1、基于 PLC 的自动门控制系统第 1 页 共 22 页摘 要随着人类的进步，科技的发展，电子技术日新月异，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 PLC 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：PLC、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置。PLC 选用日本三菱电机公司生产的 FX2N-32MR 小型 PLC；信号采集装置
2、选用热释电红外传感器；变频器采用日本三菱电机公司生产的 FR540 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。关键词：自动门 PLC 变频器 信号采集装置基于 PLC 的自动门控制系统第 2 页 共 22 页第 1 章 概述1.1 国内外自动门发展现状在国外，进
3、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，在现在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
4、大的影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和频繁使用的自动门。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，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，当有人走进自动门的时候，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，于是迅速在国内处建筑市场上得到大范围的普及。自动门的控制
5、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，即通过运用现在自动化控制设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产商所运用，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 控制的特点是稳定性高，维护方便。经过多年发展，自动门行业呈现以下发展趋势：智能化，多功能：今后的还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，以始终保持较高的遇障
6、保护灵敏度等，还将增加一些新的功能， 如和住宅安防系统配合使用等。免维护：采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。多样化：将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需要。基于 PLC 的自动门控制系统第 3 页 共 22 页高安全性：随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标，也将是一项基本要求。1.2 本设计研究的内容本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。(1).自动门类型的选择。综合了自动门的简洁、简单的要求，在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能和分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商
7、场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。(2).自动门硬件系统的设计。本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需求，故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的三菱 FX 系列 PLC。在自动门的开关门速度控制上本设计以三菱变频器作为调节器，运用变频器的三段速控制来实现自动门的转速控制，为了解决变频器在频率很低的时候会出现不稳定的问题，驱动装置选用功率强大、稳定性的较好的自带减速装置的三相交流电机，在感应器运用自动门专用的微波雷达感应器在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给 PLC 来实现 PLC 对自动门的控制。(3
8、).自动门软件的设计。本设计中选用了目前运用最多的 PLC 编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计出自动门控制的要求，并能更好的考虑到安全和故障报警灯问题。1.3 本设计研究的目的和意义21 世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。自动门大规模专业化生产始于 150 年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。自动门从理论
9、上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。所以对自动门的认识应该从人对门的要求开始。作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种通行这两种要求。因此门体本身应牢固、密封。由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。自动平移门最觉的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开
10、。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。基于 PLC 的自动门控制系统第 4 页 共 22 页自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想了出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓
11、的人员出入的场所。自动门在国外早已得到普遍通用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门发展的黄金时期。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，抗干扰能为强，配套齐全，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
12、此运用 PLC 控制自动门具有较高的可靠性，维修方便特点。本课题的自动门设计运用 PLC 做控制器大大提高自动门的稳定性和经济性，对于整个自动门行业是一次技术的革新，提高了自动门的使用率，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。基于 PLC 的自动门控制系统第 5 页 共 22 页第 2 章 自动门控制系统总体设计方案2.1 自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需求有安全和可靠性，在设计的时候改进了自动门的友好性。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
13、能：1.开门和关门控制应具有手动和自动方式。为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。手动和自动开门方式由手动转换开关来控制，当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节或者关。当转换开关拨向自动位置时，手动开关失效，由感应器检测到有人接近门口且未打开或者检测到已无人接近门且门未关闭，PLC 动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。2. 蜂鸣器的提示功能当自动门开启和关闭时，PLC 输出信号给蜂鸣器，蜂鸣器响以提醒来往行人注意。3.防夹人功能为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在门附近的人被门所夹住。自动门控制系统包含 PLC 控制和动作执行元
14、件构成。采用自动和手动点动控制方式，此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用 PLC 为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。2.2 自动门技术参数的确定表 2-1 自动门具体参数设定自 动平移门 安装和调 试的关键 是提高精 度，即导 轨的平直 度和单扇开启宽度(mm) 1250mm(最宽)单扇门的最大承重(kg) 1 120kg高度(mm) 2500mm最快开 /关门速度(cm/s) 60cm/s常速开 /关门速度(cm/s) 32.5m/s减速开 /关门速度(cm/s) 20m/s开启保持时间(s) 15s(程序中可调)可编程控制器（
15、PLC）电源 220v AC, 50Hz-60Hz驱动器电源 380v AC,50Hz驱动器输出额定功率 120w基于 PLC 的自动门控制系统第 6 页 共 22 页水平度，门体的两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应该常调节门体，修正运行产生的误差。要严格限制门体的重量，不能超过自动门的额定负重。通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的清理和调整。公共场所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。例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可以达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大
16、量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量。加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。自动门具体参数设定如表 2-1 所示。基于 PLC 的自动门控制系统第 7 页 共 22 页第 3 章 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动的控制方式。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
17、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：图 3.1 控制系统结构图3.2 可编程控制器(PLC)选型3.2.1 PLC 概述PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller ,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为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
18、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的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”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，基于 PLC 的自动门控制系统第 8 页 共 22 页进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其中有中央处理单元（CPU） ，中央处理单元（CPU）
19、是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双
20、CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。另外存储器是存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。同时 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去：至于输入输出接口电路，在现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控制的接口界面的输入通道：现场输出接口电路由
21、输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。PLC 的工作原理：当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会
22、改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段，在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图） 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态：或者刷新该输出线圈在 I/O 映像区中对应位的状态：或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像区或系统 RAM 存储区内
23、的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.输出刷新阶段，当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动
24、相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。基于 PLC 的自动门控制系统第 9 页 共 22 页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，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 PLC
25、 的选型在 PLC 系统设计时，首先应该确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估计时，应该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要的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需要存储器容量、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 点数估算时应该考虑适当的余量，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。根据估算的方法故本课题的 I/O 点数为
26、 12 点，输出12 点。2.存储器容量的估算存储器容量是可编程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，需在程序调试后才知道。为了设计造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的公式，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） ，另外再按次数的 25%考虑余量。因此本课题的 PLC 内存容量
27、选择应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的改造中有足够的空间。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。根据本课题设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。基于 PLC 的自动门控制系统第 10 页 共 22 页（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要的控制功能，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,编程器在编程模拟时， CPU 只为编程器提供服务，
28、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，编程器把在线编程的程序或数据发送到主机，在一个扫描周期，主机就根据新收到程序运行。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。（3）诊断功能PLC 的诊断功能包括硬件
29、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
30、地较小，用于小型控制系统：模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插件，因此用户可较合理的选择和配置控制的 I/O 点数，功能扩展方便，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，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，结合经济性的考虑因此选择整体型 PLC。综合以上因素，本课题的设计所采用的小型 PLC 来实现整个自动系统的控制，并具有以下优点：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，他可以为自动化应用提供做大的灵活性和控制能力。同时具有突出的寄存器容量：三菱 FX2N-32M 包括 8k 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。
