基于PLC及三菱FR-A540变频器控制的三速自动平移门控制系统设计(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 基于PLC及三菱FR-A540变频器控制的三速自动平移门控制系统设计 系 别 自控系 班级 102 学生姓名 学号 16 指导教师 职称 讲师 课程设计进行地点： 实训F202，图书馆 任 务 下 达 时 间： 2012年 12 月 17 日起止日期： 2012年12月17日起至 2012年 12月21日止教研室主任 年 月 日批准1.设计的原始资料及依据本系统以自动平移门为被控对象，采用PLC控制变频器，实现平移门三速自动运行。平移门两扇活动门宽度1200mm，高度2000mm，不锈钢门框。该控制系统采用S7-224PLC

2、进行逻辑控制，三菱FR-A540变频器进行调速控制，主拖动电动机为1台Y90S-4三相异步电动机，额定电压为交流380V，频率50HZ，功率1.1kW,经减速机减速后，对平移门进行驱动。设有开门/关门按钮，设有有人检测传感器，防夹传感器等。三速自动平移门适合人流较大情况，平移门按如下方式工作：（1）无人时，门关闭。（2）有人时，门超低速开启，低速启动，高速打开，接近全开时，转超低速打开至全开，有防夹人措施。（3）无人后，门反向超低速开启，低速启动，高速关闭，门将要闭合时，转超低速关门至门闭合。（4）关门过程中，如有人通过，立即执行开门程序。2.设计主要内容及要求（1）内容二速自动平移门PLC控

3、制系统设计，包括以下内容： 系统设计方案。 硬件系统设计。 控制系统软件设计。 主要控制设备选型。（2）要求控制系统要满足下列要求： 平移门两侧设有有人检测传感器，无人时，门关闭。任一侧有人时，平移门超低速开启，低速启动转高速开门，当门接近最大开距时，转超低速开启至最大开距。 门上方设有有人检测传感器，防止有人时关门夹人。 当无人时，门按照超低速开启，低速启动，高速关门，超低速靠近的方式工作，至门关闭。关门过程中，如有人通过，立即停止关门，平移门转入超低速开启，低速启动，高速打开。 平移设有手动开门/关门按钮。3.对设计说明书、论文撰写内容、字数的要求； （1）设计题目、目录、原始数据及技术要

4、求等。（2）设计目的、设备器材、设计原理及内容，包括硬件和软件的设计步骤说明及相关图形。字数不少于3000字（3）系统原理总图及控制系统流程图。（4）控制系统程序。（5）设计总结。（6）参考文献。4.课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求；（1）课程设计说明书；（2）硬件设计原理图；（3）软件流程图。（4）控制系统程序。5.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注112.17明确设计任务，搜集相关资料212.18硬件电路设计及元件选择312.19软件设计412.20撰写课程设计说明书512.21撰写课程设计说明书及打印说明书6.主要参考资料（文献）。（1）现代电气控制及

5、PLC应用技术（第2版）王永华，北京航空航天大学出版社（2）工厂电气控制技术（第2版）方承远，机械工业出版社（3）三菱变频调速器 FR-A540使用手册三菱电机株式会社 目录1 、本课题研究的内容本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。1.自动门类型的选择。综合了自动门的简洁、简单的要求，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分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。2.自动门硬件系统的设计。本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需要，故在本设计中所选用的智能控制

6、器为稳定性良好的西门子S7-200PLC。在自动门的开关门速度控制上本设计以FR-A540变频器作为调节器，运用变频器的三段速控制来实现自动门的转速控制，为了解决变频器在频率很低的时候会出现不稳定的问题，驱动装置选用功率强大、稳定性较好的自带减速装置的三相交流电机，在感应器运用自动门专用的微波雷达感应器和在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，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。由于本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动门的经济实用、稳定的需要。3.自动门软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯

7、形图的编程能直观明了的设计出自动门控制的要求，并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题。1.1 课题设计意义 自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门发展的黄金时期。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。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。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

