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51 電氣自動化 基于PLC自動門控制系統(tǒng)的設計 （正文） 摘要 本文是關于自動門控制系統(tǒng)的設計，自動門系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、感應器件、驅動裝置和傳動裝置組成。主要工作原理是感應器件將檢測到的人體或物體信號傳送到PLC，PLC再綜合收到的自動門狀態(tài)信號作出判斷，而后發(fā)出控制信號，使驅動裝置運行，在通過傳動裝置帶動門的動作。 隨著電子技術的發(fā)展，PLC不斷的更新，PLC控制已成為自動控制中最常見的方式之一。自動門就是自動控制應用的以典型例子，由于可編程控制器具有很好的處理自動門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(chǎn)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用越來越廣泛。PLC控制具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、維修方便等優(yōu)點。 本文分四個部分來介紹其軟、硬件結構、工作原理等，具體如下： 第二章介紹自動門的設計要求 第三章介紹自動門的硬件設計，PLC選型，驅動裝置選型，感應器件的選型， 第四章介紹了系統(tǒng)軟件設計，PLC梯形圖設計，軟件設計 第五章介紹程序調試 ，硬件接線 關鍵詞：自動門、PLC、感應器件、驅動裝置 目錄 摘要--------------------------------------7 1 前言------------------------------------11 2 國內(nèi)外自動門的發(fā)展----------------------13 2.1國內(nèi)外自動門的發(fā)展現(xiàn)狀-------------13 2.2本課題研究的內(nèi)容-------------------15 2.3本課題研究的目的和意義-------------16 3自動門控制系統(tǒng)總體方案設計--------------17 3.1自動門的功能需求分析--------------17 3.1自動門的控制要求------------------18 3.3自動門控制系統(tǒng)構成----------------19 3.3.1 PLC 概述------------------19 3.3.2 具體構成------------------24 3.4自動門的機械傳機構設計------------25 4 自動門控制系統(tǒng)的硬件設計----------------26 4.1 PLC 的選型----------------------26 4.2 驅動裝置的選型------------------30 4.3 感應器件的選型------------------31 4.4 直流電動機的選型----------------32 4.4.1直流電動機的調速------------32 4.4.2直流電動機的優(yōu)勢-----------36 4.5 傳動裝置------------------------37 4.6 限位開關------------------------37 4.7自動門控制系統(tǒng)I/O地址分配表-----37 4.8 自動門控制系統(tǒng)的原理圖----------38 4.8.1 主電路原理圖---------------38 4.8.2 PLC外圍接線圖-------------39 5自動門控制系統(tǒng)的軟件設計-----------------40 5.1工作過程分析---------------------40 5.2 梯形圖程序---------------------41 5.2.1梯形圖的概述-------------41 5.2.2梯形圖的設計-------------43 6程序調試--------------------------------46 6.1硬件線路連接---------------------46 6.2聯(lián)機調試-------------------------47 7結束語----------------------------------49參考文獻---------------------------------50 致謝 ------------------------------------52 附錄1------------------------------------53附錄2------------------------------------54 附錄3------------------------------------55 1前言 在經(jīng)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(jīng)隨處可見。自動門的工作方式是通過自動門內(nèi)外兩側的感應開關來感應人的出入，當人走進自動門是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。當人通過之后，再將門關上。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的應用，在我國也以優(yōu)異的性能逐步得到大家的認同，中國已迎來了自動們發(fā)展的黃金時期 自動門性能優(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，造成安裝繁瑣、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PLC，它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。