基于PLC的变频调速自动门系统设计.docx
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基于PLC的变频调速自动门系统设计
摘要
本系统设计了一个基于西门子S7-200系列PLC和松下VF0变频器控制变频电机的自动门系统。
同时介绍了该系统的具体工作流程、控制系统硬件设备的选型方法、程序的编写以及系统的仿真调试。
该系统具有结构简单，控制方便，维护方便，可靠性高，安全性高，调速范围宽等特点，所设计的自动门适用于使用频繁、人流量多的公共场所，是目前实现楼宇自动化的设备之一。
关键词：
PLC；变频器；变频电机
ABSTRACT
ThissystemdesignofautomaticsystemisbasedonaseriesofSiemensS7-200PLCandVF0Panasonicofinverterwhichcontrolsfrequencyconversionmotor.Alsoitintroducestheconcreteworkflowandcontrolsystemhardwareequipmentselectionmethods,proceduresandsystemsofthesimulationtest.Thissystemadvantagessimplestructure,convenientcontrol,convenientmaintenance,highreliability,highsecurity,widerangeofspeedcharacteristics,andsoon.Suchastheautomaticdoor,whichisdesignedbythissystemisusedinthehustleandbustlepublicplace.Itisreallyoneoftherealizationsofbuildingautomationequipmentcurrently.
Keywords:
PLC;Inverter;Frequencyconversionmotor
绪论
自动门的简介
（1）基本原理
自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、驱动装置、传动装置、门禁系统、安全装置、集中控制等。
必须根据建筑物的使用特点。
通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。
（2）分类
1按启闭形式分：
可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门。
2按门体材料分：
有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等，也可采用其它材料。
用其组成的常见种类有无框玻璃自动门、不锈钢框玻璃自动门和铝合金框（刨光或氟碳喷漆）玻璃自动门。
各品牌自动门如图1-1：
图1-1各品牌自动门
本设计研究的内容
自动平移门机组的部件组成
在本设计中主要研究自动平移门，设计的自动平移门具有手动和自动开门功能以及分时段控制功能，同时配备防夹人光栅、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多场所的高效率、高安全性的要求。
（1）主要部件
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。
（2）辅助配置
1行程开关：
在自动门行进过程中，通过行程开关判断自动门所在位置，驱动信号输出达到控制自动门行进速度。
2安全辅助装置：
在高档酒店等地方需要杜绝自动门的夹人事件，可以选择安装防夹人光栅。
3配备后备电源：
为保证停电时自动门也能工作正常，可以配备后备电源。
自动门控制系统要求
（1）物体靠近门时
传感器获得信号给控制器，控制器根据门当前所在位置决定门的动作，有三种情况：
1门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。
2门处于某一位置，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门。
3门处于开启状态，控制器应使门保持开启状态。
（2）无物体靠近门时。
1如果门处于开启状态，延时适当的时间以最佳速度曲线关闭门。
2如果门处于关闭状态，维持此状态。
自动门的总体结构设计方案
自动门的门体构造和参数
本设计面向商场和超市等人流量巨大，出入频繁的场所，需要有安全性和可靠性，根据主流自动门设计和本论文内容的要求，设计自动门门面结构如图2-1所示：
图2-1自动门门面结构示意图
公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限，为使门体更加坚固耐用，本设计门体玻璃材质使用钢化玻璃。
根据例如机场、大型超市、和医院外门等公共场所人员流量巨大的需求，必须对自动门进行综合的考虑，设定适合的具体参数，例如增加门的数量、加大门扇宽度、增加关门延时时间等。
具体参数如表2-1所示：
表2-1自动门的具体参数
门体设计项目
参数设定值
单扇门开启宽度
1500mm
单扇门的最大承重
