基于PLC控制的自動門畢業(yè)設計.doc

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1、 畢 業(yè) 設 計 某大樓平移門的PLC控制系統(tǒng)設計 學生學號： 學生姓名： 導師姓名： 班　　級 專業(yè)名稱 論文提交日期 論文答辯日期 年 月 日 麗職院機電信息分院畢業(yè)設計 摘 要 隨著電子技術的發(fā)展，可

2、編程控制器（簡稱PLC）有了進一步的發(fā)展。PLC控制的自動門系統(tǒng)也不斷更新著。 本文中論述的PLC自動門控制系統(tǒng)主要由以下這幾部分構成：可編程控制器(PLC)、感應探測器、變頻器、驅動器、傳動裝置。本設計可編程控制器就選用FX2N-32M小型的PLC；感應探測器選用微波感應器（微波雷達）；變頻器就采用FR－540變頻器；驅動器采用三相異步電動機；傳動裝置采用皮帶來帶動自動門的運動。 文中主要從以上幾個方面進行設計論述。其中可編程控制器（PLC）與變頻器是設計的要點。 關鍵字：PLC；變頻器；驅動器。 目 錄

3、 一、引言 3 二、系統(tǒng)概論 4 2.1自動門發(fā)展現(xiàn)狀 4 2.2商場自動門PLC控制系統(tǒng)簡介 4 三、商場自動門控制系統(tǒng)整體方案 4 3.1商場自動門的功能需求分析 4 3.2系統(tǒng)設計的步驟 5 3.3自動門系統(tǒng)I/O分配表 7 3.4自動門的機械傳動機構設計 7 3.5自動門基本技術參數 8 四、自動門硬件系統(tǒng)設計 9 4.1系統(tǒng)的結構 9 4.2可編程控制器（PLC）的選型 10 4.3變頻器的選型 11 4.4 變頻器的參數設置 12 4.5控制系統(tǒng)的電氣接線 13 五、自動門控制系統(tǒng)軟件的設計 14 5.1 PLC梯形圖的概述 14 5.2梯形圖編

4、程環(huán)境 14 六、總結 16 致謝 17 參考文獻 17 附錄I I/O分布表 18 附錄II 控制系統(tǒng)連接電路 19 附錄III 梯形圖程序 20 一、引言 在我國經濟飛速發(fā)展的大背景下，形形色色的自動門隨處可見。 自動門的性能優(yōu)劣就主要取決于它的控制裝置。早期的自動門控制系統(tǒng)都是采用繼電器邏輯控制，不僅安裝煩瑣，體積較大，而且很不穩(wěn)定，出現(xiàn)問題也不易于維修，已逐漸被淘汰。目前自動化行業(yè)（包括自動門）最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（簡稱PLC），它采用一類可編制程序的存儲器，用于在其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時

5、、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式輸入和輸出控制各類的機械或生產過程。PLC具有很高的可靠性，很強的抗干擾能力，功能完善，適用能力好，程序編譯設計較簡單、靈活，維修方便，體積小、重量輕，性價比高、能耗低等優(yōu)點。而運用PLC的自動門控制系統(tǒng)技術已經很成熟。 本文主要介紹了運用PLC控制的自動門的設計，一切產品的開發(fā)都離不開實際的基礎。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)來維持自動門日常的運行，以便降低突發(fā)狀況的發(fā)生，從而減少不必要的損失。運用PLC控制的自動門系統(tǒng)已經是自動門控制系統(tǒng)中的一種趨勢。本文設計的產品在很多場合都能適應。

6、 二、系統(tǒng)概論 2.1自動門發(fā)展現(xiàn)狀 自動門根據使用的場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉門、自動圓弧門、自動折疊門等，自動平移門使用得最廣泛，大家一般所說的自動門、感應門就是指自動平移門，目前市場上流行的平移型自動門一般是兩開，這種門的特點是簡單易控，維護方便。 傳統(tǒng)的自動門是由繼電器控制的，即通過按鈕和復雜的接線安裝來控制。現(xiàn)在的自動門大多都是由智能控制器控制，即通過運用現(xiàn)代自動化設備來控制，它具有穩(wěn)定性高、安全等優(yōu)點。 而在智能控制器的選擇上，現(xiàn)今自動門的主控器有單片機控制和可編程控制器（PLC）控制。單片機控制主要有體積小、安裝方便等特點，一般多數被