目前他在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕化工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、維修方便等優(yōu)點。由此看來，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(jīng)濟和理論研究價值。 本課題主要介紹運用PLC為控制器的自動門控制系統(tǒng)的設計，所有產(chǎn)品的開發(fā)都要講究實用本課題開發(fā)的產(chǎn)品對許多場合都能適用，而且能夠簡單化，不論對于產(chǎn)品開發(fā)還是使用者來說都是最好的。此系統(tǒng)的設計既滿足了自動門的基本要求，還可以保證自動門的穩(wěn)定性。研究本課題意味著產(chǎn)品成本的下降，效益提高。因此是一個比較實用且經(jīng)濟的產(chǎn)品。 2國內(nèi)外自動門發(fā)展 2.1國內(nèi)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(jīng)很成熟，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)在人們生活中自動門可以節(jié)約空調能源、降低噪音、防塵、防風，同時可以使出入口顯得很莊重高檔，因此應用非常廣泛。 隨著我國經(jīng)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(nèi)，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)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(chǎn)生很大的影響，因此，自動門還可以分為一般自動門和頻繁使用自動門。 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，其中平開門用的場合較少，旋轉門由于昂貴而且非常龐大，一般只使用余高檔酒店賓館，自動平移門使用的最廣泛，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(nèi)外兩側加感應器，當人走進門時，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。當人通過之后，再將門關上。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(nèi)外建筑市場上得到大范圍的普及。 自動門的控制方法有很多，從控制器的不同來說，有繼電器控制，即通過按鈕和復雜的接線安裝來控制；智能控制器控制，即通過運行現(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(chǎn)廠商所運用。由于繼電器邏輯控制的自動門系統(tǒng)存在許多缺陷而逐步被智能控制器的自動門所淘汰。 在智能控制器的選折上，自動門的主控制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(chǎn)自動門，PLC控制的特點是穩(wěn)定型高、維護方便，目前許多大型商場的自動門都是有這種方式來控制的。 2.2本課題研究的內(nèi)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)定性良好的德國西門子公司生產(chǎn)的CPU224小型PLC。在自動門的開關門速度控制上本設計以變頻器作為調節(jié)器，運用變頻器的三段速控制實現(xiàn)自動門的轉速控制，為了解決在頻率很低時出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，驅動裝置選用功率強大、穩(wěn)定性好的自帶減速裝置的直流電動機，在感應器方面運用了自動門專用的微波雷達感應器和在工業(yè)控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性好的接近傳感器，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要在硬件系統(tǒng)的設計過程中主要考慮自動門的經(jīng)濟實用、穩(wěn)定的需要。 3. 自動門的軟件設計 在本設計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖能直觀明了的設計出自動門的控制要求，并能更好的考慮到安全性和故障報警等問題，梯形圖的編寫運用西門子自帶的編程軟件，此軟件具有強大的診斷功能，能更快的查處故障原因，從而大大縮短了維修時間。 2.3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(jīng)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及門內(nèi)外的光電開關，當人走進自動門時，感應開關感應到人的存在，給控制器一個開門的信號，控制器通過驅動裝置將門打開，當人通過門之后，在將關閉。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檔次，于是迅速在國內(nèi)外建筑市場上得到了廣泛應用。 自動門在國外早就得到了普遍應用，在國內(nèi)也逐漸得到了大家的認可，已經(jīng)迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。 早期自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已被逐漸淘汰。 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。