試論自動(dòng)門硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、試論自動(dòng)門硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)自動(dòng)門限制系統(tǒng)相關(guān)功能將基于PLC電子裝置具體實(shí)現(xiàn),其中系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路限制方便、可靠性高,交流電機(jī)具有效率高、維護(hù)本錢低的特點(diǎn),另外該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 模塊與傳統(tǒng)系統(tǒng)相較在諸多方面均有明顯改良,實(shí)用性顯著提升.隨著變頻技術(shù)的開展, 交流電機(jī)限制的本錢得以降低,為交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)門中的大量運(yùn)用提供了條件.2可編程限制器PLC的選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)確定限制方案,下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型.工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù).因此,工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí),應(yīng)詳 細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、限制要求,明確限制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作,然

2、后 根據(jù)限制要求,估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等,最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的限制系統(tǒng).1輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)的估算I/O輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在正常需求根底上額外預(yù)留一定余量,從而盡可能 滿足限制系統(tǒng)相關(guān)要求.實(shí)際訂貨時(shí),還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn),對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整.本文結(jié)合理論依據(jù)以及實(shí)際需要最終將該系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)值統(tǒng)一設(shè)置為12點(diǎn).2存儲(chǔ)器容量的估算通常情況下在設(shè)計(jì)初期系統(tǒng)應(yīng)用程序還未進(jìn)入編程階段,所以此時(shí)設(shè)計(jì)人員并不明 確程序容量,只有在實(shí)際調(diào)試過程中才能逐漸掌握該項(xiàng)內(nèi)容.但是由于依然需要合理估 計(jì)程序容量,此時(shí)需要選取存

3、儲(chǔ)器容量估算值作為參考依據(jù).目前存儲(chǔ)器內(nèi)存容量估算方法還未形成統(tǒng)一認(rèn)知,目前研究人員普遍將數(shù)字量以及模擬量I/O點(diǎn)數(shù)總體估計(jì)結(jié)果作為內(nèi)存估計(jì)總字節(jié)數(shù),只是二者放大比例有所差異,另 外再按此數(shù)的25%*慮余量.因此本課題的PLC內(nèi)存容量選才¥應(yīng)能存儲(chǔ)2000條梯形圖, 這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間.3限制功能的選擇該選擇包括運(yùn)算功能、限制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特 性的選擇.1根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門限制的需要,主要介紹以下幾種功能的選擇.(1)限制功能PLC由于本身限制體系存在特殊性,所以單回路以及多回路限制器在模擬量限制過 程中應(yīng)用十分廣泛,同時(shí)也可

4、另外構(gòu)建輸入輸出專用通道實(shí)現(xiàn)相關(guān)限制功能進(jìn)而提升系 統(tǒng)運(yùn)行速度.(2)編程功能離線編程方式：此時(shí)PLC和編程器所用CPLK源并不相互獨(dú)立,所以工作模式不同, CPU資源占用情況也會(huì)有所區(qū)別.編輯器處于編程狀態(tài)時(shí),CPU資源將只對(duì)編程器開放而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備那么處于關(guān)閉狀態(tài).而當(dāng)編輯器完成編程操作之后那么開始進(jìn)入運(yùn)行模式,CPU 資源開始對(duì)運(yùn)行設(shè)備開放,不再為系統(tǒng)編程提供支持.但是我們必須意識(shí)到,即使這種 編程方式在本錢限制方面成效顯著,但是由于實(shí)用性存在局限所以未能實(shí)現(xiàn)大范圍推廣 普及.而在線編程方式那么與離線編程方式思想完全相反,編輯器與相關(guān)設(shè)備所需CPU資 源不再共用,而且運(yùn)行過程愈加復(fù)雜,數(shù)據(jù)

5、交換以及編程結(jié)果相對(duì)獨(dú)立,只是本錢投入 也會(huì)隨之成倍增加,但是由于操作簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)所以應(yīng)用十分廣泛.另外目前主要有 五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言,選取編程語(yǔ)言時(shí)除了考慮應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求,還要盡可能提升語(yǔ) 言實(shí)用性能,如此方可在實(shí)際運(yùn)用盡可能具備通用性.(3)診斷功能PLC診斷功能包含硬件、軟件檢測(cè)兩大功能模塊.硬件診斷主要用于設(shè)備運(yùn)營(yíng)故障 位置判別,而軟件診斷那么又可細(xì)分為內(nèi)、外診斷兩種,判斷依據(jù)是軟件診斷面向資源類 型,假設(shè)是面向PLC內(nèi)部性能那么為內(nèi)診斷,假設(shè)是面向PLC的CPUt外部輸入輸出等部件那么 為外診斷.4)機(jī)型的選擇PLC的類型PLC類型由于分類依據(jù)不同,通常分類結(jié)果也會(huì)存在差異,例如

