基于PLC控制的自动门毕业设计

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某大楼平移门的PLC控制系统设计

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摘 要

随着电子技术的发展，可编程控制器（简称PLC）有了进一步的发展。PLC控制的自动门系统也不断更新着。

本文中论述的PLC自动门控制系统主要由以下这几部分构成：可编程控制器(PLC)、感应探测器、变频器、驱动器、传动装置。本设计可编程控制器就选用FX2N-32M小型的PLC；感应探测器选用微波感应器（微波雷达）；变频器就采用FR－540变频器；驱动器采用三相异步电动机；传动装置采用皮带来带动自动门的运动。

文中主要从以上几个方面进行设计论述。其中可编程控制器（PLC）与变频器是设计的要点。

关键字：PLC；变频器；驱动器。

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某大润发商场平移门的PLC控制系统设计

目 录

一、引言 ........................................................................................................................................... 3 二、系统概论 ................................................................................................................................... 4

2.1自动门发展现状 ................................................................................................................ 4 2.2商场自动门PLC控制系统简介 ........................................................................................ 4 三、商场自动门控制系统整体方案 ............................................................................................... 4

3.1商场自动门的功能需求分析 ............................................................................................ 4 3.2系统设计的步骤 ................................................................................................................ 5 3.3自动门系统I/O分配表 .................................................................................................... 7 3.4自动门的机械传动机构设计 ............................................................................................ 7 3.5自动门基本技术参数 ........................................................................................................ 8 四、自动门硬件系统设计 ............................................................................................................... 9

4.1系统的结构 ........................................................................................................................ 9 4.2可编程控制器（PLC）的选型 ........................................................................................ 10 4.3变频器的选型 .................................................................................................................. 11 4.4 变频器的参数设置 ......................................................................................................... 12 4.5控制系统的电气接线 ...................................................................................................... 13 五、自动门控制系统软件的设计 ................................................................................................. 14

5.1 PLC梯形图的概述 .......................................................................................................... 14 5.2梯形图编程环境 .............................................................................................................. 14 六、总结 ......................................................................................................................................... 16 致谢................................................................................................................................................. 17 参考文献 ......................................................................................................................................... 17 附录I I/O分布表 ......................................................................................................................... 18 附录II 控制系统连接电路 .......................................................................................................... 19 附录III 梯形图程序 .................................................................................................................... 20

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一、引言

在我国经济飞速发展的大背景下，形形色色的自动门随处可见。

自动门的性能优劣就主要取决于它的控制装置。早期的自动门控制系统都是采用继电器逻辑控制，不仅安装烦琐，体积较大，而且很不稳定，出现问题也不易于维修，已逐渐被淘汰。目前自动化行业（包括自动门）最稳定的控制装置是可编程控制器（简称PLC），它采用一类可编制程序的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序运算、定时、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输入和输出控制各类的机械或生产过程。PLC具有很高的可靠性，很强的抗干扰能力，功能完善，适用能力好，程序编译设计较简单、灵活，维修方便，体积小、重量轻，性价比高、能耗低等优点。而运用PLC的自动门控制系统技术已经很成熟。

本文主要介绍了运用PLC控制的自动门的设计，一切产品的开发都离不开实际的基础。一个稳定的控制系统来维持自动门日常的运行，以便降低突发状况的发生，从而减少不必要的损失。运用PLC控制的自动门系统已经是自动门控制系统中的一种趋势。本文设计的产品在很多场合都能适应。

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二、系统概论

2.1自动门发展现状

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，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。

传统的自动门是由继电器控制的，即通过按钮和复杂的接线安装来控制。现在的自动门大多都是由智能控制器控制，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。

而在智能控制器的选择上，现今自动门的主控器有单片机控制和可编程控制器（PLC）控制。单片机控制主要有体积小、安装方便等特点，一般多数被对自动门性能要求稍低的场合采用；PLC控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型的商场等人流量多的自动门都是由这种方式来控制。