7、對自動門性能要求稍低的場合采用；PLC控制的特點是穩(wěn)定型高、維護方便，目前許多大型的商場等人流量多的自動門都是由這種方式來控制。 2.2商場自動門PLC控制系統(tǒng)簡介 PLC控制的商場自動門在通電自后便可實現(xiàn)無人管理，并且系統(tǒng)長時間自主穩(wěn)定的工作。自動門的運作方式，主要原理是通過感應探測器來判斷是否有人經過或者接近，再將信息傳遞到PLC，PLC根據接收到的信息通過變頻器來控制驅動器的開停、正反轉和速度的變化，再由傳動裝置帶動門的運動，從而達到自動門的開關等功能。 三、商場自動門控制系統(tǒng)整體方案 3.1商場自動門的功能需求分析 本設計面向商場入口的應用，需要有安全和可靠性，在設計的時

8、候改進了自動門對速度控制的精確度，結構如圖3.1所示： 微波雷達 圖3.1 自動門結構圖 根據商場中對自動門的具體要求，本課題所設計的自動門應具有以下功能： 1．自動開門和關門控制 自動開關門是自動門應具備的最基本功能。自動開門由感應探測器感應到有人接近，給PLC發(fā)送開門信號，PLC通過變頻器來控制電機的正轉，達到開門的目的。停留一段時間，由感應器檢測到沒有人接近門口且門未關閉，PLC動作輸出信號給變頻器來控制電機的反轉來實現(xiàn)關門。 2．蜂鳴器的提示功能 當自動門關閉時，PLC輸出信號給蜂鳴器，蜂鳴器響以提

9、醒來往行人注意，可防止停留在門附近的人被門夾住。 3.2系統(tǒng)設計的步驟 在自動門系統(tǒng)設計的過程中最主要的先列出步驟流程圖，如圖3.2所示： 圖2.2 設計調試步驟圖 3.3自動門系統(tǒng)I/O分配表 I/O分配表是編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是實際接線和調試的重要依據。根據自動門的控制系統(tǒng)的要求，確定了PLC的I/O分配表，在表3.3中列出。 表3.3 I/O分配表 類型 PLC元件 作用 輸入 X0 感應開關（內） X1 感應開關（外） X2 關門下限 X3 開門下限 X4 開門/關門中速 X5 關門低速/開門高速

10、 X6 關門高速/開門低速 輸出 Y1 開/關門高速 Y2 開/關門中速 Y3 開/關門低速 Y4 自動開門 Y5 自動關門 Y6 蜂鳴器提醒 3.4自動門的機械傳動機構設計 商場自動門針對人流較多的商場，應對周圍環(huán)境進行綜合考慮，所以在本課題的自動門機械傳動設計中考慮了以下幾個方面： 1．自動門的傳動主要包括安裝板，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。 2．電機：驅動電機采用安全電機有限公司生產的YSM100/112、W、S三項異步電動機，額定轉矩為0.43N.m，額定轉速為400r/min。功率大，可調性強。 3．導軌：水平雙導軌結構，形成正懸掛，解決了

11、側擺的問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側密封毛刷，形成密封式導軌，避免積塵對導軌及滑輪的磨損，實現(xiàn)了維護方面的特點。 4．皮帶：采用齒形皮帶, 齒形皮帶的齒形截面為曲線設計，增加了齒形的高度，提高了皮帶與傳動齒輪的吻合度，從而提高了機械效率。皮帶底部采用尼龍加強，減少了齒距變形，提高了使用壽命。皮帶的長度4000mm。 5．感應探測器：選用微波感應器，又稱微波雷達。具有反應速度快，靈敏度高，不受環(huán)境因素影響等特點。 6．傳動結構如圖3.4所示。 支架間距離1500mm 圖3.3 機械傳動 3.5自動門基本技術參

12、數 一般商場的自動平移門因為使用頻率非常頻繁，而任何自動門的使用頻率和使用壽命都有限。像商場這樣人員流量每天成千上萬，或者在特定時間段里集中通過大量人員，在這種情況下，使用自動門就必須進行很綜合的考慮。例如增加門的數量，加大門扇寬度，增加關門延遲時間等。具體參數如表3.5所示。 表3.5 自動門具體參數 單扇開啟寬度（mm） 1250mm（最寬） 單扇門的最大承重（kg） 1x120kg 高度（mm） 2550mm 最快開/關門速度（cm/s） 60cm/s 常速開/關門速度（cm/s） 32.5cm/s 減速開/關門速度（cm/s） 20cm/s 開啟保持時間