他采用可以編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、和算數(shù)運算等操作指令，并能通過數(shù)字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(chǎn)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、輕化工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，維修方便等優(yōu)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(jīng)濟性，對與整個自動門行業(yè)是一次技術革新，提高了自動門的使用率，因此，進行自動門的PLC控制系統(tǒng)的設計，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(jīng)濟和理論研究價值。 3自動門控制系統(tǒng)總體方案設計 3.1在自動門的功能需求分析 本設計面向商場入口的應用，需要有安全性和可靠性。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由以下功能： （1） 開門和關門控制應有手動和自動方式 為了便于維護，自動門應具有手動和自動方式。當信號采集裝置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口且門未關閉，PLC動作輸出信號開控制點動機正轉或者反轉來開門或者關門。 （2） 緊急停止 當自動門出現(xiàn)夾人現(xiàn)象時，可閉合緊急停止開關，自動門自動進入開門過程。 自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和執(zhí)行元件構成。采用自動和手動控制方式，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。 3.2自動門的控制要求 （1）當有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關K1或K2時，開門執(zhí)行機構KM1動作，電動機正轉，到達開門限位開關K3位置時，電機停止運行。 （2）自動門在開門位置停留8秒后，自動進入關門過程，關門執(zhí)行機構KM2被起動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關K4位置時，電機停止運行。 （3） 在關門過程中，當有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關K2或K1時，應立即停止關門，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K2或K1時，必須重新開始等待8秒后，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。 3.3自動門控制系統(tǒng)構成 自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和動作執(zhí)行元件構成。采用自動和手動電動控制方式，此種控制方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。 3.3.1PLC概述 可編程控制器，英文Programmable Controller,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。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。它以微處理器為核心，集自動化技術、計算機技術、通信技術為一體，它通過運行儲存在其內(nèi)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，但并不等同于計算機。普通計算機進行入出信息交換時，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。特別要考慮怎樣適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝便于門內(nèi)外感應采集信號，便于維修和抗干擾等問題，入出信息變換及可靠地物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本點。PLC可以通過他的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電器控制裝置多得多、強得多。 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(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本功能： （1） 邏輯處理功能； （2） 數(shù)據(jù)運算功能； （3） 準確定時功能； （4） 高速計數(shù)功能； （5） 中斷處理(可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷)功能； （6） 程序與數(shù)據(jù)存儲功能； （7） 聯(lián)網(wǎng)通信功能 ； （8） 自檢測、自診斷功能。 可以說，凡普通小型計算機能實現(xiàn)的功能，PLC幾乎都可以做到。像 PLC這樣，集豐富功能于一身，是別的電控制器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電器控制電路所無法比擬的。豐富的功能為PLC 的廣泛應用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠程化、信息化、智能化創(chuàng)造了條件。 