課程設(shè)計自動門PLC控制裝置

1、課程設(shè)計題 目 名 稱 自動門PLC控制裝置 課 程 名 稱 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 系 、專 業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 2013年 12月 9 日 目 錄第1章 總體方案的設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)1.2 設(shè)計場合1.3 設(shè)計規(guī)格1.4平滑自動門的工作原理1.5設(shè)計方案第2章 PLC的選型2.1 PLC容量的選擇2.2 PLC及外設(shè)型號的選擇第3章 I/O地址分配第4章 電氣原理圖4.1 方案說明4.2 PLC控制輸入輸出接線圖第5章 系統(tǒng)程序設(shè)計5.1 PLC控制邏輯圖5.2 PLC梯形圖5.3 PLC控制程序第6章 門體設(shè)計6.1 門體的構(gòu)成6.2 門形式的選擇6.3 門體的相關(guān)

2、參數(shù)第7章 驅(qū)動和傳動系統(tǒng)的設(shè)計7.1 自動門運行阻力計算7.2 自動平驅(qū)動功率計算7.3 減速電機的選型7.4 齒帶傳動的設(shè)計結(jié)論文獻 第1章 總體方案的設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù) 以平滑自動門為設(shè)計對象，完成以PLC為基礎(chǔ)的自動門機械零部件的設(shè)計。1.2 設(shè)計場合本文以某營業(yè)廳自動門為例，完成以PLC為控制器的自動門機械零部件的設(shè)計，設(shè)計的對象是按照洞口寬度為4m高度為3m的洞口尺寸進行設(shè)計，這種規(guī)格尺寸主要適用與小人流的場合。在營業(yè)廳自動門正上方里外各安裝一個紅外探測開關(guān)，當(dāng)有人欲進入時，紅外探測開關(guān)檢測出有人要進入或出去，從而產(chǎn)生輸出信號。PLC獲取到該輸入信號，啟動電機，將門打開。當(dāng)門打開

3、到一定程度后，碰到限位開關(guān)，限位開關(guān)動作，產(chǎn)生輸出信號，自動門停止動作。等待一時間段后，自動門自動合上。在閉合過程中，如紅外探測開關(guān)檢測有人要進入或出去時，自動門停止閉合，并立刻打開。為了保障門的安全性，設(shè)置關(guān)門限位開關(guān)，從而保障在自動門閉合即將結(jié)束時，不會發(fā)生兩扇門碰撞。1.3 設(shè)計規(guī)格名稱尺寸（mm）洞口高度3000洞口寬度4000固定門扇高度2100固定門扇寬度950活動門扇高度2100活動門扇寬度900門扇厚度10門扇運行速度0.5m/s開門方式平滑1.4 平滑自動門的工作原理首先，平移式自動門組由以下部件組成：  （1）主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的

4、大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調(diào)節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)；（2）感應(yīng)探測器：負責(zé)采集外部信號，如同人們的眼睛，當(dāng)有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號；（3）動力馬達：提供開門與關(guān)門的主動力，控制門扇加速與減速運行；（4）門扇行進軌道：就象火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向行進、滑動；（5）門扇吊具走輪系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行；（6）同步皮帶（或三角皮帶）：用于傳輸馬達所產(chǎn)動力，牽引門扇吊具走輪系統(tǒng)；（7）下部導(dǎo)向系統(tǒng)：是門扇下部的導(dǎo)向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。（

5、2）門扇要完成開門和關(guān)門動作，其原理如下：門正上方安裝有一個紅外傳感器，其紅外發(fā)射管發(fā)射出一束紅外光，在檢測區(qū)內(nèi)形成輻射面，這輻射面為檢測區(qū)。此光線會反射，在有目標(biāo)進入這一區(qū)域時，紅外線接受管檢測并發(fā)出一個反映紅光變化的電信號。該信號經(jīng)過放大、整形輸入PLC，PLC然后按照設(shè)定好的程序命令電機和驅(qū)動機構(gòu)工作，使門扇按照設(shè)定的程序開啟、加速、全速、制動后慢速、全開、開門后保留一段時間再關(guān)門，關(guān)門同樣按照制定的程序運行，先加速、全速、制動后慢行、關(guān)閉。當(dāng)關(guān)門時遇到障礙物時門扇會倒退，直至無障礙物時才關(guān)門。1.5 設(shè)計方案該方案是通過減速電機直接輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動齒形帶主動輪轉(zhuǎn)動，從而帶動齒形帶傳動，吊件

