自动门控制系统的设计
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自动门控制系统的设计

发布时间:2019-01-15 23:05:29

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  毕业设计报告(论文) 系 专业 姓名 题目 指导教师 完成时间 自动门控制系统的设计 2016 年 12 月 17 日 内 容 摘 要 随着科学技术的日新月异,我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自动化的社 会已经开始呈现于我们的眼前,这为我们提供了非常多的便利。其中自动门就是自动化进 程中的一个典型代表,此设计就是运用所学的知识,结合实际需要而进行研究的。为了增 强自动门运行的可靠性,提出了一种以 S7-200 可编程序控制器(PLC)为 核 心 的 自 动 门 控 制 系 统 。 分 析 了 该 控 制 系 统 的 工 作 原 理 ,描 述 了 系 统 的 硬 件 组 成,介 绍 了 人 体 感 应 探 测 、 自 动 门 运 行 位 置 检 测 、 门 运 行 障 碍 检 测 等 控 制 电 路 的 工作过程,对 PLC 的选型及 I/O 点的确定进行了说明。结合 PLC 的运行特点 ,对控制系统的工作流程作了合 理的优化。在此基础上 ,采用结构化的编程方法 ,给出了主程序模块、开门子程序模块、 关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结 果表明,整个系统功能完善,性能可靠。 索引关键词:可编程控制器 S7-200 自动门 控制系统 目 B录 第一章概论 .............................................................. 1 第二章自动门控制系统总体方案设计 ........................................ 1 2.1 自动门的功能需求分析 ............................................. 1 2.2 自动门控制系统构成 ............................................... 2 2.3 自动门的机械传动系统构成设计 ..................................... 2 第三章系统硬件设计 ...................................................... 3 3.1PLC 简介与选型 .................................................... 3 3.2 驱动装置的设计 ................................................... 3 3.3 感应器件的设计 ................................................... 4 3.4 变频器的选择 ..................................................... 4 3.5 行程开关的工作原理 ............................................... 5 3.6 硬件电路设计 ..................................................... 6 第四章系统软件设计 ...................................................... 6 4.1 程序的设计思路 ................................................... 6 4.2 程序设计 ......................................................... 8 后记 .................................................................... 9 参考文献 ............................................................... 10 自动门控制系统的设计 自动门控制系统,在现当代社会是一个应用非常广泛的设备,自动门已经广泛应用于 酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口,其主要核心部分——自动门控制系统正是 我们这论文的主要研究讨论的课题。 自动门是指:可以将人接近门的动作 (或将某种入门授权) 识别为开门信号的控制单元, 通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭,并对开启和关闭的过程实现控制的 系统。例如:各种用可识别感应器控制的自动专用门。这是实现生活自动化进程的一个重 要组成部分。 