0403085李明基于PLC自动门控制系统的设计Word文件下载.docx
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两扇门共重80kg；
开门速度：
0.4-0.8m/s；
关门速度：
0.1-0.4m/s；
开门宽度：
步长5mm；
标准开启时间：
0-10s；
控制要求：
初始自动门为关闭状态，当感应探测器探测到有人要进入或出去时，从而产生脉冲信号并将其传给主控制器，PLC获得信号后通过判断通知电机运行，并同时监控电机的转数，以便控制电机在一定时候加力及进入慢行。
电机得到一定运行电流信号后做正向运行从而将动力传给同步带，再由其将动力传给吊具系统使门扇开启，门扇开启后由PLC作出判断，如需关门，则通知电机作反向运行，关闭门扇。
其它要求：
门禁系统可以配合该门使用。
如：
锁门或解锁、防盗、防火、停电是否工作等。
1.3本课题的意义
由于自动门控制系统作为自动门系统核心，因此其优劣直接关系到自动门系统的性能。
国外生产的自动门控制系统性能虽然比较优良，但价格普遍偏高；
我国能够生产科技含量高的自动门，用户操作方便，控制系统功能强大，并且成本适中。
已经有较强的竞争力在技术上，开始被东南亚国家的关注。
虽然我国的同类产品价格比较便宜，但是故障率比较高。
虽然国内的自动门行业起步较晚，但发展速度迅速，品种也多样，有自动平开门、自动平移门、自动旋转门、自动卷帘门等。
如今，自动门行业的发展已日渐成熟，功能也越来越强大。
显然我国的自动门的发展是个很有前途的行业。
可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、通讯技术、控制技术等高新技术，而在近年来发展迅速、应用极广的一类工业装置。
实现了传统继电器控制技术，并结合现代计算机技术和通信技术，提供了逻辑控制、定时控制、计数控制、PID控制和数据处理技术等多种功能，具有可靠性高、通用灵活、编程简单、使用方便等特点。
自从问世以来，已经广泛应用于各行各业，用可编程序控制器设计自动控制系统已成为世界潮流，在我国可编程序控制器的应用范围正在不断扩大[2]。
目前市场上有很多类型自动门。
卷帘式自动门虽然结构简单但是使用不方便且噪音大。
旋转门虽然外观漂亮、结构简单但是能耗大和占地面积比较大。
平移式自动门虽然外形美观、噪声低、体积小，但是在控制设计方面问题比较多，开发前景广阔。
因此，本次设计就选择了自动平开门。
2自动门机械部分设计
自动门的机械部分设计分为整体机构的设计、传动方式的设计和门体、限位开关、光电开关等部件的安装。
下面分别就这几部分内容作详细的介绍。
2.1整体机构的设计
本设计所设计的自动门控制系统是用于小型商场超市的自动门控制，只需满足以下几个基本条件
（1）工作过程中噪声不可以太大；
（2）要美观漂亮；
（3）占用空间要尽量减小。
通过比较几种自动门的优缺点后本设计系统选用了自动平移门。
选用高分子有机玻璃为自动门的门体材料，自动门门的整体结构有以下几部分：
传动系统、驱动系统、门扇、门吊系统、下部导轨系统。
自动门整体的结构示意图如下图所示。
图2-1自动门整体的结构示意图
具体组成部件如下：
（1）主控制器它是自动感应门系统的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，输出相应的指令信号，控制电机或电磁锁类负载的工作。
（2）感应探测器负责采集接收外部信号，就像人的眼睛，当有物体进入它的工作范围时，它就给主控制器输送脉冲信号。
（3）驱动电机为开门与关门提供主动力，自动门门扇的开与关由它控制。
（4）同步皮带用于动力传输，将电机所产生的动力输送给门吊系统，并牵引自动门门扇吊具走轮系统。
（5）门吊系统用来吊挂活动门扇，在动力牵引下带动门扇的运行同时。
（6）门扇行进轨道自动门门扇下部的导向和定位装置，保证其按特定方向行进防止门扇在行进中出现前后门体的摆动。
自动门门扇完成一次开门与关门的工作过程大体如下：
感应探测器探测到有人进入其检测范围时，便将脉冲信号传送给PLC，PLC通过分析判断信号后，通知电机运行，同时并监控电机的转数，以便通知电机在一定时候加力和慢行。
电机在得到一定运行电流后做正向运行，继而将动力传给同步带，接着再经由同步带将动力传给吊具系统以使门扇开启；
