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毕业设计报告（论文）

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自动门控制系统的设计
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内 容 摘 要
自动门在人们的日常生活中已经得到了广泛的应用，同时人们对其性能和安全等方面的要求也越来越高。由于PLC的高稳定性和对环境较强的适应能力，使得PLC在自动门控制装置中的应用也日益广泛。本文围绕自动门控制系统展开研究。首先分析了国内外自动门发展的趋势和所采用的技术，然后对PLC系统作了简要说明。并按照自动门控制装置的要求，设计了相应的梯形图和指令表程序，实现了自动门由检测到开启、计时等待、关闭的全过程。随着电子技术的发展，PLC不断的更新，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一。自动门就是自动控制应用的以典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。目前自动门在日常生活中用越来越广泛。PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点。
索引关键词：自动门 可控制编程器 PLC 变频控制

目 录
第一章概论 1
第二章自动门控制系统总体设计 1
2.1自动门的控制过程和要求 1
2.2总体设计方案 2
2.3系统工作原理 2
第三章自动门硬件系统的设计 3
3.1控制系统结构设计 3
3.2PLC装置的选择 3
3.3直流电机的选择 4
3.4主电路电路图 5
3.5感应器件的选择 5
3.6限位开关 6
第四章自动门软件系统的设计 6
4.1PLC梯形图概述 6
4.2程序流程图 7
后记 8
参考文献 9

自动门控制系统的设计
第一章概论
随着世界经济和中国经济的不断发展，门的概念日益显现出来，现今社会门更加突出它的安全性，强调它的有效性，安全有效的通行、疏散，同时它的艺术的理念越来越突出，强调门与艺术的完美结合，我们要达到的目的就是门与其所在建筑以及周围自然环境的和谐。自动门专业和规模的生产可以追溯到很久以前，在其不断进步的历史过程中，涌现出大批深受用户好评的专业制造商。自动门的发展起源在欧美，经过多年的发展，现在已经形成了功能完善、做工精良的自动门系列。
在许多公共场所中，为了增添了高端、时尚的因素。自动门得到广泛的应用。自动门的发展可以解释为人类门的应用观念的继续，是人们依据不同需求对门的功能的提升和应用的完善。因此我们对自动门的认知应从人们对门性能的要求开始。门是所有建筑物必不可少的一部分，从最原始的功能来讲，门要具有隔离外部环境和方便通行这两种作用。因此门应该更加可靠、密封。随着自动门的大面积发展，人们对于门的作用也不断改变，人们的安全观念不断提升。自动门不但能够改善出入口环境，而且能够保护人们的出行安全。就我国现阶段来说，我国现在没有制定自动门的国家标准，使我国自动门性能、质量参差不齐。自动门在通电后可以自动控制无需人工管理，同时又节约了大量空间资源，防风、防尘、降低噪音，既提高了建筑的档次，又方便了人们出行，这是由于这些特点自动门在近几年国内外的各种市场迅速发展并得到大范畴的应用。
在本次自动门设计中我们采用PLC做控制器可以增强自动门运行的稳定性和安全性，同时也大大地改善了自动门的使用效果。自动门的PLC控制系统的设计具有很重要的现实意义，不但可以为自动门行业的发展提供技术支持，而且扩大了PLC在该行业甚至整个自动化行业的全面应用，因此该设计具有很大的经济价值和理论研究意义。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。
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。但在国内，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、安全及人性化是需要首先考虑的因素。
第二章自动门控制系统总体设计
2.1自动门的控制过程和要求
自动门控制过程和要求，具体如下：
一、当有人由内到外或由外到内通过时，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。
二、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。
三、在关门过程中，当有人由外到内或由内到外通过时，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。
四、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。
五、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。
六、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。
2.2总体设计方案
自动门控制系统的设计框图如图2-1所示：
图2-1
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控制电机的启停、正反转以及减速。再由机械传动机构来带动门的移动。
2.3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：
一、主控制器：它是自动感应门的指挥中心，通过内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、开启幅度等参数。
二、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范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；
三、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。

四、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，使其按特定方向行进。
五、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行。
六、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。
七、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。
第三章自动门硬件系统的设计
3.1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、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。
3.2PLC装置的选择
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求是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，明确控制任务和范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。
一、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。
二、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。
存储器内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，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内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。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。
一、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。
二、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，并在一个扫描周期内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。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（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，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
三、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定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，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。 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。
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。
3.3直流电机的选择
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
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：
一、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。
二、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。对于同等容量输出，交流异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。

三、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。
四、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，调速范围更宽，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）、更高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省略变频器以及产能提高因素考虑在内，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。
3.4主电路电路图
主电路原电路图如图3-1
图3-1
3.5感应器件的选择
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。
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点：
一、非接触探测。

二、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，只要处于感应器的扫描范围内，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，是自动系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定如在高档酒店、写字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，选择窄区域的感应器。
3.6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。
限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及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。
第四章自动门软件系统的设计
4.1PLC梯形图概述
PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会(IEC)1994年5月公布的IEC1131-3(可编程控制器语言标准)详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
梯形图程序设计语言是梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
一、与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
二、与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；
三、与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待：
梯形图是使用的最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电器人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
4.2程序流程图
图4-1
控制要求和安全要求：
一、当有人由内到外或由外到内通过时，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。
二、自动门在开门位置停留8s后，自动门进入关门过程，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。
三、在关门过程中，当有人由外到内或由内到外通过时，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。

四、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。
五、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,然后行相反动作。
六、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
根据本设计的控制要求和安全要求，所设计的程序按照图4-1所示的流程运行，以达到本系统的佳设计要求和完成系统的最终设计。

后记
本文阐述了PLC在自动门中作为控制系统的优势，通过介绍PLC的简单应用，结合作为自动门控制程序对PLC在自动门中的应用做了较为详尽的介绍。文中设计方案简单、实用，以PLC作为自动控制系统，具有很多其他控制系统所没有的优点，可靠性高，耐用等。并了解到PLC在自动门中程序的编写，梯形图的应用，明白了PLC控制自动门工作的原理，了解了未来自动门控制的发展方向等。随着科学技术的飞速发展，自动门控制技术在宾馆、银行等大门已普遍使用。用PLC来实现自动门的开、关，其优点是非常显著的，节能效果十分显著，启动电流小，各项控制指标达到了用户的要求，高度智能化。随着PLC飞速发展，基于PLC的自动门控制系统以其节能、安全、高品质的自动化等优点将在未来得到更为广泛的应用。本次毕业设计培养了我的创新意识。让我学会将理论更好地联系实际，并不断地去超越自己，在程序的设计漫漫历程中，让我学会了坚持不懈，勇往直前，不轻易向困难低头的精神。

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