基于PLC控制的自動門畢業(yè)設計[高等教育]

1、 畢 業(yè) 設 計某大樓平移門的PLC控制系統(tǒng)設計 學生學號： 學生姓名： 導師姓名： 班級 專業(yè)名稱 論文提交日期 論文答辯日期 年 月 日 輔導工具a摘 要 隨著電子技術的發(fā)展，可編程控制器（簡稱PLC）有了進一步的發(fā)展。PLC控制的自動門系統(tǒng)也不斷更新著。 本文中論述的PLC自動門控制系統(tǒng)主要由以下這幾部分構成：可編程控制器(PLC)、感應探測器、變頻器、驅動器、傳動裝置。本設計可編程控制器就選用FX2N-32M小型的PLC；感應探測器選用微波感應器（微波雷達）；變頻器就采用FR540變頻器；驅動器采用三相異步電動機；傳動裝置采用皮帶來帶動自動門的運動。 文中主要從以上幾個方面進行設計論述

2、。其中可編程控制器（PLC）與變頻器是設計的要點。關鍵字：PLC；變頻器；驅動器。目 錄一、引言3二、系統(tǒng)概論42.1自動門發(fā)展現(xiàn)狀42.2商場自動門PLC控制系統(tǒng)簡介4三、商場自動門控制系統(tǒng)整體方案43.1商場自動門的功能需求分析43.2系統(tǒng)設計的步驟53.3自動門系統(tǒng)I/O分配表73.4自動門的機械傳動機構設計73.5自動門基本技術參數(shù)8四、自動門硬件系統(tǒng)設計94.1系統(tǒng)的結構94.2可編程控制器（PLC）的選型104.3變頻器的選型114.4 變頻器的參數(shù)設置124.5控制系統(tǒng)的電氣接線13五、自動門控制系統(tǒng)軟件的設計145.1 PLC梯形圖的概述145.2梯形圖編程環(huán)境14六、總結16

3、致謝17參考文獻17附錄I I/O分布表18附錄II 控制系統(tǒng)連接電路19附錄III 梯形圖程序20 一、引言在我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的大背景下，形形色色的自動門隨處可見。自動門的性能優(yōu)劣就主要取決于它的控制裝置。早期的自動門控制系統(tǒng)都是采用繼電器邏輯控制，不僅安裝煩瑣，體積較大，而且很不穩(wěn)定，出現(xiàn)問題也不易于維修，已逐漸被淘汰。目前自動化行業(yè)（包括自動門）最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（簡稱PLC），它采用一類可編制程序的存儲器，用于在其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式輸入和輸出控制各類的機械或生產(chǎn)過程。PLC具有很高的可靠性，很

4、強的抗干擾能力，功能完善，適用能力好，程序編譯設計較簡單、靈活，維修方便，體積小、重量輕，性價比高、能耗低等優(yōu)點。而運用PLC的自動門控制系統(tǒng)技術已經(jīng)很成熟。本文主要介紹了運用PLC控制的自動門的設計，一切產(chǎn)品的開發(fā)都離不開實際的基礎。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)來維持自動門日常的運行，以便降低突發(fā)狀況的發(fā)生，從而減少不必要的損失。運用PLC控制的自動門系統(tǒng)已經(jīng)是自動門控制系統(tǒng)中的一種趨勢。本文設計的產(chǎn)品在很多場合都能適應。二、系統(tǒng)概論2.1自動門發(fā)展現(xiàn)狀自動門根據(jù)使用的場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉門、自動圓弧門、自動折疊門等，自動平移門使用得最廣泛，大家一般所說的自動門、感應

