基于PLC的自動門控制系統(tǒng)的設計

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安徽機電職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 摘 要 隨著電子技術的發(fā)展，可編程控制器（以下簡稱PLC）不斷更新、發(fā)展，PLC控制是自動控制中最常見控制方式之一，自動門就是自動控制應用的一典型例子，由于可編程控制器具有很好的處理自動門的開關控制及良好的穩(wěn)定性，而且可以很簡單的改變控制的方式，因此，自動門的生產商家很多都運用PLC來做門的控制器。目前自動門在日常生活中運用越來越廣泛。 本文論述的自動門控制系統(tǒng)主要由以下幾部分構成：可編程控制器(PLC)、信號采集裝置、變頻器、驅動裝置、傳動裝置?？删幊炭刂破鬟x用日本三菱電機公司生產的FX2N-32M小型PLC；信號采集裝置選用上海晶園微電子公司生產的微波感應器；變頻器采用日本三菱電機公司生產的FR－540變頻器；驅動裝置采用天津安全電機有限公司生產的YSM100/112、W、S三相異步電動機，額定轉矩為0.43N.m，額定轉速為400r/min；傳動裝置采用皮帶來帶動門的運動。本設計對于周圍環(huán)境的要求較低。 本設計主要的工作原理是通過信號采集裝置判定有無人經過并將信號轉換成開關量信號傳到PLC，PLC根據開關信號的來控制變頻器的開停和速度的變換，在由傳動裝置帶動門運動。 本文總共分五個章節(jié)進行敘述其軟、硬件結構、工作原理等，具體如下： 第一章介紹自動門的國內外自動門現(xiàn)狀，本課題研究的內容和目的意義。 第二章主要介紹自動門控制系統(tǒng)方案的設計。 第三章介紹了自動門的硬件系統(tǒng)的設計，PLC的選型，變頻器的選型，系統(tǒng)結構，自動門控制電路，控制電路的連接。 第四章介紹了系統(tǒng)軟件的設計，PLC梯形圖概述，編程軟件的介紹，程序流程圖，程序的編寫工作。 關鍵詞：PLC，變頻器，驅動裝置，感應器。 30 目錄 引 言 IV 第一章 概 述 1 1.1 國內外自動門發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2 本課題研究的內容 2 1.3 本課題研究的目的和意義 2 第二章 自動門控制系統(tǒng)總體方案設計 4 2.1 自動門的功能需求分析 4 2.2 系統(tǒng)設計的基本步驟 4 2.3 自動門技術參數(shù)的確定 5 2.4 自動門的機械傳動機構設計 6 第三章 自動門硬件系統(tǒng)的設計 8 3.1 控制系統(tǒng)結構設計 8 3.2 可編程控制器(PLC)的選型 8 3.3 驅動裝置的選型 10 3.4 變頻器的原理 11 3.4.1 變頻器的選型 11 3.4.2 變頻器的參數(shù)設定 12 3.5 感應開關的選型 13 3.6 自動門系統(tǒng)I/O分配表 14 3.7 控制系統(tǒng)的電氣接線 15 第四章 自動門控制系統(tǒng)軟件的設計 16 4.1 PLC梯形圖概述 16 4.3 程序流程圖 18 4.4 梯形圖的設計 18 結束語 21 致 謝 22 參考文獻 23 附錄Ⅰ 自動門的硬件連接電路 24 附錄Ⅱ PLC的I/O地址分布圖 25 附錄Ⅲ 自動門梯形圖程序 25 附錄Ⅲ 自動門梯形圖程序 26 引 言 在經濟飛速發(fā)展的中國，高樓聳立的大都市里的大廈、賓館、酒店、銀行、商場、寫字樓，自動門已經是隨處可見。自動門的工作方式是通過自動門內外兩側的感應開關來感應人的出入，當人走近自動門時，感應開關感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，不但能給我們帶來人員進出方便、節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音等好處，更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息。 自動門在國外早已得到普遍應用，在我國也以其優(yōu)異的性能逐步得到大家的認同，中國已經迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。 自動門的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝煩瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。目前自動門及其自動化行業(yè)最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（以下簡稱PLC），PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。因此運用PLC控制自動門具有較高的可靠性，維修方便等特點，因此，進行自動門的PLC控制系統(tǒng)設計，可以推動自動門行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動門行業(yè)乃至整個自動化行業(yè)的應用，具有一定的經濟和理論研究價值。 