13、（s） 15s（程序中可調） 可編程控制器（PLC）電源 220V AC,50-60Hz 驅動器電源 380V AC,50Hz 驅動器輸出額定功率 120W 四、自動門硬件系統(tǒng)設計 4.1系統(tǒng)的結構 P L C 本設計運用PLC控制變頻器來調節(jié)交流電機運轉來實現(xiàn)自動門運轉的控制方式。采用變頻器電路，結構簡單，控制方便、可靠性高，交流電機具有效率高、維護成本低的特點。 交流電機驅動系統(tǒng)與直流電機驅動系統(tǒng)相比，具有效率高、結構簡單、維護方便、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點,并且系統(tǒng)調速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉矩、高速恒功率運轉等特性。隨著變頻技術的發(fā)展，交流電機控制的成本得

14、以降低，為交流驅動系統(tǒng)在自動門中的大量運用提供了條件?？刂葡到y(tǒng)結構圖如圖3.1所示： 變頻器 門內外感應器采集信號 交流電機 蜂鳴器 圖3.1 控制系統(tǒng)結構圖 4.2可編程控制器（PLC）的選型 可編程控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PLC。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。 PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信

15、息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題,入出信息變換及可靠的物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。PLC可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。 PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能： 邏輯處理功能； 數據運算功能； 準確定時功能； 高速計數功能； 中斷處理（可以實現(xiàn)各種內外中斷）功能； 程序與數據存儲功能； 聯(lián)網通信功能； 自檢測、自

16、診斷功能。 像PLC這樣全面的功能是別的電控器所沒有的，也是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。PLC也因此被自動門行業(yè)等現(xiàn)代自動化行業(yè)所廣泛應用。 本設計采用的是FX2N系列的PLC，具有如下優(yōu)點：最大范圍地包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為自動門應用提供最大的靈活性和控制能力。如圖4.2所示： 圖4.2 FX2N可編程控制器（PLC） 4.3變頻器的選型 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交

17、—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動設備。變頻器調速的主要工作原理是將供給 電機定子的三相交流工頻電經大功率整流元件整流，變成直流，再將直流電用正弦波脈寬調節(jié)技術逆變?yōu)轭l率可調、幅度也隨之改變的三相交流電，以此為電源再供給電機使用。 根據自動門的需要，

18、變頻器選型時要確定以下幾點： 1. 變頻器與負載的匹配問題 （1）電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。本課題所用的電機的額定電壓為380V，故在選擇變頻器時要符合電機的額定電壓。 （2）電流匹配；變頻器的額定電流與電機的額定電流相符，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。在本課題所使用的三相交流電機的最大起動電流為Y形接法為0.37A，△形接法為0.64A，本設計中采用Y形接法，所用的變頻器的最大電流應大于電機的Y形接法的最大起動電流。 （3）轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生，本課題所用電機的最初起動轉矩為1.4Nm，在選型中要考慮。 2. 在使用變頻

19、器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。 綜合以上因素，本設計變頻器采用FR－500系列的變頻器（如圖4.3所示）作為控制電機轉速的控制器。 圖4.3 FR-500系列變頻器 4.4 變頻器的參數設置 本設計的自動門系統(tǒng)具有如下速度要求： 自動門要求快速啟動→（限位）常速運行→（限位）慢速運行→停止, 構成了如圖4.3.1的開門和關門曲線。 根據轉速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示電流的頻率，p表示電機的極對數，s表示電機的轉差率，n表

20、示轉子的實際轉速，計算出變頻器的設定頻率。 根據公式和電機參數p=6，額定轉速為400 r/min，算出電機的轉差率S=-0.25，馬達皮帶輪與門上的皮帶輪外徑、門上的皮帶輪內徑轉速比為5.7：1：2.1,得出馬達皮帶輪與門上的皮帶輪內徑轉速比為2.4：1。 1.根據上一章提到的門的規(guī)格,加速開門或者關門的距離為30cm，時間控制在0.5S，速度為3600 cm /min，此時要求轉子的轉速為204r/min。 2.中速開門和關門的距離為65cm，時間為2s,速度為1950cm/min，此時要求電機的轉速為110.4r/min。 3.減速開門和關門的距離為30cm,時間為1.5s,速度

