自动门PLC控制装置_邵阳学院.doc

1、目 录第1章 总体方案的设计1.1 设计任务1.2 设计场合1.3 设计规格1.4平滑自动门的工作原理1.5设计方案第2章 PLC的选型2.1 PLC容量的选择2.2 PLC及外设型号的选择第3章 I/O地址分配第4章 电气原理图4.1 方案说明4.2 PLC控制输入输出接线图第5章 系统程序设计5.1 PLC控制逻辑图5.2 PLC梯形图5.3 PLC控制程序第6章 门体设计6.1 门体的构成6.2 门形式的选择6.3 门体的相关参数第7章 驱动和传动系统的设计7.1 自动门运行阻力计算7.2 自动平驱动功率计算7.3 减速电机的选型7.4 齿带传动的设计结论文献 第1章 总体方案的设计1.

2、1 设计任务 以平滑自动门为设计对象，完成以PLC为基础的自动门机械零部件的设计。1.2 设计场合本文以某营业厅自动门为例，完成以PLC为控制器的自动门机械零部件的设计，设计的对象是按照洞口宽度为4m高度为3m的洞口尺寸进行设计，这种规格尺寸主要适用与小人流的场合。在营业厅自动门正上方里外各安装一个红外探测开关，当有人欲进入时，红外探测开关检测出有人要进入或出去，从而产生输出信号。PLC获取到该输入信号，启动电机，将门打开。当门打开到一定程度后，碰到限位开关，限位开关动作，产生输出信号，自动门停止动作。等待一时间段后，自动门自动合上。在闭合过程中，如红外探测开关检测有人要进入或出去时，自动门停

3、止闭合，并立刻打开。为了保障门的安全性，设置关门限位开关，从而保障在自动门闭合即将结束时，不会发生两扇门碰撞。1.3 设计规格名称尺寸（mm）洞口高度3000洞口宽度4000固定门扇高度2100固定门扇宽度950活动门扇高度2100活动门扇宽度900门扇厚度10门扇运行速度0.5m/s开门方式平滑1.4 平滑自动门的工作原理首先，平移式自动门组由以下部件组成： （1）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，当有移动的物体进入

4、它的工作范围时，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，控制门扇加速与减速运行；（4）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、滑动；（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（或三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统；（7）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。（2）门扇要完成开门和关门动作，其原理如下：门正上方安装有一个红外传感器，其红外发射管发射出一束红外光，在检测区内形成辐射面，这辐射面为检测区。此光线会反射，在有目标进入这一区域

5、时，红外线接受管检测并发出一个反映红光变化的电信号。该信号经过放大、整形输入PLC，PLC然后按照设定好的程序命令电机和驱动机构工作，使门扇按照设定的程序开启、加速、全速、制动后慢速、全开、开门后保留一段时间再关门，关门同样按照制定的程序运行，先加速、全速、制动后慢行、关闭。当关门时遇到障碍物时门扇会倒退，直至无障碍物时才关门。1.5 设计方案该方案是通过减速电机直接输出转矩驱动齿形带主动轮转动，从而带动齿形带传动，吊件与齿形带之间通过皮带夹固定在一起，实现同时的左右运动，当主动轮顺时针转动时，皮带也顺时针传动，右吊件跟随皮带向右运动，左吊件跟随皮带向左运动，两门扇向相反方向运行实现自动门的开

6、启，当触碰到限位开关时，信号会传送到PLC控制自动门减速到停止。而当主动轮逆时针转动时，左吊件向右运行，右吊件向做运行，使得自动门处于关门动作。第2章 PLC的选型 当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成了最重要的事情，一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。2.1 PLC容量的选择对PLC容量的选择问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是用晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，

7、如果它们之中既有交流220V的接触器，电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以要尽可能选择先同等级的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲数出，就可以定下选用多少点和I/O是什么类型的PLC了。 根据本课程设计的题目及要求可知门内光电探测开关K1，门外光电探测开关K2,开门到位限位开关K3,关门到位限位开关K4,都是输入