自动门门扇开启后通过光电传感器作出判断，如需要关闭自动门，延迟指定时间后通过控制电机做反向运转，使自动门关闭，接到行程开关的关门到位信号后电机停止运行就完成了关门动作。
本章只对自动门的驱动系统，移动系统做做简单的介绍。
测试部分和控制部分在后面章节会做详细的介绍。
2.1.1驱动系统设计
电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，交流电动机的结构简单，容易维护，价格便宜，运行可靠，具有较好的动态和稳态特性，在工业中应用比较广泛。
直流电动机有优越的调速性能和启动性能，大多用在速度调节有要求较高，正反转和频繁制动及多单元需同步协调运转的机械上。
本设计自动门的要求如下
（1）噪声应尽量小；
（2）关门过程中不可以有撞击现象；
（3）可以实现频繁开关门；
（4）开门关门要到位；
（5）体积不可以太大。
所以选择交流电机不适合，因此本系统选用了直流电机。
直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机，有刷直流电机有电刷和电刷座，结构较无刷直流电机复杂并且体积也大。
无刷直流电动机，可以用低电压产生最适宜的动力，并可以另外按装紧急备用电池，以便于供断电时开门，同时选用无刷直流电机可以实现自动门的直接拖动使自动门装置结构简单，方便安装调试，降低故障率。
因此本设计采用无刷直流电动机作为动力装置来保证自动门运行启动的可靠性[3]。
无刷直流电动机特点如下：
体积小无刷直流电机体积比有刷直流电机小很多一般来说，相应转动惯量减少40%—60%左右。
安装空间减小了，所以适用范围更广泛。
任何交流电机都无法比拟的是只要有点空间就可以安装。
效率高该电动机的机械特性及调节特性的线性度比较好，寿命长，调速的范围广，维护起来方便，噪声不大，不会受电刷问题的影响，所以这种电动机在控制系统中的应用的潜力很大。
改变电动机的转速只需改变输入电压就可以，因此通过用降低电压的方法就可以获得较低的转速。
可以顺逆两个方向使用电动机，改变电动机的转向只需改变输入端接线的极性即可。
重量轻无刷直流电机重量比有刷直流电机小很多，容易安装，支撑它的机械部分的要求降低了。
由于自动门门体本身的重量不是很大所以需要的驱动力也不大，一个直流电机就可以满足要求，该设计同时可以保证两门扇用相同的速度同时运行也，因此设计采用一个电动机控制两扇门的运动，电机正转门打开，电机反转门关闭。
由以上分析电机的选择过程如下：
（1）选择的电动机的类型：
本设计采用无刷直流电动机。
（2）选择的电机的型号：
工作机所需的功率
，
（2-1）
（2-2）
其中：
F是工作机的阻力，v是工作机的线速度，
是工作机的效率，此处
，
初步定为0.97，v=0.4
，则
所以
根据机械设计手册第三版P167选择电机的转速。
最终选中电机型号：
Y90L-4定功率1.5，定电压220V，额定转速为1400转/分。
采用一个减速比为1/20小型减速器。
设采用带轮的直径为R，则：
（2-3）
其中n为电机转速单位转/分，i为减速器传动比。
计算得带轮直径R=128.2mm。
[4]
2.1.2门扇行进轨道系统
自动门门扇下部的导向和定位装置，可以防止门扇在运行中出现门体左右摆动的现象，以确保门体按照预定的方向行进。
该结构的优点是
（1）可以保证门体移动的可靠性；
（2）降低了门体磨损；
（3）噪声比较低；
（4）节约了能量。
2.1.3门吊系统
用来吊挂活动的门扇，同时通过动力牵引来带动门扇的运行，将电机的转动转换为门的移动。
该系统为了使门扇的移动能在一条直线上设计了个移动导轨，以，以保证系统的传动可靠。
图2-2自动门的传动结构示意图
2.2传动系统
该部分要求将电动机的转动转变为直线的往复运动，在比较链传动、涡轮蜗杆传动、齿轮传动、皮带传动等传动方式的优缺点及自动门的使用环境后最终本系统采用了皮带传动，首先皮带传动比较卫生洁净不需使用润滑剂。
其次，噪声小，适合商场、银行等要求比较高的服务性公共场所。
第三，结构紧凑节省了空间。
第四，适合安装两扇移动门的情况。
该系统包括皮带、皮带张紧轮两个模块。
皮带模块用了同步齿形带，同步齿形带以合成纤维或钢丝绳作为强力层，以氯丁橡胶或聚氨酯作为基体，把带的内侧制成齿状以便与同步带的齿相啮合，可以将驱动电机的转动传变为直线的往复运动。
