自动旋转门PLC控制.docx
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自动旋转门PLC控制
毕业设计
题目：
自动旋转门PLC控制
作者：
学号：
系：
自动控制系
专业：
电气自动化技术
班级：
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2012年5月
自动旋转门PLC控制
摘要在现代化工业生产和经济生活中，随着电子技术的发展、计算机技术和现代控制理论的发展，各种便民的自动化控制系统已经广泛应用于各个领域，PLC控制是最为常见的一种，并且日新月异，同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。
PLC系统具有实时性、可靠性高、系统配置简单灵活、丰富的I/O卡件、控制系统采用模块式结构、价格优势、安装简单，维修方便、体积小，能耗低等优点，使人们相信这是科技进步的成果。
它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。
本课题研究的是自动旋转门PLC控制，自动旋转门系统包括PLC、传感器、变频器组成。
自动旋转门主要由PLC负责完成控制任务,变频器完成对三相异步电动机的驱动。
由于是由电机提供动力系统,所以安全问题被放到重要位置。
采用微波传感器扫描正常位置是否有人经过，及安全传感器感应危险处，以执行正确的命令和安全措施。
关键词自动旋转门、PLC、传感器、变频器
目次
1绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2国外发展现状1
1.2.1国外旋转门发展现状1
1.2.2国旋转门发展现状2
1.3本课题研究的目的和意义2
2自动旋转门系统总体方案设计4
2.1自动旋转门控制系统方案4
2.2自动旋转门用PLC控制与继电器功能比较分析5
2.3自动旋转门的系统构成5
2.4自动旋转门的控制要求的特点6
2.5自动旋转门系统的原理图6
3自动旋转门系统的硬件设计7
3.1PLC选型7
3.1.1PLC概述7
3.1.2PLC组成元素及功能8
3.1.3三菱FX系列可编程控制器9
3.1.4PLC选型10
3.1.5PLC的I/O分配表11
3.1.6PLC外部接线图12
3.2变频器选型13
3.2.1变频调速的基本原理13
3.2.2变频器容量选择计算13
3.3传感器选型16
3.3.1传感器16
3.3.2传感器的选用原则16
3.3.3微波传感器选型17
3.3.4防夹传感器17
3.3.5防撞传感器18
3.3.6接近开关传感器18
3.4元器件明细表19
4自动旋转门系统的软件设计20
4.1自动旋转门程序设计——梯形图20
4.1.1梯形图的概述20
4.1.2梯形图程序设计语言20
4.2自动旋转门程序梯形图设计22
4.2.1自动旋转门控制程序流程图22
4.2.2自动旋转门PLC控制程序23
5系统程序调试26
5.1触摸屏介绍26
5.2GT-Designer2触摸屏软件调试27
结论32
致谢33
参考文献34
附录A变频器参数36
附录B传感器与接近开关的参数37
1绪论
1.1课题研究的背景
近年来，随着国民经济建设的蓬勃发展，人们对建筑物出入口的要求也越来越高，从最初的铝合金门，发展到后来的感应平移门，近两年来自动旋转门也越来越多的应用到了建筑领域。
高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动旋转门也随处可见，对自动旋转门控制系统的控制要求也就越来邀高。
自动旋转门的最大优点在于它“永远开门，又永远关门”，使其动态密封效果较好，即在保安功能方面具有独特的发展。
而且行人可以通过自动或手动进门，更加的方便；但由于自动旋转门的转速是固定，因此通过的人流量有限，这是自动旋转门的不占优势之处。
自动旋转门性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动旋转门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。
目前自动旋转门及其自动化行业最稳定的控制装置是PLC，它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。
目前他在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。
因此运用PLC控制自动旋转门具有较高的可靠性、维修方便等优点。
由此看来，进行自动旋转门的PLC控制系统设计，可以推动自动旋转门行业的发展，扩大PLC在自动旋转门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。
本课题主要介绍自动旋转门PLC控制的设计，所有产品的设计都要讲究其在各个场合下运作是否简化及稳定。
此系统的设计既满足了自动旋转门的基本要求，还可以保证自动旋转门的稳定性。
研究本课题意味着减少经济损耗，提高效益。
因此是一个比较实用且经济的产品。
1.2国外发展现状
1.2.1国外旋转门发展现状
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B00NEDAM；瑞典的BESAM；德国的多玛、盖泽；日本的纳博克、寺冈等。
由于国外自动旋转门发展较早，其技术也较为成熟。
自动旋转门的传动系统技术具有节能、低噪声、传动平稳、寿命长、性能可靠等优点；控制系统采用数字化设计的系统作为控制中枢，有功能更强大，操作更简便等优点；检测安全系统采用先进的红外与微波感应技术，用于感知物体的移动，操纵门体的动行，使用各种安全检测传感器，实现防挤、防夹和防撞功能。
