PLC宾馆自动门控制系统设计Word格式文档下载.doc
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3.4电器元件安装图 14
4元器件的选型 15
4.1探测器的选择 15
4.2行程开关的选择 16
4.3PLC机型的选择 17
4.4直流电动机的选型 18
5软件设计 19
5.1程序主流程图 19
5.2梯形图 21
设计心得 22
参考文献 23
附录电气连接图 24
2
1系统概述
1.1研究背景及意义
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：
有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。
自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。
门的高级形式--自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。
大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。
自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。
所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。
作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。
因此门体本身应牢固、密封。
自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常体积庞大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门。
自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。
自动门除可美化出入口环境外，由于自动门在通电后可以实现无人看管，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，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。
同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。
自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加感应探测器，当人走近自动门时，感应探测器感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过门之后，再将门关闭。
自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来分，有传统的继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装；
智能控制器控制，即通过运用现代自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。
由于继电器逻辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制的自动门所淘汰。
在智能控制器的选择上，自动门的主控器有微电脑控制器控制和可编程控制器（PLC）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定性高、维护方便，目前许多大型的商场、宾馆的自动门都是由这种方式来控制。
1.2本课题的控制任务
1.2.1课题内容：
自动门控制装置由门内光电探测开关K1，门外光电探测开关K2，开门到位限位开关K3，关门到位限位开关K4，开门执行机构KM1（使直流电动机正转），关门执行机构KM2（使直流电动机反转）等部件组成。
1.2.2控制要求：
（1）当有人由内到外或由外到内通过感应探测器检测开关SBl或SB2时，开门执行机构KMl、KM2动作，电动机正转，当门到达开门减速开关SB3位置时，电机开始减速，门到达开门限位开关SB4位置时，电机停止运行。
（2）自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM3、KM4被起动，电动机反转，当门移动到关门减速开关SB5位置时，电机开始减速，门移动到关门限位开关SB6位置时，电机停止运行。
（3）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过感应探测器检测开关SBl或SB2时，门立即停止且停止0.5秒后，自动进入开门程序。
（4）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过感应探测器检测开关SBl或SB2时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
（5）当有人站在门口不进入时，感应探测器检测开关SBl或SB2就会一直检测到信号，定时器处于循环定时状态。
自动门控制装置由门外感应探测器检测开关SBl、门内感应探测器检测开关SB2、开门减速开关SB3、开门到限位开关SB4、关门减速开关SB5、关门到限位开关SB6、开门执行机构KMl/KM2（使直流电动机正转）、关门执行机构KM3/KM4（使直流电动机反转）等部件组成。
考虑到自动控制门在出现故障时的维修方便，所以增加了手动开门K1、手动关门K2.
1.3研究的目的和意义
在超级市场、公共建筑、银行、医院入口，经常使用自动门控制系统。
使用自动门，可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用非常广泛。
自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加光电感应开关，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。
自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门发展的黄金时期。
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。
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。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内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和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
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。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
因此运用PLC控制自动门具有较高的可靠性，维修方便等特点。
本课题的自动门设计运用PLC做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济性，对于整个自动门行业是一次技术的革新，提高了自动门的使用率，因此，进行自动门的PLC控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大PLC在自动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。
2方案论证
2.1基本工作原理
首先，平移式自动感应门机组由以下部件组成：
1主控制器：
它是自动感应门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥直流电机或电锁类系统工作；
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直流电机：
提供开门与关门的主动力，控制自动感应门门扇加速与减速运行。
4自动感应门扇行进轨道：
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：
用于传输直流电机所产动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。
7下部导向系统：
是自动感应门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。
当自动感应门门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：
感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知直流电机运行，同时监控直流电机转数，以便通知直流电机在一定时候加力和进入慢行运行。
直流电机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自动感应门扇开启；
自动感应门扇开启后由控制器做出判断，如需关自动感应门，通知直流电机作反向运动，关闭自动感应门.
