基于PLC的自动门控制系统设计(优秀)

哈尔滨工业大学

论文题目：基于PLC的自动门控制 系统的设计 系 别： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师：

年 月 日

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摘 要

随着电子技术的发展，可编程控制器（以下简称PLC）不断更新、发展，PLC控制是自动控制中最常见控制方式之一，自动门就是自动控制应用的一典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门的开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。目前自动门在日常生活中运用越来越广泛。

本文论述的自动门控制系统主要由以下几部分构成：可编程控制器(PLC)、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置。可编程控制器选用日本三菱电机公司生产的FX2N-32M小型PLC；信号采集装置选用上海晶园微电子公司生产的微波感应器；变频器采用日本三菱电机公司生产的FR－540变频器；驱动装置采用天津安全电机有限公司生产的YSM100/112、W、S三相异步电动机，额定转矩为0.43N.m，额定转速为400r/min；传动装置采用皮带来带动门的运动。本设计对于周围环境的要求较低。

本设计主要的工作原理是通过信号采集装置判定有无人经过并将信号转换成开关量信号传到PLC，PLC根据开关信号的来控制变频器的开停和速度的变换，在由传动装置带动门运动。

本文总共分五个章节进行叙述其软、硬件结构、工作原理等，具体如下： 第一章介绍自动门的国内外自动门现状，本课题研究的内容和目的意义。 第二章主要介绍自动门控制系统方案的设计。

第三章介绍了自动门的硬件系统的设计，PLC的选型，变频器的选型，系统结构，自动门控制电路，控制电路的连接。

第四章介绍了系统软件的设计，PLC梯形图概述，编程软件的介绍，程序流程图，程序的编写工作。

第五章主要介绍了梯形图程序的下载，调试及结果分析。 关键词：PLC，变频器，驱动装置，感应器。

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目 录

摘 要 .................................................................... 1 引 言 .................................................................... 5 1. 概述 ................................................................... 6 1.1 国内外自动门发展现状 .................................................. 6 1.2 本课题研究的内容 ...................................................... 7 1.3 本课题研究的目的和意义 ................................................ 7 2. 自动门控制系统总体方案设计 ............................................. 8 2.1 自动门的功能需求分析 .................................................. 8 2.2 系统设计的基本步骤 .................................................... 9 2.3 自动门技术参数的确定 ................................................. 10 2.4 自动门的机械传动机构设计 ............................................. 11 3. 自动门硬件系统的设计 .................................................. 12 3.1 控制系统结构设计 ..................................................... 12 3.2 可编程控制器(PLC)的选型 .............................................. 13 3.2.1 PLC概述 .......................................................... 13 3.2.2可编程控制器（PLC）的选型 .......................................... 13 3.3 驱动装置的选型 ....................................................... 16 3.4 变频器的选型 ......................................................... 17 3.4.1 变频器原理 ......................................................... 17 3.4.2 变频器的选型 ....................................................... 17 3.4.3 变频器的参数设定 ................................................... 18 3.5 感应开关的选型 ....................................................... 20 3.6 自动门系统I/O分配表 ................................................. 20 3.7 控制系统的电气接线 ................................................... 21 4. 自动门控制系统软件的设计 .............................................. 21 4.1 PLC梯形图概述 ....................................................... 21 4.2 梯形图编程环境 ....................................................... 22

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4.3 程序流程图 ........................................................... 24 4.4 梯形图的设计 ......................................................... 25 5. 系统调试 .............................................................. 25 5.1 梯形图程序的下载 ..................................................... 25 结束语 ................................................................... 27 致 谢 ................................................................... 28 参考文献 ................................................................. 29 附录Ⅰ 自动门的硬件连接电路 .............................................. 30 附录Ⅱ PLC的I/O地址分布图 .............................................. 30 附录Ⅲ 自动门梯形图程序 ................................................. 32

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引 言

在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，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。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。

自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。

自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，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。目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（以下简称PLC），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，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。

本课题主要介绍运用PLC为控制器的自动门的开发和研究，所有产品的开发都要讲究实用，本课题开发的产品对许多的场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发商还有使用者来说，都是最好的。他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应用。因此本设计就是解决了这样一个问题，还可以保证自动门的稳定性。例如，某商场要求营业期间的门都运用自动门，这就需要自动门要有极高的稳定性，且对于商场来说成本不能太高。然而本课题意味着产品成本下降，效益提高。因此是一个比较适合此类场合运用且经济的产品。

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表2.1 自动门具体参数

单扇开启宽度（mm） 单扇门的最大承重（kg） 高度（mm） 最快开/关门速度（cm/s） 常速开/关门速度（cm/s） 减速开/关门速度（cm/s） 开启保持时间（s） 可编程控制器（PLC）电源 驱动器电源 驱动器输出额定功率 2.4 自动门的机械传动机构设计

在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，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380V三相交流电机，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,

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1250mm（最宽） 1x120kg 2500mm 60cm/s 32.5cm/s 20cm/s 15s（程序中可调） 220V AC,50-60Hz 380V AC,50Hz 120W

外径为28.5cm。

图2.3 机械传动

3. 自动门硬件系统的设计 3.1 控制系统结构设计

本设计运用PLC控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门运转的控制方式。采用变频器电路，结构简单，控制方便、可靠性高，交流电机具有效率高、维护成本低的特点。 交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长等优点,并且系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩、高速恒功率运转等特性。随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的大量运用提供了条件。 控制系统结构图如图3.1所示：