与此同时某些厂家生产的自动旋转门还具有远程控制和液晶显示。
利用当前先进的通信和网络技术，使自动门的维护不再受时间、地域和专业维护技术的限制，制造商可通过Internet与设备进行实时交流，校正偏差，让自动门达到最佳运行状态。
当出现异常时，可准确传回故障信息，实现远程维护，缩短维护、保养时间；采用液晶显示屏，进行可视化设计，全面显示门体转速、状态和故障等信息。
1.2.2国旋转门发展现状
我国旋转门技术的发展：
我国的全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、日本等国。
90年代后期旋转门开始在我国建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。
旋转门的厂家：
国专业厂家：
有凯必盛、宝盾、青木、智辉、巨方圆、信步等。
外省市有康育、盛维、金海、帝盟等。
旋转门在我国的市场前景：
随着我国国民经济持续稳定地增长，2001年加入WTO和2008年申奥成功，从本世纪开始，我国进入了全面建设小康社会的新阶段，创造美好生活环境是装饰业发展的巨大推动力。
现代城市建筑物装饰装修中，将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。
对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。
堪称建筑物的点睛之笔。
但是国家对自动门产品质量、安全性、节能性、噪音、施工质量、售后服务还没有统一的标准，所有国建筑业院校都没有相关的专业或课程，也没有权威的咨询机构，自动门市场的管理尚处于无序状态。
随着国建筑业的发展，这一状况一定会有所改变。
1.3本课题研究的目的和意义
PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可编程的存储器用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式和开关量的逻辑控制的输入输出，来控制各种类型的机械或生产过程。
PLC系统具有实时性、可靠性高、系统配置简单灵活、丰富的I/O卡件、控制系统采用模块式结构、价格优势、安装简单，维修方便、体积小，能耗低等优点。
自动旋转门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。
同时对于自动旋转门的控制系统也有了更高的要求。
自动旋转门的控制更加突出了安全理念，强调了有效性：
有效地防、通行、疏散，同时还融合了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体得协调、和谐。
本课题研究的是自动旋转门PLC控制，利用PLC控制，使得自动旋转门在各个场合下运作更简化、更稳定，更快的推广了自动旋转门的使用，并减少经济损耗，也扩大了PLC控制在自动化行业中的应用。
2自动旋转门系统总体方案设计
2.1自动旋转门控制系统方案
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。
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。
控制系统：
由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。
检测系统：
由微波传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。
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，自动旋转门入口右侧立柱胶条装有藏式防夹感应器，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；每扇门扉底边胶条装有藏式防碰感应器，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。
图2-1系统框图
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，通过传动装置带动旋转门的运行。
2.2自动旋转门用PLC控制与继电器功能比较分析
早期的自动旋转门控制系统采用继电器控制，有着安装繁琐、不稳定、不易维修等缺点，逐步被基于PLC控制的自动化系统取代。
用PLC作为控制器，能大大提高自动旋转门的稳定性和经济性。
推动自动旋转门的发展，扩大PLC在整个自动化行业中的应用。
具体比较，如下表：
比较项目
继电器控制
PLC
控制功能的实现
由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能
各种控制功能是通过编制的程序来实现的
对生产工艺过程变更的
适应性
适应性差，需要重新设计
适应性强，只需要对程序进行修改
可靠性
差，触点多，故障多
高，因元器件采取了筛选等可靠性措施
柔韧性与灵活性
差
具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活
扩展的实时性
机械动作时间常数大，
实时性差
微处理器控制，
实时性非常好
占用空间与安装
控制柜体积大、笨重，
安装施工工作量大
体积小，重量轻，
安装工作量少
使用寿命
易损，寿命短
寿命长
复杂控制能力
极差
很强
维护
复杂，工作量大
工作量小
表2-1PLC控制与继电器控制的比较
2.3自动旋转门的系统构成
根据自动旋转门设定的方案，系统包括四大系统：
驱动系统、控制系统、检测系统和安全系统。