与普通传送带相比，同步齿形带具有传动比准确、传动比范围大、结构紧凑等优点。
该系统选用以钢丝绳作强力层和以聚氨酯作基体的同步齿形带。
选择这种特殊工艺材料的齿形皮带，伸缩性小，不受温度影响，使用过程中降低了因皮带的伸缩而引起的传动的不稳定，无需经常调紧张紧装置。
保障了装置的使用性能。
延长了使用寿命[5]。
皮带张紧轮模块带附着在皮带张紧轮模块上，为了便于调节皮带张紧度在必要的情况下，该模块设置了皮带张紧轮机构。
皮带模块和皮带张紧轮模块的双重使门体移动的可靠性得到了保证。
自动门的驱动力的稳定可靠性得到了提高。
2.3门体、限位开关和光电传感器的安装
两扇门分别用两个装有吊轮的吊架吊挂，在发动机箱的轨道上可以移动。
吊轮上端在同步带上固定，下端则与门体相连。
首先讲传感器在机械上的安装位置，对于传感器的选型及其他知识后面做具体介绍。
传感器的安装是否妥当直接影响着测试的效果和控制的精度。
所以，传感器的安装位置是不容忽视的。
传感器分为接触式传感器和非接触式传感器两种。
由于它们的工作原理不同所以安装方式，位置也不同。
本设计用到了两个限位开关和两个非接触式传感器（接近开关）。
图2-5门体、光电传感器和限位开关的安装示意图
3自动门控制系统元器件的设计
在测试系统中，整个测试系统正常运行的先决条件是测试元件是否可以正常工作，所以对测试元件比如：
光电开关、接近开关、限位开关等传感器的选取也极为重要。
位置开关广泛的应用于电气系统的定位控制、顺序控制和位置状态的检测。
分为机械式和电器式两种从结构上。
机械设备中用的机械式位置开关比较广泛的有微电子开关和行程开关等；
电器式位置开关有光电开关和接近开关等。
3.1限位开关的选择
限位开关又称为行程开关，是一种利用生产机械的某些运动部件地碰撞来发出控制命令以达到控制生产机械的运动方向、运动速度、行程大小或位置的主令自动控制器件。
限位开关是传感器的一种，可以做为开关的传感器分为两类：
一种是接触式的；
另一类是非接触式的。
接触式的传感器就是当有物体碰触到它之后才可以产生信号给控制器来进行控制；
而非接触式传感器是在物体靠近但还没碰到传感器地时候，传感器就给控制器发出控制信号进行控制。
行程开关通常选择接触式的传感器。
因为在自动门控制系统的设计中，所用的行程开关是用来为开门和关门的极限位置限位的，所以用接触式的传感器就可以满足要求。
当然使用非接触式的接近开关也可以满足要求，但接近开关的价格却比接触式的传感器高很多[6]。
考虑到经济性原则，我选择了AZ7系列的行程开关。
它的主要特点如下：
行程作用范围大；
有长效强力的弹簧机构；
作动器种类多并且有驱作位置可调设计规格；
强合型复合材料主体；
侧边固定式高精度微型行程开关；
多种形式的接点及连杆可选择；
工作温度范围大（-20℃至60℃），防护等级IP65；
辅助密封式结构；
机械寿命达1000万次以上，电气寿命达50万次以上[6]。
3.2接近开关的选取
接近开关是种晶体管无触点的行程开关。
当物体到达了预定的工作位置进入接近开关地控制距离时，开关就可以无接触、无压力、无火花的迅速发出电气指令信号，准确反应出运动机构的行程和位置，因为具有频率响应快，体积小，重复精度高，抗干扰性能好，工作范围广，无机械的磨损，没有噪声，耐振动，安装调试较方便，工作寿命长等优点，进而应用非常广泛。
接近开关样式很多，主要有电容式接近开关，电感式接近开关，光电式接近开关和超声波式接近开关。
电感式接近开关仅对金属物体感应，而且开关动作距离较小。
电容式接近开关即使对非金属感应，但是动作距离也较小，无法满足自动门控制系统的需求。
超声波式接近开关仅能对能发出超声波的物体感应，因而也不符合。
光电式接近开关不论是金属还是非金属，也无论能不能发出超声波都可以产生感应，而且感应距离在10cm-300cm之间，可以很好的符合要求。
光敏传感器是光电接近开关的核心部件。
是将光量转化为电量的器件，光敏传感器的工作原理是基于半导体材料地光电效应。
光敏传感器有光敏电阻，光电池和光敏管等。
光敏元件是种光导电元件其工作原理是利用半导体材料的内光电效应。
就是当半导体受到光照射时，其电阻值就会减小[7]。
图3-1光电式接近开关
半导体光电池将光能转化为电能直接；