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC專為工業(yè)控制應用而設計，一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程人員的歡迎。其主要特點有: (1) 抗干擾能力強，可靠性能高 (2) 控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強 (3) 編程方便，易于使用 (4) 功能強大，成本低 (5) 設計、施工、調試的周期短 (6) 維護方便 （1）PLC與其它典型控制系統(tǒng)的區(qū)別 繼電器控制系統(tǒng)雖有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸點。是設備連線復雜，且觸點在開閉時易受電弧的損害，壽命短，系統(tǒng)可靠性差。 a． 控制邏輯 繼電器控制邏輯采用硬件接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)，及時間繼電器等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構成后，想在改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有4-8對觸點，因此靈活性和擴展性很差，而PLC采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式儲存在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需要改變程序即可，因此靈活性和擴展性很好。 b.工作方式 電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器同時處于受控制狀態(tài)，它屬于并行方式。而PLC得控制邏輯中，各內(nèi)部期間都處于周期性掃描過程中，各種邏輯、數(shù)值輸出地結果都是按照在程序中的前后順序計算出來的，它屬于串行方式。 PLC有微型計算機的許多特點，但他的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。而PLC則采用不斷循環(huán)的順序掃描的工作方式。每次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條的執(zhí)行用戶程序知道用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新一輪的掃描。PLC就是這樣周而復始的重復上述循環(huán)掃描的，這種工作方式是在系統(tǒng)的控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。 PLC是一種工業(yè)控制計算機，所以他的工作原理是建立在計算機的工作原理基礎上的，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。但是CPU是分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序一次完成相應各電器的動作，便成為時間上的串行。由于運算速度極高，各電器的動作似乎是同時完成的，但實際輸入輸出的響應是有滯后的。 c.控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點開閉動作一般幾十毫秒數(shù)量級。另外機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題；而PLC是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級，且不會出現(xiàn)抖動。 （2）與單片機控制系統(tǒng)的區(qū)別 a.本質區(qū)別 單片機控制系統(tǒng)是基于芯片級的系統(tǒng)，而PLC控制系統(tǒng)是基于板級或模塊級的系統(tǒng)。其實PLC本身就是一個單片機系統(tǒng)，他是已經(jīng)開發(fā)好的單片機產(chǎn)品。開發(fā)單片機控制系統(tǒng)屬于底層開發(fā)，而設計PLC控制系統(tǒng)是在產(chǎn)品的單片機控制系統(tǒng)上進行二次開發(fā)。 b.使用場合 單片機控制系統(tǒng)適合于家電產(chǎn)品、智能化的儀器儀表、玩具和批量生產(chǎn)的控制器產(chǎn)品等場合使用；而PLC控制系統(tǒng)適合在單片機電氣控制系統(tǒng)、工業(yè)控制領域的制造業(yè)自動化和過程中使用。 c.使用過程 設計開發(fā)一個單片機控制系統(tǒng)，需要先設計硬件系統(tǒng)，畫硬件電路圖，制作印刷電路板，購置各種所需要的電子元件，焊接電路板，進行硬件調試，進行抗干擾等大量工作需要專門的開發(fā)裝置和低級編輯語言控制程序，進行系統(tǒng)聯(lián)調；而PLC不必操心內(nèi)部的計算機系統(tǒng)是否可靠和他們的抗干擾能力，軟件設計使用工業(yè)編程語言，相對來說比較簡單。進行系統(tǒng)調試時，因為有好的工程工具幫助，所以非常容易。 3.3．2 具體構成 自動門系統(tǒng)的具體組成如下圖： 由上圖可知，當感應器件檢測到人體或物體信號時將信號傳給PLC,PLC根據(jù)已經(jīng)采集的信號發(fā)出控制信號，是驅動裝置運行，通過傳動裝置帶動自動門的運行。 3.4自動門的機械傳機構設計 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版，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。 2. 所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡單。 