8、，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、冶金钢铁、汽车、轻工业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，维修方便等特点。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性，对于整个自动门行业是一次技术的革新，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。 2 总体设计的方案2.1 自动门的功能分析本设计面向商场，银行，宾馆等入口的应用，需要有安全和可靠

9、性，如图1.1所示：传感器图1-1自动门结构图本课题所设计的自动门具有以下功能： 平移门两侧设有有人检测传感器，无人时，门关闭。任一侧有人时，平移门超低速开启，低速启动转高速开门，当门接近最大开距时，转超低速开启至最大开距。 门上方设有有人检测传感器，防止有人时关门夹人。 当无人时，门按照超低速开启，低速启动，高速关门，超低速靠近的方式工作，至门关闭。关门过程中，如有人通过，立即停止关门，平移门转入超低速开启，低速启动，高速打开。 平移设有手动开门/关门按钮。2.2 系统设计的基本步骤在自动门控制系统的设计过程中主要应考虑以下几点：1.了解和分析自动门的控制要求。2.根据自动门控制系统的功能要

10、求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。4. 列出I/O分配表，5. 画出PLC的原理图及接线图。6. 设计自动门系统的梯形图程序，先画出流程图，再根据要求编写出程序，这是整个设计的重点部分。7.系统的调试。2.3 自动门技术参数的确定公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，不同场合使用的情况也不一样，例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，所以在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增

11、加关门延迟时间等。本次设计的自动门具体参数如表2.1所示。表1-1 自动门具体参数单扇开启宽度（mm）1000mm（最宽）单扇门的最大承重（kg）1x120kg高度（mm）2000mm快速运行中的速度（cm/s）58cm/s慢速速开/关门速度（cm/s）20cm/s开启保持时间（s）10s（程序中可调）可编程控制器（PLC）电源220V AC,50-60Hz驱动器电源380V AC,50Hz驱动器输出额定功率1.1KW超低速10cm/s 3 自动门硬件系统的设计本设计运用S7-200PLC控制FR-A540变频器变频器来调节1台Y90S-4三相异步交流电动机运转最终实现自动门运转。门内外感应器

12、采集信号速度采集信号手动控制开关安全感应器P L C变频器蜂鸣器交流电机开/门 指示灯图31 控制系统结构图3.1 传感器的选用目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应器，光电传感器，接近感应开关等，根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中。结合本课题的实际需要在设计的自动门的人员检测上运用的是微波感应器，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，它的特点是几乎不受周围环境因素影响。在防夹人感应器的选择上本设计选用光电传感器，可避免外界光线干扰。在门关闭时,当有人或车经过安全光线时,门体会自动停止关闭,并自动开门以

13、起到安全作用。自动门的速度信号采集上运用了非埋入型接近传感器，这种传感器的特点是能检测所有的金属，最大检测距离为20mm，检测距离调节方便，安装简单。1 接近开关:接近开关又称无触点行程开关，它不仅能代替有触点形成开关来完成行程控制和限位保护，还可以用于高频计数、测速、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接。接近开关按工作原理来分：高频振荡型，感应电桥型，永久磁铁型等。在这里我们选择高频振荡型来代替电路图中的限位开关。高频振荡型接近开关，它的电路是由LC振荡电路，放大电路和输出电路三部分组成。其基本工作原理是：当被测物（金属）接近到一定距离时，不须接触，就能发出动作信号。常用的有LJ1、LJ2和LX

14、JO的系列。2 光电式传感器光电式传感器工作原理光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。图32 光电传感器工作原理发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射

15、板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。3.2 变频器的选用3.2.1 变频调速技术自从20 世纪80年代以来，变频调速技术在工业化国家已开始了规模化的应用。80年代以来，我国的民用及工业电气设计等领域也开始使用变频调速技术。变频调速与通常的调速（如直流电机调速）比较，具有很大的优越性：整个系统体积小、重量轻、控制精度

