基于PLC的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計

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摘 要 隨著人類的進步，科技的發(fā)展，電子技術(shù)日新月異，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(yīng)用的一典型例子，由于PLC具有很好的處理自動門的開關(guān)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(gòu)成：PLC、信號采集裝置、變頻器、驅(qū)動裝置、傳動裝置。PLC選用日本三菱電機公司生產(chǎn)的FX2N-32MR小型PLC；信號采集裝置選用熱釋電紅外傳感器；變頻器采用日本三菱電機公司生產(chǎn)的FR－540變頻器；驅(qū)動裝置采用天津安全電機有限公司生產(chǎn)的YSM100/112、W、S三相異步電動機，額定轉(zhuǎn)矩為0.43N.m，額定轉(zhuǎn)速為400r/min；傳動裝置采用皮帶來帶動門的運動。本設(shè)計對于周圍環(huán)境的要求較低。 本設(shè)計主要的工作原理是通過信號采集裝置判定有無人經(jīng)過并將信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號傳到PLC，PLC根據(jù)開關(guān)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。 關(guān)鍵詞：自動門 PLC 變頻器 信號采集裝置 目 錄 第一章 概述………………………………………………………………………..1 1.1國內(nèi)外自動門發(fā)展現(xiàn)狀……………………………………………………...1 1.2 本設(shè)計研究的內(nèi)容 .………………………………………………………...2 1.3本設(shè)計研究的目的和意義……………………………………………………2 第二章 自動門控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案….…………………………………..4 2.1自動門的功能需求分析………………………………………………………4 2.2自動門技術(shù)參數(shù)的確定……………………………………………………....4 第三章 自動門硬件系統(tǒng)的設(shè)計 ……………………….……………………..6 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………6 3.2 可編程控制器（PLC）選型……………………………….…………………6 3.3驅(qū)動裝置的選型……………………………………………………………..10 3.4變頻器的選型………………………………………………………………..10 3.5 感應(yīng)開關(guān)的選型…………………………………………………………….12 3.6 自動門系統(tǒng)I/O分配表及外部接線圖…………………………………….12 第四章 自動門控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計………………………….……………14 4.1 PLC梯形圖概述………………………………………………….…………..14 4.2程序流程圖…………………………………………………………………..15 4.3 梯形圖的設(shè)計……………………………………………………………….15 結(jié)束語…………………………………………………………………..…………..19 致謝………………………………………………………………………...………..20 參考文獻………………………………………………………………….………..21 第1章 概述 1.1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(shù)發(fā)展很快，技術(shù)已經(jīng)相對成熟，并取得了驚人的成就，自動化技術(shù)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(diào)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(yīng)用廣泛。 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)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(qū)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(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的自動門。 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(zhuǎn)門、自動圓弧門、自動折疊門等，自動平移門使用得最廣泛，大家一般所說的自動門、感應(yīng)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(cè)加感應(yīng)器，當有人走進自動門的時候，感應(yīng)器感應(yīng)到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅(qū)動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關(guān)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(nèi)處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(fù)雜的接線安裝來控制：智能控制器控制，即通過運用現(xiàn)在自動化控制設(shè)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)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)定性高，維護方便。 經(jīng)過多年發(fā)展，自動門行業(yè)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢： 智能化，多功能：今后的還將進一步提高智能化程度，如自動檢測開關(guān)門行程位置，自動適應(yīng)門體阻力的變化，以始終保持較高的遇障保護靈敏度等，還將增加一些新的功能， 如和住宅安防系統(tǒng)配合使用等。 免維護：采取多種措施，減少使用過程中的維護工作。 多樣化：將會有各種各樣不同外觀和功能的產(chǎn)品，滿足用戶的不同需要。 高安全性：隨著用戶安全意識的提高，安全性將是用戶非常注重的一項指標，也將是一項基本要求。 1.2本設(shè)計研究的內(nèi)容 本設(shè)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(shè)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(shè)計。本課題設(shè)計的自動門要求有很高的穩(wěn)定性來滿足日常的需求，故在本設(shè)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(guān)門速度控制上本設(shè)計以三菱變頻器作為調(diào)節(jié)器，運用變頻器的三段速控制來實現(xiàn)自動門的轉(zhuǎn)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(qū)動裝置選用功率強大、穩(wěn)定性的較好的自帶減速裝置的三相交流電機，在感應(yīng)器運用自動門專用的微波雷達感應(yīng)器在工業(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(yīng)器的開關(guān)量信號輸入給PLC來實現(xiàn)PLC對自動門的控制。 (3).自動門軟件的設(shè)計。本設(shè)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(shè)計出自動門控制的要求，并能更好的考慮到安全和故障報警燈問題。 1.3本設(shè)計研究的目的和意義 21世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調(diào)了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術(shù)的理念，強調(diào)門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調(diào)、和諧。 自動門大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨具規(guī)模的專業(yè)制造商。門的高級形式——自動門起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經(jīng)形成了種類齊全、功能完善、造工精細的自動門家族。 大中型公共場所，為這些建筑增添了亮麗、時尚的姿彩。自動門從理論上理解應(yīng)該是門的使用觀念的延伸，是人們根據(jù)需要對門的功能的提升和完善。所以對自動門的認識應(yīng)該從人對門的要求開始。 作為建筑物一部分的門，從最基本的意義上講，要同時滿足隔離外部環(huán)境和不妨礙人的通行這兩種通行這兩種要求。因此門體本身應(yīng)牢固、密封。 由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調(diào)能源、防風、防塵、降低噪音，既方便又提高了建筑的檔次，于是迅速在國內(nèi)外的建筑市場上得到大范圍的普及。同時也幾乎成為了銀行，寫字樓，酒店等辦公娛樂場所裝修必不可少的一項配置。 自動平移門最覺的形式是自動門機及門內(nèi)外兩側(cè)加雷達，當人走近自動門時，雷達感應(yīng)到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅(qū)動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關(guān)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(nèi)外建筑市場上得到大范圍的普及。 自動門的開門信號是觸點信號，微波雷達和紅外傳感器是常用的兩種信號源。 微波雷達是對物體的位移反應(yīng)，因而反應(yīng)速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點是一旦在門附近的人員不想了出門而靜止不動后，雷達便不再反應(yīng)，自動門就會關(guān)閉，對門機有一定的保護作用。 紅外傳感器對物體存在進行反應(yīng)，不管人員移動與否，只要處于傳感器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應(yīng)即傳出觸點信號。缺點是紅外傳感器的反應(yīng)速度較慢，適用于有行動遲緩的人員出入的場所。 自動門在國外早已得到普遍通用，在我國也逐步得到大家的認同，已經(jīng)迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關(guān)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，抗干擾能為強，配套齊全，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設(shè)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(lǐng)域的應(yīng)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，維修方便特點。 本課題的自動門設(shè)計運用PLC做控制器大大提高自動門的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，對于整個自動門行業(yè)是一次技術(shù)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(shè)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(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究價值。 第2章 自動門控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案 2.1自動門的功能需求分析 本設(shè)計面向商場入口的應(yīng)用，需求有安全和可靠性，在設(shè)計的時候改進了自動門的友好性。 根據(jù)商場中對自動門的具體要求，本課題所設(shè)計的自動門應(yīng)具有以下功能： 1.開門和關(guān)門控制應(yīng)具有手動和自動方式。 為了便于維護，自動門應(yīng)具有手動和自動方式。手動和自動開門方式由手動轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制，當轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向手動位置時，門可以手動調(diào)節(jié)或者關(guān)。當轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向自動位置時，手動開關(guān)失效，由感應(yīng)器檢測到有人接近門口且未打開或者檢測到已無人接近門且門未關(guān)閉，PLC動作輸出信號給變頻器來控制電機的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)開門或者關(guān)門。 2. 蜂鳴器的提示功能 當自動門開啟和關(guān)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(cè)安裝防夾人紅外感應(yīng)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(gòu)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(shè)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(gòu)從而控制門的開和關(guān)實現(xiàn)門的自動化控制。 2.2 自動門技術(shù)參數(shù)的確定 表2-1 自動門具體參數(shù)設(shè)定 單扇開啟寬度(mm) 1250mm(最寬) 單扇門的最大承重(kg) 1120kg 高度(mm) 2500mm 最快開/關(guān)門速度(cm/s) 60cm/s 常速開/關(guān)門速度(cm/s) 32.5m/s 減速開/關(guān)門速度(cm/s) 20m/s 開啟保持時間(s) 15s(程序中可調(diào)) 可編程控制器（PLC）電源 220v AC, 50Hz-60Hz 驅(qū)動器電源 380v AC,50Hz 驅(qū)動器輸出額定功率 120w 自動平移門安裝和調(diào)試的關(guān)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(cè)擺。在自動門投入使用后，尤其是初期，應(yīng)該常調(diào)節(jié)門體，修正運行產(chǎn)生的誤差。 要嚴格限制門體的重量，不能超過自動門的額定負重。通常在三個月最多一年內(nèi)要對自動門進行全面的清理和調(diào)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以達成千上萬人次，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(guān)門延遲時間等。 