基于PLC控制的自動門畢業(yè)設(shè)計.doc

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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計 某大樓平移門的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)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(shè)計 摘 要 隨著電子技術(shù)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(gòu)成：可編程控制器(PLC)、感應(yīng)探測器、變頻器、驅(qū)動器、傳動裝置。本設(shè)計可編程控制器就選用FX2N-32M小型的PLC；感應(yīng)探測器選用微波感應(yīng)器（微波雷達）；變頻器就采用FR－540變頻器；驅(qū)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(shè)計論述。其中可編程控制器（PLC）與變頻器是設(shè)計的要點。 關(guān)鍵字：PLC；變頻器；驅(qū)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(shè)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(gòu)設(shè)計 7 3.5自動門基本技術(shù)參數(shù) 8 四、自動門硬件系統(tǒng)設(shè)計 9 4.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 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(shù)設(shè)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(shè)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(jié) 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(jīng)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(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時

5、、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式輸入和輸出控制各類的機械或生產(chǎn)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(shè)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(shù)已經(jīng)很成熟。 本文主要介紹了運用PLC控制的自動門的設(shè)計，一切產(chǎn)品的開發(fā)都離不開實際的基礎(chǔ)。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(jīng)是自動門控制系統(tǒng)中的一種趨勢。本文設(shè)計的產(chǎn)品在很多場合都能適應(yīng)。

6、 二、系統(tǒng)概論 2.1自動門發(fā)展現(xiàn)狀 自動門根據(jù)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(zhuǎn)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(yīng)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(fù)雜的接線安裝來控制?，F(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(shè)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(shù)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(yīng)探測器來判斷是否有人經(jīng)過或者接近，再將信息傳遞到PLC，PLC根據(jù)接收到的信息通過變頻器來控制驅(qū)動器的開停、正反轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)計面向商場入口的應(yīng)用，需要有安全和可靠性，在設(shè)計的時

8、候改進了自動門對速度控制的精確度，結(jié)構(gòu)如圖3.1所示： 微波雷達 圖3.1 自動門結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)商場中對自動門的具體要求，本課題所設(shè)計的自動門應(yīng)具有以下功能： 1．自動開門和關(guān)門控制 自動開關(guān)門是自動門應(yīng)具備的最基本功能。自動開門由感應(yīng)探測器感應(yīng)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(zhuǎn)，達到開門的目的。停留一段時間，由感應(yīng)器檢測到?jīng)]有人接近門口且門未關(guān)閉，PLC動作輸出信號給變頻器來控制電機的反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)關(guān)門。 2．蜂鳴器的提示功能 當(dāng)自動門關(guān)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(shè)計的步驟 在自動門系統(tǒng)設(shè)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(shè)計調(diào)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(diào)試的重要依據(jù)。根據(jù)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(yīng)開關(guān)（內(nèi)） X1 感應(yīng)開關(guān)（外） X2 關(guān)門下限 X3 開門下限 X4 開門/關(guān)門中速 X5 關(guān)門低速/開門高速

10、 X6 關(guān)門高速/開門低速 輸出 Y1 開/關(guān)門高速 Y2 開/關(guān)門中速 Y3 開/關(guān)門低速 Y4 自動開門 Y5 自動關(guān)門 Y6 蜂鳴器提醒 3.4自動門的機械傳動機構(gòu)設(shè)計 商場自動門針對人流較多的商場，應(yīng)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(shè)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(qū)動電機采用安全電機有限公司生產(chǎn)的YSM100/112、W、S三項異步電動機，額定轉(zhuǎn)矩為0.43N.m，額定轉(zhuǎn)速為400r/min。功率大，可調(diào)性強。 3．導(dǎo)軌：水平雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，形成正懸掛，解決了

11、側(cè)擺的問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側(cè)密封毛刷，形成密封式導(dǎo)軌，避免積塵對導(dǎo)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(shè)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(yīng)探測器：選用微波感應(yīng)器，又稱微波雷達。具有反應(yīng)速度快，靈敏度高，不受環(huán)境因素影響等特點。 6．傳動結(jié)構(gòu)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(shù)參

12、數(shù) 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(shù)量，加大門扇寬度，增加關(guān)門延遲時間等。具體參數(shù)如表3.5所示。 表3.5 自動門具體參數(shù) 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(guān)門速度（cm/s） 60cm/s 常速開/關(guān)門速度（cm/s） 32.5cm/s 減速開/關(guān)門速度（cm/s） 20cm/s 開啟保持時間

