自動門控制系統(tǒng)的設計

畢業(yè)設計報告（論文）系專業(yè)題目指導教師完成時間

自動門控制系統(tǒng)的設計2016年12月17日容摘要隨著科學技術的日新月異，我們的生活發(fā)生了巨大的變化。一個智能化、自動化的社會已經(jīng)開始呈現(xiàn)于我們的眼前，這為我們提供了非常多的便利。其中自動門就是自動化進程中的一個典型代表，此設計就是運用所學的知識，結合實際需要而進行研究的。為了增強自動門運行的可靠性,提出了一種以S7-200可編程序控制器(PLC)為核心的自動門控制系統(tǒng)。分析了該控制系統(tǒng)的工作原理,描述了系統(tǒng)的硬件組成,介紹了人體感應探測、自動門運行位置檢測、門運行障礙檢測等控制電路的工作過程,對PLC的選型及I/O點的確定進行了說明。結合PLC的運行特點,對控制系統(tǒng)的工作流程作了合理的優(yōu)化。在此基礎上,采用結構化的編程方法,給出了主程序模塊、開門子程序模塊、關門子程序模塊的程序流程圖。系統(tǒng)已通過硬件和軟件調試,在實際中獲得了應用。應用結果表明,整個系統(tǒng)功能完善,性能可靠。索引關鍵詞：可編程控制器S7-200 自動門 控制系統(tǒng)目B錄第一章概論 1第二章自動門控制系統(tǒng)總體方案設計 22.1自動門的功能需求分析 . 22.2自動門控制系統(tǒng)構成. 22.3自動門的機械傳動系統(tǒng)構成設計 . 3第三章系統(tǒng)硬件設計 33.1PLC簡介與選型. 33.2驅動裝置的設計. 43.3感應器件的設計. 53.4變頻器的選擇. 53.5行程開關的工作原理. 63.6硬件電路設計. 7第四章系統(tǒng)軟件設計 84.1程序的設計思路. 84.2程序設計. 9后記 11參考文獻 12自動門控制系統(tǒng)的設計自動門控制系統(tǒng)，在現(xiàn)當代社會是一個應用非常廣泛的設備，自動門已經(jīng)廣泛應用于酒店、銀行、超市、停車場或公共建筑等入口，其主要核心部分——自動門控制系統(tǒng)正是我們這論文的主要研究討論的課題。自動門是指:可以將人接近門的動作（或將某種入門授權）識別為開門信號的控制單元，通過驅動系統(tǒng)將門開啟，在人離開后再將門自動關閉，并對開啟和關閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。例如：各種用可識別感應器控制的自動專用門。這是實現(xiàn)生活自動化進程的一個重要組成部分。自動門的問題研究，其控制系統(tǒng)可追溯到早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，已逐漸被淘汰。而基于PLC（可編程控制器，以下統(tǒng)一用“PLC”表示）控制自動門由于具有故障率低、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，因而得到廣泛的應用。所以此設計中，我以西門子公司S7-200系列PLC為控制系統(tǒng)的核心元件，作信號的處理工作。而感應部分，采用BISS0001芯片與RE200B熱釋電元件的組合，實現(xiàn)人或物體進出時的信號轉換裝置。而實現(xiàn)門的開與關，則用直流電機作為動力裝置，配以繼電器控制來達到電機正反轉動作，并加上行程開關作為限位，以實現(xiàn)該功能，因為以上器件在生活中非常容易購買，且價格適宜，同時也便于維護，非常適合廣泛生產應用。本課題所研究的自動門控制系統(tǒng)，主要通過 PLC作為控制基礎，加上對紅外熱釋電傳感器的應用，從而實現(xiàn)了門的“自動”功能，此設計拓展了PLC的應用層面，增加了實現(xiàn)自動門控制系統(tǒng)的選擇性。第一章概論本章主要從自動門的研究背景與意義、自動門的介紹及起源、自動門的組成及分類三個部分來對自動門進行簡單的了解。自動門的普及和應用，改變了人們的防護意識，提升了人們的安全觀念。自動門除可美化出入口環(huán)境外，由于中國沒有相關的自動門國家標準，導致自動門檔次、質量良莠不齊。如果你沒有使用過自動門，最好選擇一個由專業(yè)廠生產、能提供較完善售后服務的自動門品牌（目前有很多自動門品牌是有一些貿易公司購買散件加上自己拼裝而成，應盡量避免購買此類產品）。不要認為樣本上全是外國語，由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音，既方便又提高了建筑的檔次，浴室迅速在國外的建筑市場上得到大圍的普及。同時也幾乎成為了銀行，寫字樓，酒店等辦公娛樂場所裝修所不可少的一項配置。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：一、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。二、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自動門控制系統(tǒng)構成一、當有人由到外或由外到通過光電檢測開關 K1或K2時，開門執(zhí)行機構 KM1二、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。三、在關門過程中，當有人員由外到或由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。四、在門打開后的 8秒等待時間，若有人員由外至或由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。五、設計自動門系統(tǒng)的梯形圖程序，根據(jù)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。2.3自動門的機械傳動系統(tǒng)構成設計自動門控制系統(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。