图2-2系统结构图
2.4自动旋转门的控制要求的特点
①变速功能：
旋转门设有低速、常速和高速三种旋转速度，两个按钮进行切换，以适应正常运转和残疾人群通过的不同要求。
②自动转停功能：
来人时，以高转速动转，2min无人进出时，则自动停转。
③防夹功能：
当门扇运转靠近曲壁立柱时，如果行人试图从两者之间（防夹区）进入旋转门，则门立即自动停转以防夹伤人。
行人离开防夹区，门自动恢复运转。
④防撞功能：
行人紧靠右侧立柱或遇到物体碰撞右侧立柱,则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体，行人或物体离开右侧立柱,自动门恢复运转。
⑤锁门功能：
采用电磁锁方式锁门，只要转动钥匙既可完成自动锁门工作
⑥STOP钮：
与急停功能相当。
⑦电动机过载保护功能：
当电动机过载时，门停转。
过载消除后门自动恢复运转。
2.5自动旋转门系统的原理图
图2-3接线图
3自动旋转门系统的硬件设计
3.1PLC选型
对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。
例如输入、输出的最多点数；扫描速度；存容量；指令条数；功能模块等。
同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。
3.1.1PLC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:
①抗干扰能力强，可靠性能高；②控制系统结构简单，通用性强；③编程方便，易于使用；④功能强大，成本低；⑤设计、施工、调试的周期短；⑥维护方便。
3.1.2PLC组成元素及功能
①中央处理器CPU
CPU是可编程控制器的核心，CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致工作。
常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。
②存储器模块Memory
储存器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单位。
随机存储器RAM用于存储PLC部的输入、输出信息，并存储部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器/计数器以及累加器等的工作状态，还可以存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。
只读存储器ROM用于存储系统程序。
可紫外线擦除电编程的只读存储EPROM，它主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。
③输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器与工业控制现场各类信号连接的部分。
对输入/输出模块有两个主要的要求，一是要有良好的抗干扰能力，而是能满足工业各类信号的匹配要求。
输入/输出信号有两类：
一类是开关量，另一类是模拟量。
④编程器
编程器是PLC必不可少重要外部设备。
编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。
编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。
随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。
⑤电源
可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源，部配有一个专用开关式稳压电源，将DC/AC供电电源转化为PLC部电路需要的工作电源（5V直流）。
3.1.3三菱FX系列可编程控制器
FX系列可编程控制器是当今国外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。
日本三菱电机公司研发的。
在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。
在FX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。
其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。
图3-1PLC三菱FX系列图
FX系列PLC在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制几PID系统控制。
在通信方面，能够方便地与PC计算机实现数据交换与管理。
3.1.3.1三菱FX系列的结构功能
可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的的结构原理与微型计算机相似。
硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。
系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。
PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。
本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。
FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图3-2所示，系统电源有些在CPU模块，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。