6、與齒形帶之間通過皮帶夾固定在一起，實現(xiàn)同時的左右運動，當(dāng)主動輪順時針轉(zhuǎn)動時，皮帶也順時針傳動，右吊件跟隨皮帶向右運動，左吊件跟隨皮帶向左運動，兩門扇向相反方向運行實現(xiàn)自動門的開啟，當(dāng)觸碰到限位開關(guān)時，信號會傳送到PLC控制自動門減速到停止。而當(dāng)主動輪逆時針轉(zhuǎn)動時，左吊件向右運行，右吊件向做運行，使得自動門處于關(guān)門動作。第2章 PLC的選型 當(dāng)某一個控制任務(wù)決定由PLC來完成后，選擇PLC就成了最重要的事情，一方面是選擇多大容量的PLC，另一方面是選擇什么公司的PLC及外設(shè)。2.1 PLC容量的選擇對PLC容量的選擇問題，首先要對控制任務(wù)進行詳細的分析，把所有的I/O點找出來，包括開關(guān)量I/O和

7、模擬量I/O以及這些I/O點的性質(zhì)。I/O點的性質(zhì)主要指他們是直流信號還是交流信號，它們的電源電壓，以及輸出是用繼電器型還是用晶體管或是可控硅型。控制系統(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器，電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點數(shù)有可能大于實際點數(shù)。因為PLC的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組輸出只能有一種電源的種類和等級。所以一旦它們是交流220V的負載使用，則直流24V的負載只能使用其他組的輸出端了。這樣有可能造成輸出點數(shù)的浪費，增加成本。所以要盡可能選擇先同等級的PLC使用最多，但對于要求高速輸出的情況，如運動控制時的高速脈沖數(shù)出，就

8、可以定下選用多少點和I/O是什么類型的PLC了。 根據(jù)本課程設(shè)計的題目及要求可知門內(nèi)光電探測開關(guān)K1，門外光電探測開關(guān)K2,開門到位限位開關(guān)K3,關(guān)門到位限位開關(guān)K4,都是輸入觸點，所以該系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點4個。另外，該系統(tǒng)還有開門執(zhí)行機構(gòu)KM1，(使直流電動機正轉(zhuǎn))，關(guān)門執(zhí)行機構(gòu)KM2（使直流電動機反轉(zhuǎn)），短接啟動電阻接觸器KM3等都是輸出觸點，所以該系統(tǒng)共有開關(guān)量輸出點3個。又根據(jù)課題要求可知PLC選用輸入電源為24VDC，輸出電源也是24VDC,選擇輸出口器件類型為Relay即繼電器的PLC。2.2 PLC及外設(shè)型號的選擇對于PLC及外設(shè)型號的選擇問題，則有以下幾個方面要考慮： （1）

9、功能方面 所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但對某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務(wù)。 （2）價格方面 不同廠家的PLC產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似，質(zhì)量相當(dāng)，I/O點數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價格能相差40%以上。 （3）個人喜好方面 有些工程技術(shù)人員對某些品牌的PLC熟悉，所以一般比較喜歡使用這種產(chǎn)品。 PLC主機選定后，如果控制系統(tǒng)需要，則相應(yīng)的配套模塊也就選定了。如模擬量單元，顯示設(shè)定單元，位置控制單元或熱電偶單元等。 對于本課設(shè)來說不需要擴展單元與模擬量單元，據(jù)上表可知選擇PLC可以選擇歐姆龍系列PLC,根據(jù)以上的分析可知可以選擇主機型號為CPU221/DC/DC/Rel

10、ay的S7-200系列PLC。第3章 I/O地址分配輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件設(shè)計來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖，裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝控制柜。分配輸出點地址時，要注意負載類型的問題。在進行I/O地址分配時最好把I/O點的名稱、代碼、地址和作用以表格的形式列寫出來。 控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號的名稱、代碼、地址、作用名 稱代 碼地 址作 用輸 入 信 號門內(nèi)光電探測開關(guān)K1X0感應(yīng)開關(guān)門外光電探測開關(guān)K2X1開門到位限位開關(guān)K3X2開限位關(guān)門到位限