受光照直接可以输出电势，事实上相当于一个电源。
光敏二极管是一种同时具有一个PN结和光电转化功能的晶体二极管，位于管的顶部该PN结。
它往往在电路中处于反偏置状态，处于截至状态在没有光照时，反向电阻很大而反响电阻很小。
可以形成光电流当受到光照时。
光电流伴随着入射光的强度的变化来作出变动，光敏二极管把光信号转换为成电信号。
普通晶体管的基极—集电极如果制成光敏二极管成为了光敏三极管。
那么光敏二极管的光电流就成为基极电流，集电极电流在三极管内形成。
光电式接近开关又可分为镜反射型、对射型和漫反射型三种。
下面分别来简单介绍下它们的原理及应用。
漫反射型光电开关由发射器和接收器两部分组成。
当有物体经过的时候，其将发射器发射的足量的光线反射到接收器上，相应开关就产生了信号。
大多用在被检测物体的表面光亮及反光率比较高的场合。
因此选择漫反射型光电开关最为合适在自动门控制系统中[9]。
镜反射型光电开关的工作方式和漫反射相同，但是却是适用于被检测物体表面光亮比较差的场所。
对射型光电开关，主要用在检测距离比较远的场所。
以下是光电接近开关的一些参数：
额定距离用来确定动作距离的定量。
开关距离被检测体沿传感器基准轴向感应面移近时引起的输出信号变化的距离，本设计选取300cm的动作距离。
有效动作距离是指在规定的基准环境温度、安装条件和额定电压下所测出的单只接近开关的动作距离。
一般s
的值为0.9
1.1
。
响应时间是指当检测体进入或离开开关检测区域后，开关元件动作所需要的时间。
回差指开关动作点及检测体移开接近开关复位点间的距离在检测物体接近开关基准感应面时。
一般取H
0.2s
操作频率指接近开关在规定时间内所完成的操作循环的次数。
重复精度有效动作距离的重复精度是适当温度[（23
5）º
C]，相对温度在10º
C时不能超过50%，在温度较低时允许有较高的相对温度。
3.3光电开关
光电开关是通过把光强度的变化转变成电信号的变化实现的。
通常有三部分构成分别为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标后不间断的发射光束，或是改变脉冲的宽度。
接收器由光电三机关、光电二极管、光电池构成。
在接收器的前面装有光学元件如光圈和透镜等。
检测电路在其后面，它能虑出有效信号并能应用该信号。
光电开关可以应用在以下几个方面
（1）控制液面位地上下限值，光电开关控制电路可以使阈门打开或关闭在当液面位高于或低于上下极限液面位时，以使液面位的高度保持在上下限值之间；
（2）对材料定位的剪切控制；
（3）利用光的直线传播特性来检验产品是否是等高排列；
（4）检测物体通过的个数或物体是不是存在利用物体对光的遮挡作用；
（5）在流水生产线上用来检测产品的个数；
（6）用来检测液面位的高低。
本系统用的是上述第四个用途，用来检测人是否已经通过自动门，当人已经通过时，光点检测开关给主控制器发送控制关门的信号，从而控制门的关闭。
4自动门控制系统部分设计
自动控制技术是实现自动化的核心技术，自动控制技术取得了飞速发展随着计算机的发展及应用。
首先本章介绍自动门的纯电气控制和可编程控制；
接着重点介绍应用PLC来实现对自动门控制的方法和它的备选电气控制方案。
其包括电路图的实现和绘制，程序梯形图的绘制，程序流程图的绘制，程序的编写及布线图的绘制等。
4.1自动门的电气控制
电动机通常是电气控制的控制对象，最早就是通过采用接触器-继电器控制来实现电动机的控制。
继电器-接触器式控制就是由各种有触电的继电器、行程开关、接触器、控制按钮等一起组成的控制电路，通过其来实现对电力拖动系统的启动、制动、调速和反向控制，来实现对电力拖动系统的保护及生产加工的自动化。
以下是自动门的控制要求初始门处于关闭状态，主控制器应当驱动执行电机以最佳速度直线将门打开。
门处于半开状态时，主控制器应当根据门当前所在的位置以适当的速度驱动执行电机执行开门。
门处于开启状态后，主控制器则使门保持开启的状态。
门处于开启状态时如果无物体靠近门，以最佳速度直线关闭门延时适当的时间后。
门如果处于关闭状态，则维持此状态。
4.1.1本设计所用电器元件
（1）时间继电器得到信号后不是立即动作而是延迟一段时间再动作，同时输出控制信号，以便达到时间顺序进行控制的目的。
本设计采用了时间继电器的得电延时和失电延时两种工作方式。