5、門就是指自動平移門，目前市場上流行的平移型自動門一般是兩開，這種門的特點是簡單易控，維護方便。傳統(tǒng)的自動門是由繼電器控制的，即通過按鈕和復雜的接線安裝來控制?，F(xiàn)在的自動門大多都是由智能控制器控制，即通過運用現(xiàn)代自動化設備來控制，它具有穩(wěn)定性高、安全等優(yōu)點。 而在智能控制器的選擇上，現(xiàn)今自動門的主控器有單片機控制和可編程控制器（PLC）控制。單片機控制主要有體積小、安裝方便等特點，一般多數(shù)被對自動門性能要求稍低的場合采用；PLC控制的特點是穩(wěn)定型高、維護方便，目前許多大型的商場等人流量多的自動門都是由這種方式來控制。2.2商場自動門PLC控制系統(tǒng)簡介PLC控制的商場自動門在通電自后便可實現(xiàn)無人管

6、理，并且系統(tǒng)長時間自主穩(wěn)定的工作。自動門的運作方式，主要原理是通過感應探測器來判斷是否有人經(jīng)過或者接近，再將信息傳遞到PLC，PLC根據(jù)接收到的信息通過變頻器來控制驅動器的開停、正反轉和速度的變化，再由傳動裝置帶動門的運動，從而達到自動門的開關等功能。三、商場自動門控制系統(tǒng)整體方案3.1商場自動門的功能需求分析本設計面向商場入口的應用，需要有安全和可靠性，在設計的時候改進了自動門對速度控制的精確度，結構如圖3.1所示：微波雷達圖3.1 自動門結構圖根據(jù)商場中對自動門的具體要求，本課題所設計的自動門應具有以下功能：1自動開門和關門控制自動開關門是自動門應具備的最基本功能。自動開門由感應探測器感應

7、到有人接近，給PLC發(fā)送開門信號，PLC通過變頻器來控制電機的正轉，達到開門的目的。停留一段時間，由感應器檢測到?jīng)]有人接近門口且門未關閉，PLC動作輸出信號給變頻器來控制電機的反轉來實現(xiàn)關門。2蜂鳴器的提示功能當自動門關閉時，PLC輸出信號給蜂鳴器，蜂鳴器響以提醒來往行人注意，可防止停留在門附近的人被門夾住。3.2系統(tǒng)設計的步驟在自動門系統(tǒng)設計的過程中最主要的先列出步驟流程圖，如圖3.2所示：圖2.2 設計調試步驟圖3.3自動門系統(tǒng)I/O分配表I/O分配表是編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是實際接線和調試的重要依據(jù)。根據(jù)自動門的控制系統(tǒng)的要求，確定了PLC的I/O分配表，在表3.3中列出。

8、表3.3 I/O分配表類型PLC元件作用輸入X0感應開關（內）X1感應開關（外）X2關門下限X3開門下限X4開門/關門中速X5關門低速/開門高速X6關門高速/開門低速輸出Y1開/關門高速Y2開/關門中速Y3開/關門低速Y4自動開門Y5自動關門Y6蜂鳴器提醒3.4自動門的機械傳動機構設計商場自動門針對人流較多的商場，應對周圍環(huán)境進行綜合考慮，所以在本課題的自動門機械傳動設計中考慮了以下幾個方面：1自動門的傳動主要包括安裝板，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。2電機：驅動電機采用安全電機有限公司生產(chǎn)的YSM100/112、W、S三項異步電動機，額定轉矩為0.43N.m，額定轉速為400r/min。功率大

9、，可調性強。3導軌：水平雙導軌結構，形成正懸掛，解決了側擺的問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側密封毛刷，形成密封式導軌，避免積塵對導軌及滑輪的磨損，實現(xiàn)了維護方面的特點。4皮帶：采用齒形皮帶, 齒形皮帶的齒形截面為曲線設計，增加了齒形的高度，提高了皮帶與傳動齒輪的吻合度，從而提高了機械效率。皮帶底部采用尼龍加強，減少了齒距變形，提高了使用壽命。皮帶的長度4000mm。5感應探測器：選用微波感應器，又稱微波雷達。具有反應速度快，靈敏度高，不受環(huán)境因素影響等特點。6傳動結構如圖3.4所示。支架間距離1500mm圖3.3 機械傳動3.5自動門基本技術參數(shù)一般商場的自動平移門因為使用頻率非常頻繁