自動門具體參數(shù)設(shè)定如表2-1所示。 第3章 自動門硬件系統(tǒng)的設(shè)計 3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計運用PLC控制變頻器來調(diào)節(jié)交流電機運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)自動門運動的控制方式。采用變頻器電路，結(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)與直流電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點，并且系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運轉(zhuǎn)等特性。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機控制的成本得以降低，為交流驅(qū)動系統(tǒng)在自動門中的大量運用提供了條件。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示： 圖 3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2可編程控制器(PLC)選型 3.2.1 PLC 概述 PLC即可編程控制器（Programmable Logic Controller ,是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計?！? 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(shù)，但基于電子計算機。它通過運行存儲在其內(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實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，其中有中央處理單元（CPU），中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)：檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映像區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。另外存儲器是存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。同時PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去：至于輸入輸出接口電路，在現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道：現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 PLC的工作原理：當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 1.輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 2.用戶程序執(zhí)行階段，在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)：或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)：或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 3.輸出刷新階段，當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 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)，因而具有以下基本的功能： 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 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(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為PLC的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 3.2.2 PLC的選型 在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)該確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計選型和估計時，應(yīng)該詳細分析工藝過程的特點、控制要求、明確控制任務(wù)和范圍確定所需要的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需要存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)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(yīng)該考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)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(jù)。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為12點，輸出12點。 2.存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程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(yīng)用項目的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試后才知道。為了設(shè)計造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(nèi)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的公式，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(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(yīng)能存儲2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造中有足夠的空間。 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(jù)本課題設(shè)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要的控制功能，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,編程器在編程模擬時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(diào)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(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編程的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，在一個掃描周期，主機就根據(jù)新收到程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)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(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。 （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(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(shù)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(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)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(yīng)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/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卡件或插件，因此用戶可較合理的選擇和配置控制的I/O點數(shù)，功能擴展方便，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 （2）經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比，考慮經(jīng)濟性，應(yīng)同時考慮應(yīng)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，最終選出較滿意的產(chǎn)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(yīng)的存儲器容量相應(yīng)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(yīng)充分考慮，結(jié)合經(jīng)濟性的考慮因此選擇整體型PLC。 綜合以上因素，本課題的設(shè)計所采用的小型PLC來實現(xiàn)整個自動系統(tǒng)的控制，并具有以下優(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，他可以為自動化應(yīng)用提供做大的靈活性和控制能力。同時具有突出的寄存器容量：三菱FX2N-32M包括8k內(nèi)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(jù)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(yīng)用要求。 3.3 驅(qū)動裝置的選型 自動門的驅(qū)動裝置是自動門能否良好工作的保障，在本設(shè)計中是運用變頻器的三段速度調(diào)節(jié)來自動調(diào)節(jié)電機的速度，已達到驅(qū)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(jù)本課題所設(shè)計的自動門的要求應(yīng)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、過載能力強等特點的并且轉(zhuǎn)速不高于500r/min的電機。 3.4 變頻器的選型 3.4.1變頻器原理 變頻器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，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)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)、逆流河控制4個部分組成。整流部分分為三相橋式不可控整流器，逆流部分為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(shè)備。變頻器調(diào)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(jīng)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(diào)節(jié)技術(shù)逆變?yōu)轭l率可調(diào)、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。 3.4.2 變頻器的選擇 根據(jù)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。在本課題中使用的三相交流電機的最大起動電流為Y形接法0.37A，形接法為0.64A。本設(shè)計中采用Y形接法。 （3）轉(zhuǎn)矩匹配：這種情況在橫轉(zhuǎn)矩負載或有減速裝置地有可能發(fā)生，本課題所用電機的最初起動轉(zhuǎn)矩為1.4Nm，在選型中要考慮。 2.在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波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，其容量要大于普通電機的選型。 3.本設(shè)計選用的變頻器有以下優(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(zhuǎn)和頻率。 （2）安裝靈活，可以根據(jù)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(shè)置簡單，并且具有三速設(shè)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(zhuǎn)動外接電位器的旋鈕，就可以進行頻率設(shè)置。 3.4.3變頻器的參數(shù)設(shè)定 圖 3.4 開門和關(guān)門曲線 自動門要求快速啟動（限位）常速運行（限位）慢速運行停止。構(gòu)成了開門和關(guān)門曲線如圖3.4 所示。 表 3-4 變頻器設(shè)定 根據(jù)轉(zhuǎn)速公式：n=60f/p(1-s) f表示電機的頻率，p表示電機的極對數(shù)，S表示電機的轉(zhuǎn)差率，n表示轉(zhuǎn)子的實際逆轉(zhuǎn)，計算出變頻器的設(shè)定頻率。 根據(jù)公式和電機參數(shù)p=6，額定轉(zhuǎn)速為400r/min，計算出電機的轉(zhuǎn)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(nèi)徑轉(zhuǎn)速比5.7:2.1，得出馬達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，時間控制在0.5s，速度為3600cm/min，此時要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為204r/min。 2.中速開門和關(guān)門的距離為65cm，時間為2s，速度為1950cm/min，此時要求電機的轉(zhuǎn)速為110.4r/min。 3.減速開門和關(guān)門的距離為30cm，時間為1.5s，速度為1200cm/s，此時要求電機的轉(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)定方式如表3-4所示。 3.5感應(yīng)開關(guān)的選型 目前自動門行業(yè)的運用的感應(yīng)開關(guān)主要有觸摸感應(yīng)開關(guān)，微波感應(yīng)器，紅外感應(yīng)器，接近感應(yīng)開關(guān)等，根據(jù)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(guān)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(yīng)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(yīng)器。 本設(shè)計選用的微波感應(yīng)器又稱微波雷達，對物體的移動的反應(yīng)速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點幾乎不受周圍環(huán)境因素影響。 