11、位開關(guān)K4X3關(guān)限位輸 出 信 號開門執(zhí)行機構(gòu)KM0Y0電機正轉(zhuǎn)開門關(guān)門執(zhí)行機構(gòu)KM1Y1電機反轉(zhuǎn)關(guān)門 第4章 電氣原理圖系統(tǒng)設(shè)計包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括PLC及外圍線路的設(shè)計、電氣線路的設(shè)計和抗干擾措施的設(shè)計等。軟件系統(tǒng)設(shè)計主要指編制PLC控制程序。在程序設(shè)計時，除I/O地址列表外，有時還要把在程序中用到的中間繼電器（M）、定時器(T)，計數(shù)器（C）和存儲單元(V)以及它們的作用或功能列寫出來，以便編寫程序和閱讀程序。在編程語言的選擇上，用梯形圖編程還是用語句表編程或使用功能圖編程，這主要取決于以下幾點：（1）有些PLC使用梯形圖編程不是很方便（例如書寫不便），則

12、可用語句表編程，但梯形圖總比語句表直觀。（2）經(jīng)驗豐富的人員可以用語句表直接編程，就像使用匯編語言一樣。（3）如果是清晰的單順序、選擇順序或并發(fā)順序的控制任務(wù)，則最好是用功能圖來設(shè)計程序。4.1 方案說明由于自動門的分類很多，本次實驗不能一一進行討論，最后決定主要對平移自動門進行設(shè)計實現(xiàn)plc的自動控制。下面主要對控制部件進行討論。經(jīng)分析設(shè)計任務(wù)，可知完成任務(wù)的實質(zhì)就是控制電機的正反轉(zhuǎn)。要實現(xiàn)自動控制首先要具備以下功能部件：光電檢測開關(guān)，限位開關(guān)，超載保護開關(guān)，直流電機。現(xiàn)確定電機與門扇軌道組成的系統(tǒng)，要實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)開門，電機反轉(zhuǎn)關(guān)門。1）當(dāng)有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關(guān)時，開關(guān)上有電

13、流通過（光電檢測開關(guān)是脈沖觸發(fā)須對其自鎖）由于開門限位開關(guān)常閉，所以線圈上有電通過，電動機正轉(zhuǎn)，到達開門限位開關(guān)位置時，電機停止運行。2）當(dāng)自動門到開門限位開關(guān)位置時啟動延時定時器8秒后，自動進入關(guān)門過程，電動機反轉(zhuǎn)，當(dāng)門移動到關(guān)門限位開關(guān)時，電機停止運行。3）在關(guān)門過程中，當(dāng)有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關(guān)，應(yīng)立即停止關(guān)門，并自動進入開門程序。4）在門打開后的8秒等待時間內(nèi)，若有人員由外至內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關(guān)時，必須重新開始等待8秒后，再自動進入關(guān)門過程，以保證人員安全通過。5）考慮到自動門在出現(xiàn)故障或在維修的時候，用自動控制從在一定的問題，最后決定加增手動開門和關(guān)門開關(guān)。4

14、.2 plc控制輸出輸入接線圖 （草稿紙上）第5章 系統(tǒng)程序設(shè)計5.1 PLC控制邏輯圖 （草稿紙上）5.2 PLC梯形圖 （草稿紙上）5.3 PLC控制程序LD M8002 初始化脈沖，作啟動條件SET S0 初始化條件STL S0LD X000 檢測到有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過 OR X001SET S20STL S20LDI X002OUT Y0000 電機正轉(zhuǎn)，開門LD X002SET S21STL S21OUT T0 K80 開門位置停留8s后，自動進入關(guān)門過程 LD X000 當(dāng)檢測到有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到OR X001 外通過停止關(guān)門，并自動進入開門程序ANI T0OUT S20