如图4-5电器控制原理图：
KT1、KT2是得电延时继电器，各延时4S。
KT3、KT4、KT5是断电延时继电器，分别延时5S，3S，3S。
（2）按钮属于主令电器。
手动发出控制信号。
当按下按钮帽时，动触头与静触头闭合，电路接通；
当松开按钮帽时，动触头恢复原位在复位弹簧作用下，文字符号SB。
（3）接触器是一种频繁接通和断开主电路的控制电路。
在本设计中选用了交流接触器，包括动合触点、动闭触点、线圈，额定电压是220V，额定电流是100A，励磁线圈额定电压是220V，额定操作频率是600次/h[6]。
（4）电磁式中间继电器接通或断开控制电路根据某种输入信号的变化。
如KA0、KA1。
4.2PLC在控制系统中的应用
可编程控制器是由美国数字设备公司在1969年研制成功的一种新型控制器。
因其具有控制可靠，使用方便的优点，从而得到广泛应用。
本设计采用台达的DVP系列的PLC，台达机型同西门子、欧姆龙等产品相比价格便宜。
此外，其功能完全可以满足适用于小型商场的自动门控制系统。
关于台达系列PLC后面还会对它的应用作详细介绍。
4.2.1PLC概述
（1）PLC的特点
作为一种专用于工业环境的、结构特殊的计算机，PLC有其显著的特点。
可靠性高，抗干扰能力强传统继电器控制系统中使用了大量的时间继电器、中间继电器。
容易出现故障当触点接触不良时。
PLC用软件代替了大量的时间继电器和中间继电器，只剩下与输入输出有关的少量硬件。
接线可以减少到继电器控制系统的1/10—1/100，由于触点接触不良造成的故障大大减少。
可靠性高是电气控制设备的关键性能。
PLC具有很高的可靠性由于采用了现代大规模的集成电路技术，内部电路采用先进的抗干扰技术，采用了严格的生产工艺制造。
使用PLC构成控制系统故障大大降低，与同等规模的继电接触器系统相比，由于电气接线及开关接点减少到数百甚至数千分之一从PLC的机外电路来说。
另外，PLC由于带有硬件故障自我检测的功能，因此出现故障时可以及时发出警报信息。
应用者还可在应用软件中编入外围器件地故障的自诊断程序，从而使系统中除了PLC以外的电路和设备也能获得故障自诊断保护。
因此整个系统具有极高的可靠性了[8]。
系统的设计、安装、调试工作量小，维护起来方便，容易改造：
PLC的梯形图程序通常采用顺序控制的设计法。
由于这种编程方法很有规律因此掌握很容易。
设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少的多对于复杂的控制系统而言。
控制系统设计和建造的周期大为缩短，维护容易由于PLC用存储逻辑代替接线逻辑，减少了控制设备外部的接线。
更为重要的是使同一设备经过改变程序就可改变生产过程。
非常适合多品种、小批量的生产场合。
（2）PLC的基本组成
中央处理单元（CPU）是可编程控制器的运算控制中心类似于人体的神经中枢。
完成的任务主要有：
接受并存储来自编程器输入的数据和用户程序；
诊断电源和PC内部电路工作状态和编程语法的错误；
用扫描方式接收输入信号，并输送到可编程序控制器的数据寄存器来保存；
在可编程控制器运行后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
将程序的执行结果送至输出端[8]。
I/O单元输入单元主要接受操作指令及现场的状态信息。
输出单元主要是利用计算机的控制信号驱动电磁阀、接触器等执行件。
存储器根据存储器的作用主要分为三种：
系统程序存储器主要用来存储可编程控制器的监控程序等；
用户程序存储器主要存储用户根据功能编制的控制程序；
工作数据存储器主要存储经常变化存取的数据。
电源一般可编程控制器内部直流电源。
扩展口是可编程控制器的总线接口。
通过其可以增加输入输出
点数。
[8]
4.2.2台达DVP-PLC的I/O端口分配
首先要把PLC的端口分配给每个输入输出量在编程序之前，接着就可编写程序。
不同型号的PLC接口分配方式和表示方法也不同。
台达系列PLC是输入接口端用X表示，输出接口端用Y表示，用M表示中间辅助继电器；
相对于欧姆龙输入和输出接口端都是用五位阿拉伯数字表示以及三菱系列PLC的输入、输出接口都是
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