在防夾人感應(yīng)器的選擇上本設(shè)計選用的是微型紅外安全光線，可以避免外界光線干擾。在門下行關(guān)閉時，當有人或車經(jīng)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，最大檢測距離是20mm，檢測距離調(diào)節(jié)方便，安裝簡單。 3.6自動門系統(tǒng)I/O分配表及外部接線圖 I/O分配表和外部接線圖是編寫PLC程序的前提條件，也是現(xiàn)場調(diào)試的重要依據(jù)。根據(jù)自動門的控制系統(tǒng)的要求，確定了PLC的I/O分配表和外部接線圖如3-6所示 表3-6 （a）I/O地址分配圖 輸入繼電器 輸入元件 作用 輸出繼電器 輸出元件 作用 X0 SB1 緊急停止 Y1 KM1 手動開門 X1 SB2 手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān) Y2 KM2 手動關(guān)門 X2 SA1 感應(yīng)開關(guān)（內(nèi)） Y3 KM3 開/關(guān)門中速 X3 SA2 感應(yīng)開關(guān)（外） Y4 KM4 開/關(guān)門低速 X4 SA3 防夾人光柵 Y5 KM5 開/關(guān)門高速 X5 SQ1 關(guān)門下限 Y6 HL1 自動開門燈閃爍 X6 SQ2 開門下限 Y7 HL2 自動關(guān)門燈閃爍 X7 SQ3 開關(guān)/關(guān)門中速 Y10 KM6 開/關(guān)門提醒 X10 SQ4 關(guān)門低速/開門高速 Y11 HL3 故障報警燈 X11 SB3 手動開門 Y12 KM7 自動開門 X12 SB4 手動關(guān)門 Y13 KM8 自動關(guān)門 X13 SQ5 關(guān)門高速/開門低速 Y14 KM9 異常停止 X14 SB5 異常復(fù)位 　 　 　 表3-6（a）外部接線圖 第4章 自動門控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計 4.1 PLC梯形圖概述 梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果，每個梯級是一個因果關(guān)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(jié)果表示在右面。 梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。梯形圖程序設(shè)計語言的特點是： 1.與電氣可作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性； 2.與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學習； 3.與原有的繼電器邏輯控制持的不同點是：梯形圖中的電流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(yīng)用時需要與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)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(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。 圖4.2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖 4.2 程序流程圖 根據(jù)本課題的控制要求和安全要求，所設(shè)計的程序按照流程運行如圖4.2所示，以達到本系統(tǒng)的最佳設(shè)計要求和完成系統(tǒng)的最終設(shè)計。 4.3 梯形圖的設(shè)計 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，它很容易引起誤操作，應(yīng)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(guān)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(jù)以上規(guī)則和PLC的編程方法和思路編寫了本課題設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)的梯形圖程序，具體梯形圖程序如圖4.3所示。 圖4.3 梯形圖 結(jié)束語 通過本次畢業(yè)設(shè)計，我初步試著用自己所學的專業(yè)知識，設(shè)計出程序和硬件，進一步理解了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高了PLC梯形圖的編程能力。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(wǎng)絡(luò)資源的豐富，找資料也需要技術(shù)，開拓了眼界，并為以后查找資料墊定了基礎(chǔ)。 一個設(shè)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(guān)系的其他課程知識的學習。硬件開發(fā)是PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，軟件的開發(fā)是建立在硬件之上，軟硬件設(shè)計的巧妙結(jié)合是項目開發(fā)質(zhì)量保證的關(guān)鍵。如果我們能用軟件解決的問題，應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生嚴重的后果。因此，對可靠性的考慮應(yīng)貫穿于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計的整個過程。 設(shè)計是在他人的基礎(chǔ)之上建造屬于自己的東西，我們要學會的就是把人家已經(jīng)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(chǎn)品的實用性、安全性、持久性、可靠性、穩(wěn)定性等。 致謝 衷心感謝指導老師殷老師的悉心指導。從論文的選題、方案的確定、研究的開展，每一環(huán)節(jié)都凝聚著老師的心血。老師淵博的知識和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、實事求是和理論聯(lián)系實踐的科學作風、勤奮敬業(yè)的工作精神樹立了科學工作者的典范，成為我學習的榜樣，也深深地感染和鼓舞著我，將使我終生受益。本論文是在殷老師的精心指導之下完成的。在畢業(yè)設(shè)計期間，為了使我能夠如期按質(zhì)按量完成畢業(yè)設(shè)計，殷老師嚴格要求、精心指導。在此，向殷老師表示我最衷心的感謝和最崇高的敬意。同時，我要感謝幾年來給我授課的各位老師，是你們的諄諄教誨讓我學到不少知識，這些知識將是我一生的財富。 參考文獻 [1] 胡學林.可編程控制應(yīng)用技術(shù). 北京：高等教育出版社，2001年 [2] 湯自春.PLC原理及應(yīng)用技術(shù).北京：高等教育出版社，2006年 [3] 陳在平.可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，2007 [4] 高鴻斌等.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2006年 [5] 陳定明.可編程控制器應(yīng)用與實驗.北京：高等教育出版社，2004年 [6] 孫振強.可編程控制器原理及應(yīng)用教程.北京：清華大學出版社，2008年 [7] 劉偉強等.變頻器基礎(chǔ)及其應(yīng)用.廣州：華南理工出版社，2005年 [8] 李良仁.變頻器調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2004年 [9] 錢平.交直流調(diào)速控制系統(tǒng).北京:高等教育出版社，2005年 第 20 頁 共 23 頁