自动门毕业论文，. . . . 机电职业技术学院 机电职业技术学院 毕 业 设 计(论 文) 毕 业 设 计(论 文) 题目自动门控制系统 题目自动门控制系统 系部自动化工程系 系部自动化工程系 专业机电一体化 专业机电一体化 吴迪 吴迪 学号 G1340722 学号 G1340722 指导教师史丹青 指导教师史丹青 2015 年 12 月 12 日 2015 年 12 月 12 日 . . . . 摘 要 摘 要 随着计算机、网络、通信技术的发展，各种方便生活的自动控制系统逐步 随着计算机、网络、通信技术的发展，各种方便生活的自动控制系统逐步 进入了人们的生活。自动门是随着人们对生活条件的不断追求、科技的不断发 进入了人们的生活。自动门是随着人们对生活条件的不断追求、科技的不断发 展应运而生的高科技产品，因此，它具备了普通门所没有的优势：雅观漂亮， 展应运而生的高科技产品，因此，它具备了普通门所没有的优势：雅观漂亮， 而且使用管理起来更加的安全、方便、舒适，通电后可以实现无人看管，同时 而且使用管理起来更加的安全、方便、舒适，通电后可以实现无人看管，同时 又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次。由 又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次。由 于早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，即通过按钮和复杂的接线安装来 于早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，即通过按钮和复杂的接线安装来 控制。造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点。而基于PLC的自动控 控制。造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点。而基于PLC的自动控 制系统具有抗干扰能力强，可靠性高，体积小，设计、使用和维护方便等优点。 制系统具有抗干扰能力强，可靠性高，体积小，设计、使用和维护方便等优点。 所以在商场、公共建筑、银行、医院等入口，使用PLC技术控制自动门已得到广 所以在商场、公共建筑、银行、医院等入口，使用PLC技术控制自动门已得到广 泛应用。 泛应用。 关键词：PLC、直流电机、自动门、热释电红外传感器 关键词：PLC、直流电机、自动门、热释电红外传感器 . . . . 目录 目录 摘 要 2 摘 要 2 目录3 目录3 第一章 绪 论 4 第一章 绪 论 4 1.1 国外 自动门发展现状 4 1.1 国外 自动门发展现状 4 1.2 问题的提出4 1.2 问题的提出4 1.3 本课题设计的主要目的和意义 4 1.3 本课题设计的主要目的和意义 4 1.4 本课题设计的主要容 5 1.4 本课题设计的主要容 5 1.自动门类型的选择 5 1.自动门类型的选择 5 2. 自动门控制系统的 PLC 设计 5 2. 自动门控制系统的 PLC 设计 5 第二章 可编程控制器 （PLC)的基本知识 6 第二章 可编程控制器 （PLC)的基本知识 6 2.1 PLC 的产生 6 2.1 PLC 的产生 6 2.2 PLC 的定义 6 2.2 PLC 的定义 6 2.3 PLC 的特点 7 2.3 PLC 的特点 7 第三章 自动门控制系统总体设计 8 第三章 自动门控制系统总体设计 8 3.1 自动门控制过程和要求 8 3.1 自动门控制过程和要求 8 3.2 总体设计方案 8 3.2 总体设计方案 8 3.3 系统工作原理 9 3.3 系统工作原理 9 第四章 自动门控制系统硬件设计 11 第四章 自动门控制系统硬件设计 11 4.1 控制系统结构设计 11 4.1 控制系统结构设计 11 4.2 可编程控制器 （PLC）的选型 11 4.2 可编程控制器 （PLC）的选型 11 4.3 直流电动机的选型 13 4.3 直流电动机的选型 13 4.4 感应器件的选型 14 4.4 感应器件的选型 14 4.5 限位开关 15 4.5 限位开关 15 4.6 主要硬件选型清单 15 4.6 主要硬件选型清单 15 4.7 基于 PLC 的硬件电路设计 16 4.7 基于 PLC 的硬件电路设计 16 4.7.1 I/O 分配表 16 4.7.1 I/O 分配表 16 4.7.2 硬件接线 第五章 系统软件设计 19 第五章 系统软件设计 19 5.1 梯形图的概述 19 5.1 梯形图的概述 19 5.2 梯形图的设计方法和步骤 20 5.2 梯形图的设计方法和步骤 20 5.3 自动门控制系统程序设计 21 5.3 自动门控制系统程序设计 21 第六章 系统调试 23 第六章 系统调试 23 6.1 调试的主要容 23 6.1 调试的主要容 23 6.2 调试结果分析 23 6.2 调试结果分析 23 完毕语 24 完毕语 24 致 25 致 25 参考文献 26 参考文献 26 附录 27 附录 27 . . . . 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 国外自动门发展现状 1.1 国外自动门发展现状 在国外，进入 20 世纪 90 年代以来，自动化技术发展迅猛，技术已经相对 在国外，进入 20 世纪 90 年代以来，自动化技术发展迅猛，技术已经相对 成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现代人们生 成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现代人们生 活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显 活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显 得庄重高档，因此应用非常广泛。 得庄重高档，因此应用非常广泛。 随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自 随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自 动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用 自动门。但在国， 动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用 自动门。但在国， 自动门的自主研发尚处于初级阶段。在 自动门控制系统的设计中，稳定、节能、 自动门的自主研发尚处于初级阶段。在 自动门控制系统的设计中，稳定、节能、 环保、安全与人性化是需要首先考虑的因素。 环保、安全与人性化是需要首先考虑的因素。 1.2 问题的 出 1.2 问题的 出 早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控 早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控 制。造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点。因此，如何运用智能 制。造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点。因此，如何运用智能 控制器来取代继电器控制，已成为推进 自动门行业智能化发展所迫切需要解决 控制器来取代继电器控制，已成为推进 自动门行业智能化发展所迫切需要解决 的问题。 的问题。 1.3 本课题设计的主要目的和意义 1.3 本课题设计的主要目的和意义 在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、 在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、 商场、写字楼，自动门已经随处可见。