2.2商场自动门PLC控制系统简介

PLC控制的商场自动门在通电自后便可实现无人管理，并且系统长时间自主稳定的工作。自动门的运作方式，主要原理是通过感应探测器来判断是否有人经过或者接近，再将信息传递到PLC，PLC根据接收到的信息通过变频器来控制驱动器的开停、正反转和速度的变化，再由传动装置带动门的运动，从而达到自动门的开关等功能。

三、商场自动门控制系统整体方案

3.1商场自动门的功能需求分析

本设计面向商场入口的应用，需要有安全和可靠性，在设计的时候改进了自动门对速度控制的精确度，结构如图3.1所示：

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图3.1 自动门结构图

微波雷达 根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应具有以下功能：

1．自动开门和关门控制

自动开关门是自动门应具备的最基本功能。自动开门由感应探测器感应到有人接近，给PLC发送开门信号，PLC通过变频器来控制电机的正转，达到开门的目的。停留一段时间，由感应器检测到没有人接近门口且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电机的反转来实现关门。

2．蜂鸣器的提示功能

当自动门关闭时，PLC输出信号给蜂鸣器，蜂鸣器响以提醒来往行人注意，可防止停留在门附近的人被门夹住。

3.2系统设计的步骤

在自动门系统设计的过程中最主要的先列出步骤流程图，如图3.2所示：

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图2.2 设计调试步骤图

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3.3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，也是实际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3.3中列出。

表3.3 I/O分配表

类型 PLC元件 X0 X1 X2 作用 感应开关（内） 感应开关（外） 关门下限 开门下限 开门/关门中速 关门低速/开门高速 关门高速/开门低速 开/关门高速 开/关门中速 开/关门低速 自动开门 自动关门 蜂鸣器提醒 输入 X3 X4 X5 X6 Y1 Y2 Y3 输出 Y4 Y5 Y6

3.4自动门的机械传动机构设计

商场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．电机：驱动电机采用安全电机有限公司生产的YSM100/112、W、S三项异步电动

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机，额定转矩为0.43N.m，额定转速为400r/min。功率大，可调性强。

3．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。

4．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。皮带的长度4000mm。

5．感应探测器：选用微波感应器，又称微波雷达。具有反应速度快，灵敏度高，不受环境因素影响等特点。

6．传动结构如图3.4所示。

支架间距离1500mm

图3.3 机械传动

3.5自动门基本技术参数

一般商场的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。像商场这样人员流量每天成千上万，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，使用自动门就必须进行很综合的考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。具体参数如表3.5所示。

表3.5 自动门具体参数

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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

1250mm（最宽） 1x120kg 2550mm 60cm/s 32.5cm/s 20cm/s 15s（程序中可调） 220V AC,50-60Hz 380V AC,50Hz 120W 四、自动门硬件系统设计

4.1系统的结构

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 蜂鸣器 图3.1 控制系统结构图 9

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4.2可编程控制器（PLC）的选型

可编程控制器，英文称Programmable Controller，简称PLC。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。

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。

像PLC这样全面的功能是别的电控器所没有的，也是传统的继电控制电路所无法比拟的。PLC也因此被自动门行业等现代自动化行业所广泛应用。

本设计采用的是FX2N系列的PLC，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，它可以为自动门应用提供最大的灵活性和控制能力。如图4.2所示：

图4.2 FX2N可编程控制器（PLC）

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4.3变频器的选型

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。

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，本设计变频器采用FR－500系列的变频器（如图4.3所示）作为控制电机转速的控制器。

图4.3 FR-500系列变频器

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4.4 变频器的参数设置

本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4.3.1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4.3.1，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4.3.1 开门和关门曲线

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表4.3.1 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) 操作模式选择(Pr79) 表示 设定范围 最小设定单位 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1Hz 0.1s 0.1s 1 设定值 50Hz 0.1Hz 25.5Hz 13.8Hz 8.5Hz 0.3s 0.3s 2 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～120Hz 0～999s 0～999s 0～4,7,8

4.5控制系统的电气接线

自动门控制系统的控制连接电路主要包括控制系统连接电路、I/O接线电路，详细的接线方式分别在附录I和附录II中列出。

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