本課題主要介紹運用PLC為控制器的自動門的開發(fā)和研究，所有產品的開發(fā)都要講究實用，本課題開發(fā)的產品對許多的場合都能適用，而且能夠簡單化，不論對于產品開發(fā)商還有使用者來說，都是最好的。他們需要的是一個廉價的又是一個實用的產品。此系統(tǒng)的設計正好具備了這樣的一個要求，能夠在大多數(shù)的地方應用。因此本設計就是解決了這樣一個問題，還可以保證自動門的穩(wěn)定性。例如，某商場要求營業(yè)期間的門都運用自動門，這就需要自動門要有極高的穩(wěn)定性，且對于商場來說成本不能太高。然而本課題意味著產品成本下降，效益提高。因此是一個比較適合此類場合運用且經濟的產品。 第一章 概 述 1.1 國內外自動門發(fā)展現(xiàn)狀 在國外，進入90年代以來，自動化技術發(fā)展很快，技術已經相對成熟，并取得了驚人的成就，自動化技術是自動門的重要部分。在現(xiàn)代人們生活中自動門可以節(jié)約空調能源、降低噪音、防風、防塵，同時可以使出入口顯得莊重高檔，因此應用非常廣泛。 隨著我國經濟的飛速發(fā)展，自動門在人們的生活中的運用越來越廣泛，自動門適合于賓館、酒店、銀行、寫字樓、醫(yī)院、商店等，使用自動門。但在國內，自動門的自主研發(fā)尚處于初級階段。在自動門控制系統(tǒng)的設計中，穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、安全及人性化是需要首先考慮的因素。 由于門體的重量及體積不同會對自動門驅動和傳動系統(tǒng)提出不同的要求，所以各種自動門又可以分為重型自動門和輕型自動門。 客流量的差異會對自動門的使用產生很大影響，因此，自動門還可以分為一般自動門和可頻繁使用的自動門。 自動門根據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，其中平開門用的場合較少，旋轉門由于昂貴而且非常龐大，一般只用于有需要的高檔賓館，自動平移門使用得最廣泛，大家一般所說的自動門、感應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。 自動平移門最常見的形式是自動門內外兩側加感應器，當人走近自動門時，感應器感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動平移門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，既方便又提高了建筑的檔次，于是迅速在國內外建筑市場上得到大范圍的普及。 自動門的控制方法很多，從控制器的不同來分，有傳統(tǒng)的繼電器控制，即通過按鈕和復雜的接線安裝來控制；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，因此被很多生產廠商所運用。由于繼電器邏輯控制的自動門系統(tǒng)因存在許多缺陷而逐步被智能控制器控制控制的自動門所淘汰。 在智能控制器的選擇上，自動門的主控器有微電腦控制器控制和可編程控制器（PLC）控制，微電腦控制主要有體積小、安裝方便等特點，目前有許多廠家采用此種方式生產自動門，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的自動門都是由這種方式來控制[5]。 1.2 本課題研究的內容 本設計將在以下幾個方面對自動門的控制系統(tǒng)進行研究和論證。 1.自動門類型的選擇。綜合了自動門的簡潔、簡單的要求，在本課題中主要研究自動平移門，本課題設計的自動平移門具有手動和自動開門功能和分時間段控制功能以及配備安全防夾人光線、后備電源等輔助裝置來滿足商場等人流眾多的場所的高效率、高安全性的要求。 2.自動門硬件系統(tǒng)的設計。本課題設計的自動門要求有很高的穩(wěn)定性來滿足日常的需要，故在本設計中所選用的智能控制器為穩(wěn)定性良好的三菱FX系列PLC。在自動門的開關門速度控制上本設計以三菱變頻器作為調節(jié)器，運用變頻器的三段速控制來實現(xiàn)自動門的轉速控制，為了解決變頻器在頻率很低的時候會出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，驅動裝置選用功率強大、穩(wěn)定性較好的自帶減速裝置的三相交流電機，在感應器運用自動門專用的微波雷達感應器和在工業(yè)自動控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性能好的接近傳感器，運用感應器的開關量信號輸入給PLC來實現(xiàn)PLC對自動門的控制。由于本課題的具體需求在硬件系統(tǒng)的設計過程中主要考慮了自動門的經濟實用、穩(wěn)定的需要。 3.自動門軟件的設計。在本設計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的設計出自動門控制的要求，并能更好的考慮到安全性和故障報警等問題，梯形圖的編寫運用三菱的GX Developer編程軟件，此軟件支持全部的三菱的PLC，并且具有強大的診斷功能，能更快的查找出故障的原因，從而大大縮短了維修時間。 