自动门的工作方式是通过 自动门外两侧 商场、写字楼，自动门已经随处可见。自动门的工作方式是通过 自动门外两侧 的光电感应开关来感应人的出入，当感应到信号时使得控制器发出开门、关门 的光电感应开关来感应人的出入，当感应到信号时使得控制器发出开门、关门 信号，进而控制驱动装置将门打开、关闭。 信号，进而控制驱动装置将门打开、关闭。 早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳 早期 自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳 定、不易维修等缺点已被逐渐淘汰。 定、不易维修等缺点已被逐渐淘汰。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编程的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、 它采用可以编程的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、 . . . . 计时、和算数运算等操作指令，并能通过数字式和开关量的逻辑控制的输入和 计时、和算数运算等操作指令，并能通过数字式和开关量的逻辑控制的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 具有可靠性高，抗干扰能力强， 输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 具有可靠性高，抗干扰能力强， 功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体 功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体 积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、 积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、 冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用 PLC 控 冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用 PLC 控 制自动门具有较高的可靠性，维修方便等优点。 制自动门具有较高的可靠性，维修方便等优点。 本课题的自动门设计运用 PLC 做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济 本课题的自动门设计运用 PLC 做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济 性，对于整个 自动门行业是一次技术革新，提高了自动门的使用率。因此，进 性，对于整个 自动门行业是一次技术革新，提高了自动门的使用率。因此，进 行自动门的 PLC 控制系统的设计，可以推动自动门行业的发展，扩大 PLC 在自 行自动门的 PLC 控制系统的设计，可以推动自动门行业的发展，扩大 PLC 在自 动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。 动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。 1.4 本课题设计的主要容 1.4 本课题设计的主要容 根据自动门的控制要求，针对以下几个方面对自动门的控制系统进行研究 根据自动门的控制要求，针对以下几个方面对自动门的控制系统进行研究 和论证。 和论证。 1.自动门类型的选择 1.自动门类型的选择 在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自 在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自 动开门功能和高低速功能。 动开门功能和高低速功能。 2. 自动门控制系统的PLC 设计 2. 自动门控制系统的PLC 设计 本设计中选用的为智能控制器稳定性良好的西门子小型 PLC，来满足自动 本设计中选用的为智能控制器稳定性良好的西门子小型 PLC，来满足自动 门在日常生活中很高的稳定性的需求。在自动门的开关门速度控制上本设计以 门在日常生活中很高的稳定性的需求。在自动门的开关门速度控制上本设计以 电阻器作为调节器，运用直流无刷电机控制实现自动门的转速控制，在感应器 电阻器作为调节器，运用直流无刷电机控制实现自动门的转速控制，在感应器 方面运用了自动门专用的微波雷达感应器和在工业控制上大量运用的具有检测 方面运用了自动门专用的微波雷达感应器和在工业控制上大量运用的具有检测 精度高、寿命长、稳定性好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给 PLC 精度高、寿命长、稳定性好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给 PLC 来实现 PLC 对自动门的控制。 来实现 PLC 对自动门的控制。 . . . . 第二章 可编程控制器 （PLC)的基本知识 第二章 可编程控制器 （PLC)的基本知识 2.1 PLC 的产生 2.1 PLC 的产生 20 世纪 60 年代，当时的工业控制主要是以继电器——接触器组成的控制系统。 20 世纪 60 年代，当时的工业控制主要是以继电器——接触器组成的控制系统。 而其系统存在着设备体积大，调试维护工作量大，通用、灵活性差，可靠性低， 而其系统存在着设备体积大，调试维护工作量大，通用、灵活性差，可靠性低， 功能简单，不具表达现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。 功能简单，不具表达现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。 1968 年，美国通用汽车制造公司 （GM）为了适应汽车型号的不断翻新，试 1968 年，美国通用汽车制造公司 （GM）为了适应汽车型号的不断翻新，试 图寻找一种新型的工业控制器，以解决继电器——接触器控制系统普遍存在的 图寻找一种新型的工业控制器，以解决继电器——接触器控制系统普遍存在的 问题。因而设想把计算机的完备功能、灵活与通用等优点和继电器控制系统的 问题。因而设想把计算机的完备功能、灵活与通用等优点和继电器控制系统的 简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的 简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的 通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计 通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计 算机的人也能方便的使用。 算机的人也能方便的使用。 1969 年，美国数字设备公司 （DEC）根据通用汽车的要求首先研制成功第 1969 年，美国数字设备公司 （DEC）根据通用汽车的要求首先研制成功第 一台可编程序控制器，称之为 “可编程序逻辑控制器”(PLC——Programmable 一台可编程序控制器，称之为 “可编程序逻辑控制器”(PLC——Programmable Logic Controller)，并在通用汽车公司的自动装置线上试用成功，从而开创了 Logic Controller)，并在通用汽车公司的自动装置线上试用成功，从而开创了 工业控制的新局面。 工业控制的新局面。 