8、触点，所以该系统共有开关量输入点4个。另外，该系统还有开门执行机构KM1，(使直流电动机正转)，关门执行机构KM2（使直流电动机反转），短接启动电阻接触器KM3等都是输出触点，所以该系统共有开关量输出点3个。又根据课题要求可知PLC选用输入电源为24VDC，输出电源也是24VDC,选择输出口器件类型为Relay即继电器的PLC。2.2 PLC及外设型号的选择对于PLC及外设型号的选择问题，则有以下几个方面要考虑： （1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。 （2）价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似，质量

9、相当，I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。 （3）个人喜好方面 有些工程技术人员对某些品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。 PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。如模拟量单元，显示设定单元，位置控制单元或热电偶单元等。 对于本课设来说不需要扩展单元与模拟量单元，据上表可知选择PLC可以选择欧姆龙系列PLC,根据以上的分析可知可以选择主机型号为CPU221/DC/DC/Relay的S7-200系列PLC。第3章 I/O地址分配输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对

10、控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图，装配图，让装配人员根据线路图和安装控制柜。分配输出点地址时，要注意负载类型的问题。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码、地址和作用以表格的形式列写出来。 控制系统的输入/输出信号的名称、代码、地址、作用名 称代 码地 址作 用输 入 信 号门内光电探测开关K1X0感应开关门外光电探测开关K2X1开门到位限位开关K3X2开限位关门到位限位开关K4X3关限位输 出 信 号开门执行机构KM0Y0电机正转开门关门执行机构KM1Y1电机反转关门 第4章 电气原理图系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计主

11、要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。软件系统设计主要指编制PLC控制程序。在程序设计时，除I/O地址列表外，有时还要把在程序中用到的中间继电器（M）、定时器(T)，计数器（C）和存储单元(V)以及它们的作用或功能列写出来，以便编写程序和阅读程序。在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：（1）有些PLC使用梯形图编程不是很方便（例如书写不便），则可用语句表编程，但梯形图总比语句表直观。（2）经验丰富的人员可以用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。（3）如果是清晰的单顺序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好是用功能图

12、来设计程序。4.1 方案说明由于自动门的分类很多，本次实验不能一一进行讨论，最后决定主要对平移自动门进行设计实现plc的自动控制。下面主要对控制部件进行讨论。经分析设计任务，可知完成任务的实质就是控制电机的正反转。要实现自动控制首先要具备以下功能部件：光电检测开关，限位开关，超载保护开关，直流电机。现确定电机与门扇轨道组成的系统，要实现电机正转开门，电机反转关门。1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关时，开关上有电流通过（光电检测开关是脉冲触发须对其自锁）由于开门限位开关常闭，所以线圈上有电通过，电动机正转，到达开门限位开关位置时，电机停止运行。2）当自动门到开门限位开关位置时启动延时定

13、时器8秒后，自动进入关门过程，电动机反转，当门移动到关门限位开关时，电机停止运行。3）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，应立即停止关门，并自动进入开门程序。4）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。5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制从在一定的问题，最后决定加增手动开门和关门开关。4.2 plc控制输出输入接线图 （草稿纸上）第5章 系统程序设计5.1 PLC控制逻辑图 （草稿纸上）5.2 PLC梯形图 （草稿纸上）5.3 PLC控制程序LD M8002

14、初始化脉冲，作启动条件SET S0 初始化条件STL S0LD X000 检测到有人由内到外或由外到内通过 OR X001SET S20STL S20LDI X002OUT Y0000 电机正转，开门LD X002SET S21STL S21OUT T0 K80 开门位置停留8s后，自动进入关门过程 LD X000 当检测到有人员由外到内或由内到OR X001 外通过停止关门，并自动进入开门程序ANI T0OUT S20LD T0SET S22STL S22LDI X001ANI X000ANI X003OUT Y0001 若无人通过，电机反转关门LD X001OR X000 若有人，则再次返

15、回到开门程序OUT S20 RET END 第6章 门体的设计6.1 门体的构成 平滑自动门的门体由固定门体和活动门扇组成。其中固定门体包括固定门扇、整体门框、可安装驱动机构的横梁、横梁上部的上亮子玻璃窗。6.2 门形式的选择平滑自动门的结构形式主要有两种：即单开式和双开式，单开式就是只有一扇门从单侧自动滑开。双开式是两扇门同时从中间滑向两侧或两侧滑向中间。根据功能要求和设计要求，选择双开式作为本次设计对象。单开式双开式6.3 门体的相关参数名称尺寸（mm）活动门扇高度2100活动门扇宽度900门扇厚度10密度2500kg/表3-1 门体规格参数根据设计的规格门扇高度，单扇门宽度，厚d=10m