PLC為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。一、自動門的傳動主要包括安裝版，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。二、所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡單。三、電機：驅動電機采用 64V直流電動機，功率大，可調性強四、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。五、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。六、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。第三章系統(tǒng)硬件設計3.1PLC簡介與選型隨著時代和科技的不斷進步， PLC也在不斷發(fā)展，現(xiàn)在對它進行一個比較準確的定義還是比較困難的。美國電氣制造商協(xié)會（ NEMA）經(jīng)過多年的研究和調查工作，在 1980年向大眾宣布正式將可編程序的控制器命名為

PC（ProgrammableController

），為了和個人計算機

PC（PersonalComputer

）相互區(qū)分，人們常常將可編程控制器簡稱為

PLC。PLC的工作方式是“順序掃描，不斷循環(huán)”。也就是在PLC工作時，CPU依據(jù)個體用戶編寫完成并存儲在用戶存儲器中的程序，按指令的步序號作周期性循環(huán)掃描，如在該程序中無跳轉指令，則從用戶第一條指令開始按照順序逐次執(zhí)行用戶程序，直到該程序結束。然后再重新返回最開始的指令，進行新的掃描。PLC面積小、作用強。PLC的控制是由軟件來實現(xiàn)的，大量減少了繼電器、定時器的應用，同時也提供了大量的軟觸點來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的硬觸點。這些特點不但增加了功能同時也縮小了它本身的體積，減少了其自身能耗。同時也更有利于其在控制過程中發(fā)揮作用。