6、根據(jù)結(jié)構(gòu)或者應(yīng)用 環(huán)境就可將PLC劃分為完全不同的兩種類型,所以通常情況下 PLC類型并不固定,可以 根據(jù)具體需要具體分析.整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)無需用戶另行設(shè)定,投入運(yùn)營(yíng)之前就已根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置完 畢,而模塊型PLC由于硬件資源相對(duì)完備,所以無需固定限制系統(tǒng)的 I/O點(diǎn)數(shù),用戶可 依據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)設(shè)置,在大中型限制系統(tǒng)十分常見.(2)經(jīng)濟(jì)性的考慮PLC選擇標(biāo)準(zhǔn)之一是經(jīng)濟(jì)原那么,也即應(yīng)當(dāng)努力實(shí)現(xiàn)性價(jià)比提升,從實(shí)際操作以及投 入產(chǎn)出等方面綜合考慮.其中輸入輸出點(diǎn)數(shù)將深度影響產(chǎn)品價(jià)格,由于點(diǎn)數(shù)增加往往意 味著內(nèi)存需求量也會(huì)隨著增加,所以必須在綜合考量CPLK源、內(nèi)存、限制功能根底上才可完成點(diǎn)數(shù)增

7、加操作,從而實(shí)現(xiàn)限制系統(tǒng)性價(jià)比的合理掌控.本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門 屬于小型限制系統(tǒng),結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的考慮因此選擇整體型PLG綜合以上因素,本文設(shè)計(jì)將采用三菱 FX2N-32M小型PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)限制功能, 如圖3-1所示.三菱FX2N-32M具有如下優(yōu)點(diǎn)：最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面 補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊,它 可以為自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和限制水平.三菱FX2N-32M具有突出的存放器容量,所以各類型存儲(chǔ)器容量擴(kuò)充也相對(duì)較為便 捷,此外元件資源也十分豐富,根本能夠滿足系統(tǒng)在時(shí)間靈敏度方面的應(yīng)用需求.3驅(qū)動(dòng)裝置的選型自動(dòng)門是否具

8、備實(shí)用價(jià)值往往與驅(qū)動(dòng)器性能密切相關(guān),本設(shè)計(jì)將借助變頻器三段速度實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的自動(dòng)調(diào)節(jié),從而為自動(dòng)門運(yùn)轉(zhuǎn)提供充足動(dòng)力.根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自 動(dòng)門的要求應(yīng)選用絕緣電阻、絕緣介電強(qiáng)度、接地裝置、過電壓保護(hù)等符合國(guó)際平安標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定的,具有噪聲低、過載水平強(qiáng)的特點(diǎn)的并且轉(zhuǎn)速不高于500r/min的電機(jī),在結(jié)合了平安、穩(wěn)定的考慮本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)限制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置選用天津平安電機(jī)有限 公司生產(chǎn)的型號(hào)為YSM100/112 W S的3相380V交流電機(jī),電機(jī)如圖3-2所示. 4變頻器的原理變頻器工作原理是借助電力半導(dǎo)體器件相關(guān)功能完成工頻電源變換操作,具體變換步驟是：通過整流器將交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?然后

9、再將直流電源轉(zhuǎn)換為設(shè)備運(yùn)行所 需交流電源,以上即為一個(gè)電源變換周期,而變頻器電流往往由四局部組成.4.1 變頻器的選型根據(jù)自動(dòng)門的需要,變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：1)變頻器與負(fù)載的匹配問題(1)電壓匹配；變頻器額定電壓數(shù)值要求十分嚴(yán)格,所以選取變頻器時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注是否與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)需求匹配.2電流匹配：變頻器額定電流數(shù)值要求與電壓數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)根本類似.本工程中使 用的三相交流電機(jī)的最大啟動(dòng)電流為 Y型0.37A,三角形0.64A.本設(shè)計(jì)采用Y型連接. 所用逆變器的最大電流應(yīng)大于 Y型連接電機(jī)的最大啟動(dòng)電流.2轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生,本課題所用電 機(jī)的最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.

10、4Nm,在選型中要考慮.3變頻器用于高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出電流往往偏大,所以在高速電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中選 取變壓器類型時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能選取容量較大機(jī)型.綜合以上因素,本課題變頻器采用日本三菱公司生產(chǎn)的FR 500系列中的FR-540變頻器如圖3-3所示作為限制電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制器三菱FR-540變頻器優(yōu)勢(shì)在于：1接線相對(duì)簡(jiǎn)單,而且變頻器正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行頻率限制只需將PLC繼電器輸出端與變頻器限制輸入端相連即可實(shí)現(xiàn).2安裝相對(duì)靈活,使用者可依據(jù)實(shí)際需要將該變頻器安裝至適宜位置,同時(shí)還可 支持遠(yuǎn)程操控.3頻率設(shè)置并不復(fù)雜,而且該類型變頻器本身具有的三速設(shè)定功能與本文設(shè)計(jì)實(shí) 際需求十分契合,只需輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)外接電位器的旋鈕