1.3 本課題研究的目的和意義 在超級市場、公共建筑、銀行、醫(yī)院入口，經常使用自動門控制系統(tǒng)。使用自動門，可以節(jié)約空調能源、降低噪音、防風、防塵，同時可以使出入口顯得莊重高檔，因此應用非常廣泛。自動平移門最常見的形式是自動門機及門內外兩側加光電感應開關，當人走近自動門時，感應開關感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動平移門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，既方便又提高了建筑的檔次，于是迅速在國內外建筑市場上得到大范圍的普及。 自動門在國外早已得到普遍應用，在我國也逐步得到大家的認同，已經迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。 早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝煩瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。因此運用PLC控制自動門具有較高的可靠性，維修方便等特點。 本課題的自動門設計運用PLC做控制器能大大提高自動門的穩(wěn)定性和經濟性，對于整個自動門行業(yè)是一次技術的革新，提高了自動門的使用率，因此，進行自動門的PLC控制系統(tǒng)設計，可以推動自動門行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動門行業(yè)乃至整個自動化行業(yè)的應用，具有一定的經濟和理論研究價值。[3] 第二章 自動門控制系統(tǒng)總體方案設計 2.1 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的友好性，結構如圖2.1所示： 圖2.1 自動門結構圖 根據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．開門和關門控制應具有手動和自動方式 為了便于維護，自動門應具有手動和自動方式。手動和自動開門方式由手自動轉換開關來控制。當轉換開關撥向手動位置時，門可以手動調節(jié)開或者關。當轉換開關撥向自動位置時，手動開門失效，由感應器檢測到有人接近門口且門未打開或者檢測到已無人接近門且門未關閉，PLC動作輸出信號給變頻器來控制電機的正轉或者反轉來實現(xiàn)開門或者關門。 2．蜂鳴器的提示功能 當自動門開啟和關閉時，PLC輸出信號給蜂鳴器，蜂鳴器響以提醒來往行人注意。 3．防夾人功能 為了杜絕自動門的夾人事件，在門兩側安裝防夾人紅外感應器，以防止停留在門附近的人被門所夾住。 自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和動作執(zhí)行元件構成。采用自動和手動點動控制方式，此種控制模式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。 2.2 系統(tǒng)設計的基本步驟 在自動門系統(tǒng)設計與調試過程中最主要的是先列出設計的主要步驟流程圖，如圖2.2所示。 在自動門控制系統(tǒng)的設計過程中主要要考慮以下幾點： 1.深入了解和分析自動門的工藝條件和控制要求。 2.確定I/O設備。根據自動門控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈等。 3.根據I/O點數(shù)選擇合適的PLC類型。 4.分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 5.設計自動門系統(tǒng)的梯形圖程序，根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個自動門系統(tǒng)設計的核心工作。 6.將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統(tǒng)程序更加完善。 7.自動門系統(tǒng)的整體調試，在PLC軟硬件設計和現(xiàn)場施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)的聯(lián)機調試，調試種發(fā)現(xiàn)的問題要逐一排除，直至調試成功。 圖2.2 設計調試步驟圖 2.3 自動門技術參數(shù)的確定 自動平移門安裝和調試的關鍵是提高精度，即導軌的平直度和水平度，門體的兩個吊掛點所形成的直線與導軌的平行度和垂直度，最大限度地減少門體的靜態(tài)側擺。在自動門投入使用后，尤其是初期，應經常調節(jié)門體，修正運行產生的誤差。 要嚴格限制門體重量，不能超過自動門的額定負重。通常在三個月最多一年內要對自動門進行全面的清理和調整。 公共場所的自動平移門因為使用頻率非常頻繁，而任何自動門的使用頻率和使用壽命都有限。