1、1绪论1.1 背景随着人们生活水平的不断提高和科学技术的飞速发展，人们更加注重自动化和人性化的产品。自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。自动旋转门由于其可以实现无人看管，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的原因，在银行、写字楼、酒店等办公娱乐场所得到了广泛普及应用。 由于自动旋转门的人流量有限，通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。但在静态密
2、封效果方面，自动旋转门远不如其他自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。因此针对自动旋转门系统的设计就显得更具有实际意义，不仅可以提高旋转门的智能化程度，更能促进旋转门的技术更新和产品的应用。1.2 自动旋转门的发展趋势自 1903 年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。国外著名厂家有：荷兰的 B00N EDAM 瑞典的 BESAM 德国的多玛、盖泽 日本的纳博克、寺冈等。经过多年发展，旋转门行业呈现以下发展趋势：智能化、多功能：今后的还将进
3、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。高安全性：随着用户安全意识的提高，安全性将成为非常重要的一项指标，也是一项基本要求。22 设计方案的确定旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统，检测系统,安全系统等几个方面进行考虑。从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。2.1 自动旋转门系统的方案设计(1)框架总成：分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲
4、壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。采用中心门轴结构安装和驱动旋转门体设计，每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用（3+3 ）夹胶玻璃或 6mm 厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃，安全可靠。门体结构简图如图 2-1 所示。图 2-1 门体结构简图(2)驱动系统：由一个三相交流电机提供动力，用减速器带动中心门轴驱动。(3)控制系统：由可编程控制器 PLC、变频器、功能开关组成。(4)检测系统：由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。(5)安全系统：主要有接触和非接触安全感应器。 旋转门入口立柱均
5、装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动。2.2 旋转门控制方案的确定通过分析可知本设计是利用可编程控制器（PLC） 、变频器传感器等构成三翼自动旋转门的控制系统。根据控制原理和设计要求确定了系统的结构框图如图 2-2 所示。3红外传感器作用是检测是否有行人通行；红外防夹传感器和防夹接近开关用来检测是否有人被夹；定位接近开关用来检测门翼是否停在定位位置；防碰撞传感器用来检测是否有人被碰或被撞；主控芯片用来
6、判断传感器传来的各种信号并经过判断做出相应控制动作；变频器接收控制信号对电动机进行调速。另外还有运行状态指示灯和过载报警等等。旋转门控制系统实现了对门的自动启停、自动定位、速度调节、安全智能和夜间闭锁等功能。红外传感信号西门子S 7 - 2 0 0P L C防夹传感信号防碰 、 撞信号定位信号锁门信号调速按钮闭锁信号状态指示灯M3 变频器过载 警铃图 2-2 控制原理框图3 三翼自动旋转门驱动系统设计3.1 确定各扇门的质量由于转轴中心两端是对称的，以一边门体计算即可。 铝型材密度： 代号为 L090704 的线密度为 0.966代号为 L090706 的线密度为 0.836代号为 L0907
7、07 的线密度为 1.152每扇门框的质量： 4123(240)351m铝=2.360 2 0.966+1.135 0.836+1.135 1.152=8.053kg 式(3-10)式中： ， ， 分别为各铝型材的密度。123单扇门玻璃的质量： mv铝 玻= 式(3-11)2.4701.06254.8kg式中： 为玻璃的体积， 为玻璃的密度。v玻单扇门的质量： m铝玻=40.82+8.053=49kg 式(3-12) 式中： 为单扇玻璃的质量， 单扇门框的质量。m玻 铝3.2 各部分转动惯量的计算假设门扇为均匀的质量体,其在宽度方向的面密度 可以用下式计算, 其中mRLR 为门扇的宽度，L 为
8、门扇的长度。则门扇对中心惯量可用下式计算式(3-13)222201rmRJrdmLrd由平行轴定理知，门扇相对于轴的转动惯量为： 21()RJ49.35.045=56.6 式(3-14) 其中 L1 为轴的半径。53.3 惯性力矩的计算参照物理学力矩的计算，假设门体 1s 内加速到门体的快速转速，由于旋转门体的最大转速为 6r/min，即角速度 ，由于传感器一般工作在 2m 范围内26/05wrads检测人是否来临，当人迈进门边时，门体要以正常速度转动，则在这时门体要加速到正常速度。在 0.5s 内加速到此速度,则角速度 ，由于电机要带动门体转动，2/rs有一个加速过程，此过程需要克服旋转门体
9、的惯性力矩才能使其转动，根据力矩转动惯量和角速度的关系 ，则可算出旋转门体的惯性力矩为：mJ式(3-15)3惯 256.13./Nm由上面的计算得出了旋转门体的力矩之后，就可为接下来的电机的选择确定了依据。3.4 电机的确定根据机械设计中电机所需功率按下式计算：式(3-16)10mP惯由电动机至转动轴的传动总效率为：式(3-17)4312式中 , , 分别为滚子轴承，齿轮，联轴器的传动效率。123取 ， ， ，则总的传动效率为：0.98.730.943.8.70.9=0.83 式(3-18)则可以计算出电机的功率式(3-19)213.0.68PKW由于门体还应能承受一定的风阻，以及旋转门体周围
10、无条件与曲壁门体间的摩擦阻力，尽管其产生的力较小，但由于门体直径过大，则会产生较大的阻力矩。同时还有一些其他没有考虑的因素，如齿轮的转动惯量，因此特将计算出的功率放大一些同6时门体的转动较底，则电机应适应转速较底的，根据相关的计算结果可以选以下两种电机。表 3.1 方案一电机参数表方案型号额定功率(KW)转矩(N.m)同步转速(r/min)满载转速(r/min)总传动比齿轮传动比减速器1 JCJ71-0.55 0.55 23.5 1500 1440 240 21.8 11表 3.2 方案二电机参数表方案型号额定功率(KW)转矩(N.m)同步转速(r/min)满载转速(r/min)总传动比齿轮传
11、动比减速器2 JXJ1-35-0.37 0.37 67.9 1500 1440 240 6.9 35由于电机输出的转速较大，一般在 1500r/min，通过减速器难以实现门体转速6r/min，因此在选电机时可以选用带减速器的电机来实现要求。根据相关要求，可以选用一个 JXJ 系列齿轮减速三相异步电机，JXJ 系列异步电机按照 TB1T6442-92 标准设计制造,广泛用于轻工、纺织、建筑机械行业。JXJ 系列异步电动机是直接输出低转速，大转距，且有转速型谱宽、运转平衡、噪声低、高效节能、体积小、重量轻、规格多、选用方便等特点。由于计算出所需电机功率为 0.26KW,加上一些忽略因素，应该选择电