2.2自动门的分类
自动门通常分为弧形自动门（如图2.1）、双扇平移自动门（如图2.2）等。
图2.1弧形自动门
图2.2双扇平移自动门
本课程设计所采用的是双扇平移自动门。
因为这种门体积小、稳定性好、价格低、维护方便，更适合宾馆等地方使用。
2.3方案选择
在最初的设计时，提出了两种自动平移门的控制方案：
方案一是继电器控制、方案二是采用PLC控制。
方案一是采用继电器控制，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每个只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差。
继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，其设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。
而方案二的PLC控制采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式储存在内存中，要改变控制逻辑，只需要改变程序即可，因此灵活性和扩展性很好。
在控制的速度方面：
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作一般几十毫秒数量级，另外机械触点还会出现抖动问题；
而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。
根据以上两方面的分析，本次设计采用方案二，即采用PLC来控制。
2.4机械传动机构设计
在本课题设计的自动门针对人流较多的宾馆，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：
1．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。
2．所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。
3．电机：
驱动电机采用220V直流电机，功率大，可调性强。
4．导轨：
水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性。
并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。
5．滑轮：
采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。
6．皮带：
采用齿形皮带,齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。
皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。
7．传动结构如图2.3所示。
其中马达皮带轮直径为5cm,皮带滑轮内径为13.5cm,外径为28.5cm。
图2.3机械传动
3硬件设计
3.1系统结构框图
本设计运用PLC控制调节直流电机运转来实现自动门运转的控制方式。
根据宾馆对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应具有以下功能：
1．开门和关门控制应具有手动和自动方式
为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。
手动和自动开门方式由手动自动转换开关来控制。
当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。
当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器自动控制门的开关。
2．快要到达限位处自动减速功能
如果门在打开或者关闭的过程中一直是高速移动，那么在到达限位处会因为惯性而不能立即停止，时间久了会把门撞坏。
为了防止发生这种速度过高不能立即停止的现象，设计了在即将到达限位开关处减速的功能。
具体开关的布置如下图所示。
图3.1减速及限位开关布置图
如图3.1所示，当门边缘位于BC之间时是高速运行；
位于AB和CD之间时为了防止停止时的惯性撞击所以采取低速运行。
图中的A、B、C、D的含义如下表3.2所示：
A
开门限位开关
B
开门减速开关
C
关门减速开关
D
关门限位开关
表3.2各开关含义
3．防夹人功能
为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在门附近的人被门所夹住。
自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。
采用自动和手动点动控制方式，此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。
本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。
系统的总体框图如下图3.3所示：
图3.3系统总体框图
3.2主电路图
该控制系统使用一台250W的直流电机进行拖动，直流电机选择额定电压为48V。
主电路连接入下图3.4所示
图3.4控制系统主电路图
3.3PLC的I/O分配
I/O分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。
根据自动门的控制系统功能的要求，确定了PLC的I/O分配表，如下表3.5所示：
表3.5I/O分配表
类型
设备
PLC端子号
输入端
手动/自动切换开关
X000
门内感应探测器
X001
门外感应探测器
X002
X003
X004
X005
X006
防夹人传感器
X007
手动开门
X010
手动关门
X011
总启动
X012
总停止
X013
输出端
工作指示灯
Y000
正转开门KM2
Y001
反转关门KM3
Y002
调速接触器KM4
Y003
3.3I/O接线图
PLC外部端子I/O配置图是I/O分配表的直观表达，可以清楚的表示PLC的外部端子的接线情况
图3.6PLC的I/O接线图
3.4电器元件安装图
系统中电器元件的安装布局位置如下图3.7所示：
图3.7电器元件安装图
4元器件的选型
控制系统中各元器件的选型总表如下表4.1所示：
产品元件
型号
厂家
数量
PLC
FX2N-32MR
三菱
1
直流电机
BL-5605
亚坦
直流接触器
窗体顶端
CN-5K窗体底端
台安
3
行程开关
WLNJ-Q
欧姆龙
4
人体感应器
TZ-93-P01窗体底端
天得
表4.1各元器件选型
4.1探测器的选择
目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应开关，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及稳定，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。