例如機場、大型超市和醫(yī)院外門的人員流量每天可達成千上萬人次，或者在特定時間段里集中通過大量人員，在這種情況下，要使用自動門就必須進行綜合考慮。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2.1所示。 表2.1 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） 2500mm 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 AC,50Hz 驅動器輸出額定功率 120W 2.4 自動門的機械傳動機構設計 在本課題設計的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．所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡便。 3．電機：驅動電機采用380V三相交流電機，功率大，可調性強。 4．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。 5．滑輪：采用特殊的尼龍滑輪，強度高，耐磨性好，同時還有一定的減震效果。 6．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。[22] 7．傳動結構如圖2.3所示。其中馬達皮帶輪直徑為5cm,皮帶滑輪內徑為13.5cm,外徑為28.5cm。 圖2.3 機械傳動 第三章 自動門硬件系統(tǒng)的設計 3.1 控制系統(tǒng)結構設計 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。 3.2 可編程控制器(PLC)的選型 在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。 1．輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算 I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為輸入12點，輸出12點。 2．存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內存容量選擇應能存儲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．控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 根據本課題所設計的自動門控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。 （1）控制功能 PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 （2）編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數(shù)據交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 （3）診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。 PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 4．機型的選擇 (1)PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。 整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 （2）經濟性的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本課題所設計的自動門屬于小型控制系統(tǒng)，結合經濟性的考慮因此選擇整體型PLC。 綜合以上因素，本課題的設計采用日本三菱公司生產的FX2N-32M小型PLC來實現(xiàn)整個自動系統(tǒng)的控制，如圖3.2所示。[15] 圖3.2 FX2N可編程控制器（PLC） 三菱FX2N-32M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、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，它可以為自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。 三菱FX2N-32M具有突出的寄存器容量：三菱FX2N-32M包括8K步內置RAM寄存器，用一個寄存器盒可擴充到16K步RAM或EEPROM。 豐富的元件資源：3072點輔助繼電器、256點計時器、235點計數(shù)器和8000點數(shù)據寄存器、實時時鐘、使用標準型號實時時鐘滿足時間靈敏度應用要求。 3.3 驅動裝置的選型 自動門的驅動器是自動門能否良好工作的保障，在本設計中是運用變頻器的三段速度調節(jié)來自動調節(jié)電機的速度，以達到驅動自動門的目的。