PLC的編寫程序簡單、易于實現(xiàn)、維修方便。梯形圖語言其表現(xiàn)形式與繼電器電路的原理圖有很大的相似之處，使用戶能夠很快掌握其編程語言并運用到實際工程中。 PLC本身的功能就具有完善的故障診斷，其本身也是采用模塊化結構，使維修人員快速和準確地找到出現(xiàn)問題的模塊，并及時的更換出問題的模塊或者對其進行其它處理， 所以其維修相當方便。關于PLC型號的選擇。工藝流程的實際需要和控制要選型的主要根據(jù)。因此在工業(yè)設計中對工程設計選型和計算時，應該對該工藝過程的特點和控制要求進行詳細的理論分析和工程計算，進而確定該系統(tǒng)控制任務，確定所要進行的每一步操作和外部負載的動作要求，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，及其它設備所需的技術參數(shù)確定PLC所要完成的功能、所需的外部設備等，最后選擇性價比較高的PLC類型，并按照控制要求設計控制系統(tǒng)。在本次設計中根據(jù)控制要求系統(tǒng)不需要擴展單元，所以關于PLC型號的選擇我們可以使用應用比較廣泛的西門子系列,按照最終的功能實現(xiàn)，考慮到經(jīng)濟及其他因素我們選擇PLC型號為CPU315-2DP的S7-300系列PLC。3.2驅動裝置的設計驅動裝置即自動門的動力系統(tǒng)是自動門是否能夠完成要求動作的根本保障，本次設計中我們選擇使用直流無刷電機作為自動門的驅動裝置。直流無刷電動機有以下特點完全滿足本次設計需要，首先直流無刷電機功率高，工作時基本沒有噪音，而且其調速性能良好，針對本次自動門系統(tǒng)直流無刷電機具有交流電動機的顯著特點其結構簡單、工作可靠、并且維護維修方便，另外直流無刷電機功也擁有直流電動機的特點，它具有良好的線性機械特性、調速性能好、啟動時轉矩較大、運行工作效率高。該設計中使用直流無刷電機功作為驅動裝置是最佳的選擇。根據(jù)本設計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，在結合了安全、穩(wěn)定的考慮，本設計的自動門控制系統(tǒng)的驅動裝置選用步進電機。在實際的生產部分的直流電動機的電樞繞組都是在電動機的轉子上，定子和電動機的外殼固定在一起，用來產生一個固定不動的磁場。要想使直流電動機旋轉起來，就必須要通過電動機中間的結構來不停地改變繞組中流過電流的方向，這也就是電刷和換向器的作用，在這種情況下兩個磁場的方向一直都是相互垂直的，產生一個恒定的轉矩使電動機不斷動作。無刷直流電動機與傳統(tǒng)直流電動機有很大的區(qū)別，它去掉了電刷等換向設施，將電樞移到定子，而轉子則用永磁體制成，其結構設計完全與普通直流電動機相反。就算這樣改變結構電動機仍然是不會旋轉的。為了保證電動機的正常工作，則需要給定子上的各相繞組連續(xù)地換相通電，這樣定子繞組產生的磁場與轉子永磁磁場會存在一定的空間角度，這樣就會產生足夠大的轉矩推動轉子不斷旋轉。電動機也就正常工作了。3.3感應器件的設計感應裝置是自動門系統(tǒng)中必不可少的一部分，其工作性能是否良好直接影響到所轄在自動門系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，依據(jù)系統(tǒng)不同的功能需求和感應裝置自身的特性及應用在各種各樣的自動門控制系統(tǒng)中，結合本設計的具體情況和控制要求我們選用光電檢測開關作為自動門系統(tǒng)的感應器件。光電檢測開關是一種應用廣泛的傳感器，它能夠以輸出電流變化的形式來反映其發(fā)射端和接收端之間光強的微弱變化從而達到檢測物體的目的。在光電開關中兩個反饋電路之間有良好的保護措施，使兩個回路不會相互干擾所以它得到廣泛推廣應用在各種各樣的場合。由于物對光具有遮擋或反射的作用，光電開關正是利用物對光的遮擋或反射這一物理現(xiàn)象對物體進行檢測，將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘枏亩鴻z測其前方是否有物體存在。當然被檢測物體不僅只有金屬，還有其它一切可以對光反射和遮擋的物體。在光電開關的發(fā)射器上它將電流信號轉變?yōu)楣庑盘柊l(fā)出，在前方一定圍形成檢測區(qū)域。在光電開關的接收器上將接收到的光信號轉換為電流信號并作出判斷從而達到檢測的目的。3.4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：一、變頻器與負載的匹配問題電壓匹配：變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。本設計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。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。在本設計所使用的三相交流電機的最大啟動電流為0.37A，故所用的變頻器的最大電流應大于電機的最大啟動電流。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，本設計所使用的最初啟動轉矩為1.4N/m，所以，在選型中要考慮。綜合以上因素，本設計變頻器采用日本三菱公司生產的FR-540變頻器作為控制電機轉速的控制器。二、三菱FR-540變頻器具有以下優(yōu)點：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。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。頻率設置簡單，并且具有三速設定功能，可以滿足本設計自動門系統(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。3.5行程開關的工作原理行程開關：利用生產機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現(xiàn)接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。