2.2 PLC 的定义 2.2 PLC 的定义 可编程控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义，国际电子委 可编程控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义，国际电子委 员会(IEC)在 1985 年的 PLC 标准划案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程 员会(IEC)在 1985 年的 PLC 标准划案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程 序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它作 序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它作 为可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算 为可编程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算 和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类 和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类 型的机械或生产过程。可编程序控制器与其有关设备，都应按易于使工业控制 型的机械或生产过程。可编程序控制器与其有关设备，都应按易于使工业控制 系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC 系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制 功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。 功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。 . . . . 2.3 PLC 的特点 2.3 PLC 的特点 1、编程简单，容易掌握 1、编程简单，容易掌握 梯形图是使用最多的 PLC 的编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路原 梯形图是使用最多的 PLC 的编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路原 理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人 理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人 员很快就能学会用梯形图语言，并用来编制用户程序。 员很快就能学会用梯形图语言，并用来编制用户程序。 2、功能强，性价比高 2、功能强，性价比高 一台小型的 PLC 有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能， 一台小型的 PLC 有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能， 可以实现非常复杂的控制功能。 可以实现非常复杂的控制功能。 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置 供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系 供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系 统。 统。 4、可靠性高，抗干扰能力强 4、可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点 接触不良，容易出现故障。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很 接触不良，容易出现故障。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很 强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用 强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用 户公认为罪可靠的工业控制设备之一。 户公认为罪可靠的工业控制设备之一。 5、系统的设计、安装、调试与维护工作量少 5、系统的设计、安装、调试与维护工作量少 目前PLC 已实现产品的系列化、标准化和通用化，用 PLC 组成的控制系统， 目前PLC 已实现产品的系列化、标准化和通用化，用 PLC 组成的控制系统， 在设计、安装、调试和维护方面，表现了明显的优越性，由于 PLC 采用了软件 在设计、安装、调试和维护方面，表现了明显的优越性，由于 PLC 采用了软件 来取代继电器控制系统中量的中间继电器、时间继电器等器件，控制柜的设计 来取代继电器控制系统中量的中间继电器、时间继电器等器件，控制柜的设计 安装接线工作量大为减少。 安装接线、体积小、重量轻、功耗低 6、体积小、重量轻、功耗低 复杂的控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 复杂的控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器， 小型 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，其结果紧凑，坚固，重量轻，功 小型 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，其结果紧凑，坚固，重量轻，功 耗低。 耗低。 7 / 29 7 / 29 . . . . 第三章 自动门控制系统总体设计 第三章 自动门控制系统总体设计 3.1 自动门控制过程和要求 3.1 自动门控制过程和要求 自动门控制过程和要求，具体如下： 自动门控制过程和要求，具体如下： （1） 当有人由到外或由外到通过时，传感器检测到信号，电动机正转，执行 （1） 当有人由到外或由外到通过时，传感器检测到信号，电动机正转，执行 开门动作，到达开门限位位置时，电动机停止运行。 开门动作，到达开门限位位置时，电动机停止运行。 （2） 自动门在开门位置停留8s 后，自动进入关门过程，电动机启动反转，当 （2） 自动门在开门位置停留8s 后，自动进入关门过程，电动机启动反转，当 门移动到关门限位位置时，电动机停止运行。 门移动到关门限位位置时，电动机停止运行。 （3） 在关门过程中，当有人由外到或由到外通过时，传感器检测到信号，应 （3） 在关门过程中，当有人由外到或由到外通过时，传感器检测到信号，应 立即停止关门，并自动进入开门程序，保证人安全通过。 立即停止关门，并自动进入开门程序，保证人安全通过。 （4） 设计门扇的移动速度为高速和低速两个速度，开门和关门启动时为高速 （4） 设计门扇的移动速度为高速和低速两个速度，开门和关门启动时为高速 运行，门扇即将到位时进入低速运行，到达限位位置时电动机停止运行。 运行，门扇即将到位时进入低速运行，到达限位位置时电动机停止运行。 （5） 在关门过程中检测到信号需要开门时，电动机需先停转 0.5s,然后执行 （5） 在关门过程中检测到信号需要开门时，电动机需先停转 0.5s,然后执行 相反动作。 相反动作。 （6） 使用 4 个行程开关，两个分别为开门和关门限位到位开关，另外两个为 （6） 使用 4 个行程开关，两个分别为开门和关门限位到位开关，另外两个为 高低速转换开关。 高低速转换开关。 3.2 总体设计方案 3.2 总体设计方案 自动门控制系统的设计框图如图1 所示： 自动门控制系统的设计框图如图1 所示： 门内外感应器 门内外感应器 直流无刷电机 直流无刷电机 采集信号 采集信号 P L C P L C 开/关门指示灯 手动控制开关 开/关门指示灯 手动控制开关 图 1: 控制系统结构图 图 1: 控制系统结构图 . . . . 