10、，而任何自動門的使用頻率和使用壽命都有限。像商場這樣人員流量每天成千上萬，或者在特定時間段里集中通過大量人員，在這種情況下，使用自動門就必須進行很綜合的考慮。例如增加門的數(shù)量，加大門扇寬度，增加關門延遲時間等。具體參數(shù)如表3.5所示。表3.5 自動門具體參數(shù)單扇開啟寬度（mm）1250mm（最寬）單扇門的最大承重（kg）1x120kg高度（mm）2550mm最快開/關門速度（cm/s）60cm/s常速開/關門速度（cm/s）32.5cm/s減速開/關門速度（cm/s）20cm/s開啟保持時間（s）15s（程序中可調）可編程控制器（PLC）電源220V AC,50-60Hz驅動器電源380V A

11、C,50Hz驅動器輸出額定功率120W四、自動門硬件系統(tǒng)設計4.1系統(tǒng)的結構P L C本設計運用PLC控制變頻器來調節(jié)交流電機運轉來實現(xiàn)自動門運轉的控制方式。采用變頻器電路，結構簡單，控制方便、可靠性高，交流電機具有效率高、維護成本低的特點。 交流電機驅動系統(tǒng)與直流電機驅動系統(tǒng)相比，具有效率高、結構簡單、維護方便、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點,并且系統(tǒng)調速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉矩、高速恒功率運轉等特性。隨著變頻技術的發(fā)展，交流電機控制的成本得以降低，為交流驅動系統(tǒng)在自動門中的大量運用提供了條件。控制系統(tǒng)結構圖如圖3.1所示：變頻器門內外感應器采集信號交流電機蜂鳴器圖3.1 控制系統(tǒng)結構圖4.2可

12、編程控制器（PLC）的選型可編程控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PLC。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題,入出信息變換及可靠的物理

13、實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。PLC可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能：邏輯處理功能；數(shù)據(jù)運算功能；準確定時功能；高速計數(shù)功能；中斷處理（可以實現(xiàn)各種內外中斷）功能；程序與數(shù)據(jù)存儲功能；聯(lián)網(wǎng)通信功能；自檢測、自診斷功能。像PLC這樣全面的功能是別的電控器所沒有的，也是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。PLC也因此被自動門行業(yè)等現(xiàn)代自動化行業(yè)所廣泛應用。本設計采用的是FX2N系列的PLC，具有如下優(yōu)點：最大范圍地包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能

14、、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為自動門應用提供最大的靈活性和控制能力。如圖4.2所示：圖4.2 FX2N可編程控制器（PLC）4.3變頻器的選型變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、

15、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動設備。變頻器調速的主要工作原理是將供給 電機定子的三相交流工頻電經(jīng)大功率整流元件整流，變成直流，再將直流電用正弦波脈寬調節(jié)技術逆變?yōu)轭l率可調、幅度也隨之改變的三相交流電，以此為電源再供給電機使用。根據(jù)自動門的需要，變頻器選型時要確定以下幾點：1. 變頻器與負載的匹配問題（1）電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。本課題所用的電機的額定電壓為380V，故在選擇變頻器時要符合電機的額定電壓。（2）電流匹配；變頻器的額定電流與電機的額定電流相符，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。在本課題所使用的三相交流電機的最大起動電流為Y形接

16、法為0.37A，形接法為0.64A，本設計中采用Y形接法，所用的變頻器的最大電流應大于電機的Y形接法的最大起動電流。（3）轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生，本課題所用電機的最初起動轉矩為1.4Nm，在選型中要考慮。2. 在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。綜合以上因素，本設計變頻器采用FR500系列的變頻器（如圖4.3所示）作為控制電機轉速的控制器。圖4.3 FR-500系列變頻器4.4 變頻器的參數(shù)設置本設計的自動門系統(tǒng)具有如下速度要求：自動門要求快速啟動（限位）