行程開關又叫限位開關，是一種應用廣泛的位置開關。其原理就是利用物體機械運動的觸碰使其觸頭動作，從而達到接通或者關斷控制電路的目的，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制要求。一般情況下，行程開關應用在限定物體機械運動方位的場合中，這樣物體運動到指定位置后自動停止運動或者反向運動甚至進行變速運動等。直動式行程開關：動作原理同按鈕類似，所不同的是：一個是手動，另一個則由運動部件的撞塊碰撞。當外界運動部件上的撞塊碰壓按鈕使其觸頭動作，當運動部件離開后，在彈簧作用下，其觸頭自動復位。滾動式行程開關：當運動機械的擋鐵(撞塊)壓到行程開關的滾輪上時，傳動杠連同轉軸一同轉動，使凸輪推動撞塊，當撞塊碰壓到一定位置時，推動微動開關快速動作。當滾輪上的擋鐵移開后，復位彈簧就使行程開關復位。這種是單輪自動恢復式行程開關。而雙輪旋轉式行程開關不能自動復原，它是依靠運動機械反向移動時，擋鐵碰撞另一滾輪將其復原。在現(xiàn)代的電氣控制系統(tǒng)中，行程開關的作用是不容忽視的，它主要實現(xiàn)定位操作和檢測當前工作位置的狀態(tài)。主要目的是有效的控制機械設備的動作行程及對設備進行限位保護。實際生產生活中，在應用行程開關時，首先要將其安裝在先前制定好的位置，只有這樣才能使機械運動的物體在指定位置觸碰到行程開關，這樣行程開關部的觸點運動，進而實現(xiàn)控制電路的轉換。我們可以把行程開關理解為是一種依據(jù)運動部件的動作圍而實現(xiàn)電路切換的電器，它的工作原理與按鈕有許多相似之處。因此在實際應用中我們要多加注意其功能。行程開關在各類機械加工設備及其它機械的行程控制中得到廣泛的應用。當機械部件運動到某一特定方位時，正是這樣的機械運動才使行程開關將機械運動信號轉變?yōu)殡娦盘枺瑥亩鴮崿F(xiàn)對運動機械的限位控制，限制它的動作圍。以此更加有效的保護了運動機械電路。PLC硬件接線圖也是整個自動門控制系統(tǒng)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，正確的硬件接線圖將PLC與外部硬件有機的結合在一起，同時工程人員也可以根據(jù)硬件接線圖連接線路，達到工程控制的目的。3.6硬件電路設計如圖3-1所示。圖3-1PLC硬件接線圖也是整個自動門控制系統(tǒng)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，正確的硬件接線圖將PLC與外部硬件有機的結合在一起，同時工程人員也可以根據(jù)硬件接線圖連接線路，達到工程控制的目的。第四章系統(tǒng)軟件設計4.1程序的設計思路在編寫程序之前我們需要根據(jù)控制要求畫出程序流程圖，這是我們設計程序的思路，同時程序流程圖也能更好地幫助我們修改和完善所編寫的程序，使本次設計編寫的程序更加完美地完成控制要求，最終達到控制目的。整個系統(tǒng)的動作流程需要一下幾個步驟完成：一、按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作。當光電開關檢測到有人或者物體接近自動門時，光電開關觸點動作，這樣就是 KM1線圈得電，KM1主觸點動作，電動機通電開始正轉，自動門打開。當自動門運動到一定位置時，觸發(fā)限位開關，導致KM1線圈斷電，電動機停止正轉。二、自動門運動到特定位置時，就會觸發(fā)定時器，定時器定時 8秒后，KM2線圈得電，電動機反轉，自動門進入關門狀態(tài)。在關門過程中，自動門運動到起始位置觸發(fā)限位開關，這樣就使KM2線圈斷電，電動機停止反轉，自動門靜止在起始位置，等待下一個動作。如果在關門過程中，光電開關檢測到有人再次接近自動門，自動門將停止關門動作，進入開門動作。三、在自動門打開后8秒等待的過程中，如果光電開關檢測到有人或者物體接近自動門時，計時器將從新計時，自動門將會繼續(xù)8秒的等待，8秒的計時時間到自動門進入關門狀態(tài)，等待下一步的動作指令。這樣的設計就大大提高了自動門的可控性和安全性。另一方面也增加了自動門的安全性，當出現(xiàn)一些緊急情況時可以用手動按鈕進行自動門的操作，防止造成人身傷害。自動門的程序流程圖如圖 4-1所示。圖4-14.2程序設計前期的準備工作都已經(jīng)完成，接下來就是要根據(jù)控制要求編寫具體的操作程序。程序就是PLC的激活碼，如果沒有程序下載到 PLC中，PLC是無常工作的。只有當一定的程序下載進入PLC之后它才能正常工作，并且可以按照程序所反應和要求的控制動作驅動外部的硬件進行動作，已達到最終的控制目的，由此可見編寫程序是關系到整個系統(tǒng)能否完成的關鍵。在程序編寫完成后，我們要仔細對程序進行檢查和修改，然后進行仿真，進行仿真的目的就是檢驗程序能否更好地完成控制要求，對不能完成控制要求的程序段進行修改，這也是檢測程序對錯的有效方法。首先在操作界面中點擊“打開/關閉仿真器”按鈕，便可以進入仿真器界面，進入仿真界面后，在主界面上點擊下載按鈕其功能就是將所編的梯形圖程序下載下來，在仿真器中點擊RUN按鈕，然后點擊相對應的控制按鈕，對自動門的各種工作情況進行仿真，首先仿真在通電情況下光電檢測開關檢測到有人接近自動門的時候自動門能否準確的進行開門動作。然后再仿真自動門打開后是否能夠在一個位置保持8秒的開門狀態(tài)，保證人員的安全進出。還要仿真在8秒開門狀態(tài)時，光電開關再次檢測到有人或者物體接近自動門時，自動門能否重新計時，在原位置再次保持8秒的狀態(tài)。最后檢測當自動門出現(xiàn)夾人的緊急情況下自動門啟動緊急停止開關，自動門能不能按照控制要求緊急停止關門動作，并進入自動開門狀態(tài)，避免夾人情況的出現(xiàn)。同時檢驗程序的正確性，保證程序順利完成各種控制要求的動作。后記現(xiàn)如今PLC在全國各地發(fā)揮著舉足輕重的作用，而且逐步成為工業(yè)時代的主流控制器件。越來越多的計算機新技術會應用于 PLC的設計和制造上。PLC作為自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分，在工業(yè)及其他行業(yè)也發(fā)揮著不可替代