由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给 PLC,PLC 根 由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给 PLC,PLC 根 据已经采集的信号发出控制信号，PLC 根据开关信号来控制相应的继电器实现 据已经采集的信号发出控制信号，PLC 根据开关信号来控制相应的继电器实现 控制电机的启停、正反转以与减速。再由机械传动机构来带动门的移动。 控制电机的启停、正反转以与减速。再由机械传动机构来带动门的移动。 3.3 系统工作原理 3.3 系统工作原理 首先，平移式自动感应门机组由以下部件组成： （1）主控制器：它是 自动 首先，平移式自动感应门机组由以下部件组成： （1）主控制器：它是 自动 感应门的指挥中心，通过部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指 感应门的指挥中心，通过部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指 挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度 挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度 等参数。 （2）感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的 等参数。 （2）感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的 物体进入它的工作围时，它就给主控制器一个脉冲信号； （3）动力马达：提供 物体进入它的工作围时，它就给主控制器一个脉冲信号； （3）动力马达：提供 开门与关门的主动力，控制 自动感应门门扇加速与减速运行。 （4）自动感应门 开门与关门的主动力，控制 自动感应门门扇加速与减速运行。 （4）自动感应门 扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行 扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行 进。（5）门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇 进。（5）门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇 运行。 （6）同步皮带 （有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵 运行。 （6）同步皮带 （有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵 引自动感应门扇吊具走轮系统。 （7）下部导向系统：是 自动感应门门扇下部的 引自动感应门扇吊具走轮系统。 （7）下部导向系统：是 自动感应门门扇下部的 导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。当自动感应门门扇要 导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。当自动感应门门扇要 完成一次开门与关门，其工作流程如下：感应探测器探测到有人进入时，将脉 完成一次开门与关门，其工作流程如下：感应探测器探测到有人进入时，将脉 冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，当碰到减速行程开关时进入 冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，当碰到减速行程开关时进入 慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同 慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同 步带将动力传给吊具系统使 自动感应门扇开启；自动感应门扇开启后由控制器 步带将动力传给吊具系统使 自动感应门扇开启；自动感应门扇开启后由控制器 作出判断，如需关自动感应门，通知马达作反向运动，关闭自动感应门。 作出判断，如需关自动感应门，通知马达作反向运动，关闭自动感应门。 3.4 自动门的机械传机构研究 3.4 自动门的机械传机构研究 在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考 在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考 虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面： 虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面： 1．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。 1．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。 2．所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。 2．所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。 . . . . 3．电机：驱动电机采用直流无刷电机，调速性能好。 3．电机：驱动电机采用直流无刷电机，调速性能好。 4．导轨：水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了 4．导轨：水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了 门扇的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨与滑 门扇的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨与滑 轮的磨损，实现了维护方面的特点。 轮的磨损，实现了维护方面的特点。 5．滑轮：采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震 5．滑轮：采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震 效果。 效果。 6．皮带：采用齿形皮带, 齿形皮带的齿形截面为曲线．皮带：采用齿形皮带, 齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的 高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用 高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用 尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。 尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。 7．传动结构如图 2 所示。其中马达皮带轮直径为 5cm,皮带滑轮径为 13.5cm, 7．传动结构如图 2 所示。其中马达皮带轮直径为 5cm,皮带滑轮径为 13.5cm, 外径为 28.5cm。 外径为 28.5cm。 图2：传动结构图 图2：传动结构图 . . . . 第四章 自动门控制系统硬件设计 第四章 自动门控制系统硬件设计 4.1 控制系统结构设计 4.1 控制系统结构设计 本设计运用 PLC 控制直流无刷电机运转来实现自动门运转的控制方式。采 本设计运用 PLC 控制直流无刷电机运转来实现自动门运转的控制方式。