16、m，计算出自动门的体积为：因为门体材料选择的是钢化玻璃，其密度，所以有单扇门的质量：因为门体还有玻璃夹和止摆装置等附件，我们可以把单扇门的总重看为55kg自动门的运行速度一般是取0.30.5m/s,这里我们取的是0.5m/s进行设计。下图为门体的整体平面外形图： 第7章 驱动和传动系统的设计7.1 自动门运行阻力计算自动门运行阻力计算：平滑自动门总运行阻力包括摩擦阻力、风阻力、坡度阻力和惯性阻力。因为坡度斜角小，运行速度慢，所以坡度阻力和惯性阻力忽略不计。（1）摩擦阻力摩擦阻力包括门滑轮的滚动摩擦阻力、门滑轮轴承中的摩擦阻力以及门滑轮轮缘与轨道之间的滑动摩擦阻力。为了简化,假设其总运行效率为0

17、.95。（2）风阻力。根据实际环境情况，这里取六级风压进行阻力计算。自动门的风阻力为： 式中为风力系数，平滑门风力系数取1.1； A 垂直与风向的迎风面积（自动门的总面积）； 计算风压（Pa）； 门滑轮与止摆器的综合摩擦系数，这里取0.1。 查表得六级大风风速：； 这里取。风压计算公式：综上 7.2 自动门驱动功率计算根据传动的实际情况，取各部分传动效率如下：联轴器效率：滚动轴承效率：闭式齿轮传动效率：所以取减速电机的效率取。电动机工作时需要的功率为：所以减速电机的驱动功率为54.5W。7.3 减速电机的选型7.3.1直流电机的调速他励或并励直流电动机相比于交流电机而言，其结构复杂、价格高、维

18、修不方便，但是在调速方面却有其独特的优点。鼠笼式电动机在一般情况下是不能够实现调速的，更不能进行无极调速，所以对于调速要求较高的设备，通常采用直流电动机，这是因为直流电机能够实现无极调速，并且机械传动机构比较简单。7.3.2 确定减速机型初选同步带轮直径d=60mm。则主动轮转速：由公式得：减速电机的输出动轮速比：根据装置的驱动功率和减速器输出的速比，选用日本进口的SS40E8-H4E8-12.5型号直流减速电机，其功率P=80W，额定转速200r/min。A=24mm,B=70mm。7.4 齿带传动的设计7.4.1齿带传动各个参数的设计计算（1）齿带传动特点齿带传动主要部件为齿形同步带。其传

19、动综合了齿轮传动、链传动和带传动的优点，克服了其它各种带打滑和伸长等缺点，构成了一种独特的传动形式。同步齿带传动具有传动准确、平稳、噪声小、无滑差、承载能力高、寿命长、带齿受力均匀合理和具有最小膨胀系数以及最大可靠性等优点。同步齿带可以获得恒定的速比，且速比范围大，允许的线速度高，传递效率高，结构紧凑，具有耐油耐潮等特点，使得其可以在环境较恶劣的条件下工作。（2）同步带的主动轮转速齿带传动的设计计算通常按照同步带传动进行设计计算。初选同步带主动轮节圆直径。根据公式计算得：（3）同步带的功率为工况系数，查表取=1.6。则 （4）同步带带型的选择 参考同步带选型图，根据带轮转速和同步带功率，选择带

20、型为L型。L型同步带承载载荷属于轻型载荷，其齿形尺寸如下：带型（节距代号）节距（）（mm）齿形角齿根厚齿高带高h齿根圆角半径齿顶圆角半径L（轻型）9.525404.651.913.60.510.51 查表得L型同步带的基准宽度（5）确定带轮齿数Z和带轮节圆直径d根据小带轮转速和L型带型，参照小带轮最小齿数表，有小带轮最小齿数，小带轮齿数，取=20.L型带型的节距Pb=9.525mm，则有节圆直径：（6）验算带速v即满足要求。（7）确定中心距和同步带长度图4-5自动门运行线路图图中实线部分表示两扇门的关闭状态，虚线表示两扇门的完全开启状态。L1是活动门扇的宽度，L2是桥门的宽度，L3则是门开闭全