13、（s） 15s（程序中可調(diào)） 可編程控制器（PLC）電源 220V AC,50-60Hz 驅(qū)動器電源 380V AC,50Hz 驅(qū)動器輸出額定功率 120W 四、自動門硬件系統(tǒng)設(shè)計 4.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) P L C 本設(shè)計運用PLC控制變頻器來調(diào)節(jié)交流電機運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)自動門運轉(zhuǎn)的控制方式。采用變頻器電路，結(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)與直流電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點,并且系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運轉(zhuǎn)等特性。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機控制的成本得

14、以降低，為交流驅(qū)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(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示： 變頻器 門內(nèi)外感應(yīng)器采集信號 交流電機 蜂鳴器 圖3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)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(yīng)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(shè)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(nèi)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(shù)據(jù)運算功能； 準(zhǔn)確定時功能； 高速計數(shù)功能； 中斷處理（可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能； 程序與數(shù)據(jù)存儲功能； 聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用。 本設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)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(shè)備。變頻器調(diào)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(jīng)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(diào)節(jié)技術(shù)逆變?yōu)轭l率可調(diào)、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(jù)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(shè)計中采用Y形接法，所用的變頻器的最大電流應(yīng)大于電機的Y形接法的最大起動電流。 （3）轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為1.4Nm，在選型中要考慮。 2. 在使用變頻

19、器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)速的控制器。 圖4.3 FR-500系列變頻器 4.4 變頻器的參數(shù)設(shè)置 本設(shè)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(gòu)成了如圖4.3.1的開門和關(guān)門曲線。 根據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)，s表示電機的轉(zhuǎn)差率，n表

20、示轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，計算出變頻器的設(shè)定頻率。 根據(jù)公式和電機參數(shù)p=6，額定轉(zhuǎn)速為400 r/min，算出電機的轉(zhuǎn)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(nèi)徑轉(zhuǎn)速比為5.7：1：2.1,得出馬達皮帶輪與門上的皮帶輪內(nèi)徑轉(zhuǎn)速比為2.4：1。 1.根據(jù)上一章提到的門的規(guī)格,加速開門或者關(guān)門的距離為30cm，時間控制在0.5S，速度為3600 cm /min，此時要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為204r/min。 2.中速開門和關(guān)門的距離為65cm，時間為2s,速度為1950cm/min，此時要求電機的轉(zhuǎn)速為110.4r/min。 3.減速開門和關(guān)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(zhuǎn)速為67.9r/min。 根據(jù)以上速度要求設(shè)置變頻器，變頻器的頻率具體設(shè)定方式見表4.3.1，根據(jù)以下設(shè)定方式按課題要求設(shè)定好變頻器三速控制的頻率。 圖4.3.1 開門和關(guān)門曲線 表4.3.1 變頻器設(shè)定 名 稱 表示 設(shè)定范圍 最小設(shè)定單位 設(shè)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(shè)定（高速）(Pr4) 0～120Hz 0.1Hz 25.5Hz 3速

22、設(shè)定（中速）(Pr5) 0～120Hz 0.1Hz 13.8Hz 3速設(shè)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(shè)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(shù)人員，為了適應(yīng)他們的傳統(tǒng)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)）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(jié)構(gòu)文本（structured text）。梯形圖和功能塊圖為

24、圖形語言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語言，功能表圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖。 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果，每個梯級是一個因果關(guān)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(jié)果表示在右面。 形梯圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)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(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應(yīng)用。 梯形圖程序設(shè)計語言的特點是： 1. 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀

25、性和對應(yīng)性； 2. 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學(xué)習(xí)； 3. 與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是：梯形圖中的能流（Power Flow）不是實際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應(yīng)用時需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)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(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。 5.2梯形圖編程環(huán)境 本設(shè)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(jié) 經(jīng)過這一個多月的畢業(yè)設(shè)計過程，我了解了很多以前不曾了解的東西。結(jié)合自己所學(xué)的專業(yè)知識，設(shè)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(shè)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)資源的豐富，找資料也需要技術(shù)，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(shè)計涉及的是多方面的問題，需要考慮的東西也很多。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，使我認識到以后處理問題都應(yīng)考慮的全面細致，這樣才能最好的處理好問題。這次設(shè)計的過程中遇到的問題很多，老師和同學(xué)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(shè)計也是對自己大學(xué)所學(xué)知識的一次總結(jié)，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(xué)的知識對于以后從事相關(guān)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(jié)束的兩個月時間里，我在我們指導(dǎo)老師的指導(dǎo)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(xué),完成這個設(shè)計，為大學(xué)劃上完滿的句號。 參考文獻 [1] 劉四妹. PLC技術(shù)在自動門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù) , 2009,(11) [2

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