基于PLC控制器的三翼自动旋转门设计（控制系统部分）毕业论文

三翼自动旋转门控制系统设计

5.1硬件设计

5.1.1变频器容量选择计算

变频器容量的选用有很多因数决定，列如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的电动机的额定电流。

表5.1 电机参数表 电动机型号 额定功最大转矩率（W） 电流电压（%） 因素 额定转矩（A） （V） 额定额定效率功率电机转动惯量 飞轮的转(kg.m2) 动惯量 Y881-4 550 1.51 380 73 0.76 2.2 0.0018 0.6 ①驱动一台电动机

对于连续运转的变频器必须同时满足下列3项计算公式： 满足负载输出/kVA： Pcm?kPm 式(5.1)

?cos? ?1.1?550

(0.8?50.76)4 ?0.9

?3 满足电动机容量/kVA：P3UeIe 式(5.2) cm?10

?3?10??0.943?380?1.51

满足电动机电流/A：Icm?kIe 式（5.3)

?1.1?1.51

?1.66式中： Pcm为变频器的容量/kVA

Pm负载要求的电动机轴输出功率/kw Ue电动机额定电压/v

Ie电动机额定电流/A ?电动机效率

cos?电动机功率因数

k电流波形补偿系数

k是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。对PWM控制方式的变频器，k约为1.05~1.1。

②指定变频器的启动加速时间

变频器产品型号所列的变频容量，一般以标准条件为准，在变频器过载能力以内进行加减速，在进行急剧加速和减速时，一般利用失速防止功能，以避免变频器跳闸，但同时也加长了加减速时间。

如果生产设备对加速时间有特殊要求时，必须事先核实编破器的容量是否能够满足所要求的加速时间，如不能满足,则要选用加大一档的变频器容量。

在指定加速时间的情况下，变频器所必需的容量计算如下：

kTlGD2n Pcm? 式(5.4) ?93?7c?ost3A75225.4?1.1??144?0 (93?70.?730.76)?0.9420.6?( 3753)式中： Pcm为变频器的容量/kVA

k电流补偿系数,对PWM控制方式的变频器,k约为1.05~1.1

?电动机效率

?cos?电动机功率因数

n电动机额定转速/(r/min) tA电动机加速时间/s

tl负载转矩/(N.m?1) ③指定变频器的减速时间

GD2电动机轴上的飞轮力矩/(N.m?2)

降低变频器的输出频率，就可以实现电动机减速。加快变频器输出频率的降低速率，可使电动机更快的减速。当变频器输出频率对应的速度低于电动机的实际转速时，电动机就进行再生制动。在这种运行状况下，异步电动机将变成异步发电机，而负载的机械能将被转换为电能并反馈给变频器。当反馈能量过大时，变频器本身的过电压保护电路将会动作并切断变频器的输出，使电动机处于自由减速状态，反而无法达到快速减速的目的。

为了避免出现上述现象，使上述能量能在直流中间回路的其他部分消耗，而不造成电压升高。在电压星变频器中，一般都在直流中间回路的电容器两端并联上制动三极管和制动电阻。当直流中间回路的电压升高到一定的电压值，制动三

极管就回导通，使直流电压通过制动电阻放电，既电动机回馈给变频器的直流中间回路的能量，以热能的形式在制动电阻上消耗掉。 制动电阻的选择方法： 1)计算制动力矩Tb/N.m Tb?(Jm?Jl)(n1?n2)?Tl 式(5.5)

9.55ts(0.00?180.051?)(14401)?2.2 (9.5?51)?5.7?式中： Tb动力矩/N.m?1

Jm电动机转动惯量/kg.m?2

Jl折算至电动机轴的负载转动惯量/kg.m?2 n1减速开始速度/(r.min?1)

n2减速完了速度/(r.min?1)

ts减速时间/s Tl负载转矩/N.m?1

2)计算制动电阻Rb的阻值

在进行再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也将有20%的铜损被转换为制动力矩。考虑这个因数，可以按下式初步计算制动电阻的预选值。

Uc2 Rob?0.104T7(b?Tm0.n21 式(5.6)

)7602? 0.1047(5.76?0.2?2.2)?1440

?720.11式中： Rob制动电阻

Uc直流电路电压/V

对200V级变频器, Uc=380V 对400V级变频器, Uc=760V

Tb制动转矩/(N.m?1)

Tm电动机额定转矩/(N.m?1) n1减速开始速度/(r.m?1)

