基于PLC的自动门控制系统的设计

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：

目 录

引 言 ................................................................................................................... 3 1. 概 述 ............................................................................................................... 4 1.1 国内外自动门发展现状 ............................................................................... 4 1.2 本课题研究的内容 ................................................................................. 5 1.3 本课题研究的目的和意义 ..................................................................... 5 2. 自动门控制系统总体方案设计 ..................................................................... 6 2.1 自动门的功能需求分析 ......................................................................... 6 2.2 系统设计的基本步骤 ............................................................................. 7 2.3 自动门技术参数的确定 ......................................................................... 8 2.4 自动门的机械传动机构设计 ................................................................. 9 3. 自动门硬件系统的设计 ............................................................................... 10 3.1 控制系统结构设计 ............................................................................... 10 3.2 可编程控制器(PLC)的选型 ................................................................. 11 3.2.1 PLC概述 .................................................................................... 11 3.2.2可编程控制器（PLC）的选型 .................................................... 11 3.3 驱动装置的选型 ................................................................................... 14 3.4 变频器的选型 ....................................................................................... 15 3.4.1 变频器原理 ................................................................................. 15 3.4.2 变频器的选型 ............................................................................. 15

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3.4.3 变频器的参数设定 ..................................................................... 16 3.5 感应开关的选型 ................................................................................... 18 3.6 自动门系统I/O分配表 ....................................................................... 18 3.7 控制系统的电气接线 ........................................................................... 19 4. 自动门控制系统软件的设计 ....................................................................... 19 4.1 PLC梯形图概述 .................................................................................... 19 4.2 梯形图编程环境 ................................................................................... 20 4.3 程序流程图 ........................................................................................... 22 4.4 梯形图的设计 ....................................................................................... 23 5. 系统调试 ....................................................................................................... 23 5.1 梯形图程序的下载 ............................................................................... 23 结束语 ................................................................................................................. 25 致 谢 ................................................................................................................. 26 参考文献 ............................................................................................................. 26 附录Ⅰ 自动门的硬件连接电路 ....................................................................... 28 ............................................................................................................................. 28 附录Ⅱ PLC的I/O地址分布图 ....................................................................... 29 附录Ⅲ 自动门梯形图程序 ............................................................................. 30

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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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1. 概 述

1.1 国内外自动门发展现状

在国外，进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经相对成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现代人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用非常广泛。

随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用自动门。但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。在自动门控制系统的设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。

由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。

客流量的差异会对自动门的使用产生很大影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和可频繁使用的自动门。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门，目前市场上流行的平移型自动门一般是两开，这种门的特点是简单易控，维护方便。

自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当人走近自动门时，感应器感应到人的存在，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。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

自动门的控制方法很多，从控制器的不同来分，有传统的继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控制；智能控制器控制，即通过运用现代自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。由于继电器逻辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制控制的自动门所淘汰。

在智能控制器的选择上，自动门的主控器有微电脑控制器控制和可编程控制器（PLC）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型的商场的自动

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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 17

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

X7 X10 X11 X12 X13 X14 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 输出 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 3.7 控制系统的电气接线

开门/关门中速 关门低速/开门高速 手动开门 手动关门 关门高速/开门低速 异常复位 手动开门 手动关门 开/关门中速 开/关门低速 开/关门高速 自动开门灯闪烁 自动关门灯闪烁 开/关门提醒 故障报警灯 自动开门 自动关门 异常停止 本课题设计的自动门控制系统的控制连接电路主要包括自动门控制系统连接电路、自动门I/O接线电路，详细的接线方式分别在附表Ⅰ和Ⅱ中列出。

4. 自动门控制系统软件的设计 4.1 PLC梯形图概述

PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：

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X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 ON ON ON ON ON ON ON ON Y13自动关门停止、Y7关门灯停止闪烁 Y12自动开门停止、Y6开门灯停止闪烁 Y3自动开门/关门中速运行 关门时，Y4自动门关门低速动作；开门时，Y5自动门开门高速动作 在X1 OFF的时候，Y1手动开门动作 在X1 OFF的时候，Y2手动关门动作 开门时，Y4自动门开门低速动作；关门时，Y5自动门关门高速动作 异常消除 在本课题的调试过程中，预先设计的功能和动作都能正常实现，具有较高的可靠性，维修方便等特点，本课题所设计的自动门是针对商场，在编写程序过程中加强了自动门的安全性，针对商场的实际情况增加了防夹人的设计，程序中也加强了自动门的安全性以及门的故障提示功能。因此，本课题解决了某商场要求自动门要有极高的稳定性，且成本不能太高的要求，是一个比较适合此类场合运用且经济的产品。

结束语

通过本次毕业设计，我初步试着用自己所学的专业知识，设计出程序和硬件系统，进一步理解了PLC控制系统的设计方法，提高了PLC梯形图的编程能力，掌握了PLC控制系统的调试技巧，更加熟悉了GX Developer7.0编程软件的应用。虽然在这其中自己提高了很多，但同时这也让我明白自身知识的贫乏，很多方面还需要加强努力；体会到网络资源的丰富，找资料也需要技术，开拓了眼界，并为以后查找资料垫定了基础。

一个设计的完成并不只是了解某一方面的知识就够了，还需要了解和掌握与之有密切关系的其他课程知识的学习。硬件开发是PLC控制系统应用开发的基础，软件的开发是建立在硬件之上，软硬件设计的巧妙结合是项目开发质量保证的关键。如果我们能用软件解决的问题，应尽量用软件解决，毕竟软件开发成本低，只需开发时间。PLC控制系统在满足使用功能的前提下，还应具有较高的可靠性，一旦出现故障，必将造成整个自动化过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，对可靠性的考虑应贯穿于PLC

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控制系统的设计的整个过程。

设计是在他人的基础之上建造属于自己的东西，我们要学会的就是把人家已经制造好的东西，添加自己的思想组合、加工。而这也不是简单的事情，要保证它功能实现的

同时要考虑到产品的实用性、安全性、持久性、可靠性、稳定性等。

致 谢

感谢我们的导师张老师，这篇论文的每个细节，都离不开您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，让我们倍感亲切。

这次毕业设计过程中得到了班主任唐老师对我们的帮助，在此我们要向诸位老师表示由衷的感谢。设计中院系领导为我们提供了良好的设计环境，谨向各位领导表示诚挚的敬意和衷心的感谢。

感谢我们的父母家人，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我们最大的心愿。

在论文即将完成之际，我们的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我们无言的帮助，在这里请接受我们诚挚的谢意。

参考文献

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[9]《可编程控制器应用与实验》，陈定明主编，高等教育出版社，2004年 [10]《可编程控制器原理及程序设计》，崔亚军主编，电子工业出版社，1993年 [11]《可编程控制器应用技术》，田瑞庭主编，机械工业出版社，1993年 [12]《可编程序控制器应用指南》，易传禄主编，上海科普出版社，2002年

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[13]《可编程序控制器原理及应用》，钟肇新等编，华南理工大学出版社，2005年 [14]《现代电气及PLC应用技术》，王永华主编，北京航空航天大学出版社，2005年

[15]《三菱FX系列可编程控制器编程手册》，三菱电机自动化有限公司编，2000

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附录Ⅰ 自动门的硬件连接电路

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附录Ⅱ PLC的I/O地址分布图

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附录Ⅲ 自动门梯形图程序

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