這種方法具有穩(wěn)定性能好，維修方便，連接簡單，成本較低，是在目前的自動門行業(yè)主流控制方式。 根據本課題所設計的自動門的要求應選用絕緣電阻、絕緣介電強度、接地裝置、過電壓保護等符合國際安全標準規(guī)定的，具有噪聲低、過載能力強的特點的并且轉速不高于500r/min的電機，在結合了安全、穩(wěn)定的考慮本課題所設計的自動控制系統(tǒng)的驅動裝置選用天津安全電機有限公司生產的型號為YSM100/112、W、S的3相380V交流電機，電機如圖3.3所示。 圖3.3 YSM100/112、W、S交流電機 3.4 變頻器的原理 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、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。 3.4.1 變頻器的選型 根據自動門的需要，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，本課題變頻器采用日本三菱公司生產的FR－500系列中的FR-540變頻器（如圖3.4所示）作為控制電機轉速的控制器。 圖3.4 三菱FR-540變頻器 三菱FR-540變頻器具有以下優(yōu)點： (1) 接線簡單，可運用PLC的繼電器輸出接到變頻器的控制輸入端來控制變頻的正反轉和頻率。 (2) 安裝靈活，可以根據實際需要，把控制裝置安裝到任何位置，進行遠距離操作?！　? (3) 頻率設置簡單，并且具有三速設定功能，可以滿足本課題自動門系統(tǒng)的控制要求，且操作方便，只需輕輕轉動外接電位器的旋鈕，就可以進行頻率設置。 3.4.2 變頻器的參數(shù)設定 本課題所設計的自動門系統(tǒng)具有如下速度要求： 自動門要求快速啟動→（限位）常速運行→（限位）慢速運行→停止, 構成了如圖3.5的開門和關門曲線。 根據轉速公式：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3.1，根據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3.5 開門和關門曲線 表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) 0～120Hz 0.1Hz 50Hz 下限頻率(Pr2) 0～120Hz 0.1Hz 0.1Hz 3速設定（高速）(Pr4) 0～120Hz 0.1Hz 25.5Hz 3速設定（中速）(Pr5) 0～120Hz 0.1Hz 13.8Hz 3速設定（低速）(Pr6) 0～120Hz 0.1Hz 8.5Hz 加速時間(Pr7) 0～999s 0.1s 0.3s 減速時間(Pr8) 0～999s 0.1s 0.3s 操作模式選擇(Pr79) 0～4,7,8 1 2 3.5 感應開關的選型 目前自動門行業(yè)的運用的感應開關主要有觸摸感應開關，微波感應器，紅外感應器，接近感應開關等，根據不同的功能和性能運用在各類不同場合的自動門控制系統(tǒng)中，是自動門系統(tǒng)的關鍵部位，其性能直接影響自動門系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定，如在高檔酒店、寫字樓，可以選擇高靈敏度的感應器；在人行道邊上的銀行、商店等經常有人路過的地方，選擇窄區(qū)域的感應器。 結合本課題的實際需要在設計的自動門的人員檢測上運用上海晶園微電子公司生產的WB-3001微波感應器，又稱微波雷達，對物體的移動進行反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點是幾乎不受周圍環(huán)境因素影響。 在防夾人感應器的選擇上本設計選用上海晶園微電子公司生產的WS-210微型紅外安全光線，可避免外界光線干擾。在門下行關閉時,當有人或車經過安全光線時,門體會自動停止下行,并自動上行以起到安全作用?！? 自動門的速度信號采集上運用了Keyence（基恩士）公司生產的ED-130U非埋入型接近傳感器，這種傳感器的特點是能檢測所有的金屬，最大檢測距離為20mm，檢測距離調節(jié)方便，安裝簡單。 3.6 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，也是現(xiàn)場接線和調試的重要依據。根據自動門的控制系統(tǒng)的要求，確定了PLC的I/O分配表，在表3.2中列出。 表3.2 I/O分配表 類型 PLC元件 作用 輸入 X0 緊急停止 X1 手/自動轉換開關 X2 感應開關（內） X3 感應開關（外） X4 防夾人光柵（常閉） X5 關門下限 X6 開門下限 X7 開門/關門中速 X10 關門低速/開門高速 X11 手動開門 X12 手動關門 X13 關門高速/開門低速 X14 異常復位 輸出 Y1 手動開門 Y2 手動關門 Y3 開/關門中速 Y4 開/關門低速 Y5 開/關門高速 Y6 自動開門燈閃爍 Y7 自動關門燈閃爍 Y10 開/關門提醒 Y11 故障報警燈 Y12 自動開門 Y13 自動關門 Y14 異常停止 3.7 控制系統(tǒng)的電氣接線 本課題設計的自動門控制系統(tǒng)的控制連接電路主要包括自動門控制系統(tǒng)連接電路、自動門I/O接線電路，詳細的接線方式分別在附表Ⅰ和Ⅱ中列出。 