12、机功率在0.26KW 上的电动机才行。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和齿轮传动，可见方案 2 比较合适。即选用 JXJ1-35-0.75 摆线针轮减速器三相异步电机。4 主控芯片选择及辅助电路设计4.1 主控芯片的选型4.1.1 PLC 的简要介绍 PLC 即可编程序控制器（Programmable Controller,简称 PC） ，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称可编程序控制器为可编程序逻辑控制器7PLC（Programmable Logical Controller） 。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通
13、用的工业自动控制装置。它具有体积小、编程简单、功能强、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，目前在冶金、化工、交通、电力等工业控制领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的四大支柱(可编程序控制器技术、机器人技术、CAD/CAM 和数控技术)之一。在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点:体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其对生产工艺多变的系统适应性差。如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计困难，而且其可靠
14、性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。在这种形势下，60 年代末可编程控制器在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以后，PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入
15、输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和数据通信功能。PLC 通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门
16、设计控制器，适合批量生产。由于它本身具有可靠性高，编程简单，使用方便，控制系统构成简单等优点，可编程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。84.1.2 PLC 的选型通过分析可知，所需的控制的电气元器件有按钮开关和指示灯等。具体如表 4-1所示。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 10%-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。本系统是个简单控制系统，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：3010=300开关量输出字节数：108=80
17、系统推断定时器/计数器字节数：82=16总计大约需要 396 个字节数容量。加上预留 20%，有 1K 的程序容量足够了。由以上可得，同时兼顾经济性原则。在常用的 PLC 产品中 SIMATIC-S7-200 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 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。本系统选择了西门子系列型号为 SIMATIC-S7-200 PLC，参数见表 4-2。由 PLC 的型号可得主回路电压为 AC（110220）V；输入端电压参数为 DC24V，电流为5/7mA；继电器输出端电压为
18、 AC150V，DC30V 以内。根据系统设计要求，可得具体参数表如表 4-1 所示：表 4-1 控制系统电气元件表序号 符号 名称 型号 规格1 SA 电磁锁 D4JL DC24V2 SB1 急停开关 LW22 DC24V3 SB2 停止按钮开关 LAY8 DC24V4 SB3 停止按钮开关 LAY8 DC24V5 SB4 高速按钮开关 LAY8 DC24V6 SB5 高速按钮开关 LAY8 DC24V7 SB6 中速按钮开关 LAY8 DC24V8 SB7 中速按钮开关 LAY8 DC24V9 SB8 残疾按钮开关 LAY8 DC24V910 SB9 残疾按钮开关 LAY8 DC24V11
19、 FR1 热继电器 JR-20 1.6A12 LAMP 报警指示灯 XD8 DC24V13 LAMP 常速指示灯 XD8 DC24V14 LAMP 高速指示灯 XD8 DC24V15 LAMP 低速指示灯 XD8 DC24V16 BELL 过载报警铃 NFM1/22L AC150V220V表 4-2 PLC 性能参数表PLC 参数性能指标 S7-200-CPU226程序存储容量 4096B数据存储容量 2560BI/O 点数 256 位指令类型 149 种指令基本指令执行时间 0.220.37us扩展 I/O 模块数量 7 块记时/记数区 256 记时器 /记数器4.1.3 PLC 的 I/O
20、 点分配输入输出端口的保护及分配： PLC 输入口电压定额一般为直流 24V，有一些输入口是不接电源的，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 51120 欧，电容可以取 0.10.47uF。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
21、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。 10根据实现功能和设计要求，对系统控制单元 PLC 的 I/O 点进行分配。输出点详细分配表见表 4-3，输入点详细分配表见表 4-4。详细接线图如图 4-1 所示。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。本控制系统为 PLC 控制，各种开关的容量要求不高，普通的
22、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。Middle、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） 。如表 4-1 所示。表 4-3 输出地址分配表输出地址 信号内容Q0.0 上电及报警信号Q0.1 电磁锁控制继电器Q0.2 电动机启停（变频器智能端子 FWD）Q0.3 速度控制（变频器职能端子 X2）Q0.4 速度控制（变频器职能端子 X1）Q0.6 直流制动（变频智能端子 REV）Q0.7 变频器复位（变频智能端子 RESET）Q1.0 常速运行状态Q1.1 高速运行状态Q1.2 低速运行状态Q1.3 过载报警4.2 系统控制电路的设计对于本系统来说，主要的控制是由控制芯片通过变频器来调节电机转速完成控制要求的。因此变频器电路是系统控制电路的重要组成部分。下面介绍本系统的变频器