PLC部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。
PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。
图3-2PLC的组成框图
3.1.3.2FX2N所具有优越性能
①基本性能：
可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强
②集成业界领先的功能
晶体管输出型的基本单元置了3轴独立的定位功能，并且增加了新的定位指令：
带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。
FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。
③强大的扩展性
增强了通信的功能，其置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在）
3.1.4PLC选型
通过对旋转门控制要求的分析，PLC控制输入点有15个，输出点10有个，输入点要有15%-20%的预留，则应该考虑选择FX2N－48MR。
3.1.5PLC的I/O分配表
输入点
外部设备
符号
输出点
外部设备
X0
残疾人手动按钮
SB3/SB4
Y0
启动
X1
Stop
SB1/SB2
Y1
报警灯
X2
直流制动接近开关
Y2
高速
X3
防夹接近开关1
Y3
关门速度
X4
微波传感器1
Y4
低速
X5
防撞传感器1
Y5
上锁
X6
防夹传感器1
Y10
变频器RUN
X7
锁门接近开关
Y11
变频器多段频率端子X1
X10
防夹接近开关2
Y12
变频器多段频率端子X2
X11
微波传感器2
Y13
变频器RST
X12
防撞传感器2
X13
防撞传感器3
X14
防夹传感器2
X15
热继电器
FR1
X20
开始按钮
表3-1PLCI/O表
3.1.6PLC外部接线图
图3-3PLC外部接线图
3.2变频器选型
3.2.1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：
。
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。
3.2.2变频器容量选择计算
变频器容量的选用有很多因数决定，列如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的电动机的额定电流。
降低变频器的输出频率，就可以实现电机减速。
电动机参数，如下表：
电动机
型号
额定功率（W）
额定电流（A）
额定电压（V）
效率（%）
功率因素
电机转动惯量
飞轮的
转动惯量
Y881-4
550
1.51
380
73
0.76
2.2
0.0018
0.6
表3-2电动机参数
①驱动一台电动机
对于连续运转的变频器必须同时满足下列3项计算公式：
满足负载输出/kVA：
式（3.1）
满足电动机容量/kVA：
式（3.2）
满足电动机电流/A：
式（3.3）
k是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。
对PWM控制方式的变频器，k约为1.05~1.1。
②指定变频器的启动加速时间
变频器产品型号所列的变频容量，一般以标准条件为准，在变频器过载能力以进行加减速，在进行急剧加速和减速时，一般利用失速防止功能，以避免变频器跳闸，但同时也加长了加减速时间。
如果生产设备对加速时间有特殊要求时，必须事先核实编破器的容量是否能够满足所要求的加速时间，如不能满足,则要选用加大一档的变频器容量。
在指定加速时间的情况下，变频器所必需的容量计算如下：
式（3.4）
③指定变频器的减速时间
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。
在电压星变频器中，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，制动三极管就回导通，使直流电压通过制动电阻放电，既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。
制动电阻的选择方法：
计算制动力矩
式（3.5）
计算制动电阻
的阻值
在进行再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机部也将有20%的铜损被转换为制动力矩。
考虑这个因数，可以按下式初步计算制动电阻的预选值。
式（3.6）
式中：
制动电阻
直流电路电压/V
对200V级变频器,
=380V
对400V级变频器,
=760V
制动转矩/（
）
电动机额定转矩/（
）
减速开始速度/（
）
上式中，如果
，则没必要加制动电阻。
放电电路由制动三极管和制动电阻串联而成，因此，制动三极管本身允许通过电流
就是放电电路的最大允许值。
所以制动电阻的最小值
。
由上可见，制动电阻
的阻值应由
来决定。
有的变频器生产厂家在产品目录中。
给出制动电阻最小值的参考值，可供用户在选择制动电阻时参考。
计算制动电阻平均消耗的功率
/kW
如前所述，电动机额定转距的20%制动转距由电动机部损失产生，所以可以按下式求得电动机制动时，制动电阻上消耗的平均功率：
式（3.7）
=
（5.76-0.2
2.2）
1440
=0.802
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
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