1、內 容 摘 要隨著電子技術的發展，可編程控制器（以下簡稱plc）不斷更新、發展，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。索引關鍵詞：plc 變頻器 驅動裝置 感應器目 錄第一章 緒論11.1 國內外自動門發展現狀11.2 本課題研究的內容11.3 本課題研究的目的和意義2第二章 自動門控制系統總體方案設計32.1 自動門的功能需求分析32.2 系統設計的基本步驟42.3 自

2、動門技術參數的確定42.4 自動門的機械傳動機構設計4第三章 自動門硬件系統的設計53.1 控制系統結構設計53.2 可編程控制器(plc)的選型63.3 驅動裝置的選型83.4 變頻器的選型93.5 感應開關的選型11后記12參考文獻13自動門控制系統的設計第一章 緒 論1.1 國內外自動門發展現狀在國外，進入90年代以來，自動化技術發展很快，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。在現代人們生活中自動門可以節約空調能源、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

3、賓館、酒店、銀行、寫字樓、醫院、商店等，使用自動門。但在國內，自動門的自主研發尚處于初級階段。在自動門控制系統的設計中，穩定、節能、環保、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

4、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，即通過運用現代自動化設備來控制，它具有穩定性高，安全等優點，因此被很多生產廠商所運用。由于繼電器邏輯控制的自

5、動門系統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（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。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

6、場所的高效率、高安全性的要求。2.自動門硬件系統的設計。本課題設計的自動門要求有很高的穩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器，運用變頻器的三段速控制來實現自動門的轉速控制，為了解決變頻器在頻率很低的時候會出現不穩定的問題，驅動裝置選用功率強大、穩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自動控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩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plc對自動門的控制。由于本課題的具體需求在硬件系統的設計

7、過程中主要考慮了自動門的經濟實用、穩定的需要。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，梯齊魯工業大學課程設計專用紙（附頁）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、醫院入口，經常使用自動門控制系統。使用自動門，可以節約空調能源、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

8、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展的黃金時期。早期的自動門控制系統采用繼電器邏輯控制，造成安裝煩瑣、體積大、不穩定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。plc是一種專門為在工業環境下應用而設計的數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行邏輯運算、順

9、序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數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、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。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定性和經濟性，對于整個自動門行業是一次技術的革新，提高了自動門的使用率，因此，進行自動門的plc控制系統設計，可以推動自動門行業的發展，

10、擴大plc在自動門行業乃至整個自動化行業的應用，具有一定的經濟和理論研究價值。第二章 自動門控制系統總體方案設計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，pl

11、c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。自動門控制系統包含plc控制和動作執行元件構成。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門的自動化控制。2.2 系統設計的基本步驟在自動門系統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

12、統的設計過程中主要考慮以下幾點：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的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、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設計的核心工作。將程序輸入plc進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。2.3 自動門技術參數的確定自動平移門安裝和調試的

13、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側擺。在自動門投入使用后，尤其是初期，應經常調節門體，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。例如增加門的數量，加大門扇寬度，增加關門延遲時間等。2.4 自動門的機械傳動機構設計在

14、本課題設計的自動門針對人流較多的商場，應對周圍環境進行綜合考慮，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

15、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。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 第三章 自動門硬件系統的設計3.1 控制系統結構設計本設計運用plc控制變頻器來調節交流電機運轉來實現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。交流電機驅動系統與直流電機驅動系統相比，具有效率高、結構簡單、維護方便、易于冷卻和壽命長等優點,并且系統調速范圍寬，而且能實現低速恒轉矩、高速恒功率運轉等特性。隨著變頻技術的發展，交流電機控制

16、的成本得以降低，為交流驅動系統在自動門中的大量運用提供了條件。控制系統結構圖如圖3.1所示：圖3-13.2 可編程控制器(plc)的選型一、plc概述可編程控制器，英文稱programmable controller，簡稱plc，本課題中用plc作為它的簡稱。plc是用于工業現場的電控制器。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

17、。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環境，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實現，可以說是plc實現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。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。plc有豐富的指令系統，有各種各樣的i/o接口、通信接口，有大容量的內存，有門內外感應器，采集信號，plc手動控制開關，安全感應器，變頻器，交流電機，蜂鳴器，開/關門指示。可靠的自身監控系統，因而具有以下基本的功能：1.邏輯處理功能；2.o2數據運算功能；3.o3準確定時功能；4.高速計數功能；5.中斷處理（可以實

18、現各種內外中斷）功能；6.程序與數據存儲功能；7.聯網通信功能；8.自檢測、自診斷功能。可以說，凡普通小型計算機能實現的功能，plc幾乎也都可以做到。像plc這樣，集豐富功能于一身，是別的電控器所沒有的，更是傳統的繼電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，也為自動門行業的遠程化、信息化及智能化創造了條件。二、可編程控制器（plc）的選型在plc系統設計時，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

19、控制要求，估算輸入輸出點數、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。1.輸入輸出（i/o）點數的估算i/o點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商plc的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。根據估算的方法故本課題的i/o點數為輸入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

20、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，大體上都是按數字量i/o點數的1015倍，加上模擬i/o點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的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

21、選擇。（1）控制功能plc主要用于順序邏輯控制，因此，大多數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對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，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負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃

22、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

23、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，按應用環境分為現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，通常可按控制功能或輸入輸出點數選型。整體型plc的i/o點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；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的i/o點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。（2）經濟性的考慮選擇plc時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮

24、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。輸入輸出點數對價格有直接影響。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數的增加對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，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來實現整個自動系統的控制，如圖3.2所示。圖3-2 三菱fx2n-32m具有如下優點：最大范圍地包容了標準特點、程式執行更快、全面補充了通信功能、適合世界各

25、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點計數器和8000點數據寄存器、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來自動調節電機的速度，以達到驅動自動門的目的。這種方法具有穩定性能好，維修方便，連接簡單，成本較低，是在目前的自動門行

26、業主流控制方式。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、穩定的考慮本課題所設計的自動控制系統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。3.4 變頻器的選型一、變頻器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

27、的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、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，中間直流環節為濾波、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技術逆變為頻率可調、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。二、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

28、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

29、因素，本課題變頻器采用日本三菱公司生產的fr500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變頻器具有以下優點： （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。三、變頻器的參數設定圖3-5本課題所設計的自動門系統具有如下速度要求：自動門要求快速啟動（限位)常速運行（限位）慢速運行停止,構

30、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，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p=6，額定轉速為400r/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。根據上一章提到的門的規格,加速開門或者關門的距離為30cm，時間控制在0.5s，速度為3600cm/min，此時要求轉子的轉速為204r/min。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。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 表3-1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。3.5 感應開關的選型目前自動門行業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中，是自動門系統的關鍵部位，其性能直接影響自動門系統的安全及穩定，如在