上式中，如果(Tb?0.2Tm)?0，则没必要加制动电阻。

放电电路由制动三极管和制动电阻串联而成，因此，制动三极管本身允许通

过电流Ic就是放电电路的最大允许值。所以制动电阻的最小值Rmin?Uc/Ic。

由上可见，制动电阻Rb的阻值应由Rmin?Rb?Rob来决定。有的变频器生产厂家在产品目录中。给出制动电阻最小值的参考值，可供用户在选择制动电阻时参考。

3)计算制动电阻平均消耗的功率PR0/kW

如前所述，电动机额定转距的20%制动转距由电动机内部损失产生，所以可以按下式求得电动机制动时，制动电阻上消耗的平均功率： PR0?0.104?7?310Tb?(nTm0.12 ) ( ) 式(5.7) n2 =0.1047?10?3(5.76-0.2?2.2)?1440 =0.802

由于三翼自动旋转门是恒转矩负载，故变频器选用通用型的。又因为三翼旋转门的转速不允许超过额定值，电机不会过载。因而可以选用通用的变频器，只要所选用的变频器满足一般环境下使用即可。根据以上的计算的数据，选用佳灵JP6C-T9-0.75。该变频器的参数如下；

表5.2 变频器参数表

变频器型号JP6C-T79 适配电动机功率/kW 额定容量/kVA 额 电压/V 定 额定频率/Hz 电 额定电流/A 流 额定过载 -0.75 0.75 2.0 3相,380~440 50/60 2.5 短时间 额定电流的150%1min 3相,380~440,50Hz/60Hz 电压10%~-15%,频率5%~-5% 310V以上,继续运转 1.2 50~400可变设定 50~400可变设定 0.5~60可变设定 2~6可变设定 模拟设定 模拟设定 用基本频率可变设定320~440V 自动:按照负载转矩,调整至最佳 手动设定:0.1~20.0编码设定 150%以上(转矩矢量控制) 100%以上 150%以上(用DBR时) 可设定制动开关开始频率,时间等 相数,电压,频率 电 允许波动 源 瞬间电压降低范围 所需电源容量/kVA 最高频率/Hz 调基本频率/Hz 整 启动频率/Hz 载波频率/Hz 精度 设定分辨率 控 制 电压/频率特性 电矩提升 启动转矩 制 动 制动转矩 可选使用时 直流制动 IP40 自冷 2.4 输 出 功 率

外壳防护等级 冷却方式 质量/kg 5.1.2传感器与安全系统的设计

①检测传感器的选用

检测系统是由安装于门口上面的四个传感器来实现的，其主要功能是感知人的进出从而发出开门信号。红外传感器的选择主要考虑检测范围和输出形式及其特点。ADS-A型门传感器是较好的选择。它的检测范围可调，安装高度在门的设计高度范围内，其输出形式为继电器接点，可以直接和控制器相连。那么此检测传感器就可以选择这个。其性能参数见文献[16]。 ②安全系统设计

为防止三翼旋转门在工作过程中因某些原因而发生伤人的事故出现，那么就需要配置一定的安全系统。主要采用以下方式。红外线防夹安全感应器防止门扇与曲壁柱之间夹伤行人，当人在门扇与曲壁立柱安全距离内时，感应器与接近开关信号同时生效,门扇应马上停止。防撞胶条安装于入口右侧门立柱上，胶条内装有内藏式感应器，如遇物体碰撞或受压，门扇马上停止转动，防止夹伤行人，

胶条内感应器恢复正常后，转门也随之恢复正常运转。每扇门扉底边装有全开宽内藏式感应器，如碰到物体或受压，门扇马上停止转动，防止门扇打倒行人，胶条内感应器恢复正常后，转门也随之恢复正常运转。此外，还采用了4只测量范围为5mm 的电感式接近开关。接近开关用于防夹位置区域设定、直流制动封门及锁门定位。

1)防夹接近开关的选用 由于在出入口两个防夹区域内要安装了防夹传感器。而防夹感应器是用来感应人是否处于防夹区域内，而不知道是否门扇已经靠近防夹区域内，所以仅靠防夹传感器是无法鉴别人是否即将受夹或正在受夹。则需要一个接近开关来判断门翼也走到了防夹区域内。如果在防夹区域内，则接近感应器发出信号表示，如果此时有人进入防夹区则有可能被夹。两信号同时有效时，则使门停转制动。由于人的宽度一般在0.5m以下，可设此距离为接近感应器感应距离。当门翼靠近曲壁门柱0.5m时，接近开关传感器就可以发出信号。因此选择光电式 BR系列接近传感器,其型号为BPR100-DDT传感器。其性能参数见文献[16]。