17、常速運行（限位）慢速運行停止, 構成了如圖4.3.1的開門和關門曲線。根據(jù)轉速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示電流的頻率，p表示電機的極對數(shù)，s表示電機的轉差率，n表示轉子的實際轉速，計算出變頻器的設定頻率。根據(jù)公式和電機參數(shù)p=6，額定轉速為400 r/min，算出電機的轉差率S=-0.25，馬達皮帶輪與門上的皮帶輪外徑、門上的皮帶輪內徑轉速比為5.7：1：2.1,得出馬達皮帶輪與門上的皮帶輪內徑轉速比為2.4：1。1.根據(jù)上一章提到的門的規(guī)格,加速開門或者關門的距離為30cm，時間控制在0.5S，速度為3600 cm /min，此時要求轉子的轉速為204r/min。2.中速開門和關

18、門的距離為65cm，時間為2s,速度為1950cm/min，此時要求電機的轉速為110.4r/min。3.減速開門和關門的距離為30cm,時間為1.5s,速度為1200cm/s，此時要求電機的轉速為67.9r/min。根據(jù)以上速度要求設置變頻器，變頻器的頻率具體設定方式見表4.3.1，根據(jù)以下設定方式按課題要求設定好變頻器三速控制的頻率。圖4.3.1 開門和關門曲線表4.3.1 變頻器設定名 稱表示設定范圍最小設定單位設定值上限頻率(Pr1)0120Hz0.1Hz50Hz下限頻率(Pr2)0120Hz0.1Hz0.1Hz3速設定（高速）(Pr4)0120Hz0.1Hz25.5Hz3速設定（中速

19、）(Pr5)0120Hz0.1Hz13.8Hz3速設定（低速）(Pr6)0120Hz0.1Hz8.5Hz加速時間(Pr7)0999s0.1s0.3s減速時間(Pr8)0999s0.1s0.3s操作模式選擇(Pr79)04,7,812 4.5控制系統(tǒng)的電氣接線自動門控制系統(tǒng)的控制連接電路主要包括控制系統(tǒng)連接電路、I/O接線電路，詳細的接線方式分別在附錄I和附錄II中列出。五、自動門控制系統(tǒng)軟件的設計5.1 PLC梯形圖的概述PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電氣技術人員，為了適應他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，通常PLC不采用微機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“

20、自然語言”編程。國際電工委員會（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可編程控制器語言標準）詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言：功能表圖（sequential function chart）、梯形圖（Ladder diagram）、功能塊圖（Function black diagram）、指令表（Instruction list）、結構文本（structured text）。梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結構文本為文字語言，功能表圖是一種結構塊控制流程圖。梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，這種程序設計語言采用因果關

21、系來描述事件發(fā)生的條件和結果，每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結果表示在右面。形梯圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是：1. 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；2. 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習；3. 與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是：梯形圖中的能流（Power Flow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，

22、因此應用時需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待；梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。5.2梯形圖編程環(huán)境本設計的梯形圖編程是運用三菱公司的GX Developer 編程軟件完成的，其編程環(huán)境界面如圖5.2所示：圖5.1 GX Developer編程界面下面主要介紹下GX Developer 編程軟件概要：GX Developer 是具有下列功能的軟件包。1、制作程序2、對可編程控制器CPU的寫入/讀出圖5.3 可編程控制器CPU的寫入/讀出示意圖3、具體梯形圖程序在附錄III中列出。六、總結經(jīng)過這一個多月的畢業(yè)設計過程，我了解了很多以前不曾了解的東西。結合自己所學的專業(yè)知識，設計出程序和硬件系統(tǒng)，真正開始理解了PLC控制系統(tǒng)的設計方法，改善了PLC梯形圖的編程能力，也認識到了GX Developer編程軟件的應用。但體會最深的還是自己各方面知識的貧乏，編程方面需要加強努力，其他很多地方都需要繼續(xù)努力；另一方面也體會到了網(wǎng)絡資源的豐富，找資料也需要技術，開拓了眼界