16、高、保护功能完善，操作过程简便，可靠性高，通用性强。尤其是该技术用于一些耗能设备的控制上，具有非常显著的节能效果：通过对用电设备进变频调速技术改造，可使总耗电量减少30%-40%，节能的量产生了一种飞跃。鉴于变频调速设备的价格总体呈现逐渐下将的趋势，而电价却在稳定地上调，因此对建筑工程和企业部分大容量电机进行变频设计与改造，回收投资周期亦很短暂，而所创造的经济效应和社会效益则是显著的。目前，国外许多优秀的变频调速系统和成套设备已大举进入中国市场，如欧洲的ABB，德国的西门子，丹麦的丹佛思，日本的三肯、三菱、富士，法国的施耐德，韩国三星、LG、九德松益，美国的罗宾康，英国的欧陆等变频器系列。国内

17、也生产了几种变频调速设备，其质量可与国外的变频器产品相抗衡，如佳灵公司的佳灵变频器，深圳华为公司的ENYDRIVE变频器等。3.2.2 变频调速工作原理 由电机学的一个基本公式 n=60f/p式中电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机同步转速。异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速n增加，实际转速也增加；电源频率下降，电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调在工程中，鼠笼式电动机在电动机数量中占主导部分。因此，对鼠笼式电动机的调速控制成为建筑领域中电机调速的主要部分。在变频调速技术中，向电动机提供频率可

18、变的电源并控制电动机的转速是由变频器完成的。变频器（VVVF）是Variable Votage Variable Frequency等英文字头的缩写，意思是变压变频器原理。3.2.3 变频器的选型根据自动门的需要，变频器选型时要确定以下几点：1.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。本课题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和过载能力。在本课题所使用的三相交流电机的最大起动电流为Y形接法为0.37A，形接法为0.64A，本设计中采用Y形接法，所用

19、的变频器的最大电流应大于电机的Y形接法的最大起动电流。（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，本课题所用电机的最初起动转矩为1.4Nm，在选型中要考虑。2在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。综合以上因素，本课题变频器采用FR-A540变频器变频器（0.37-4 kW）作为控制电机转速的控制器。 这是FR-A540变频器的图 FR-A540变频器（0.37-4 kW）：（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

20、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，并且具有二速设定功能，可以满足本课题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变频器的参数设定本课题所设计的自动门系统具有如下速度要求：自动门要求快低速启动，高速打开，接近全开时，转低速打开至全开, 构成了如图3-4的开门和关门曲线。根据转速公式：n=60f/p(1-s)其中f表示电流的频率，p表示电机的磁极对数，s表示电机的转差率，n表示转子的实际转速，计算出变频器的设定频率。根据公式和电机参数p=6，额定转速为400 r/min，算出电机的转差率S=-0.2

21、5。（1）根据任务要求提到的门的规格,慢开门或者关门的距离为2，0cm，时间控制在0.5S，速度为,2400cm /min，此时要求转子的转速为204r/min。（2）高速开门和关门的距离为65cm，时间为2s,速度为1950cm/min，此时要求电机的转速为110.4r/min。（3）慢速开门和关门接近全开或全闭的距离为30cm,时间为1.5s,速度为1200cm/s，此时要求电机的转速为67.9r/min。根据以上速度要求设置变频器，变频器的频率具体设定方式见表2-1，根据以下设定方式按课题要求设定好变频器二速控制的频率。 图3-4 开门和关门曲线变频器的频率具体设定方式如下表表3-1 变

22、频器设定表名 称表示设定范围最小设定单位设定值上限频率(Pr1)0120Hz0.1Hz50Hz下限频率(Pr2)0120Hz0.1Hz0.1Hz2速设定（高速）(Pr4)0120Hz0.1Hz30Hz2速设定（低速）(Pr6)0120Hz0.1Hz15Hz加速时间(Pr7)0999s0.1s0.2s减速时间(Pr8)0999s0.1s0.2s操作模式选择(Pr79)04,7,812超低速（pr5) P5 0120Hz0.1Hz6HZ3.3.3控制系统的电气接线图3-6 控制系统的电气接线 4 软件系统设计 4.1 自动门系统I/O分配表I/O分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接