21、过程中占用的皮带长度，根据给定的尺寸，可以计算得到L3，所以有：而齿轮的中心距，同时考虑留有皮带剩余余量，所以取。由公式得：所以选取的同步带长度为6590.5mm。（8）确定同步带宽度L型同步带的同步带基准宽度为25.4mm，许用工作拉力，而工作时候所需拉力，所以当带宽取25.4mm的时候，满足使用要求。即（9）齿轮轴的强度计算和材料选择带传动作用在轴上的压力由式得：轴承的材料最常用的45#钢，因为这种材料的机械综合性能比较好，下面就以这种材料为列来进行强度的验算。带传动在轴上的压力会以齿轮轴的固定点为支承点产生一个弯应力，现在对轴的强度进行计算（轴承的直径为.0.022m，轴承受力点与支点的

22、距离L为0.01m）：最大弯矩：抗弯截面系数：强度=M/W=因为45钢的许用弯应力为102Mpa，所以选用这种材料是满足要求的。7.4.2 齿带传动张紧装置的设计带传动在运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛，从而影响工作性能或致使带不能正常工作。为了有效的防止这种不良结果的产生，就必须采取有效的补救措施。现在常用的措施有下面几种：1、定期的张紧装置。2、自动张紧装置。3、采用张紧轮的张紧装置。根据自动门的使用环境和条件，要求整个传动装置结构简单，占用空间少，采用张紧轮的张紧装置会使整个自动门传动装置占用的空间变大，同时也使得自动门的皮带运行方向改变，不能正常带动皮带夹来实现自动门的

23、开闭，所以不宜采用，而自动张紧装置是将有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用电动机的自重，使带轮随同电动机绕固定轴摆动，来保持初拉力，所以也不适合采用。固选用定期张紧装置的方式来进行张紧。下面是本次设计采用的弹簧张紧装置。张紧装置的结构如下：张紧装置的主要构成部分有：1、底座 2、调节推板 3、调节杆 4、预劲弹簧 5、螺母图4-6张紧装置结构图张紧装置的工作原理：自动门在安装的时候，旋转调节杆3向前旋转，从而使弹簧4处于预紧状态，如果同步带传动出现松弛的时候，则只需旋松调节推板2和螺母5，在弹簧向左推力下，雕节挡板带动齿轮一起向左移动，从而使得皮带能够重新张紧。如果还不能满足张紧要求，可以再

24、旋转调节杆，再进行调整。其三维模型图如下（含齿轮）：图4-7张紧装置三维图结 论本次设计主要完成了对平开自动门机械零部件结构的设计和控制部分主要硬件的选择，在自动门的设计中，要把握设计思路，首先就是需要了解平开自动门的构成，然后才能根据构成的部件依次进行设计。本次设计中主要完成了以下工作：1、确定了整个门系统的设计方案。2、门体的外形设计，尺寸确定。3、驱动机构的选择，通过计算自动门运行阻力，确定驱动功率，然后根据们系统的驱动功率和传动机构的速比，选择的SS40E8-H4E8-12.5型直流减速电机。4、齿形同步带的设计。其中完成了对皮带的选型，皮带长度的计算，齿轮的设计，带传动张紧装置的设计

25、等内容。5、控制系统硬件的选择按照设计任务书，工作也是基本完成，虽然设计任务完成了，但还有很多需要改进和欠考虑的方面，我的努力只能说是此新课题的一个开始，希望在以后的设计中能被更多的同学去进行大胆和新思路的创新，逐步完善这个课题，吸收和借鉴国内外先进的设计理念，从而开发出我们自己特色的产品。参考文献濮良贵主编，机械设计第八版。高等教育出版社侯洪生主编，机械工程图学。科学出版社王三明主编，机械原理与设计课程设计。机械工业出版社高安邦主编，新编机床电气与PLC控制技术。机械工业出版社冯鉴主编，机械原理。西南交通大学出版社张伟社主编，机械原理。西北工业大学出版社李鸿勋主编，自动门工程 设计-加工-安装。中国水利水电出版社机械设计手册编委会，机械设计手册。机械工业出版社181