1
200kg
门体高度
2500mm
最快开关门速度
80（cm/s）
常速开关门速度
40（cm/s）
减速开关门速度
20（cm/s）
开启保持时间
15s（可调）
自动门的机械传动结构
自动门的机械传动机构设计主要包括安装板，行进轨道，三相交流电机，传送皮带，皮带滑轮，轨道滑轮，吊架等。
传动机构如图2-2所示。
其中马达皮带直径为5cm，皮带外径为28cm，内径为14cm。
图2-2机械传动结构
自动门的导轨及滑轮结构
导轨、滑轮及传动皮带是推拉自动门的基本传动部件，与活动扇的运行直接有关，是易损件，其结构设计、材质、加工、安装及调试精度、维修保养等决定了质量和使用寿命。
（1）双水平导轨设计及优点
本设计采用了水平双导轨设计。
这种结构不仅有效地缓解了动态“侧摆”的弊病，同时也在一定程度上解决了活动扇“掉扇”等安全问题。
而且大大地减少了滑轮的动态磨损，在根据活动扇受力情况对导轨和滑轮截面曲线进行加强设计后，使门机的单扇承重量达到200公斤。
自动门导轨采用双层水平导轨设计，使活动扇重心处于双层水平导轨的两个支撑点之间，形成双层“正悬挂”。
导轨朝下的开口两侧配以毛刷形成密封，有效避免积尘造成的磨损影响。
这种设计还在于解决了导轨、传动及电气组件的安装固定等关键问题。
双水平导轨的最大优点是静音，因为彻底解决侧摆的弊病从而达到了最大的动态稳定性，从而保证了安全，在一定程度实现了“免维修”的承诺。
（2）水平双导轨和滑轮受力状况的改善
在两侧简支的水平双导轨的结构设计中。
每一个活动扇由四个滑轮来悬挂、驱动，从而避免起动、刹车过程中前后轮的压力不均，在水平和垂直两个方向减少了活动扇的摆动和震动，这种结构较之侧悬挂双滑轮结构的使用寿命几乎提高了一倍，而且大幅度降低了运行噪音。
（3）新齿型皮带的选用
为了提高传动机械效率，自动门采用齿型皮带传动。
一般自动门的传动皮带的齿型为直角，齿型高度小。
当皮带张紧及门机加速度运行时，皮带的齿距会发生变化并导致皮带快速磨损，所以传动皮带是易损件，需定期更换。
最新的传动皮带是经过数组钢丝加强的尼龙皮带，这种皮带的齿型表面附加一层尼龙布，不仅使曲线齿型表面与传动齿轮严格吻合，而且减少了滑动的可能性，尼龙皮带的加强钢丝避免了齿距变形和断裂的可能性，使传动皮带成为不可损部件。
自动门的控制系统方案确定
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，制造烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。
目前自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（PLC）。
本设计运用PLC控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门运转的控制方式。
采用变频器控制电路，结构简单，控制方便，可靠性高。
交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高，结构简单，维护方便，易于冷却和寿命长等优点，并且系统调速范围宽，能实现低速恒转矩，高速恒功率运转等特性。
随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的广泛运用提供了条件。
控制系统结构图如图2-3所示：
图2-3控制系统结构图
自动门控制系统的设备选型
驱动装置的选型
根据本论文所设计的自动门的要求选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准的规定的，具有噪声低、过载能力强、低转速的交流变频电机，在结合了安全、稳定的考虑，本论文设计的自动控制系统的驱动装置选用本溪市微分电机有限责任公司生产的电梯自动门专用三相交流变频电机，型号为SBP90-60型，额定电压为三相交流220V，采用Y型接法。
根据生厂商提供的电机结构和参数图如图3-1所示：
图3-1电机结构和参数
可编程控制器（PLC）的选型
PLC概述
可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而展起来的一种新型工业控制装置，它将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。
随着PLC技术的不断发展，目前已能完成以下控制功能：
条件控制功能；定时/计数控制功能；步进控制功能；数据处理功能；A/D与D/A转换功能；运动控制功能；过程控制功能；扩展功能；远程I/O功能；通讯联网功能；监控功能等。
像PLC这样集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的机电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、信息化及智能化创造了条件。
自动门PLC的选型
系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。
这其中PLC的选型至关重要，如何根据不同的控制要求选择合适的PLC，设计出运行平稳、动作可靠、安全实用、调试方便、易于维护的控制系统呢?