3. 電機：驅動電機采用64V直流電動機，功率大，可調性強。 4. 導軌：水平雙導軌結構，形式正懸掛，解決了側擺得問題，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)了維護方便的特點。 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，從而提高了使用壽命。 4自動門控制系統(tǒng)的硬件設計 4.1 PLC的選擇 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(jù)。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要的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估計輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、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)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，在增加10%到20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)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） 存儲器容量的選擇 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實用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器的容量。設計階段，由于用戶程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，須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代替，存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的形式，許多文獻資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10到15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按次數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應能存儲索要儲存的程序，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性能的選擇。根據(jù)本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)的要求，主要介紹一下幾種功能的選擇。 a 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要的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 b編程功能 離線編程方式：PLC和編程器共用一個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(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)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。 五種標準化變成語言：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言表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言變成方式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 c診斷功能 PLC的診斷功能爆孔硬件和軟鍵的診斷。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(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟鍵對PLC的CPU玉外部輸入輸出等部件信息叫喚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 a.PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊兩類型型，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?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/0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/0卡件或插卡，因此用戶可較合理的選擇和配置系統(tǒng)控制的I/0點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 b經(jīng)濟的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。點當數(shù)增加到一數(shù)值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對PLC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(jīng)濟性的考慮因此選用整體型PLC。 （5）對PLC響應時間的要求 對于多數(shù)場合，PLC的相應時間基本上能滿足控制要求。響應時間包括輸入濾波時間，輸出濾波時間和掃描周期。