15、LD T0SET S22STL S22LDI X001ANI X000ANI X003OUT Y0001 若無人通過，電機反轉(zhuǎn)關(guān)門LD X001OR X000 若有人，則再次返回到開門程序OUT S20 RET END 第6章 門體的設(shè)計6.1 門體的構(gòu)成 平滑自動門的門體由固定門體和活動門扇組成。其中固定門體包括固定門扇、整體門框、可安裝驅(qū)動機構(gòu)的橫梁、橫梁上部的上亮子玻璃窗。6.2 門形式的選擇平滑自動門的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：即單開式和雙開式，單開式就是只有一扇門從單側(cè)自動滑開。雙開式是兩扇門同時從中間滑向兩側(cè)或兩側(cè)滑向中間。根據(jù)功能要求和設(shè)計要求，選擇雙開式作為本次設(shè)計對象。單開式雙開式

16、6.3 門體的相關(guān)參數(shù)名稱尺寸（mm）活動門扇高度2100活動門扇寬度900門扇厚度10密度2500kg/表3-1 門體規(guī)格參數(shù)根據(jù)設(shè)計的規(guī)格門扇高度，單扇門寬度，厚d=10mm，計算出自動門的體積為：因為門體材料選擇的是鋼化玻璃，其密度，所以有單扇門的質(zhì)量：因為門體還有玻璃夾和止擺裝置等附件，我們可以把單扇門的總重看為55kg自動門的運行速度一般是取0.30.5m/s,這里我們?nèi)〉氖?.5m/s進行設(shè)計。下圖為門體的整體平面外形圖： 第7章 驅(qū)動和傳動系統(tǒng)的設(shè)計7.1 自動門運行阻力計算自動門運行阻力計算：平滑自動門總運行阻力包括摩擦阻力、風(fēng)阻力、坡度阻力和慣性阻力。因為坡度斜角小，運行速度

17、慢，所以坡度阻力和慣性阻力忽略不計。（1）摩擦阻力摩擦阻力包括門滑輪的滾動摩擦阻力、門滑輪軸承中的摩擦阻力以及門滑輪輪緣與軌道之間的滑動摩擦阻力。為了簡化,假設(shè)其總運行效率為0.95。（2）風(fēng)阻力。根據(jù)實際環(huán)境情況，這里取六級風(fēng)壓進行阻力計算。自動門的風(fēng)阻力為： 式中為風(fēng)力系數(shù)，平滑門風(fēng)力系數(shù)取1.1； A 垂直與風(fēng)向的迎風(fēng)面積（自動門的總面積）； 計算風(fēng)壓（Pa）； 門滑輪與止擺器的綜合摩擦系數(shù)，這里取0.1。 查表得六級大風(fēng)風(fēng)速：； 這里取。風(fēng)壓計算公式：綜上 7.2 自動門驅(qū)動功率計算根據(jù)傳動的實際情況，取各部分傳動效率如下：聯(lián)軸器效率：滾動軸承效率：閉式齒輪傳動效率：所以取減速電機的效

18、率取。電動機工作時需要的功率為：所以減速電機的驅(qū)動功率為54.5W。7.3 減速電機的選型7.3.1直流電機的調(diào)速他勵或并勵直流電動機相比于交流電機而言，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、維修不方便，但是在調(diào)速方面卻有其獨特的優(yōu)點。鼠籠式電動機在一般情況下是不能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速的，更不能進行無極調(diào)速，所以對于調(diào)速要求較高的設(shè)備，通常采用直流電動機，這是因為直流電機能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速，并且機械傳動機構(gòu)比較簡單。7.3.2 確定減速機型初選同步帶輪直徑d=60mm。則主動輪轉(zhuǎn)速：由公式得：減速電機的輸出動輪速比：根據(jù)裝置的驅(qū)動功率和減速器輸出的速比，選用日本進口的SS40E8-H4E8-12.5型號直流減速電機，其功率

19、P=80W，額定轉(zhuǎn)速200r/min。A=24mm,B=70mm。7.4 齒帶傳動的設(shè)計7.4.1齒帶傳動各個參數(shù)的設(shè)計計算（1）齒帶傳動特點齒帶傳動主要部件為齒形同步帶。其傳動綜合了齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動的優(yōu)點，克服了其它各種帶打滑和伸長等缺點，構(gòu)成了一種獨特的傳動形式。同步齒帶傳動具有傳動準確、平穩(wěn)、噪聲小、無滑差、承載能力高、壽命長、帶齒受力均勻合理和具有最小膨脹系數(shù)以及最大可靠性等優(yōu)點。同步齒帶可以獲得恒定的速比，且速比范圍大，允許的線速度高，傳遞效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，具有耐油耐潮等特點，使得其可以在環(huán)境較惡劣的條件下工作。（2）同步帶的主動輪轉(zhuǎn)速齒帶傳動的設(shè)計計算通常按照同步帶傳動進行