21、為1200cm/s，此時要求電機的轉速為67.9r/min。 根據以上速度要求設置變頻器，變頻器的頻率具體設定方式見表4.3.1，根據以下設定方式按課題要求設定好變頻器三速控制的頻率。 圖4.3.1 開門和關門曲線 表4.3.1 變頻器設定 名 稱 表示 設定范圍 最小設定單位 設定值 上限頻率(Pr1) 0～120Hz 0.1Hz 50Hz 下限頻率(Pr2) 0～120Hz 0.1Hz 0.1Hz 3速設定（高速）(Pr4) 0～120Hz 0.1Hz 25.5Hz 3速

22、設定（中速）(Pr5) 0～120Hz 0.1Hz 13.8Hz 3速設定（低速）(Pr6) 0～120Hz 0.1Hz 8.5Hz 加速時間(Pr7) 0～999s 0.1s 0.3s 減速時間(Pr8) 0～999s 0.1s 0.3s 操作模式選擇(Pr79) 0～4,7,8 1 2 4.5控制系統(tǒng)的電氣接線 自動門控制系統(tǒng)的控制連接電路主要包括控制系統(tǒng)連接電路、I/O接線電路，詳細的接線方式分別在附錄I和附錄II中列出。 五、自動門控制系統(tǒng)軟件的設計 5.1 PLC梯

23、形圖的概述 PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電氣技術人員，為了適應他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，通常PLC不采用微機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程。國際電工委員會（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可編程控制器語言標準）詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言：功能表圖（sequential function chart）、梯形圖（Ladder diagram）、功能塊圖（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、結構文本（structured text）。梯形圖和功能塊圖為

24、圖形語言，指令表和結構文本為文字語言，功能表圖是一種結構塊控制流程圖。 梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結果，每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在右面。 形梯圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應用。 梯形圖程序設計語言的特點是： 1. 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀

25、性和對應性； 2. 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習； 3. 與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是：梯形圖中的能流（Power Flow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應用時需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待； 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。 5.2梯形圖編程環(huán)境 本設計的梯形圖編程是運用三菱公司的GX Developer 編程軟件完成的，其編程

26、環(huán)境界面如圖5.2所示： 圖5.1 GX Developer編程界面 下面主要介紹下GX Developer 編程軟件概要： GX Developer 是具有下列功能的軟件包。 1、制作程序 2、對可編程控制器CPU的寫入/讀出 圖5.3 可編程控制器CPU的寫入/讀出示意圖 3、具體梯形圖程序在附錄III中列出。 六、總結 經過這一個多月的畢業(yè)設計過程，我了解了很多以前不曾了解的東西。結合自己所學的專業(yè)知識，設計出程序和硬件系統(tǒng)，真正開

27、始理解了PLC控制系統(tǒng)的設計方法，改善了PLC梯形圖的編程能力，也認識到了GX Developer編程軟件的應用。但體會最深的還是自己各方面知識的貧乏，編程方面需要加強努力，其他很多地方都需要繼續(xù)努力；另一方面也體會到了網絡資源的豐富，找資料也需要技術，開拓了眼界，這些都是以后可以運用到實際工作中的知識財富。 一個設計涉及的是多方面的問題，需要考慮的東西也很多。經過這次畢業(yè)設計，使我認識到以后處理問題都應考慮的全面細致，這樣才能最好的處理好問題。這次設計的過程中遇到的問題很多，老師和同學對我的幫助很大。一些處理不了的問題，也能很變通的解決。 完成這個設計也是對自己大學所學知識的一次總結，一

28、次檢驗。更加系統(tǒng)更加深刻的認識到了自己三年來所學的知識對于以后從事相關專業(yè)工作的重要性。也認識到了其中的不足之處，以后需要更多努力。 致謝 在即將結束的兩個月時間里，我在我們指導老師的指導下完成了此作品，無論是選題，程序，修改，分析與制作的過程中，是她給了我最大的幫助，讓我們克服很多。同時也謝謝在其中給我?guī)椭钠渌蠋熍c同學,完成這個設計，為大學劃上完滿的句號。 參考文獻 [1] 劉四妹. PLC技術在自動門控制系統(tǒng)中的應用[J]. 電工技術 , 2009,(11) [2

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