PLC的工作方式?jīng)Q定了他不能接受頻率過高或持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號，當有此類信號輸入時需要選用掃描速度高的PLC或快速響應模塊和中斷輸入模塊。 綜合以上因素，本課題的設計采用德國西門子公司生產(chǎn)的CPU224小型PLC來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。 4.2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。在本設計中是運用直流無刷電機。直流無刷電機功率密度高，噪音極小、調速性能好，即具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機線性機械特性、調速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等諸多優(yōu)點。是應用于“輕、小、薄、安靜、精密、可靠”等場合的最佳選擇本設計選用的是亞坦電機控制有限公司生產(chǎn)的45BLDC系列直流無刷電機，電機直徑φ45，額定轉數(shù)4000轉，額定扭矩0.036N.m，功率15W～100W。額定電壓24V DC。 4.3感應器件的選型 目前自動門行業(yè)運用的感應器件主要有微波感應器、紅外感應器等。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，微波感應器是以微波多普勒原理為基礎，平面型天線昨感應系統(tǒng)，以微處理器作控制。整機關鍵元器件均為進口器件，方案設計選擇器件均確保了產(chǎn)品可靠性。 微波感應器的特點： 微波感應器是以10.525GHz微波頻率發(fā)射、接收。其探測方式具體如下優(yōu)點： （1）非接觸探測。 （2）不受溫度、濕度、噪音。 紅外感應器，是對物體的存在進行反應，不管人員是否移動，只要處于感應器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應，另外，紅外感應器的反應速度比微波感應器慢。 根據(jù)不同的功能和性能運用在各類不同場合的自動控制系統(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(jīng)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自動門的人員檢測上運用上海順安達門業(yè)裝飾有限公司的微波自動門感應器WB-3004，其規(guī)格如下： 4.4 直流電動機的選型 4.4.1直流電動機的調速 并勵或他勵直流電動機與交流異步電動機相比，雖然結構復雜，價格高，維修也不方便，但是在調速性能上有其獨特的優(yōu)點。因為鼠籠式電動機在一般情況下是不能調速的，更不能無級調速，因此，對調速要求高的設備，均采用直流電動機。這是因為直流電動機能無級調速，機械傳動機構比較簡單。 由直流電動機的轉速公式： 　 n=（U-IaRa）/KEΦ 　可知，Ra、Φ和U中的任意一個值，都可使轉速改變，改變電樞電路中外電阻的方法也可進行調速。但其缺點是耗電多，電機機械特性軟，調速范圍小，且只能進行有級調速，故這種方法目前已較少采用?，F(xiàn)常用的對直流電動機調速的方法有調磁法和調壓法。 （1）調磁法 　即改變磁通量Φ。當保持電源電壓U為額定值時，調節(jié)Rf，改變勵磁電流If以改變磁通量，如圖13所示。由于 　n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦT 　可知磁通Φ減少時，n0升高，轉速降△n增大，但后者與Φ2成反比，所以磁通愈小，機械特性曲線愈陡，但仍具有一定硬度，如圖14所示。在一定負載下，Φ愈小，則n愈高。由于電動機在額狀態(tài)運行時，它的磁路已接近飽和，所以通常都是減小磁通（Φ＜Φn），將轉速往上調（n＞nn）。 　調速的過程是：當電壓U保持恒定時，減小磁通Φ。由于機械慣性，轉速產(chǎn)立即發(fā)生變化，于是反電動勢E=KEΦn就減小，Ia隨之增加。由于Ia增加的影響超過Φ減小的影響，所以轉矩T=KTΦIa也就增加。如果阻轉矩Tc未變，則T＞Tc轉速n上升。隨著n的升高，反電動勢E增大，Ia和T也著減小，直到T=Tc時為止。但這時轉速已比原來升高了。 必須指出，若電動機在額定狀態(tài)下運行，則電樞電流Ia為額定值，如果調速時負載轉矩仍舊保持不變（為額定值），由于T=KTΦIa，故減小磁通量Φ后Ia必然超過額定值，因此調速后負載轉矩必須減小。這種調速方法適用于轉矩與轉速成反比而輸出功率基本不變（恒功率調速）的場合。 這種調速方法有3個優(yōu)點： （1）調速平滑，可無級調速； （2）調速經(jīng)濟，控制方便； （3）機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 這種調速方法的局限是轉速只能升高，即調速后的轉速要超過額定轉速。因為電機不允許超速太多，因此限制了它的調速范圍。在實際工作中，這種方法常作為電壓調速的一種補充手段。 （2）調壓法 　即改變電壓U。當保持他勵電動機的勵磁電流If為額定值時，降低電樞電壓U，則由 　n=U/KTΦ-Ra/KEKTΦ2T 　可見，n0變低了，但△n未改變。因此改變U可得出一組平行的機械特性曲線。在一定負載下，U愈低，則n愈低。由于改變電樞電壓只能向小于電動機額定電壓的方向改變，所以轉速將下調(nn)。 　 調速的過程是：當磁通Φ保持不變時，減小電壓U由于轉速不立即發(fā)生變化，反電動勢E便暫不變化，于是電流Ia減小，轉矩T也減小。如果阻轉矩Tc未變，則T＜Tc，轉速n下降。隨著n的降低，反電動勢E減小，Ia和T增大，直到T=Tc時為止。但這時轉速已比原來降低了。 　 由于調速時磁通不變，如在一定的額定電流下調速，則電動機的輸出轉矩便是一定的（恒轉矩調速）。 　