20、設(shè)計計算。初選同步帶主動輪節(jié)圓直徑。根據(jù)公式計算得：（3）同步帶的功率為工況系數(shù)，查表取=1.6。則 （4）同步帶帶型的選擇 參考同步帶選型圖，根據(jù)帶輪轉(zhuǎn)速和同步帶功率，選擇帶型為L型。L型同步帶承載載荷屬于輕型載荷，其齒形尺寸如下：帶型（節(jié)距代號）節(jié)距（）（mm）齒形角齒根厚齒高帶高h齒根圓角半徑齒頂圓角半徑L（輕型）9.525404.651.913.60.510.51 查表得L型同步帶的基準寬度（5）確定帶輪齒數(shù)Z和帶輪節(jié)圓直徑d根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速和L型帶型，參照小帶輪最小齒數(shù)表，有小帶輪最小齒數(shù)，小帶輪齒數(shù)，取=20.L型帶型的節(jié)距Pb=9.525mm，則有節(jié)圓直徑：（6）驗算帶速v即滿足要

21、求。（7）確定中心距和同步帶長度圖4-5自動門運行線路圖圖中實線部分表示兩扇門的關(guān)閉狀態(tài)，虛線表示兩扇門的完全開啟狀態(tài)。L1是活動門扇的寬度，L2是橋門的寬度，L3則是門開閉全過程中占用的皮帶長度，根據(jù)給定的尺寸，可以計算得到L3，所以有：而齒輪的中心距，同時考慮留有皮帶剩余余量，所以取。由公式得：所以選取的同步帶長度為6590.5mm。（8）確定同步帶寬度L型同步帶的同步帶基準寬度為25.4mm，許用工作拉力，而工作時候所需拉力，所以當(dāng)帶寬取25.4mm的時候，滿足使用要求。即（9）齒輪軸的強度計算和材料選擇帶傳動作用在軸上的壓力由式得：軸承的材料最常用的45#鋼，因為這種材料的機械綜合性能

22、比較好，下面就以這種材料為列來進行強度的驗算。帶傳動在軸上的壓力會以齒輪軸的固定點為支承點產(chǎn)生一個彎應(yīng)力，現(xiàn)在對軸的強度進行計算（軸承的直徑為.0.022m，軸承受力點與支點的距離L為0.01m）：最大彎矩：抗彎截面系數(shù)：強度=M/W=因為45鋼的許用彎應(yīng)力為102Mpa，所以選用這種材料是滿足要求的。7.4.2 齒帶傳動張緊裝置的設(shè)計帶傳動在運轉(zhuǎn)一段時間以后，會因為帶的塑性變形和磨損而松弛，從而影響工作性能或致使帶不能正常工作。為了有效的防止這種不良結(jié)果的產(chǎn)生，就必須采取有效的補救措施?，F(xiàn)在常用的措施有下面幾種：1、定期的張緊裝置。2、自動張緊裝置。3、采用張緊輪的張緊裝置。根據(jù)自動門的使用環(huán)境和條件，要求整個傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單，占用空間少，采用張緊輪的張緊裝置會使整個自動門傳動裝置占用的空間變大，同時也使得自動門的皮帶運行方向改變，不能正常帶動皮帶夾來實現(xiàn)自動門的開閉，所以不宜采用，而自動張緊裝置是將有帶輪的電動機安裝在浮動的擺架上，利用電動機的自重，使帶輪隨同電動機繞固定軸擺動，來保持初拉力，所以也不適合采用。固選用定期張緊裝置的方式來進行張緊。下面是本次設(shè)計采用的彈簧張緊裝置。張緊裝置的結(jié)構(gòu)如下：張緊裝置的主要構(gòu)成部分有：1、底座 2、調(diào)節(jié)推板 3、調(diào)節(jié)桿 4、預(yù)勁彈簧 5、螺母圖4-6張緊裝置結(jié)構(gòu)