红外线传感器 2
I2.0红外线传感器 3
I2.1红外线传感器 4
I2.2防撞传感器 2
I2.3防碰传感器 2
I2.4防碰传感器 3
I2.5红外防夹传感器 2
4.2.1 变频调速的基本原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电
压、频率都可调的交流电源。
变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、
驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:
n =60 f(1-s)/p,
式中 n、f、s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数;通过改
变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的
现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF 变频或矢量控制变频),先把
12
工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可
控制的交流电源以供给电动机。
4.2.2 变频器容量选择
变频器容量的选用由很多因数决定,例如电动机的容量,电动机的额定电流,电
动机加速时间等,其中最主要的是电动机的额定电流。
降低变频器的输出频率,就可以实现电动机减速。
加快变频器输出频率的降低速
率,可使电动机更快的减速。
当变频器输出频率对应的速度低于电动机的实际转速时,
电动机就进行再生制动。
在这种运行状况下,异步电动机将变成异步发电机,而负载
的机械能将被转换为电能并反馈给变频器。
当反馈能量过大时,变频器本身的过电压
保护电路将会动作并切断变频器的输出,使电动机处于自由减速状态,反而无法达到
快速减速的目的。
为了避免出现上述现象,使上述能量能在直流中间回路的其他部分
消耗,而不造成电压升高。
在电压变频器中,一般都在直流中间回路的电容器两端并
联上制动三极管和制动电阻。
当直流中间回路的电压升高到一定的电压值,制动三极
管就会导通,使直流电压通过制动电阻放电,即电动机回馈给变频器的直流中间回路
的能量,以热能的形式在制动电阻上消耗掉。
由于三翼自动旋转门是恒转矩负载,故变频器选用通用型的。
又因为三翼旋转门
的转速不允许超过额定值,电机不会过载。
根据以上的计算的数据,选用西门子通用
变频器 MM440 系列,型号为 6SE6440-2UD17-5AA1。
具体参数见表 4-5。
表 4-5 变频器参数表
变频器型号6SE6440-2UD17-5AA1
使用功率0.75 kW
输入电压/V3 相 AC380~480(1 ± 10%)
输入频率/Hz47~63
输出频率/Hz0~650
额定电流/A2.2
过载能力(恒转矩)150%负载过载能力,持续 60s
功率因数0.98
变频器效率96%~97%
合闸冲击电流小于额定输入电流
13
控制方式线性 V/f;二次方 V/f;可编程 V/f
PWM 频率/Hz2~16kHz
固定频率15 个,可编程
跳转频率4 个,可编程
数字输入6 个完全可编程的带隔离的数字输入
模拟输入2 个,0~10V,0~20mA
继电器输出3 个,可组态为 DC30/A(电阻性负载)
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- 基于 PLC 自动 旋转门 控制系统 设计