23、线和调试的重要依据。根据自动门的控制系统的要求，确定了PLC的I/O分配表，在下表中列出：表4-1 PLC的I/O分配表类型PLC地址作用输入I0.0有人检测I0.1开关限位I0.2关门限位I0.3防夹IO.4手动开门I0.5手动关门I0.6手动停止I0.7无人检测输出Q0.0正传超低速QO.1正传低速Q0.2正传高速Q0.3反转超低速Q0.4反转低速Q0.5反转高速4.2程序流程图根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照下图2.2所示的流程运行。图4-1 程序流程图4.3 自动门程序设计 在编写梯形图的过程中遵循以下编程规则：1每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使

24、用时没有数量限制。2梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。3线圈不能直接接在左边母线上。4在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应避免。据以上规则和PLC的编程方法和思路编写了本课题设计的自动门控制系统的梯形图程序，具体梯形图程序如下图。5课程设计总结通过本次毕业设计，我初步试着用自己所学的专业知识，设计出程序和硬件系统，进一步理解了PLC控制系统的设计方法，提高了PLC梯形图的编程能力，掌握了PLC控制系统的调试技巧，虽然在这其中自己提高了很多，但同时这也让我明白自身知识的贫乏，很多方面还需要加强努力；体会到网络资源的丰

25、富，找资料也需要技术，开拓了眼界，并为以后查找资料垫定了基础。一个设计的完成并不只是了解某一方面的知识就够了，还需要了解和掌握与之有密切关系的其他课程知识的学习。硬件开发是PLC控制系统应用开发的基础，软件的开发是建立在硬件之上，软硬件设计的巧妙结合是项目开发质量保证的关键。如果我们能用软件解决的问题，应尽量用软件解决，毕竟软件开发成本低，只需开发时间。PLC控制系统在满足使用功能的前提下，还应具有较高的可靠性，一旦出现故障，必将造成整个自动化过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，对可靠性的考虑应贯穿于PLC控制系统的设计的整个过程。设计是在他人的基础之上建造属于自己的东西，我们要学会的

26、就是把人家已经制造好的东西，添加自己的思想组合、加工。而这也不是简单的事情，要保证它功能实现的同时要考虑到产品的实用性、安全性、持久性、可靠性、稳定性等。同时，通过本次系统的设计，我进一步了解了PLC和变频器有关方面的知识，掌握了设计一个系统的基本思路。在本次系统的设计中也碰到了一些问题，比如在程序编写中，一开始没有考虑关门过程中有人门要重新打开这个问题，一开始设计的是要等门关完后才能重新打开，经过改进解决了这一问题。总之、经过老师悉心的指导和同学的帮助，加之自己的努力，顺利完成了本次课程设计，在这里要感谢我的老师。在整个设计过程中能耐心的指导，答疑解惑，为我的课程设计提供了很大的帮助，的以设

27、计的顺利完成。6参考文献 1 刘四妹. PLC技术在自动门控制系统中的应用J. 电工技术 , 2009,(11) 2 张春秋. 可编程序控制器(PLC)在自动门上的应用J. 中国科技信息 , 2009,(05) 3 吴云亚, 阚加荣. PLC编程技巧J. 中国科技信息 , 2006,(06) 4 杨育宏. 可编程序控制器与变频器的组合使用J. 科技信息 , 2009,(29) 5 温建芳. PLC(三菱FX系列)教学方法研究J. 机电信息 , 2009,(36)6 贺丽平, 李剑. 电气控制与PLC课程实践教学思路的探索J. 黑龙江科技信息 , 2009,(30) 7 邹恩, 漆海霞, 杨秀丽. “自动控制原理”课程教学的方法研究J. 中国电力教育 , 2009,(20)8 孙成通. 机械设计基础教学模式的研究J. 临沂师范学院学报 , 2005,(03) 专心-专注-专业