采 用直流无刷电机，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点， 用直流无刷电机，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点， 又具备直流电动机线性机械特性、调速围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多 又具备直流电动机线性机械特性、调速围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多 优点。 优点。 4.2 可编程控制器 （PLC）的选型 4.2 可编程控制器 （PLC）的选型 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计 选型。工艺流程的特点和应用要设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和 选型。工艺流程的特点和应用要设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和 估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和围确定所需 估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和围确定所需 的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确 的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确 定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相 定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相 应的控制系统。 应的控制系统。 1．输入输出（I/O）点数的估算 1．输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增 加 10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需 加 10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需 根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2．存储器容量的估算 2．存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量 是存储器中用户应用项 目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容 是存储器中用户应用项 目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容 量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未 量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未 知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算， 知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算， 通常采用存储器容量的估算来替代。 通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式， 存储器存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式， 大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此 大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～15 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此 数为存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课 数为存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课 11 / 29 11 / 29 . . . . 题的 PLC 存容量选择应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有 题的 PLC 存容量选择应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有 足够的空间。 足够的空间。 3．控制功能的选择 3．控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理 速度等特性的选择。 速度等特性的选择。 根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。 根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。 （1）控制功能 （1）控制功能 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控 制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制 制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制 功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。 功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。 （2）编程功能 （2）编程功能 离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时，CPU 只 离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时，CPU 只 为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行 为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行 模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成 模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成 本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU 和编程器有各 自的 CPU，主机 本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU 和编程器有各 自的 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期与编程器进行数据交换，编程器把在线 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期与编程器进行数据交换，编程器把在线 编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。 编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。 这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图 （SFC）、梯形图 （LAD）、功能模块图 五种标准化编程语言：顺序功能图 （SFC）、梯形图 （LAD）、功能模块图 （FBD）三种图形化语言和语句表 （IL）、结构文本 （ST）两种文本语言。选用 （FBD）三种图形化语言和语句表 （IL）、结构文本 （ST）两种文本语言。