在PLC系统设计时，首先应确定系统方案，下一步工作就是PLC的设计选型。
选择PLC，主要是确定PLC的生产厂家和PLC的具体型号。
（1）PLC生产厂家的选择确定
PLC的生产厂家，主要应该考虑设备用户的要求、设计者对于不同厂家PLC的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务等方面的因素。
从PLC本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司的产品，不应该存在可靠性不好的问题。
（2）输入输出（I/0）点数的估算
PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。
I/O点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。
通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
（3）PLC机型的选择
整体型PLC的I/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。
这一类PLC的代表有：
西门子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、欧姆龙公司的CPM1A系列等。
（4）经济性的考虑
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，最终选出较满意的产品。
综合以上因素，根据作者对PLC生产牌子的熟悉程度、I/O接入点（初步设计13个输入点和12个输出点）的估算、小型控制系统的要求以及经济可行性等综合考虑，本论文设计采用西门子S7-200（cpu226）系列小型PLC来实现整个自动系统的控制，所选PLC如图所示3-2所示。
西门子S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，它结构紧凑、扩展性良好、指令功能强大、价格低廉，成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
其产品集成一定数字I/O点的CPU：
CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。
S7-200的编程软件：
STEP7-Micro/WIN32。
该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。
使得PLC的编程更加方便、快捷。
可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。
图3-2西门子S7-200系列PLC
变频器的选型和参数设置
变频器的原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电流通过整流器转换成直流电流，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提供给电动机。
变频器的电流一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
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电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，以此为电源再提供给电机使用。
变频器的选型
根据本设计自动门的需要，配合以上电机的选型，变频器选型要确定以下几点：
（1）电压匹配。
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
本设计选取的三相异步变频电机额定输入电压值为220V，所以变频器输出三相电压应为220V。
（2）电流匹配。
变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
由以上电机选型参数可知电机Y型连结启动最大电流值为0.45A，所用变频器最大电流应大于该电机最大启动电流值。
（3）容量匹配。
在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
本设计选取电机功率为0.18KW，所以选取变频器时其容量必须大于0.2KW以上。
综合以上因素，本设计选取松下VF0系列单相200V级变频器，考虑该系列0.2KW容量级别的型号不带制动回路和制动电阻，所以本设计选取0.4KW容量级别带制动回路的BFV00042G（0.4KW/2.4A）型号，外观如图3-3所示：
图3-3松下VF0变频器外观
松下VF0系列变频器具有以下特点：
（1）为了满足各类机器小型化的需要，实现了同类产品中最小型化的目标，0.2KW和0.4KW型，宽78mm×高110mm。
（2）可与PLC直接调节频率、直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率。
（3）采用了新设计的调频电位器，用操作盘就可容易地操作正转/反转。
（4）内装8段速多功能控制功能，可最大满足自动门多段速调节。
松下VF0系列BFV00042G（0.4KW/2.4A）型号变频器主要参数如表3-1所示,多功能SW端子设定为多速功能时的SW输入组合动作如表3-2所示。
表3-1松下VF0系列BFV00042G变频器主要参数表
电机容量
0.4KW
变频器控制方式
高载频正弦波PWM控制（V/F控制）
输
入
相数·电压·频率
单相·200~230VAC·50/60Hz
电压变动允许值
额定输入交流电压的+10%,-15%
频率变动允许值
额定输入频率的±5%
输
出
频率范围
0.5~250Hz
频率显示
数字显示
频率精度
数字设定时：
0.1Hz（100Hz以上为1Hz）,模拟设定时：
0.1Hz（50/60Hz时）
表3-2SW多功能端子多段速输入组合
SW1（端子NO.7）
SW2（端子NO.8）
SW3（端子NO.9）
动作频率
0
0
0
第1速
1
0
0
第2速
0
1
0
第3速
1
1
0
第4速
0
0
1
第5速
1
0
1
第6速
0
1
1
第7速
1
1
1
第8速
变频器的参数设定
本论文所设计的自动门系统具有如下速度要求：
自动门要求高速启动（行程开关1）→中速运行（行程开关2）→低速运行（行程开关2）→停止（限位下限开关），构成了如图3-4的开门和关门曲线。