這種調速方法有下列優(yōu)點： 　（1）機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性較好； 　（2）調速幅度大； 　（3）可均勻調節(jié)電樞電壓；得到平滑的無級調速。 　這種調速方法的缺點是調壓需用專門的設備，投資較高。近年來由于采用了可控硅整流電源對電動機進行調壓和調速，使這種方法得到了廣泛應用。印刷設備中直流電動機的調速多采用這種方法。 4.4.2直流電動機的優(yōu)勢 因為直流電動機在調方面很簡單，相對于異步電動機來說又有以下的優(yōu)勢： （1） 由于采用高性能永磁材料，無刷直流電機的轉子尺寸得以減小，可以具有較低的慣性、更快的響應速度、更高的轉矩慣量比。 （2） 由于沒用轉子損耗（轉子使用永磁材料），也無需定子勵磁電流分量（應用新理論），所以無刷直流電機具有較高的效率和功率密度。對于同等容量輸出，交流異步電機需要更大功率的整流器和逆變器。 （3） 由于沒有轉子發(fā)熱，無刷直流電機也無需考慮轉子冷卻問題。 （4） 交流異步電機由于其非線性本質，實現(xiàn)控制極為復雜。無刷直流電機把其復雜的磁場定向控制簡化為離散狀態(tài)的轉子位置控制，無需坐標變換，調速范圍更寬，控制性能更好。 綜上所述，無刷直流電機具有更大的功率密度（鐵芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，如將節(jié)能因素、省卻變頻器以及產(chǎn)能提高因素考慮在內(nèi)，使用者的綜合成本下降很大。所以在本課題設計中選用了無刷直流電動機。 4.5傳動裝置 本控制系統(tǒng)所用到的傳動裝置具體包括如下： 1 自動門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。 2 自動門扇吊具走論系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。 3 同步皮帶：用于傳輸電機所產(chǎn)動力，牽引自動門吊具走論系統(tǒng)。 4.6 限位開關 限位開關又稱行程開關，是一種利用生產(chǎn)機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。 限位開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產(chǎn)機械運動到某一運動位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉化為電信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產(chǎn)機械給以必要的保護。 4.7自動門控制系統(tǒng)I/0地址分配表 I/0分配表示編寫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(jù)。 4.8自動們控制系統(tǒng)的原理圖 4.8.1主電路及供電線路 上圖為自動門控制系統(tǒng)的主電路原理圖。 4.8.2外圍接線 如上圖所示KA1 KA2是感應器控制的兩個繼電器，有感應器感應到有人時會自動閉合，SQ1、SQ2是開關門到位行程開關 ，檢測開關門是否到位檢，SQ3、SQ4是開關門時減速行程開關。 5自動門控制系統(tǒng)軟件的設計 5.1 工作過程的分析 根據(jù) 本課題的控制要求和安全要求，所設計的程序按照下圖所示的流程運行，已達到本系統(tǒng)的最佳設計要求和完成系統(tǒng)的最終設計，工作流程如下： （1） 首先按下啟動按鈕，當傳感器檢測到能有人體信號時，電動機正傳，帶動自動門執(zhí)行開門過程。 （2） 當門完全打開之后，使開門限位開關打開，此時自動門停止，進行8秒延時。 若此時感應器重新檢測到有人體信號時，則在重新進行8秒延時 （3） 當8秒的延時完畢后，電動機反轉執(zhí)行關門過程。在關門過程中，傳感器重新檢測到人體信號時，此時中斷關門轉向開門過程。 （4） 考慮到自動門若出現(xiàn)故障時，使用自動控制系統(tǒng)有所不適，于是設置手動開門和手動關門。以上工作過程可用流程圖表達如附圖所示。 5.2梯形圖程序 5.2.1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)詳細的說明了句法、語義和下述5中編程語言：功能表圖（sequential function chart）、梯形圖（ladder diagram）、功能塊圖(function black diagram)、指令表（ Instruction Iist）結構文本（strured 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，事件的結果表示在右面。 梯形圖設計語言是最常見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，并得到廣泛應用。 梯形圖程序設計語言的特點： 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(nèi)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； 梯形圖是使用的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氣控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電器人員掌握，特別適用于開關開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。 5.2.2 梯形圖的設計 設計梯形圖的基本方法和步驟： （1）首先根據(jù)工藝過程控制要求，畫出控制流程圖，力求表達清晰、準確。必要時可以把控制系統(tǒng)分解成幾個相對獨立的部分，盡量簡化，利于編程 (2)將所有的輸入信號（按鍵，行程限位開關，壓力開關，壓力、速度、時間等傳感器）和輸出控制對象（接觸器、電磁閥、電動機、指示燈等）分別列出，按被采用的PLC型號內(nèi)部邏輯元件編號范圍，對I/O端子做出相應的分配和安排。 （3）根據(jù)控制流程圖，有規(guī)律的分配和利用PLC內(nèi)部有關的邏輯元件（如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等）構成相應的基本回路。 （4）以梯形圖的形式來描述控制要求，繪制梯形圖要遵循編程原則。 （5）編寫程序清單時，必須按梯形圖的邏輯行和邏輯單元的編排順序（由上而下，從左到右）依次進行。 本系統(tǒng)的程序軟件采用西門子公司設計開發(fā)的STEP-Micro/WIN,選擇他的梯形圖語言進行程序設計。在設計過程中應遵循以下編程規(guī)則： 1. 每個繼電器的線圈和他的觸點均用同一個編號，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的母線上。 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，他很容易引起誤操作，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向流動—即從左向右流動，層次的改變只能從上向下流動。 6. 無論選用何種PLC機型，所使用的軟件編號（即地址）必須在該機型的有效范圍以內(nèi)。 根據(jù)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，具體程序如下： 6 程序調試 6.1硬件線路連接 圖6-1接線圖 采用實驗室可編程控制器試驗臺，主機s7-200cpu224 cn ac/dc/rly,其供電電壓均為直流24v。調試過程的電路圖如5-1所示； 在模擬調試過程中，因于實驗條件有限，所以微波探測信號與限位開關動作均由按鈕代替（即BG1、BG2、BG3、BG4），SF0、SF11均接按鈕。QA1、QA2用中間繼電器代替，其線圈電壓為24V。 6.2聯(lián)機調試 （1）按圖6-1連接線路，接電源 （2）將在“STEP7-Micro/WIN V4.0SP5”開發(fā)平臺編寫好的軟件通過“RS-232/PPI電纜”下載到“CPU224”中。 （3）運行過程實驗 按啟動按鈕”SF0” a手動開/關 現(xiàn)象一：當按手動開關按鈕SF10時，電動機M正轉 現(xiàn)象二：當按手動開關按鈕SF11時，電動機M反轉 b自動開/關門 現(xiàn)象一：當按下按鈕BG1或BG2時，電動機M正轉；若按下按鈕BG4，則電動機M停止轉動 現(xiàn)象二：當電動機M停止轉動時，計時器計時8秒進行延時。若此時再次按下按鈕BG1或BG2，則計時器重新計時8秒。 現(xiàn)象三：當8秒延時完畢后，電動機M進行反轉；在反轉過程中若按下按鈕BG1或BG2，則電動機M進行反轉 現(xiàn)象四：當按下緊急按鈕SF5時，電動機M進行正轉。 7 結束語 本文研究了基于plc的自動門控制系統(tǒng)的設計原理與實現(xiàn)方法，包括硬件設計與軟件設計。不僅在理論上論證了該系統(tǒng)實施的可行性，而且在實驗中進行了模擬調試。 雖說調試后本系統(tǒng)的整體設計能夠達到實際要求，但在實際應用中還應結合實際情況，考慮各部分的容量及其技術參數(shù)，供電電源的設計、系統(tǒng)接地問題、電纜設計與鋪設、plc輸出端保護等問題，已使系統(tǒng)達到安全可靠的工作，所以要想交付用戶使用，必須得通過現(xiàn)場調試。這就又給我們提出了更高層次的問題，畢竟一個較好的和較完善的應用軟件不是在短時間內(nèi)就可以完成的它需要不斷的完善和發(fā)展，需要我們做大量的工作和時間的檢驗?，F(xiàn)在的系統(tǒng)還沒有達到真正的智能化，還需要正增加很多新的功能和先進的科學技術，才能達到真正意義上的智能化控制。 參考文獻 （1） 王永華，《現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術》。北京航空航天大學出版社 2008 . 3.9 （2） 何衍慶主編，何一平、王鵬副主編著，《常用PLC應用手冊》，電子工業(yè)出版社2008.3.7 （3） 李鳳閣，佟為明，編著，《電氣控制與可編程控制器應用技術》，北京機械工業(yè)出版社2007.12.25 （4） 陳立定，《電氣控制與可編程控制器技術》 北京人民郵電出版社 2007.3.5 （5） 馬志喜 《電氣工程設計》 北京機械工業(yè)出版社 2008.6.7 （6） 郭和偉 《電器與PLC控制技術》 北京清華大學出版社 2007.4.6 （7） 趙克裕 許福永 《微波原理與技術》 北京高等教育出版社 2006.8.5 （8） 阮有德 《電氣控制與PLC實訓教程》 人民郵電出版社 2006.10.10 （9） 齊占慶 王振臣 《電氣控制技術》 北京機械工業(yè)出版社 2008.7.8 （10） 常曉玲 《電氣與可編程可編程控制器 》 北京機械工業(yè)出版社 2007.5.8 致謝 三年半的大學生活即將結束，在這里幾年我學到了很多東西。首先，向山東技師學院電氣工程系的各位老師表示感謝。你們不只傳授了我知識，而且告訴了我很多為人處世的道理，這些道理將對我以后的人起到很好的指導作用。 通過對自動門控制系統(tǒng)的軟件設計，在學習與設計過程中，了解所設計工程的工藝流程，從而完成了對自動門系統(tǒng)的軟件設計，同時，對于自動門硬件，也知道了一些周邊技術，擴充了知識面，增強對工藝的理解。 本文的構思、規(guī)劃設計撰寫得到了劉天華老師的悉心指導，在論文設計時給予熱心的指導以幫助，他學識淵博、敏銳的學術洞察力、認真的工作態(tài)度和嚴謹?shù)闹螌W作風、平易近人的為人風格給予我深刻的印象，是我受益匪淺在此向劉天華表示誠摯的謝意。 值此論文完成之際，謹向所有曾為我?guī)椭椭笇Ю蠋煛⑼瑢W和朋友們致以中心的感謝！ 附錄1 附錄2 附錄3 51