11、,就可以進(jìn)行頻率設(shè)置.4.2 變頻器的參數(shù)設(shè)定本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門系統(tǒng)具有如下速度要求：自動(dòng)門要求快速啟動(dòng)-限位常速運(yùn)行-限位慢速運(yùn)行-停止,構(gòu)成了如圖3-4的開門和關(guān)門曲線.根據(jù)轉(zhuǎn)速公式：n=60f/p1-s可計(jì)算得出變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)速率,本文設(shè)計(jì)將參數(shù) p設(shè)置 為6,額定轉(zhuǎn)速值為400 r/min ,代入式中可得到轉(zhuǎn)差率為-0.25 ,馬達(dá)皮帶輪與門上的 皮帶輪外徑、門上的皮帶輪內(nèi)徑轉(zhuǎn)速比為5.7: 1: 2.1,得出馬達(dá)皮帶輪與門上的皮帶輪 內(nèi)徑轉(zhuǎn)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(guān)門的距離為30cm,時(shí)間限制在0.5S, 速度為3600 cm /min ,此時(shí)要求轉(zhuǎn)

12、子的轉(zhuǎn)速為 204r/min.2中速開門和關(guān)門的距離為 65cm時(shí)間為2s,速度為1950cm/min,此時(shí)要求電機(jī)110.4r/min3減速開門和關(guān)門的距離為30cm,時(shí)間為1.5s,速度為1200cm/s,此時(shí)要求電機(jī)的 轉(zhuǎn)速為 67.9r/min .根據(jù)以上速度要求設(shè)置變頻器,變頻器的頻率具體設(shè)定方式見表3-1 ,根據(jù)以下設(shè)定方式按課題要求設(shè)定好變頻器三速限制的頻率.表3-1變頻器設(shè)定名稱表小設(shè)定范圍最小設(shè)定單位設(shè)定值上限頻率Pr1P 10 120Hz0.1Hz50Hz下限頻率Pr2p a0 120Hz0.1Hz0.1Hz3速設(shè)定高速Pr4P 40 120Hz0.1Hz25.5Hz3速設(shè)

13、定中速Pr5P S0 120Hz0.1Hz13.8Hz3速設(shè)定低速Pr6P £0 120Hz0.1Hz8.5Hz加速時(shí)間Pr7p 10 999s0.1s0.3s減速時(shí)間Pr8P 80 999s0.1s0.3s操作模式選擇Pr79P3304,7,8125感應(yīng)開關(guān)的選型隨著科學(xué)技術(shù)開展進(jìn)程的日益加快,自動(dòng)門感應(yīng)開關(guān)類型也呈現(xiàn)多元化開展趨勢(shì), 常見類型有觸摸感應(yīng)開關(guān)、微波感應(yīng)器,紅外感應(yīng)器等.通常不同類型感應(yīng)器應(yīng)用場(chǎng)景 并不相同,性能指數(shù)同樣存在差異,所以用戶應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析整理實(shí)際應(yīng)用需求從而選擇 最正確感應(yīng)器類型.事實(shí)上,感應(yīng)器性能對(duì)于自動(dòng)門系統(tǒng)所起作用十分重要,對(duì)于自動(dòng)門 平安性及穩(wěn)定性

14、影響尤為凸顯,所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在感應(yīng)開關(guān)選取方面給予高度重視.結(jié)合設(shè)計(jì)需要,本文最終將選取 WB-300微波感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門人員檢測(cè)相關(guān)功能, 由于能夠迅速感知物體移動(dòng)情況,所以該類型感應(yīng)器通常應(yīng)用于行走速度正常人員建 筑,而且實(shí)際應(yīng)用過程中工作效果幾乎不受周圍環(huán)境因素影響.在防火人感應(yīng)器的選擇上本設(shè)計(jì)選用上海晶園微電子公司生產(chǎn)的 WS-21C微型紅外 平安光線,可防止外界光線干擾.在門下行關(guān)閉時(shí),當(dāng)有人或車經(jīng)過平安光線時(shí),門體會(huì) 自動(dòng)停止下行,并自動(dòng)上行以起到平安作用.6自動(dòng)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,也是現(xiàn)場(chǎng)接線和調(diào)試的重要依據(jù) 根據(jù)自動(dòng)門的限制系統(tǒng)的要求,確定了 PLC的I/O分配表,在表3-2中列出.表3-2 I/O 分配表PLC元件作用輸入X0緊急停止X1手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)X2感應(yīng)開關(guān)內(nèi)X3感應(yīng)開關(guān)外X4防夾人光柵常閉X5關(guān)門下限X6開門下限