2)防夹传感器的选用 防夹传感器是用来检测人是否在防夹区域内用的。应采用红外线传感器检测，其检测方式是竖直的。因此当人在防夹区域时，传感器只有通过竖直检测才不会误判。假如传感器不是竖直的，而是发散的，如人正常经过转门区时，防夹传感器就有可能检测到人的存在，而此时门翼又有可能正好在防夹接近传感器范围内。两者信号同时有效，使门体无故停转，而造成不必要的麻烦。因此可以选择红外垂直防夹传感器。红外线防夹传感器安装在门的进出口的两个防夹区域内，即进出口的右边立柱旁的华盖上，其具体位置根据调节而定。基于以上条件,可以选用型号为BX15M-TFR。其性能参数见文献[16]。

3)直流制动接近开关选用 由于当电动机停转时，门要停在指定的位置，而门停转时，电机要先停转而门体有一定惯性而使得门无法停在指定的位置上。这时我们就需要接近开关，当门靠近门停位置时，就产生信号发出制动信息，使门体在这个位置。接近开关的感应距离过大，会使门制动后停在指定位置的前边。感应位置过小，由于接近开关也有一个响应时间，则使门停超过门应停的位置。根据相关自动门产品类型，可选用CR系列电容圆柱型接近开关为8mm的型号,PNP输出。其性能参数见文献[16]。

4)锁门接近开关的选用 当锁门时，为了让门精确的停位在上锁的位置，同样需要一接近开关提前感应锁门位置的临近，发出锁门信号使门体精确停在这个位置便于我们上电磁锁和机械锁，而无需人再来推门体使其准确停位。接近开关的感应距离过小都到不了门体的精确停位，而使得无法上锁。所以感应距离为适当才可。根据相关自动门产品类推，可选用5mm感应距离高周波振动角柱型接近

开关。可选择型号为PS12-4DN，常开触点，PNP输出，三线连接。其性能参

数见文献[16]。

5)防碰撞传感器的选用 防碰传感器主要时为了防止人和门的速度不一致时，旋转门翼打到行人；而防撞传感器则是为了防止人因不小心撞在门体的立柱上，而引起旋转门体旋转过来撞伤行人。其采用接触式传感器防夹安全带来实现，它是以向其施加垂直压力致使触带内的导电体互相接触，这导致电阻和电流改变而产生开关信号的。防碰传感器安装在两扇旋转门翼的底部，而防撞传感器安装在门体的立柱上。选用型号ASR-001。其性能参数见文献[16]。

6)接近开关的选用 而锁门接近开关则时为了看门翼是否靠近门的锁门位置，因此应该安装在门安装电子锁的位置附近。选用型号ASR-002。其性能参数见文献[16]。

5.1.3控制系统功能特点

①变速功能 旋转门设有低速，中速，高速三种旋转速度，分别对应残疾，middle和high三个按钮进行切换，以适应残疾人通过,正常运转和紧急疏散对转速的不同要求。

②自动转停功能 来人时自动启动，并以正常转速动转，15s时无人进出，则自动停转并封门。

③防夹功能 当门扇运转靠近曲壁立柱时，如果行人试图从两者之间(防夹区)进入旋转门，则门立即自动停转以防夹伤行人。行人离开防夹区，门自动恢复运转。

④防撞功能 行人紧靠右侧立柱或遇到物体碰撞右侧立柱,则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体，行人或物体离开右侧立柱,自动门恢复运转。 ⑤防碰功能 行人在旋转门内通行过程中，如遇到门扇碰到行人脚后跟，则门立即停转，以防止碰伤行人。行人离开门扇，门自动恢复旋转。

⑥锁门功能 采用电磁锁方式锁门，只要转动钥匙既可完成自动锁门工作，快捷方便。

⑦急停功能 当出现紧急意外事故十，按下急停按钮，门立即停转，解除急停信号，门又自动恢复运转。

⑧暂停功能(STOP钮) 与急停功能相当，不同的是按STOP钮后，必须用残疾，middle和high三个按钮中的一个进行恢复。

⑨残疾优先功能 当按下残疾按钮后，30s内门始终以2r/min的速度低速运转，此时按middle和high钮无效，以确保残疾人安全通过。30s后来人，门自动以正常速度运转。

⑩电动机过载保护功能 当电动机过载时，门停转并且指示灯闪烁报警。过载

消除后门自动恢复运转。

变频器报警输出和延时自动复位功能 当变频器过压或过流时，关闭输出，门停转并报警( 指示灯闪烁)，延时3s自动复位。

漏电保护。

5.1.4 控制系统驱动控制原理

①电气控制系统接线方案

图5.1 控制系统接线图

②传感器设置方案 红外线被动式感应器安装于旋转门的进口和出口华盖上，每处各安装两个红外传感器，感应行人进入门体，门扇马上以正常的速度旋转。红外线防夹安全感应器防止门扇与曲壁柱之间夹伤行人。当门扇接近曲壁立柱时，感应器与接近开关信号同时生效，门扇马上停止。防撞胶条安装于入口右侧门立柱上，胶条内装有内藏式感应器，如遇物体碰撞或受压，门扇马上停止转动，防止夹伤行人。胶条内感应器恢复正常以后，转门也随之恢复正常运转。没扇门扉底边装有全开内藏式感应器，如碰到物体或受压，门扇马上停止转动，防止门扇打倒行人。胶条内感应器恢复正常后，转门也随之运转。此外，还采用了四只测量范围为5mm的电感式接近开关。接近开关用于防夹位置区域设定，直流制动封门及锁门定位。