第四章 自動門控制系統(tǒng)軟件的設計 4.1 PLC梯形圖概述 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“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。 梯形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。[3] 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，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。 下面主要介紹下GX Developer 7.0編程軟件概要： GX Developer 7.0是具有下列功能的軟件包。 1、 制作程序 圖4.2 梯形圖程序樣式 2、對可編程控制器CPU的寫入/讀出 圖4.3 可編程控制器CPU的寫入/讀出示意圖 3、監(jiān)視功能，監(jiān)視功能包括回路監(jiān)視，軟元件同時監(jiān)視，軟元件登陸監(jiān)視機能。此功能對于自動門的控制系統(tǒng)在查找故障的時候是非常重要的。 4、模擬調試功能，把制作好的可編程控制器程序模擬寫入可編程控制器的CPU內，測試此程序能否正常運轉。次功能對于在完成自動門程序的時候進行程序的檢查是很重要的。 5、PC診斷功能，因為會見現(xiàn)在的錯誤狀態(tài)或是故障履歷表示出來，可以在短時間內恢復作業(yè)。對于自動門系統(tǒng)以后的故障查找是很重要的一項功能。 GX Developer 7.0軟件的特長： 1、軟件的共通化 GX Developer能夠制作Q系列，QnA系列，A系列（包括運動控制（SCPU））,FX 系列的數(shù)據,能夠轉換成GPPQ,GPPA格式的文檔。 此外，選擇FX系列情況下，還能變換成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。 2、利用Windows的優(yōu)越性，使操作性飛躍上升，能夠將Excel,Word等作成的說明數(shù)據進行復制，粘貼，并有效利用。 3、程序的標準化 (1) 標號編程 用標號編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認識軟元件的號碼而能夠根據標示制作成標準程序。 用標號編程做成的程序能夠依據匯編從而作為實際的程序來使用。 (2) 功能塊 FB是以提高順序程序的開發(fā)效率為目的而開發(fā)的一種功能。把開發(fā)順序程序時反復使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開發(fā)變得容易。 此外，零件化后，能夠防止將其運用到別的順序程序時的順序輸入錯誤。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡單的命令就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。 4、能夠簡單設定和其他站點的鏈接 由于連接對象的指定被圖形化而構筑成復雜的系統(tǒng)的情況下也能夠簡單的設定。 4.3 程序流程圖 根據本課題的控制要求和安全要求，所設計的程序按照圖4.4所示的流程運行，以達到本系統(tǒng)的最佳設計要求和完成系統(tǒng)的最終設計。 圖4.4 系統(tǒng)設計流程圖 4.4 梯形圖的設計 本系統(tǒng)運用GX Developer 7.0編程軟件進行梯形圖順控程序編寫，在編寫梯形圖的過程中遵循以下編程規(guī)則： 1．每個繼電器的線圈和它的觸點均用同一編號，每個元件的觸點使用時沒有數(shù)量限制。 2．梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。 3．線圈不能直接接在左邊母線上。 4．在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，它很容易引起誤操作，應避免。 5．在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有“電流”流動，這個“電流”只能在梯形圖中單方向流動——即從左向右流動，層次的改變只能從上向下。 根據以上規(guī)則和PLC的編程方法和思路編寫了本課題設計的自動門控制系統(tǒng)的梯形圖程序，具體梯形圖程序在附錄Ⅲ中列出。 5.2 程序調試記錄及結果分析 本課題進行了模擬的在線聯(lián)機調試，目的在于確定整個系統(tǒng)的程序，在調試中，程序的變動，包括功能的增減、變化是難免的。程序是否好用，最終要通過調試才能使程序進一步完善和最終的確定。首先在PLC面板上將PLC設置為RUN位置，此時PLC開始運行。