门内外感应器采集信号 P L C 变频器 交流电机 手动控制开关 开/关门指示安全感应器 12

图3.1 控制系统结构图

蜂鸣器 3.2 可编程控制器(PLC)的选型 3.2.1 PLC概述

可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：

○1逻辑处理功能； ○2数据运算功能； ○3准确定时功能； ○4高速计数功能；

○5中断处理（可以实现各种内外中断）功能； ○6程序与数据存储功能； ○7联网通信功能； ○8自检测、自诊断功能。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。

像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。

3.2.2可编程控制器（PLC）的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工

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艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1．输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入12点，输出12点。

2．存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。

3．控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。 （1）控制功能

PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 （2）编程功能

离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场

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设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 （3）诊断功能

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

4．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。本课题所设计的

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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，本课题的设计采用日本三菱公司生产的FX2N-32M小型PLC来实现整个自动系统的控制，如图3.2所示。

图3.2 FX2N可编程控制器（PLC）

三菱FX2N-32M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-32M具有突出的寄存器容量：三菱FX2N-32M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。

3.3 驱动装置的选型

自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障，在本设计中是运用变频器的三段速度调节来自动调节电机的速度，以达到驱动自动门的目的。这种方法具有稳定性能好，维修方便，连接简单，成本较低，是在目前的自动门行业主流控制方式。

根据本课题所设计的自动门的要求应选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准规定的，具有噪声低、过载能力强的特点的并且转速不高于500r/min的电机，在结合了安全、稳定的考虑本课题所设计的自动控制系统的驱动装置选用天津安全电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的3相380V交流电机，电机如图3.3所示。

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图3.3 YSM100/112、W、S交流电机

3.4 变频器的选型

3.4.1 变频器原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相交流工频电经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调、幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再供给电机使用。

3.4.2 变频器的选型

根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点： 1. 变频器与负载的匹配问题

（1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。本课题所用的电机的额定电压为380V，故在选择变频器时要符合电机的额定电压。

（2）电流匹配；变频器的额定电流与电机的额定电流相符，以最大电流确定变频器电流和过载能力。在本课题所使用的三相交流电机的最大起动电流为Y形接法为

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0.37A，△形接法为0.64A，本设计中采用Y形接法，所用的变频器的最大电流应大于电机的Y形接法的最大起动电流。

（3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生，本课题所用电机的最初起动转矩为1.4Nm，在选型中要考虑。

2. 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

综合以上因素，本课题变频器采用日本三菱公司生产的FR－500系列中的FR-540变频器（如图3.4所示）作为控制电机转速的控制器。

图3.4 三菱FR-540变频器

三菱FR-540变频器具有以下优点：

(1) 接线简单，可运用PLC的继电器输出接到变频器的控制输入端来控制变频的正反转和频率。

(2) 安装灵活，可以根据实际需要，把控制装置安装到任何位置，进行远距离操作。 (3) 频率设置简单，并且具有三速设定功能，可以满足本课题自动门系统的控制要求，且操作方便，只需轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置。

3.4.3 变频器的参数设定

本课题所设计的自动门系统具有如下速度要求：

自动门要求快速启动→（限位）常速运行→（限位）慢速运行→停止, 构成了如图3.5的开门和关门曲线。

根据转速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示电流的频率，p表示电机的极对数，s表示电机的转差率，n表示转子的实际转速，计算出变频器的设定频率。

根据公式和电机参数p=6，额定转速为400 r/min，算出电机的转差率S=-0.25，马达皮带轮与门上的皮带轮外径、门上的皮带轮内径转速比为5.7：1：2.1,得出马达皮带

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轮与门上的皮带轮内径转速比为2.4：1。

1.根据上一章提到的门的规格,加速开门或者关门的距离为30cm，时间控制在0.5S，速度为3600 cm /min，此时要求转子的转速为204r/min。

2.中速开门和关门的距离为65cm，时间为2s,速度为1950cm/min，此时要求电机的转速为110.4r/min。

3.减速开门和关门的距离为30cm,时间为1.5s,速度为1200cm/s，此时要求电机的转速为67.9r/min。

根据以上速度要求设置变频器，变频器的频率具体设定方式见表3.1，根据以下设定方式按课题要求设定好变频器三速控制的频率。

图3.5 开门和关门曲线

表3.1 变频器设定

名 称 上限频率(Pr1) 下限频率(Pr2) 3速设定（高速）(Pr4) 3速设定（中速）(Pr5) 3速设定（低速）(Pr6) 加速时间(Pr7) 减速时间(Pr8) 表示 设定范围 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～999s 0～999s 最小设定单位 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1s 0.1s 设定值 50Hz 0.1Hz 25.5Hz 13.8Hz 8.5Hz 0.3s 0.3s 19

操作模式选择(Pr79)

3.5 感应开关的选型

0～4,7,8 1 2 目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应器，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。

结合本课题的实际需要在设计的自动门的人员检测上运用上海晶园微电子公司生产的WB-3001微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是几乎不受周围环境因素影响。 在防夹人感应器的选择上本设计选用上海晶园微电子公司生产的WS-210微型红外安全光线，可避免外界光线干扰。在门下行关闭时,当有人或车经过安全光线时,门体会自动停止下行,并自动上行以起到安全作用。

自动门的速度信号采集上运用了Keyence（基恩士）公司生产的ED-130U非埋入型接近传感器，这种传感器的特点是能检测所有的金属，最大检测距离为20mm，检测距离调节方便，安装简单。

3.6 自动门系统I/O分配表

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的要求，确定了PLC的I/O分配表，在表3.2中列出。

表3.2 I/O分配表

类型 PLC元件 X0 X1 X2 输入 X3 X4 X5 X6

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作用 紧急停止 手/自动转换开关 感应开关（内） 感应开关（外） 防夹人光栅（常闭） 关门下限 开门下限

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