图3-4开关门曲线
根据曲线要求，以下对转子转速进行计算。
根据线速度和转速之间的关系，公式为：
v=
=
。
设马达轮皮带轮直径为
（m），转速为
（r/min），线速度为
（m/s）；门滑轮外直径是
（m），内直径是
（m），内外径转速一样为
（r/min），门皮带内轮线速度为
（m/s）。
由此可得：
马达皮带轮线速度与马达转速关系：
；
马达皮带轮线速度与门外径转速关系：
；
门皮带内轮线速度与门滑轮转速关系：
；
综合以上三式化简得：
，即
。
加速开门或者关门的距离为40cm，时间控制在0.5s，线速度速度为0.8m/s，此时要求电机转子的转速
=612r/min。
中速开门和关门的距离为80cm，时间为2s，线速度为0.4m/s，此时要求电机转子的转速
=306r/min。
减速开门和关门的距离为30cm，时间为1.5s，线速度为0.2m/s，此时要求电机转子的转速
=153r/min。
根据转速公式：
，其中f表示电流的频率，p表示电机的极对数，s表示电机的转差率，n表示转子的实际转速，计算出变频器的设定频率。
根据公式和电机参数p=6，额定转速为900r/min，算出电机的转差率s=0.44。
根据公式可得：
电机高速设定频率值
=34.28Hz；
电机中速设定频率值
=17.14Hz；
电机低速设定频率值
=8.57Hz。
根据以上速度要求，参照松下电工提供的设置手册进行设定，变频器的频率具体设定方式见表3-3所示，根据以下设定方式按设计要求设定好变频器三速控制的频率。
表3-3变频器有关设定
名称
变频器表示
设置范围
最小设定单位
设定值
上限频率
P53
0.5~250Hz
0.1Hz
50
下限频率
P54
0.5~250Hz
0.1Hz
0.5
高速频率（第2速）
P32
0.5~250Hz
0.1Hz
34.3
中速频率（第3速）
P33
0.5~250Hz
0.1Hz
17.1
低速频率（第4速）
P34
0.5~250Hz
0.1Hz
8.6
第一加速时间
P01
0.1~999s
0.1s
0.3（需调试）
第一减速时间
P02
0.1~999s
0.1s
0.3（需调试）
多功能端子SW1
P19
0~7
1
0
多功能端子SW2
P20
0~7
1
0
多功能端子SW3
P21
0~7
1
0
选择运行指令
P08
0~5
1
5
感应开关的选型
目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应开器，红外感应器，接近感应开关等，根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中，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和稳定，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。
结合本设计的实际需要在设计的自动门的人员检测上运用奥帝门控（中国）有限公司生产的OD—001微波感应器，它造型精巧、监测范围大、灵敏度高、微处理器功能强大、安装角度多向调节，适用于宾馆、银行、办公楼、工厂等出入人员较多的自动门。
在防夹人感应器的选择上本设计选用奥帝门控（中国）有限公司生产的OD—003安全传感器（安全电眼），它采用红外光电原理设计，检测两点间或四点间障碍物的存在与否，控制器内有光线传感信号放大电路，门关闭时，传感器能检测人或物体，防止挤压。
自动门的速度信号采集上运用了Keyence（基恩士）公司生产的ED—130U非埋入型接近传感器，这种感应器的特点是能检测所有金属，最大检测距离是20mm，检测距离调节方便，安装简单。
控制系统PLC程序设计
梯形图及其编程环境概述
梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一种因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
典型的梯形图如图4-1：
图4-1经典梯形图
本设计的梯形图编程是运用西门子公司的V4.0STEP7MicroWINSP3编程软件完成的，其编程界面如图4-2所示：
图4-2V4.0STEP7MicroWINSP3编程软件界面
PLC程序设计
程序流程图
根据本设计的控制要求，所设计的程序按照图4-3所示的流程运行，以达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计。
图4-3程序流程图
I/O地址分配
I/O地址的分配是编写PLC程序的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。
根据自动门的控制系统的要求，确定PLC的I/O分配表，分别在表4-1和表4-2中列出。
表4-1输入地址分配表
输入地址
作用
I0.0
急停
I0.1
手/自动转换
I0.2
感应开关（内）
I0.3
感应开关（外）
I0.4
防夹人光栅
I0.5
关门下限
I0.6
开门下限
I0.7
异常复位
I1.0
手动关门
I1.1
手动开门
I1.2
关门低速/开门高速行程开关
I1.3
关门中速/开门中速行程开关
I1.4
关门高速/开门低速行程开关
表4-2输出地址分配表
输出地址
作用
Q0.1
手动开门
Q0.2
手动关门
Q0.3
开/关门提醒
Q0.4
自动开门
Q0.5
自动关门
Q0.6
自动开门灯闪烁
Q0.7
自动关门灯闪烁
Q1.0
变频器多功能端子SW1
Q1.1
变频器多功能端子SW2
Q1.2
变频器多功能端子SW3
Q1.3
故障报警
Q1.4
异常停止
PLC梯形图
根据以上流程图和I/O地址分配，经过深思熟虑、反复验证，编写了本设计的自动门控制系统的最佳梯形图程序，以下就梯形图各个部分功能作解析。
当电源打开时，PLC需要上电，网络1设置上电命令SM0.0，并连接手自动转换开关，当转换开关接通时，直接跳转到网络26的指定位置，运行手动程序。
网络27设置变频器在低频率中运行，以免在手动开关门时发生急速开关门意外。
网络28和2网络29中，当按下手动开/关门，接通开/关门输出，实现手动开/关门。
当有人进门或出门时，感应开关会接通，通过定时器之后，输出上升脉冲，传送到中间继电器M1.0，为后面程序通断作出控制。
定时器的设置是为了防止感应开关的误动作，避免例如蚊子、漂落物等触动感应开关接通，定时器定时时间
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