自动门的问题研究, 其控制系统可追溯到早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制, 已逐渐被淘汰。而基于 PLC(可编程控制器,以下统一用“PLC”表示)控制自动门由于具 有故障率低、可靠性高、维修方便等优点,因而得到广泛的应用。所以此设计中,我以西 门子公司 S7-200 系列 PLC 为控制系统的核心元件,作信号的处理工作。而感应部分,采用 BISS0001 芯片与 RE200B 热释电元件的组合,实现人或物体进出时的信号转换装置。而实 现门的开与关,则用直流电机作为动力装置,配以继电器控制来达到电机正反转动作,并 加上行程开关作为限位,以实现该功能,因为以上器件在生活中非常容易购买,且价格适 宜,同时也便于维护,非常适合广泛生产应用。 本课题所研究的自动门控制系统,主要通过 PLC 作为控制基础,加上对红外热释电传 感器的应用,从而实现了门的“自动”功能,此设计拓展了 PLC 的应用层面,增加了实现 自动门控制系统的选择性。 第一章概论 本章主要从自动门的研究背景与意义、自动门的介绍及起源、自动门的组成及分类三 个部分来对自动门进行简单的了解。 自动门的普及和应用,改变了人们的防护意识,提升了人们的安全观念。自动门除可 美化出入口环境外,由于中国没有相关的自动门国家标准,导致自动门档次、质量良莠不 齐。如果你没有使用过自动门,最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自 动门品牌(目前有很多自动门品牌是有一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成,应尽量 避免购买此类产品) 。不要认为样本上全是外国语, 由于自动门在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,浴室迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。 同时也几乎成为了银行,写字楼,酒店等办公娱乐场所装修所不可少的一项配置。 第二章自动门控制系统总体方案设计 2.1 自动门的功能需求分析 本设计面向商场入口的应用,需要有安全性和可靠性。根据商场中对自动门的具体要 -1- 求,本课题所设计的自动门应由以下功能: 一、开门和关门控制应有手动和自动方式 为了便于维护,自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到有人接近门口 且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭,PLC 动作输出信号开控制点动机正转 或者反转来开门或者关门。 二、紧急停止 当自动门出现夹人现象时,可闭合紧急停止开关,自动门自动进入开门过程。 自动门控制系统包含 PLC 控制和执行元件构成。采用自动和手动控制方式,此种控制 模式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用为控制中心来控 制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。 2.2 自动门控制系统构成 一、当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关 K1 或 K2 时,开门执行机构 KM1 二、自动门在开门位置停留 8 秒后,自动进入关门过程,关门执行机构 KM2 被起动, 电动机反转,当门移动到关门限位开关 K4 位置时,电机停止运行。 三、在关门过程中,当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关 K2 或 K1 时,应 立即停止关门,并自动进入开门程序。 四、 在门打开后的 8 秒等待时间内, 若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关。 K2 或 K1 时,必须重新开始等待 8 秒后,再自动进入关门过程,以保证人员安全通过。 五、设计自动门系统的梯形图程序,根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序,这 是整个自动门系统设计的核心工作。 2.3 自动门的机械传动系统构成设计 自动门控制系统包含 PLC 控制和动作执行元件构成。采用自动和手动电动控制方式, 此种控制方式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用 PLC 为 控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。 PLC 基于电子计算机,但并不等同于计算机。普通计算机进行入出信息交换时,大多 只考虑信息本身, 信息入出的物理过程一般不考虑的。 而 PLC 则要考虑信息入出的可靠性、 实时性、以及信息的实际使用。特别要考虑怎样适应于工业环境,如便于安装便于门内外 感应采集信号,便于维修和抗干扰等问题,入出信息变换及可靠地物理实现,可以说是 PLC 实现控制的两个基本点。PLC 可以通过他的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比 继电器控制装置多得多、强得多。 一、自动门的传动主要包括安装版,轨道,门机,皮带,吊挂件等。 二、所有的组件都为插入式元件,使得安装很简单。 三、电机:驱动电机采用 64V 直流电动机,功率大,可调性强 四、导轨:水平双导轨结构,形式正悬挂,解决了侧摆得问题,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,避免积尘对导轨及滑轮的磨损,实现了维 -2- 护方便的特点。 五、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。 六、皮带:采用齿形皮带,齿形皮带的截面为曲线设计,增加了齿形的高度,提高了 皮带与传动齿轮的吻合度,从而提高了使用寿命。 第三章系统硬件设计 3.1PLC 简介与选型 随着时代和科技的不断进步,PLC 也在不断发展,现在对它进行一个比较准确的定义 还是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过多年的研究和调查工作,在 1980 年向 大众宣布正式将可编程序的控制器命名为 PC(ProgrammableController) ,为了和个人计 算机 PC(Personal Computer)相互区分,人们常常将可编程控制器简称为 PLC。 PLC 的工作方式是“顺序扫描,不断循环” 。也就是在 PLC 工作时,CPU 依据个体用户 编写完成并存储在用户存储器中的程序,按指令的步序号作周期性循环扫描,如在该程序 中无跳转指令,则从用户第一条指令开始按照顺序逐次执行用户程序,直到该程序结束。 然后再重新返回最开始的指令,进行新的扫描。 PLC 面积小、作用强。PLC 的控制是由软件来实现的,大量减少了继电器、定时器的应 用,同时也提供了大量的软触点来代替传统电路中的硬触点。这些特点不但增加了 PLC 的 功能同时也缩小了它本身的体积,减少了其自身能耗。同时也更有利于其在控制过程中发 挥作用。 编写程序简单、易于实现、维修方便。梯形图语言其表现形式与继电器电路的原理图 有很大的相似之处,使用户能够很快掌握其编程语言并运用到实际工程中。 PLC 本身的功 能就具有完善的故障诊断,其本身也是采用模块化结构,使维修人员快速和准确地找到出 现问题的模块, 并及时的更换出问题的模块或者对其进行其它处理, 所以其维修相当方便。 关于 PLC 型号的选择。工艺流程的实际需要和控制要求是选型的主要根据。因此在工 业设计中对工程设计选型和计算时,应该对该工艺过程的特点和控制要求进行详细的理论 分析和工程计算,进而确定该系统控制任务,确定所要进行的每一步操作和外部负载的动 作要求,根据系统的控制要求,及其它设备所需的技术参数确定 PLC 所要完成的功能、所 需的外部设备等,最后选择性价比较高的 PLC 类型,并按照控制要求设计控制系统。 在本次设计中根据控制要求系统不需要扩展单元,所以关于 PLC 型号的选择我们可以 使用应用比较广泛的西门子系列,按照最终的功能实现,考虑到经济及其他因素我们选择 PLC 型号为 CPU315-2DP 的 S7-300 系列 PLC。 3.2 驱动装置的设计 驱动装置即自动门的动力系统是自动门是否能够完成要求动作的根本保障,本次设计 中我们选择使用直流无刷电机作为自动门的驱动装置。直流无刷电动机有以下特点完全满 足本次设计需要, 首先直流无刷电机功率高, 工作时基本没有噪音, 而且其调速性能良好, -3- 针对本次自动门系统直流无刷电机具有交流电动机的显著特点其结构简单、工作可靠、并 且维护维修方便,另外直流无刷电机功也拥有直流电动机的特点,它具有良好的线性机械 特性、调速性能好、启动时转矩较大、运行工作效率高。该设计中使用直流无刷电机功作 为驱动装置是最佳的选择。 根据本设计所设计的自动门的要求应选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电 压保护等符合国际安全标准规定的,具有噪声低、过载能力强的特点,在结合了安全、稳 定的考虑,本设计的自动门控制系统的驱动装置选用步进电机。 在实际的生产中大部分的直流电动机的电枢绕组都是在电动机的转子上,定子和电动 机的外壳固定在一起,用来产生一个固定不动的磁场。要想使直流电动机旋转起来,就必 须要通过电动机中间的结构来不停地改变绕组中流过电流的方向,这也就是电刷和换向器 的作用,在这种情况下两个磁场的方向一直都是相互垂直的,产生一个恒定的转矩使电动 机不断动作。 无刷直流电动机与传统直流电动机有很大的区别, 它去掉了电刷等换向设施, 将电枢移到定子,而转子则用永磁体制成,其结构设计完全与普通直流电动机相反。就算 这样改变结构电动机仍然是不会旋转的。为了保证电动机的正常工作,则需要给定子上的 各相绕组连续地换相通电,这样定子绕组产生的磁场与转子永磁磁场会存在一定的空间角 度,这样就会产生足够大的转矩推动转子不断旋转。电动机也就正常工作了。 3.3 感应器件的设计 感应装置是自动门系统中必不可少的一部分,其工作性能是否良好直接影响到所辖在 自动门系统的安全性和稳定性,依据系统不同的功能需求和感应装置自身的特性及应用在 各种各样的自动门控制系统中,结合本设计的具体情况和控制要求我们选用光电检测开关 作为自动门系统的感应器件。 光电检测开关是一种应用广泛的传感器,它能够以输出电流变化的形式来反映其发射 端和接收端之间光强的微弱变化从而达到检测物体的目的。在光电开关中两个反馈电路之 间有良好的保护措施,使两个回路不会相互干扰所以它得到广泛推广应用在各种各样的场 合。由于物对光具有遮挡或反射的作用,光电开关正是利用物对光的遮挡或反射这一物理 现象对物体进行检测,将光信号转变为电流信号从而检测其前方是否有物体存在。当然被 检测物体不仅只有金属,还有其它一切可以对光反射和遮挡的物体。在光电开关的发射器 上它将电流信号转变为光信号发出,在前方一定范围内形成检测区域。在光电开关的接收 器上将接收到的光信号转换为电流信号并作出判断从而达到检测的目的。 3.4 变频器的选择 根据自动门的需要,变频器选型时要确定以下几点: 一、变频器与负载的匹配问题 1.电压匹配:变频器的额定电压与负载的额定电压相符。本设计所用的电机的额定电 压为 380V,故在选择变频器时要符合电机的额定电压。 2.电流匹配:变频器的额定电流与电机的额定电流相符,以最大电流确定变频器电流 -4- 和过载能力。在本设计所使用的三相交流电机的最大启动电流为 0.37A,故所用的变频器 的最大电流应大于电机的最大启动电流。 3.转矩匹配:这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生,本设计所使用的最 初启动转矩为 1.4N/m,所以,在选型中要考虑。 综合以上因素, 本设计变频器采用日本三菱公司生产的 FR-540 变频器作为控制电机转 速的控制器。 二、三菱 FR-540 变频器具有以下优点: 1.接线简单,可运用 PLC 的继电器输出接到变频器的控制输入端来控制变频的正反转 和频率。 2.安装灵活,可以根据实际需要,把控制装置安装到任何位置,进行远距离操作。 3.频率设置简单,并且具有三速设定功能,可以满足本设计自动门系统的控制要求, 且操作方便,只需轻轻转动外接电位器的旋钮,就可以进行频率设置。 3.5 行程开关的工作原理 行程开关:利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路, 达到一定的控制目的。通常,这类开关被用来限制机械运动的位置或行程,使运动机械按 一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。 行程开关又叫限位开关,是一种应用广泛的位置开关。其原理就是利用物体机械运动 的触碰使其触头动作,从而达到接通或者关断控制电路的目的,最终实现整个系统的控制 要求。一般情况下,行程开关应用在限定物体机械运动方位的场合中,这样物体运 动到指定位置后自动停止运动或者反向运动甚至进行变速运动等。 直动式行程开关:动作原理同按钮类似,所不同的是:一个是手动,另一个则由运动 部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其触头动作,当运动部件离开后, 在弹簧作用下,其触头自动复位。 滚动式行程开关:当运动机械的挡铁(撞块)压到行程开关的滚轮上时,传动杠连同转 轴一同转动,使凸轮推动撞块,当撞块碰压到一定位置时,推动微动开关快速动作。当滚 轮上的挡铁移开后,复位弹簧就使行程开关复位。这种是单轮自动恢复式行程开关。而双 轮旋转式行程开关不能自动复原,它是依靠运动机械反向移动时,挡铁碰撞另一滚轮将其 复原。 在现代的电气控制系统中,行程开关的作用是不容忽视的,它主要实现定位操作和检 测当前工作位置的状态。主要目的是有效的控制机械设备的动作行程及对设备进行限位保 护。 实际生产生活中,在应用行程开关时,首先要将其安装在先前制定好的位置,只有这 样才能使机械运动的物体在指定位置触碰到行程开关,这样行程开关内部的触点运动,进 而实现控制电路的转换。我们可以把行程开关理解为是一种依据运动部件的动作范围而实 现电路切换的电器,它的工作原理与按钮有许多相似之处。因此在实际应用中我们要多加 -5- 注意其功能。 行程开关在各类机械加工设备及其它机械的行程控制中得到广泛的应用。当机械部件 运动到某一特定方位时, 正是这样的机械运动才使行程开关将机械运动信号转变为电信号, 从而实现对运动机械的限位控制,限制它的动作范围。以此更加有效的保护了运动机械电 路。PLC 硬件接线图也是整个自动门控制系统中必不可少的一个环节,正确的硬件接线图 将 PLC 与外部硬件有机的结合在一起,同时工程人员也可以根据硬件接线图连接线路,达 到工程控制的目的。 3.6 硬件电路设计 如图 3-1 所示。 图 3-1 PLC 硬件接线图也是整个自动门控制系统中必不可少的一个环节,正确的硬件接线图 将 PLC 与外部硬件有机的结合在一起,同时工程人员也可以根据硬件接线图连接线路,达 到工程控制的目的。 第四章系统软件设计 4.1 程序的设计思路 在编写程序之前我们需要根据控制要求画出程序流程图,这是我们设计程序的思路, -6- 同时程序流程图也能更好地帮助我们修改和完善所编写的程序,使本次设计编写的程序更 加完美地完成控制要求, 最终达到控制目的。 整个系统的动作流程需要一下几个步骤完成: 一、按下启动按钮,系统开始工作。当光电开关检测到有人或者物体接近自动门时, 光电开关触点动作,这样就是 KM1 线 主触点动作,电动机通电开始正转,自 动门打开。当自动门运动到一定位置时,触发限位开关,导致 KM1 线圈断电,电动机停止 正转。 二、自动门运动到特定位置时,就会触发定时器,定时器定时 8 秒后,KM2 线圈得电, 电动机反转, 自动门进入关门状态。 在关门过程中, 自动门运动到起始位置触发限位开关, 这样就使 KM2 线圈断电,电动机停止反转,自动门静止在起始位置,等待下一个动作。如 果在关门过程中,光电开关检测到有人再次接近自动门,自动门将停止关门动作,进入开 门动作。 三、在自动门打开后 8 秒等待的过程中,如果光电开关检测到有人或者物体接近自动 门时,计时器将从新计时,自动门将会继续 8 秒的等待,8 秒的计时时间到自动门进入关 门状态,等待下一步的动作指令。这样的设计就大大提高了自动门的可控性和安全性。另 一方面也增加了自动门的安全性,当出现一些紧急情况时可以用手动按钮进行自动门的操 作,防止造成人身伤害。 自动门的程序流程图如图 4-1 所示。 图 4-1 -7- 4.2 程序设计 前期的准备工作都已经完成,接下来就是要根据控制要求编写具体的操作程序。程序 就是 PLC 的激活码,如果没有程序下载到 PLC 中,PLC 是无法正常工作的。只有当一定的 程序下载进入 PLC 之后它才能正常工作,并且可以按照程序所反应和要求的控制动作驱动 外部的硬件进行动作,已达到最终的控制目的,由此可见编写程序是关系到整个系统能否 完成的关键。 在程序编写完成后,我们要仔细对程序进行检查和修改,然后进行仿真,进行仿真的 目的就是检验程序能否更好地完成控制要求,对不能完成控制要求的程序段进行修改,这 也是检测程序对错的有效方法。 首先在操作界面中点击“打开/关闭仿真器”按钮,便可以进入仿真器界面,进入仿真 界面后,在主界面上点击下载按钮其功能就是将所编的梯形图程序下载下来,在仿真器中 点击 RUN 按钮,然后点击相对应的控制按钮,对自动门的各种工作情况进行仿真,首先仿 真在通电情况下光电检测开关检测到有人接近自动门的时候自动门能否准确的进行开门动 作。然后再仿真自动门打开后是否能够在一个位置保持 8 秒的开门状态,保证人员的安全 进出。还要仿线 秒开门状态时,光电开关再次检测到有人或者物体接近自动门时,自 动门能否重新计时,在原位置再次保持 8 秒的状态。最后检测当自动门出现夹人的紧急情 况下自动门启动紧急停止开关,自动门能不能按照控制要求紧急停止关门动作,并进入自 动开门状态,避免夹人情况的出现。同时检验程序的正确性,保证程序顺利完成各种控制 要求的动作。 -8- 后记 现如今 PLC 在全国各地发挥着举足轻重的作用,而且逐步成为工业时代的主流控制器 件。越来越多的计算机新技术会应用于 PLC 的设计和制造上。PLC 作为自动化控制系统的 重要组成部分,在工业及其他行业也发挥着不可替代的作用。虽然自动门控制工程在所有 的建筑投资中微不足道,但是在建筑领域的日常使用及管理中占据着领导者的地位,是整 个建筑达到智能化水平的重要标志。 在 PLC 设计当中,硬件设计和软件设计是依照该系统所有要求完成的。PLC 与外部硬件 的连接相对比件容易,但是软件调试就复杂多了,且用到的软件更是数不胜数仿真、调试 等等。PLC 系统的硬件和软件是分不开的,硬件中的错误可以在软件的调试中进行修改。他 们相辅相成,缺一不可。 通过对自动门控制系统设计与实现的仿真运行后,可以看出,本装置运行流畅,没什 么错误。但是此装置只是通过了模拟部分,如果想要投入使用其安全性还要多多实验,必 须通过多次的现场调试才可进行下一步的计划。因此在今后的工作学习中我们必须不断地 改进与完善,这样也许才有可能达到真正意义上的智能化控制。 -9- 参考文献 [1] 黄元龙.可编程控制器[M],2004:8-35 [2] 高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例[M],2004:50-107 [3] 周军.电气控制及 PLC[M],2005:56-109 [4] 朱学军.PLC 顺序控制方法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2003(11):94-961 [5] 西门子公司.深入浅出西门子 S7-200PLC[M],2005:1-15,76-132. 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