根据本设计的需要选用人体感应探测器。
人体都有恒定的体温，一般在37°
，发出波长为10微米左右的红外线。
热释电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为10微米左右的红外辐射非常敏感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。
被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产生相应的信号。
人体感应探测电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自动门两侧。
当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。
电子开关信号输入到PLC输入继电器中，PLC根据收到的信号，驱动电机将门打开。
人体感应探测器需要2个，分别用来感应门内外的来人情况，占用PLC两个输入点。
4.2行程开关的选择
本系统的关键是控制门的运行，为了达到更好的控制效果，PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理，所以在关键的位置上安装位置传感器，并把传感器信号传给PLC。
为此设置了两个行程开关，一个用于检测门完全打开时的位置，叫开门极限开关，一个用于检测门完全关闭时的位置，叫关门极限开关。
当门在运行过程中，接近最大位置时，限位开关的信号传给PLC，电机停止运转。
门离限位开关较近时，电机低速运行，通过程序来控制。
4个行程开关，占用PLC的4个输入点。
限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。
用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。
限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。
当生产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。
4.3PLC机型的选择
（1）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类：
按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；
模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
（2）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。
输入输出点数对价格有直接影响。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
本设计所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，因此选择整体型PLC。
综合以上因素，本设计采用日本三菱公司生产的FX2N-32MR小型PLC来实现整个自动系统的控制，如图3.7所示。
图4.2FX2N可编程控制器（PLC）
三菱FX2N-32MR具有如下优点：
最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
三菱FX2N-32MR具有突出的寄存器容量：
三菱FX2N-32MR包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。
丰富的元件资源：
3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器、实时时钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。
4.4直流电动机的选型
并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。
因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。
这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。
现常用的对他励直流电动机调速的方法有改变励磁调速和电枢回路串电阻调速。
同时第二种电枢回路串电阻还可以用于限制启动电流，避免直流电机直接启动的启动电流过大，因此本设计采用第二种方案电枢回路串电阻调速。
这种调速方法的缺点是调压需用专门的电位器，投资较高。
但是电枢回路串电阻降低了电机的效率。
综上所述，直流电机具有更大的功率密度（铁芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省却变频器以及产能提高因素考虑在内，使用者的综合成本下降很大。
所以在本课题设计中选用了亚坦电机公司的BL-5605型额定电压48V功率250W的直流电动机。
5软件设计
5.1程序主流程图
5.2梯形图
设计心得
通过本次课程设计，我初步试着用自己所学的专业知识，设计出程序和硬件系统，进一步理解了PLC控制系统的设计方法，提高了PLC梯形图的编程能力，掌握了PLC控制系统的调试技巧，更加熟悉了GXDeveloper8.0编程软件的应用。
虽然在这其中自己提高了很多，但同时这也让我明白自身知识的贫乏，很多方面还需要加强努力；
体会到网络资源的丰富，找资料也需要技术，开拓了眼界，并为以后查找资料垫定了基础。
本设计研究了PLC的自动门控制系统的设计原理与实现方法，包括硬件设计与软件设计，将PLC应用到自动门控制系统中，充分发挥PLC高可靠性和抗干扰性特点，外部接线简单、灵活，维修方便。
一个设计的完成并不只是了解某一方面的知识就够了，还需要了解和掌握与之有密切关系的其他课程知识的学习。
硬件开发是PLC控制系统应用开发的基础，软件的开发是建立在硬件之上，软硬件设计的巧妙结合是项目开发质量保证的关键。
如果我们能用软件解决的问题，应尽量用软件解决，毕竟软件开发成本低，只需开发时间。
设计是在他人的基础之上建造属于自己的东西，我们要学会的就是把人家已经制造好的东西，添加自己的思想组合、加工。
在做这次设计的过程中得到了很多同学的指点帮助，衷心的谢谢他们。
参考文献
[1]常晓玲.《电气控制系统与可编程控制器》.机械工业出版社.2004年
[2]汤自春主编.《PLC原理及应用技术》.高等教育出版社.2006年
[3]唐介主编.《电机与拖动》.高等教育出版社，2007年
[4]高鸿斌等主编.《PLC分析与设计应用》.电子工业出版社.2004年
[5]三菱公司编.《三菱FX系列可编程控制器编程手册》.2000年
附录电气连接图
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