自动门的控制系统

驻马店职业技术学院
毕业论文
（ 2009 届）
设计（论文）题目：自动门的控制系统
专业班级：机电一体化（1）班
***名：***
***师：***
设计时间：2012-4-1～2012-4-31
摘要
随着科学技术的发展，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FX2-48MR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，给出了控制系统软件设计的程序流程图、顺序功能图、外部端子接线图等。

本设计介绍应用可编程控制器取代传统的继电器、接触器控制系统，实现自动门控制的过程。

关键词：可编程控制器；自动门；控制系统
目录
序言 (3)
第一章自动门的介绍 (4)
1.1研究背景与研究意义 (4)
1.2自动门的简介 (5)
1.3自动门的组成及分类 (6)
1.3.1 自动门的组成 (6)
1.3.2自动门的分类 (6)
1.4本章小结 (7)
第二章PLC的介绍 (7)
2.1PLC的简介 (8)
2.2PLC的主要功能及特点 (8)
2.2.1 PLC的主要功能 (8)
2.2.2 PLC的特点 (9)
2.3PLC的组成 (9)
2.3.1 PLC的基本结构 (9)
2.3.2 CPU模块 (10)
2.3.3 I/O模块 (10)
2.3.4 编程器 (11)
2.3.5 电源模块 (11)
2.4工作原理 (11)
2.5本章小结 (12)
第三章自动门控制系统的硬件设计 (13)
3.1PLC的选择 (13)
3.2驱动装置的选型 (15)
3.3感应器件的选型 (15)
3.4传动装置 (16)
3.5限位开关 (16)
3.6顺序功能的设计 (16)
3.7PLC的外部接线图 (17)
3.8梯形图 (18)
3.9指令 (20)
3.10过程分析 (21)
第四章自动门控制系统的软件系统 (22)
4.1控制系统流程设计 (22)
4.2本章小结 (24)
结束语 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
序言
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篇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。

自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的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、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。

目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（以下简称PLC）,PLC是一种专门为工业环境下应
用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟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，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，我以三菱公司FX2-48MR为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。

用感应部分来实现人或物体进出时的信号的转换。

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。

第一章自动门的介绍
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。

1.1 研究背景与研究意义
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性:有效的防范通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。

自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模专业制造商。

门的高级形式——自动门起源在欧美，迅速发展至今，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。

大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿态。

自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。

所以对自动门的认识应该从人们对门功能的要求开始。

作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。

因此门体本身应牢固、密封。

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。

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，资料也是外国语的商品就是进口商品，其实这样是违反国家规定的。

真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。

自动门平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。

当人通过门之后，再将门关闭。

由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。

微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。

红外传感器对物体存在进行反应，不管人员是否移动，只要在处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。

缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。

1.2 自动门的简介
自动门英文名：automatic door
自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪二十年代以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了
1962年，电气式已开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门(红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应)、刷卡自动门等。

现代自动门的操作主要有三种方。

①脚踏板式：在踏板之下装有压力开关。

②光电束式：在门的附近设置光束发射装置和光电传感装置。

③按钮方式：用手按类似开关的按钮使门扇打开。

自动门以滑动、铰链或折叠等方式启闭门扇。

为了防盗，必须同时装有特殊的设备，例如家庭用的自动门就需要装设来人识别装置或电视监视器等，对家庭以外的人员进行严格限制。

自动门在商场、宾馆、饭店、机场、车站、银行等场合已得到广泛应用。

1.3 自动门的组成及分类
1.3.1 自动门的组成
主控制器：它是自动门的指挥中心，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；同时人们通过主控制器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

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；
动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

门扇行运轨道：就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。

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。

同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。

下部导向系统：是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。

1.3.2自动门的分类
自动门主要有:旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门等。

1.4 本章小结
本章主要介绍了自动门控制系统的研究意义与背景、自动门的介绍与起源、自动门的组成及分类。

主要是对自动门的发展历史以及其基本概念有一个大致的了解，为下面的设计打下一个基础。

第二章PLC的介绍
可编程控制器（Programmable Controller 简称PLC）。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的控制系统。