选用 的编程语言应遵守其标准 （IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式， 的编程语言应遵守其标准 （IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式， 如 C，Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。 如 C，Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。 （3）诊断功能 （3）诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确 定硬件的故障位置，软件诊断分诊断和外诊断。通过软件对 PLC 部的性能和功 定硬件的故障位置，软件诊断分诊断和外诊断。通过软件对 PLC 部的性能和功 能进行诊断是诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功 能进行诊断是诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功 能进行诊断是外诊断。 能进行诊断是外诊断。 PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并 PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并 影响平均维修时间。 影响平均维修时间。 . . . . 4．机型的选择 4．机型的选择 (1)PLC 的类型 (1)PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装 两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度 两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度 出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系 整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系 统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控 统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控 制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 （2）经济性的考虑 （2）经济性的考虑 选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩 选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩 展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产 展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产 品。 品。 输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储 输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储 器容量相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能围等 器容量相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能围等 选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能 选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能 价格比。本课题所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选 价格比。本课题所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选 择整体型 PLC。 择整体型 PLC。 5、对PLC 响应时间的要求 5、对PLC 响应时间的要求 对于多数场合，PLC 的相应时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输 对于多数场合，PLC 的相应时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输 入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC 的工作方式决定了他不能承受频 入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC 的工作方式决定了他不能承受频 率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫 率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫 描速度高的 PLC 或快速响应模块和中断输入模块。 描速度高的 PLC 或快速响应模块和中断输入模块。 综合以上因素，根据本课题的设计需要的 I/O 点数为输入 8 点，输出 4 点。 综合以上因素，根据本课题的设计需要的 I/O 点数为输入 8 点，输出 4 点。 故采用德国西门子公司生产的 CPU224 小型 PLC 来实现整个系统的控制。 故采用德国西门子公司生产的 CPU224 小型 PLC 来实现整个系统的控制。 4.3 直流电动机的选型 4.3 直流电动机的选型 直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方 直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方 便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为直流电动机能无级调速，机械传 便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为直流电动机能无级调速，机械传 13 / 29 13 / 29 . . . . 动机构比较简单。因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。 动机构比较简单。因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。 直流电动机相对于异步电动机有以下的优势： 直流电动机相对于异步电动机有以下的优势： （1） 由于采用高性能永磁材料，无刷直流电机的转子尺寸得以减小，可以 （1） 由于采用高性能永磁材料，无刷直流电机的转子尺寸得以减小，可以 具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。 具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。 （2） 由于没用转子损耗（转子使用永磁材料），也无需定子励磁电流分量 （2） 由于没用转子损耗（转子使用永磁材料），也无需定子励磁电流分量 （应用新理论），所以无刷直流电机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量 （应用新理论），所以无刷直流电机具有较高的效率和功率密度。对于同等容量 输出，交流异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。 输出，交流异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。 （3） 由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题。 （3） 由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题。 （4） 交流异步电机由于其非线性本质，实现控制极为复杂。无刷直流电机 （4） 交流异步电机由于其非线性本质，实现控制极为复杂。无刷直流电机 把其复杂的磁场定向控制简化为离散状态的转子位置控制，无需坐标变换，调 把其复杂的磁场定向控制简化为离散状态的转子位置控制，无需坐标变换，调 速围更宽，控制性能更好。 速围更宽，控制性能更好。 综上所述，无刷直流电机具有更大的功率密度 （铁芯利用率高）、更高的效 综上所述，无刷直流电机具有更大的功率密度 （铁芯利用率高）、更高的效 率和更好的控制性能，如将节能因素、省略变频器以与产能提高因素考虑在， 率和更好的控制性能，如将节能因素、省略变频器以与产能提高因素考虑在， 使用者的综合成本下降很大。所以在本课题设计中选用了无刷直流电动机。 使用者的综合成本下降很大。所以在本课题设计中选用了无刷直流电动机。 4.4 感应器件的选型 4.4 感应器件的选型 目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。微波 目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。微波 感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行 感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行 走速度正常的人员通过的场所，微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面 走速度正常的人员通过的场所，微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面 型天线作感应系统，以微处理器作控制。 型天线作感应系统，以微处理器作控制。 微波感应器的特点： 微波感应器的特点： 微波感应器是以 10.525GHz 微波频率发射、接收。其探测方式具体如下优 微波感应器是以 10.525GHz 微波频率发射、接收。其探测方式具体如下优 点： 点： （1）非接触探测。 （1）非接触探测。 （2）不受温度、湿度、噪音。 （2）不受温度、湿度、噪音。 红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感 红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感 应器的扫描围，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢。 应器的扫描围，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢。 . . . . 根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，是自动门 根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，是自动门 系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全与稳定.如在高档酒店、写 系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全与稳定.如在高档酒店、写 字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路 字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路 过的地方，选择窄区域的感应器。 过的地方，选择窄区域的感应器。 4.5 限位开关 4.5 限位开关 限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制 限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制 命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一 命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一 种自动控制器件。 种自动控制器件。 限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以与轻工机械的行程控制。当生 限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以与轻工机械的行程控制。当生 产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信 产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信 号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对 号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对 生产机械给以必要的保护。 生产机械给以必要的保护。 4.6 主要硬件选型清单 4.6 主要硬件选型清单 表 4.6 自动门主要硬件清单表 表 4.6 自动门主要硬件清单表 硬件名称 规格型号 硬件名称 规格型号 可编程控制器（PLC) S7-200(CPU224) 可编程控制器（PLC) S7-200(CPU224) 直流电机 伊曼特 WWDC2465 直流电机 伊曼特 WWDC2465 红外传感器 E3JK-5M3 红外传感器 E3JK-5M3 行程开关 LW42A2Y 行程开关 LW42A2Y . . . . 4.7 基于PLC 的硬件电路设计 4.7 基于PLC 的硬件电路设计 4.7.1 I/O 分配表 4.7.1 I/O 分配表 输 入 输 出 输 入 输 出 输入继电器 作 用 输出继电器 作 用 输入继电器 作 用 输出继电器 作 用 I0.0 门外光电探测开关 Q0.0 电机正转继电器 I0.0 门外光电探测开关 Q0.0 电机正转继电器 I0.1 门光电探测开关 Q0.1 电机反转继电器 I0.1 门光电探测开关 Q0.1 电机反转继电器 I0.2 启、停 Q0.2 减速中间继电器 I0.2 启、停 Q0.2 减速中间继电器 I0.3 开门减速开关 Q0.3 正转指示灯 I0.3 开门减速开关 Q0.3 正转指示灯 I0.4 关门减速开关 Q0.4 反转指示灯 I0.4 关门减速开关 Q0.4 反转指示灯 I0.5 左限位 （开门） I0.5 左限位 （开门） I0.6 右限位 （关门） I0.6 右限位 （关门） I0.7 手动开门 I0.7 手动开门 I1.0 手动关门 I1.0 手动关门 I1.1 急停 I1.1 急停 . . . . 4.7.2 硬件接线 硬件接线图 根据 I/O 分配表，确定了基于 PLC 的硬件接线 所示： 根据 I/O 分配表，确定了基于 PLC 的硬件接线 SB 1 IO.0 IO.0 QO.0 QO.0 KM2 KM2 SB2 SB2 IO.1 IO.1 QO.1 QO.1 SB3 SB3 KA KA IO.2 IO.2 QO.2 QO.2 SB4 SB4 HL 1 IO.3 HL 1 IO.3 QO.3 QO.3 SB5 SB5 IO.4 IO.4 HL2 HL2 SB6 SB6 QO.4 QO.4 IO.5 IO.5 SB7 SB7 IO.6 IO.6 SB8 SB8 IO.7 IO.7 SB9 SB9 I 1.0 I 1.0 SB 10 SB 10
GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf
