自动车库门控制系统设计.docx

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自动车库门控制系统设计

摘要

随着自动化技术的不断发展，PLC（可编程逻辑控制器）以其体积小、功能强、使用便利、可靠性强、易于编程等特点，在自动控制中得到广泛应用.本文选用西门子S7—200系列PLC（CPU214）和松下VFO变频器（BFV00072D），采用理论分析的方法完成了控制系统的硬件设计，并借助V4。

0STEP7MicroWINSP3编程软件和西门子S7—200系列PLC专用模拟仿真软件完成了系统的软件开发和模拟仿真。

仿真结果表明,此次所设计的自动车库门控制系统具有快速启动，变速运行，故障报警，紧急制动等功能，达到了预期要求，可适用于各种地下停车场。

关键词:

PLC，变频器，变频调速

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentoftheautomaticcontroltechnology，PLC（ProgrammableLogicController）iswidelyusedinautomaticcontrolforitsfeaturesliketinysize，powerfulfunctions，convenientuse，highreliability,flexibilitytoprogram,etc。

ThehardwaredesignofthecontrolsystemwasaccomplishedbyusingaseriesofSIEMENSS7—200PLC（CPU214）andPANASONICVFOFrequencyConverter（BFV00072D）,withmethodsoftheoreticalanalysis.ThesoftwaredevelopmentandsimulationwereaccomplishedbyutilizingV4.0STEP7MicroWINSP3programmingsoftwareandsimulatingsoftwarethatweretechnicalfortheseriesofSIEMENSS7—200PLC。

Thesimulationresultshowedthattheautogaragecontrolsystemhasagreatnumberoffunctionslikefastboot，variable-speedoperation,faultalarmandemergencybrakeandothersandallofthesehaveachievedtheprospecteddemandsoftheautogaragecontrolsystemthusitcanbeusedforallkindsundergroundparkinglots.

Keywords：

PLC,FrequencyConverter,Inverter-Driven

第1章引言

近些年，随着自动化技术的蓬勃发展，自动化产品市场迎来了空前的繁荣局面，各种智能、新兴的自动化产品不断融入到人们的学习、生产和工作当中。

而自动化产品的丰富，又进一步推动了自动化行业的向前发展，也使得控制系统在自动化控制中的地位显得尤为重要。

于是，随着工业水平的不断提高，控制的精细化及智能化的要求也不断提高，因此，以电气为核心的控制系统的结构就显得愈发之复杂。

如继续使用电气控制，不但使得整个控制系统显得过于庞大,而且会使得元器件的数量急剧增加，加大接线的难度,进而使得系统的可控性大大下降。

于是,PLC（ProgrammableLogicController）应运而生。

PLC（ProgrammableLogicController），即为可编程序逻辑控制器，是新诞生的一种全新模式的工业自动化的控制装置。

PLC以其体积小、功能强、使用便利、可靠性强、易于编程等等一系列之特点，得到了广泛之应用，例如，机械制造、电力电子、轻工、机电一体化、工业自动化等等【7】。

随着新技术的应用，人们的生活也在发生着急剧的变化，在公共设施方面，例如车库门也开始了加速的发展进程。

车库门的专业化、规模化生产几乎与汽车的此进程同步，在此后的发展之中，随着其生产技术的不断进步以及发展，市场上也如雨后春笋般的涌现出了大量的具有自身特点的,风格各异且具有规模的生产制造商。

之后,自动化技术的发展催生了车库门的终极形式—自动车库门，它源自于欧美，发展至今已经在世界各地开花结果，并逐渐形成了具有多种种类，制造精致，性能优异的完整的自动车库门的家族.

对于自动车库门的原理，社会上的认知已经趋同,即在们的前后各有一个感应装置,通过感应到的信号，通过核心的控制器来控制驱动装置（电机），从而达到开关门的目的.而自动车库门也以其能够脱离人的操作而自动完成规定动作，从而节省了一定的人力以及其他之特点,得到了广泛之应用。

而自动车库门自诞生之日起,便以其高效的工作效率，便捷的工作方式等特点得到了社会的认可和推广，而时至今日，人们对自动车库门的要求上，除了安全和便捷，还引入了整体及和谐的概念,即使得自动车库门与建筑本身还有自身周围的环境达到一致，在观感上具有美观、大方、和谐等特点。

近些年来在国内，各种自动车库门以及相关产品也如雨后春笋般出现在市场上，然而相较于国外产品来说，无论是在外观设计和产品质量上来说都还存在着较大的差距，因此也存在着巨大的发展空间。

尽管自动车库门经过多年的发展与更新迭代，在外观上自动车库门应经有了大幅度的改进,然而究其本质，它仍然还是门这个意义的一个延伸物，外观只是人们在它本质之外的一个附加品.因此，外观的改变并不能改变它作为门的基本功能。

所以对于自动车库门的研究要从对于门的基本功能上入手,即作为整体一部分的门,应该并行地满足隔离和通行两个要求.隔离，也就是隔离车库（尤指各类地下车库）内部与外的环境，使二者相互不干扰；通行，便是使得车库内部与外部能够顺利的完成车辆的进出。

因此，在工艺要求上就要使得车库门具有密闭、牢固等特点。

而且由于自动车库门具有的自动开关的特点，同时又兼具防风尘、低噪音等特点，使其在各种大中型停车场、商场、酒店地下停车场迅速普及开来，也逐渐成为了一些中高档小区地下车库的标配选择。

因此在基础的功能之上，人们对其运行的安全性、稳定性、快速性以及使用寿命也有了越来越高的要求.

本设计正是基于功能需求的分析以及对市场现状的调查，针对市场上现存的自动车库门存在的缺点，如无法故障报警，当门体下降时,进出车辆只能等待等，利用PLC、变频器、地磁感应器等模块,拟设计一个应用于地下公共停车场的自动车库门控制系统，使其具有市场上主流的能够自动开关门的主要功能，并且具有关门延时、紧急停止、故障报警等辅助功能，并在准确性上做出优化.主要包含自动车库门控制系统的功能需求分析与设计方案选择、硬件选择与设计（继电器—接触器电路）、PLC程序设计（梯形图）、系统的修改与调试等过程。

第2章控制系统的功能需求分析与控制方案选择

本章从控制系统的功能需求分析入手，结合所需实现的功能，给出若干个设计方案,在可行性为最高优先级的基础上，结合以安全性、便宜性、经济性等原则，通过对比与分析，得出最合适的设计方案，并在之后进行的设计之中得以实现。

2。

1自动车库门的功能需求

1）当有车辆由外部（或内部）通过地磁感应器，此时,开门执行器动作，电机开始正转，当门体达到开门终止限位开关时，电机停止运行，门体停止；

2）车库门在开门终止位置延时8s，这时如果没有车辆通过地磁感应器,则车库门自动进入关门过程.此时，关门执行器动作，电机开始反转，当门体达到关门终止限位开关时,电机停止运行，门体停止；

3）在关门过程中，如果有车辆通过地磁感应器,则立即停止关门并进入开门过程;

4）在开门后的8s内，当有车辆由外部（或内部）通过地磁感应器，则在重新延时8s后，方可再次进入关门过程,以确保期间车辆能够正常通过。

5）考虑到当车库门发生故障或出现意外时，需紧急停止自动门的运行，此时，断开电源开关，电机将被抱闸，立即停止，方便工作人员进行维护或援救。

2.2控制方案选择

根据上述对功能需求的分析可以得出，该自动车库门控制系统的设计要点在于控制信号的类型、电机转速的控制、控制器的选择以及门体的选择几个方面。

2.2.1控制信号产生方式选择

在设计中要实现对车库门的准确的开启，就需要有准确的控制信号，在当前的自动车库门行业中控制信号的产生的方式是通过各类的感应开关。

控制信号的类型有压感信号，微波信号，红外信号，地磁信号等等。

对于自动车库门控制系统而言,主要的控制信号则来源于微波信号，红外信号，地磁信号这三类控制信号。

三类信号的原理不同，微波信号利用的是多普勒效应，利用非接触的方式，通过物体对微波的反射来判断物体的位置的移动，进而产生相应的信号；红外信号利用的是物体在不断的对外发散的热量，通过对热源体位置的变化,产生相应的信号；地磁信号则是利用地磁感应原理,也就是对于一个磁性物体（金属体），无论其运动与否，都会在一个范围之内对地球自身的磁场产生明显地扰动，这就是磁干扰，通常来说，铁磁性的物体都会对地球自身的磁力线产生扭曲和畸变,这样会产生相应的信号。

对于这三类控制信号，微波信号和红外信号对于移动物体的判断存在着严重的缺陷，即无论移动的物体是否是车辆，二者都会产生控制信号，这与本课题的设计要求—准确的开启相违背，而地磁信号则是有金属体对地磁的扰动来产生相应的信号，因此符合车库或停车场,有众多车辆进出的这一应用环境.

通过上述的分析,本设计将选择地磁信号作为本控制系统的控制信号。

2.2.2电机转速控制

为了确保整个自动门系统的准确性和快速性，对于电机转速的控制时尤为重要的，常见的交流电机调速的方式有降电压调速、变极对数调速以及变频调速【8】。

降电压调速的原理是降低电源电压的人为机械特性，由于,则降低电压就可以降低电机的转速，但该调速方式的调速范围相当的窄，并没有实用价值。

变极对数调速的原理是改变定子绕组的极对数,由于转速n1与极对数成反比，因此改变极对数即可改变转速，但是其操作相对复杂,并不采用【9】。

而变频调速相对于上述两种调速方式来讲更简单也更容易实现，由于电动机的同步转速为

由此可见，改变电源的频率,便可以改变转速，达到调速的目的。

于是，在调速方案上,在设计中选择了变频调速的方案，而为了实现这一目的，则选择了将PLC与变频器相结合的方式，即根据电机以及传动装置的规格，结合设计要求，并依据数学计算公式，计算出要达到所需要的门体提升或下降的速度所需要的电机转速，并根据电机转速来反推出所需要的电源频率，由于变频器具有频率设定功能，因此，讲求得的频率值在变频器中于以设定,即可在所需的模式下，使电机以所需的转速旋转。

2。

2.3控制器的选择

控制器是控制系统的核心,在控制系统中控制器一般有单片机和PLC两种选择,两者的本质相同，即均是基于微处理器技术，而不同的是，PLC在其内部就存在单片机，相当于是在单片机基础上的二次开发。

在编程方法的难易性上来说，PLC的变成方法简单，容易上手，而单片机的编程方法却较为复杂;抗干扰能力上来说,PLC的抗干扰能力强，能适用于环境恶劣的工业控制场合,而单片机的抗干扰能力却相对较差，应用场合也是相对较小的控制系统。

因此，在控制器的选择上，PLC更适合本文所涉及的自动车库门控制系统的设计。

2。

2.4自动车库门的的选择

在自动车库门迅猛发展的今天，自动车库门的种类即类型也是多种多样，但在市场上主流的认识之中，自动车库门大致分为三类，分别为卷帘式、滑板式、伸缩式【10】.

在这三种类型之中，从外观上来讲，卷帘门由于其帘片尺寸的限制显得在美观和大气上略有不足，伸缩门则在外观上有着先天的缺陷，而滑板门则由于帘片并没有太大的限制，于是在门体外观上可以做出更好的设计；从材质上来讲,三者并未有太大的差距,在主流的门体选材中,卷帘门和伸缩门更倾向于铝合金材料的利用，有所不同的是，卷帘门也可采用彩钢板或铝合金+聚氨酯发泡来作为门体材料，在滑板门的门体上，门体的内层与外层选用镀锌板，门板表面采用静电纯聚酯喷涂工艺，并在中间填充以发泡聚氨酯，这样的设计不仅使得滑板门在外观上有了更多的设计空间也使其兼具了坚固、保温、易清洁和耐腐蚀的特点；最后，就整体性能而言,卷帘门和伸缩门的运行完全依靠电机,因此对电机的性能和使用寿命会有更严格的要求，而对于滑板门,由于其内置扭簧，使得扭力与门体的自身重量相当，用扭力抵消掉了门的自重，是整个门体近似处于一个“零重量”的状态,降低了电机在开关门过程中的负荷，延长了电机的使用寿命。

于是，综上所述,在门体的选择上，由于滑板门出色的外观表现，先进的门体材质技术以及科学的重力分配带来的优异的整体性能表现,故选择滑板门更为合适.

2.3控制系统结构及其原理

2.3.1控制系统结构

根据对控制系统的功能需求和选定的设计方案，课题的自动车库门控制系统结构如图2。

1所示.

图2。

1自动车库门控制系统结构图

结构图中各部分结构的功能如下:

1）PLC为控制器，负责接收并处理接收到的信息，并将处理后的信息输出，以控制驱动装置的动作（正转或反转）；

2）感应器件，即地磁感应器，用来检测是否有车辆进出,并向PLC传送相应的信号,进而完成开门（或关门）；

3）驱动装置作为系统中的动力源，负责在接收到PLC发出的相应信号后,做出相应的动作（即电机的正反转），并通过传动装置完成开关门;

4）传动装置是系统的“筋脉”，连接驱动装置和门体自身，其结构主要是导轨和传动链条，作用是通过链条将驱动装置所产生的动力转变为门体上升或下降的牵引力,并通过导轨使自动门开或关;

5）自动门需要在驱动装置和传动装置的合力作用下完成开门关门的动作。

2.3.2系统的工作原理

该自动门控制系统利用地磁感应器以及其传感器来进行通信，当有车辆通过地磁传感器时，引起地磁传感器产生的磁场的变化，该变化信号通过放大和以及AD转换，输送到PLC中，PLC接收到信号，进行处理后经过I\O端口和驱动电路,经过传动装置完成对门体的空置，进而完成开关门。

当门体处于开启状态时，内置延时功能会使门体在开启位置停留8s，在此期间若传感器没被再次激活，即没有车辆进入或离开,则门体会在延时过后进入关门过程，若此期间传感器被激活，则重新进入延时过程。

2。

4本章小结

本章通过对课题的功能需求分析，提出了该控制系统所要达到的功能，并通过对控制方案的选择决定了采用的设计方案，并在此基础上明确了系统的结构以及工作原理。

第3章自动车库门控制系统硬件设计

本章结合系统的功能需求以及控制系统之结构，选择适合的元器件,设计出相关硬件电路（继电器-接触器电路）。

然后将各个部分进行合理连接，最终完成整个自动车库门控制系统硬件平台搭建，为之后的梯形图编写以及调试奠定好硬件基础.

3。

1可编程控制器（PLC）

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControl,PLC）是以硬件接线逻辑控制技术以及计算机技术为基础发展起来的，具有高可靠性、强抗干扰能力,编程简单、使用方便，具有模块化结构，设计、制作周期短，维护方便，I/O接口丰富，重量轻、体积小、功耗低等等特点的一种新型通用的工业控制装置【2】.

目前,PLC（可编程序控制器，以下称PLC）在全世界的工业控制中被大范围采用.PLC的生产厂家也不断的涌现，推出的产品种类繁多且各具特色.本课题中所设计的系统选择的PLC是德国西门子（SIEMENS）公司的西门子S7系列PLC中的小型PLCS7—200【7】。

该PLC的外部主要有电源输入接口、输入接口、输出接口、通信接口、PLC状态指示灯、输出LED指示灯、输入LED指示灯、可选配件、传感器输入接口、检修口等组成【1】。