可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。

由于PLC在自动化控制中的种种优势，因此被广泛的引用于自动门系统中。

2.1 PLC的简介
由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。

美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（Programmable Controller），但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入∕输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制器或产生过程的自动化控制装置。

1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序控制器的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

”
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。

2.2 PLC的主要功能及特点
2.2.1 PLC的主要功能
1.开关逻辑和顺序控制
这是PLC应用最广泛、最基本的场合。

它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。

2.模拟控制（A/D和D/A控制）
在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。

过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。

3.定时/计数控制
PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。

对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。

4．步进控制
PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。

5.运动控制
在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。

6.数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。

7.通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

2.2.2 PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
2.配套齐全，功能完善，适用性强
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
5.体积小，重量轻，能耗低
2.3 PLC的组成
2.3.1 PLC的基本结构
·CPU模块
·I/O模块
·编程器
·电源
·接口
图2-1顺序功能图
2.3.2 CPU模块
CPU即中央处理器(Central Processing Unit)，是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。

主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。

2.3.3 I/O模块
I/O模块，即输入/输出模块，是PLC与外界连接的借口。

·输入模块：输入模块是用来接收和采集两种类型输入信号的模块，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等一系列开关的开关量输入信号。

另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等模拟量输入信号。

·输出模块：输出接口是用来连接被控制对象中各种执行元件，如接触器、
电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。

2.3.4 编程器
编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。

编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。

编程器一般有有两种类型：简易编程器和图形编程器。

简易编程器体积小，便宜，合适小型PLC，但是需要联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，有液晶显示（LCD）和阴极射线式（CRT）两种，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程。

不但操作方便、功能强大，还可与打印机、绘图仪等设备相连。

但是价格较高，不适用于小型PLC。

随着PLC联网功能的增强，出现了第三种编程方式，即计算机辅助编程。

由于计算机操作简易，编程量和工作效率远比前两种编程器要高。

因此，越来越多的用户更愿意采取这种编程方式。

2.3.5 电源模块
PLC内部配有开关式稳定电源的电源模块，用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流断电源。

2.4 工作原理
PLC有两种工作状态，运行状态（RUN）和停止状态（STOP）。

在运行状态中，
PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执
行，直到PLC停机或者切换停止工作状态。

除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段：
开始→诊断→与编程器通信→读入程序→执行程序→输出结果→开始
PLC这种周而复始的循环工作方式被称为“扫描工作方式”。

在工作状态下，这种工作方式所需要的时间被称为“扫描周期”。

其典型值为1-100ms。

2.5 本章小结
本章主要介绍了PLC的基本概念、PLC的主要功能及特点、PLC的组成与基本结构、PLC的工作原理四个方面的内容。

通过对PLC的了解，掌握其基本功能，将其运用到自动门控制系统中去。

第三章自动门控制系统的硬件设计
自动门的硬件根据不同的类型各有不同，此以平移型感应门为例子介绍它的硬件，主要有：自动感应门主控制器，自动感应探测器，自动感应门动力马达，自动感应门门扇行进轨道，门扇吊具走轮系统，同步皮带，自动感应门下部导向系统：是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。

3.1 PLC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要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、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。

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，在增加10%到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。

根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入14点，输出10点。

2.存储器容量的选择
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实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。

设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须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代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到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），另外再按次数的25%考虑余量。

因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，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性能的选择。

根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。

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要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。

2）编程功能
离线编程方式：PLC和编程器共用一个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。

五种标准化变成语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语言表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。

选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

3）诊断功能
PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。

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，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤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。

4.机型的选择
1）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块两类型型，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/0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/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

2）经济的考虑
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，最终选出比较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。

点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。

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用整体型PLC。

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接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，采用三菱FX2-48MR可编程控制器硬件电路的设计来实现整个系统的控制。

3.2 驱动装置的选型
自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障。

在本设计中是运用直流无刷电机。

直流无刷电机功率密度高，噪音极小、调速性能好，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。

是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择本设计选用的是亚坦电机控制有限公司生产的
45BLDC系列直流无刷电机，电机直径φ45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m，功率15W～100W。

额定电压24V DC。

3.3 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。