5.1.5 PLC系统控制分析及地址分配设计

①节点分析及机型的选择 通过对旋转门控制要求的分析，PLC控制输入信号

有22个，输出接点共8个。按照预留15%-20%的接点数来计算，输入接点至少要30个，输出接点至少要10个。

本系统为个简单控制系统，按一般经验来估算，同时由上段对I/O接点的分析主要有：开关量输入字节数：30×15=450

开关量输出字节数：10×8=80

系统推断定时器/计数器字节数：8×1=8

总计大约需要538个字节数容量。加上预留30%，有1K的程序容量足够了。 由以上可得，同时兼顾经济性原则。 PLC产品中OMRON系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在此系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。本系统选择了COM1-CPU11-E型PLC。由PLC型号主回路电压AC（100～240）V；输入端参数为电压DC24V，电流5/7mA；继电器输出端电压AC150V，DC30V以内。故本系统选用直流输出方式。 表5.3 PLC性能参数表 性能指标 COM1-CPU11-E 程序存储容量 3.2KB 数据存储容量 1KB I/O电数 128位 指令类型 117种指令 基本指令执行时间 0.5us~1.5us 扩展I/O模块数量 7块 记时/记数区 512记时器/记数器 ②开关的选择 本控制系统为PLC控制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。对急停、STOP、middle、high、残疾开关，选择普通按钮开关LA系。Middl、high、残疾、开关为LA2，急停开关为LA2（红色），STOP关为LA2-A红色（十字型）。

③电源的选择 PLC自带的输入口电源一般为直流24V。输入口每一点的电流定额一般为7mA,这个电流是输入口短接时产生的最大电流(端口本身纯存在阻抗)。当输入口上接有一定阻抗的负载时,其流过的电流就要减少,PLC输入口信号传递所需的最小电流一般为2mA左右,这样就规定了输入口接人的最大阻抗。为了保障最小有效电流,输入口所接器件的总阻抗要小于2000欧。从另一方面说,输入口机内电源功率一般只有几瓦,当输入口所接的传感器所需功耗较大时,需另配专用电源供电。

④熔断器的选择 为了保护电路（短路保护）需要有熔断器FU,选择的依据是熔体的额定电流IR大于线路工作电流I（I=2A），所以选择RL1-15，熔体额定电流等级为4。

⑤整流器的选择 为降低电压的波动对控制系统的不良影响，选择把交流变为低压直流供电。因此，选择型号为ZBA-10/24型整流器，它的输入电压为交流220V，输出电压为直流0～24V，额定电流10A。

⑥输出模块的确定 输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号，转换为外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向晶闸管输出、达林顿晶体管输出。这几种输出形式均有各自的特点，用户可根据系统的要求加以确定。继电器输出价格便宜，使用电压范围广。通电压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有舢点；寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动感性负载时，最大操作频率不得超过1Hz。双向晶闸管输出（交流）和达林顿晶体管输出（直流）都属干无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反向电压，必须采取抑制措施。另外，这两种形式的输出均不具备明确的输出开关断点，因此对于有此要求的使用场合会受到限制。因此采用晶体管输出输出电流的选择，模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时右冲击电流，要留有足够的裕量。允许同时接通的输出点数，在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负载能力。即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流

⑦输入输出口及端口的保护及分配 PLC输入口电压定额一般为接有直流24V有一些输入口是不接电源输出口的电压定额常接工频低压交流电源和直流电源。当输入口端连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高电压对输入输出口造成破坏,应在感性元件两端加接保护元件。对于直流电源,应并接续流二极管,对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51~120欧,电容可以取0.1~0.47uF。电容的额定电压应大于电源的峰值电源,续流二极管可以选1A的管子,其额定电压应大于电源电压的3倍。对PLC输入端电阻分析，自带电阻为3k欧,对于DC24V的电流为标准电流，对输入口保护不需做特别处理。输出为直流感性负载时，需在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制。查有关资料时，在直流感性负载输出时可选电流为1A左右的二极管，电阻约为50欧左右。本系统中输出口选交流电源，电阻取65欧。

表5.4 输入地址分配表

输入地址 对应的外部设配

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