PLC的功能框图如图3。

1所示：

图3.1PLC的功能框图

在PLC的选型方法中，一个重要的方法就是根据I/O点数选择PLC，这是因为I/O点数是PLC选用的一个重要的指标，它是衡量PLC规模大小的标志，若不加以统计，一个小的控制系统，却选用中规模或者大规模的PLC不仅会造成I/O点数的限制，也会造成投入成本的浪费，因此在选用PLC时，应对气使用的I/O点数进行估算,合理选用PLC【1】.另一个重要的方法就是根据用户存储器的容量来选择PLC，在选择PLC的用户存储器的容量时，应考虑开关量I/O的点数以及模拟量I/O的点数对它的存储器容量进行估算，并在估算的基础上留出25%的余量，即为所应选择的PLC用户存储器容量。

其具体的计算公式为

存储器字数=（开关量I/O点数×10）+（模拟量I/O点数×150）

因此本课题在明确控制对象之控制要求的基础之上,分析和统计了所需要的控制部件（输入元件，如按钮、转换开关、行程开关、继电器的触点、传感器等）之个数以及执行元件（输出元件，如指示灯、继电器或接触器线圈、电磁铁、变频器等）之个数，以及模拟量I/O、开关量I/O的点数，并根据这些元器件的个数确定所需PLC的I/O点数和存储容量,并且在此基础上分别做15％~20％和25%的预留。

本课题中,为满足所需功能,共需7个输入量以及7个输出量，因此经过分析与选择，证明之前所提到的西门子S7-200PLC满足课题所需,即为课题所选择的PLC型号。

该类PLC具有以下的主要功能特点：

1）采用模块化紧凑设计，可按积木式结构进行系统配置，功能扩展非常灵活方便；

2）能以极快的速度处理自动化控制任务，S7—200和S7-300的扫描速度为0.37μs/指令。

3）具有很强的网络功能，可以将多个PLC按照工艺或控制方式连接成工业网络,构成多级完整的生产控制系统，既可以实现总线联网也可以实现点到点通信。

4）在软件方面,允许在Windows操作平台下，使用相关的程序软件包、标准的办公室软件和工业通信网络软件，识别C++等高级语言环境。

5）编程工具更为开放,可使用普通的笔记本电脑。

因此，对于本课题所设计的控制系统而言，该型PLC是最优的选择，一是由于它出色的运算执行速度，二是其庞大的I/O个数以及开放的编程及运行环境，方便了之后的软件设计.PLC的端子连接图如图3。

2所示：

图3.2PLC端子连接图

西门子S7—200型PLC电源电压采用DC24V，而工业用电电压为AC220V，因此需要经过变压器与整流器来提供PLC工作所需电压,变压整流部分如图3.3所示：

图3。

3变压整流电路

3。

2驱动电路

电机即为本设计的驱动装置,是本设计所涉及的控制系统之中的核心设备，因此，驱动装置的选型是本课题中较为重要的一环。

在此次的驱动装置（以下称电机）选型中，有直流和交流两种类型可选，于是根据本课题控制系统的需求,做了如下的分析。

对于直流电机而言,使用直流电作为其电源，电流通过电刷以及换向器引入到转子电枢中。

直流电机的有点简单明了，它在调速范围上比较广泛，并且可以达到平滑调速；起动、制动以及过载转矩相对较大；在控制方面,直流电机易于控制并且有着较高的可控性。

直流电机的主要缺点就是其换向问题,在换向过程中容易产生换向火花【5】.

相对于直流电机，交流电机的优点显得比较实用，他结构简单、制造方便、价格低廉、运行稳定、耐用坚固、运行效率高并且有着出色的适用性，它的缺点就是功率因数差。

综合以上的依据，可以得出结论，从理论的角度来评价，直流电机有着相对交流电机来说所不具备的优点，它的广调速、大载矩，这些都是交流电机所不具备的,而在实际之中，就本设计而言，可用性和安全性才是真正选择一个好的电机的参考标准，在这个方面，直流电机便难以望其项背，交流电机在其自身的种种优点的基础之上，还克服了直流电机的换向问题。

虽然交流电机存在着功率因数较差的问题，但是这个缺点可以通过别的方式来进行弥补，因此在本课题中,电机的选型上交流电机成为选择。

在确定了交流电机的基础上，课题参考了市面上在自动车库门方面采用的电机类型，并考虑到在实际中要达到噪声低、过载强、低转速等要求,并结合安全性和实用性的设计理念,本课题选用的电机是来自意大利的SEJ电机，采用Y型接法，380V三相或220V电源，功率为0。

55~6。

0KW,最大转速1500转/分,提升速度为0.5～1.8m/s。

该型电机的的特点就是可以与PLC、变频器以及常用保护装置兼容,并可以采用按钮控制，并有热敏电阻保护.SEJ电机如图3.5所示，驱动装置电气连接图如图3.4所示：

图3.4驱动装置连接图图3.5SEJ电机

3.3变频器的选型

根据课题的功能需求分析，需要对电机采用变频调速，即改变供电电压的频率来实现对交流电机的速度控制.

变频调速的特点有：

允许使用标准电机，能够连续调速,能够改变电子回路改变相序、改变转速方向。

其优点就是启动电流相对较小，可以调节加减速，而且电动机可以实现高速化和小型化，各种保护功能齐全（例如过载保护、短路保护、过压和欠压保护）等等.因此变频调速的应用范围非常广泛【3】.

变频器的电路一般由三部分组成，分别为主电路,控制电路以及保护电路【6】。

其中主电路来进行电力交换,微电极提供调频调压电源.控制电路用来给主电路提供控制信号，而保护电路则是在变频器发生故障时，给变频器提供预先设定好的各种保护。

变频器的内部结构图和主要外部端口组成如图3。

6所示：

图3.6变频器的内部结构图和主要的外部端口组成

在变频器的选型上，主要包括种类选择和容量选择两个大方面。

1）种类选择

目前在市面上主流的变频器，大体上可以分为三类：

通用性变频器:

指的是配备有一般V/F控制方式的变频器，这种变频器成本较低且使用广泛。

高性能变频器：

指的是配备有矢量控制的功能的变频器，这种变频器适用于对于调速性能要求相对较高的场合.

专用变频器：

指专门针对某类型机械设计的变频器【3】。

2）容量选择

使用变频器来驱动电机,由于电机电抗较小，高次谐波的增加致使输出电流变大.所以电机的变频器选型，容量须稍大于电机。

在本课题选取电机功率为0。

6KW，因此所选取的变频器其容量须大于0.75KW。

所以综合上述因素，本课题选取的变频器为松下VFO系列的单相220V级变频器，该系列0.75KW容量级别的型号带制动回路和制动电阻，所以本设计选取0。

75KW容量级别带制动回路的BFV00072D（0.75KW/3。

6A）型号【4】。

外观图如图3.7所示：

图3.7松下VFO变频器外观

在设定变频器的参数之前，课题依照参考文献对自动们的传动装置做了了解，传动装置的结构如图3。

8所示。

其中马达皮带直径为5cm，皮带外径为28cm，内径为14cm。

图3。

8传动装置结构

按照本课题所设计的自动门系统的速度要求:

快速启动（行程开关1）→中速运行（行程开关2）→低速运行（行程开关3）→停止运行（限位下限开关），构成了如图3。

9所示的开门以及关门曲线.

图3。

9开关门曲线

根据开关门曲线，对转子的转速进行如下计算。

线速度和转速之间的关系，公式

v==

可设马达轮皮带轮的直径为（m）,其转速为（r/min），线速度为（m/s）;设门滑轮外直径是（m），其内直径是（m），内外径转速同为（r/min），门皮带内轮线速度为（m/s）.

于是可得：

马达皮带轮线速度与马达转速的关系

马达皮带轮线速度与门外径转的速关系

门皮带内轮线速度与门滑轮转速的关系

由上述三式化简，可得

设定加速开门或者关门的距离为1。

5m,时间为1s，其线设速度为1。

5m/s，则此时要求电机转子的转速=1154r/min。

设定中速开门或者关门的距