然后接好控制箱連線，根據I/O分配表中的輸入輸出所對應的開關進行調試。記錄如表5.1。 完成以下的基本調試，整個系統(tǒng)的調試工作基本完成了，最后的工作就是調試結果的分析。 表5.1 PLC調試記錄 PLC元件 動作記錄 動作結果 X0 OFF 自動門停止運轉 X1 ON 程序跳轉至自動，自動門自動運轉啟動 X2、X3 ON Y12自動開門、Y6自動開門燈閃爍動作 X4 OFF Y13自動關門停止，Y12自動開門動作 X5 ON Y13自動關門停止、Y7關門燈停止閃爍 X6 ON Y12自動開門停止、Y6開門燈停止閃爍 X7 ON Y3自動開門/關門中速運行 X10 ON 關門時，Y4自動門關門低速動作；開門時，Y5自動門開門高速動作 X11 ON 在X1 OFF的時候，Y1手動開門動作 X12 ON 在X1 OFF的時候，Y2手動關門動作 X13 ON 開門時，Y4自動門開門低速動作；關門時，Y5自動門關門高速動作 X14 ON 異常消除 在本課題的調試過程中，預先設計的功能和動作都能正常實現(xiàn)，具有較高的可靠性，維修方便等特點，本課題所設計的自動門是針對商場，在編寫程序過程中加強了自動門的安全性，針對商場的實際情況增加了防夾人的設計，程序中也加強了自動門的安全性以及門的故障提示功能。因此，本課題解決了某商場要求自動門要有極高的穩(wěn)定性，且成本不能太高的要求，是一個比較適合此類場合運用且經濟的產品。 結束語 通過本次畢業(yè)設計，我初步試著用自己所學的專業(yè)知識，設計出程序和硬件系統(tǒng)，進一步理解了PLC控制系統(tǒng)的設計方法，提高了PLC梯形圖的編程能力，掌握了PLC控制系統(tǒng)的調試技巧，更加熟悉了GX Developer7.0編程軟件的應用。雖然在這其中自己提高了很多，但同時這也讓我明白自身知識的貧乏，很多方面還需要加強努力；體會到網絡資源的豐富，找資料也需要技術，開拓了眼界，并為以后查找資料墊定了基礎。 一個設計的完成并不只是了解某一方面的知識就夠了，還需要了解和掌握與之有密切關系的其他課程知識的學習。硬件開發(fā)是PLC控制系統(tǒng)應用開發(fā)的基礎，軟件的開發(fā)是建立在硬件之上，軟硬件設計的巧妙結合是項目開發(fā)質量保證的關鍵。如果我們能用軟件解決的問題，應盡量用軟件解決，畢竟軟件開發(fā)成本低，只需開發(fā)時間。PLC控制系統(tǒng)在滿足使用功能的前提下，還應具有較高的可靠性，一旦出現(xiàn)故障，必將造成整個自動化過程的混亂和失控，從而產生嚴重的后果。因此，對可靠性的考慮應貫穿于PLC控制系統(tǒng)的設計的整個過程。 設計是在他人的基礎之上建造屬于自己的東西，我們要學會的就是把人家已經制造好的東西，添加自己的思想組合、加工。而這也不是簡單的事情，要保證它功能實現(xiàn)的同時要考慮到產品的實用性、安全性、持久性、可靠性、穩(wěn)定性等。 致 謝 感謝我們的導師黃老師，這篇論文的每個細節(jié)，都離不開您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，讓我們倍感親切 。 在此我們要向諸位老師表示由衷的感謝。設計中院系領導為我們提供了良好的設計環(huán)境，謹向各位領導表示誠摯的敬意和衷心的感謝。 感謝我們的父母家人，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我們最大的心愿。 在論文即將完成之際，我們的心情無法平靜，從開始進入課題到設計的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我們無言的幫助，在這里請接受我們誠摯的謝意 參考文獻 [1]《可編程控制應用技術》，胡學林主編，高等教育出版社，2001年 [2]《PLC原理及應用技術》，湯自春主編，高等教育出版社，2006年 [3]《可編程序控制器應用技術》，廖常初主編，重慶大學出版社，2004年 [4]《PLC應用及維修技術》，張萬忠等主編，化學工業(yè)出版社，2006年 [5]《PLC應用開發(fā)技術與工程實踐》，求事科技主編，人民郵電出版社，2005年 [6]《PLC分析與設計應用》，高鴻斌等主編，電子工業(yè)出版社，2004年 [7]《可編程控制器原理及系統(tǒng)設計》，丁慶廣主編，清華大學出版社，2004年 [8]《可編程控制器在工業(yè)控制中的應用》，丁煒等主編，化學工業(yè)出版社，2004年 [9]《可編程控制器應用與實驗》，陳定明主編，高等教育出版社，2004年 [10]《可編程控制器原理及程序設計》，崔亞軍主編，電子工業(yè)出版社，1993年 [11]《可編程控制器應用技術》，田瑞庭主編，機械工業(yè)出版社，1993年 [12]《可編程序控制器應用指南》，易傳祿主編，上海科普出版社，2002年 [13]《可編程序控制器原理及應用》，鐘肇新等編，華南理工大學出版社，2005年 [14]《現(xiàn)代電氣及PLC應用技術》，王永華主編，北京航空航天大學出版社，2005年 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