頁共30頁1緒論1.1本課題研究的目的和意義本課題研究的目的是為了可以更好地滿足用戶實際的需求，根據(jù)不同的用戶可以提供具有不同功能的自動門給用戶，而這些功能的滿足就是通過增加或減少自動門的輸入和輸出的設備。例如，如果用戶并不需要自動門的密碼鎖功能，那么我們就可以拿掉密碼輸入面板，同時刪除控制程序中的對應的密碼鎖部分就可以了。本文所設計的產(chǎn)品在實際中擁有非常高的可行性以及較高的運行可靠性。雖然實際生活中擁有種類繁多的自動門，但是本文設計的產(chǎn)品并未與它們完全重疊，所以本設計是對自動門行業(yè)的一種補充[3]。1.2自動門在國內和國外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀在上世紀三十年代左右的美國開始使用自動門，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，自動門應用也越來越多，尤其是歐美地區(qū)在五十年代后開始大規(guī)模應用。直到上個世紀九十年代，自動化系統(tǒng)控制取得了極大的成功并迅速成熟，自動門的核心技術就是依賴于自動控制技術。在現(xiàn)實生活中，使用自動門技術可以降低大量能源、有效降低運行噪音、同時可以實現(xiàn)防塵、防風的目的，同時還可以在不同的出入口定制主題的自動門來提高使用場所檔次，因此自動門在市場上廣受歡迎。在現(xiàn)實生活中，幾乎所有的大型商場、賓館等公共場所的出入口，可以隨處看見它們都采用了自動門來代替了傳統(tǒng)的手動門。雖然在我們國內，自動門的使用場所也非常廣泛，但是我們的自動門自主研發(fā)程度還不是很高[4]。1.3本課題研究的內容由于自動門類型存在許多類型，具體如下圖所示，所以在對自動門類型進行選擇的時候要考慮的問題還是比較多的。圖1.1平滑自動門圖1.2圓弧自動門圖1.3折疊自動門圖1.4旋轉自動門在綜合考慮本文設計產(chǎn)品的功能要求和應用場景后，本文選擇的自動門的類型為平滑自動門。平滑自動門的安裝方法十分簡單，可以在原來已有的手動平開門基礎上裝置，而且不需作更多的改動即可將門改型晉級，除此之外，由于平滑自動門采用上裝式的安裝方法，所以在施工時非常方便。因此，在很多場所無論是新建工程還是改建工程，都可以選用這種類型的自動門。本課題內容主要是關于自動門的機械結構的設計和控制系統(tǒng)的程序設計。自動門的設計首先要根據(jù)其所適用的場所來確定本文的自動門的類型，由于本文設計的自動門主要應用于商場、餐廳以及公司等場所，所以我們可以首先確定本文的自動門的結構為雙開式平滑自動門。然后，根據(jù)實際使用要求來對自動門的其他設備進行增加或者刪除。本文設計的基于PLC的自動門禁系統(tǒng)要求我們要在原有自動門的基礎上添加密碼功能。為了優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計以及減少輸入設備帶來的額外成本和更簡單的安裝形式，本文設計的密碼鎖功能也是基于PLC的。本文的機械機構部分主要為自動門各個標準件的選型和一些參數(shù)的確定，以及一些非標件的設計。具體設計過程就是根據(jù)使用現(xiàn)場的實際情況來確定自動門的大小，然后根據(jù)實際的驅動要求來設計自動門的驅動系統(tǒng)，除此之外，還要對其他的一些必要的附件進行選型和設計，如門夾結構等。2自動門的總體方案設計2.1自動門的機械結構設計此設計主要是面向公司以及商場為主要受眾群體，因此這就對產(chǎn)品的可靠性和安全提出了更高的要求，通過對產(chǎn)品功能需求的分析，繪制出了本產(chǎn)品的總體結構圖，具體的結構如下圖2.1所示：圖2.1自動門結構圖完成了自動門的結構設計之后，就要對自動門的傳動結構進行設計。根據(jù)本文產(chǎn)品的實際需求以及其他方面的考慮，最終本文設計的產(chǎn)品的傳動結構如下圖2.2所示，這種傳送裝置具有使用時間長、價格便宜、體積小以及運行平穩(wěn)等優(yōu)點，非常適合本文設計的產(chǎn)品。 圖2.2自動門傳動結構2.2功能需求分析為了滿足自動門在實際應用中功能需求，此次設計的自動門滿足以下需求：1．滿足自動門的開關：自動門的開關分為自動運行模式和通過密碼鎖運行兩種模式，。在不同的場合可以采用不同的運行模式，例如，在人流量較大而且不需要進行身份驗證時可以采用自動運行模式。在這種運行模式下，自動門檢測到有人接近時就自動開門，當人通過門后，可以進行自動關門。而在人流量較小并且需要進行身份驗證時，就采用通過密碼鎖運行的模式。在這種模式下，人員的通過需要通過輸入密碼進行驗證，當驗證成功后，就可以通過開門按鈕和關門按鈕來對自動門的開關進行控制。這兩種運行模式通過安裝在門上的開關進行切換。2．開關門時的提示功能在自動門的開啟和關閉時候，通過PLC輸出信號給安裝在門上的小喇叭，用小喇叭內置的語音來提醒要通過自動門的行人應該要注意什么，以及應該怎么做，以此來減少事故發(fā)生的可能性。3．預防本設備出現(xiàn)夾人情況的功能為了預防本設備出現(xiàn)夾人情況的出現(xiàn)，所以在設計本產(chǎn)品的時候一定要考慮到這些。因而本產(chǎn)品在設計的時候在自動門的兩邊分別安裝防夾人紅外感應器，通過傳感器來確保運行的自動門不會夾到過往行人[4]。2.3控制系統(tǒng)的設計在設計和調試系統(tǒng)時候最重要是系統(tǒng)的設計調試過程，畫出系統(tǒng)設計的主要步驟的流程圖流程圖，以此來去人系統(tǒng)的設計思路和想法，便于系統(tǒng)的優(yōu)化和更改，本文具體的系統(tǒng)設計的設計的流程圖可見圖2.2在自動門的設計過程中主要考慮了以下幾點：1.首先是必須清楚了解自動門的機械結構和控制自動門的具體要求；2.明確整個自動門控制系統(tǒng)的I/0接口。根據(jù)自動門自動控制原理的需求，在生活中常用的輸入設備有各種按鈕、選擇開關、行程開關、傳感器等輸入設備，而常用的輸出設備有各種繼電器、接觸器、指示燈等；3.依據(jù)本文的輸入和輸出的點數(shù)以及其他需求來確定合適PLC型號；4.根據(jù)實際情況來分配PLC程序的I/0點，從而制定出具體I/0分配表和接線圖5.設計自動門控制系統(tǒng)的梯形圖程序，一定要根據(jù)工作的具體要求來設計出詳細和完整的梯形圖程序，這是本文自動門控制系統(tǒng)設計的核心工作；6.將程序寫入到PLC后，進行程序測試和查找程序的錯誤，進而使控制系統(tǒng)的程序達到更加完善的層次；7.自動門系統(tǒng)的整體調試，在PLC軟硬件設計完成而且和完成了現(xiàn)場施工，就可以對整個系統(tǒng)進行聯(lián)機調試，在聯(lián)機調試的過程中，如果發(fā)現(xiàn)的問題必須要正確解決，一直到整個調試過程沒有錯誤產(chǎn)生[5]。圖2.2系統(tǒng)設計流程圖3自動門的設計及選型根據(jù)本文具體的設計要求，以及本文設計的產(chǎn)品應用的自動門的類型為平滑自動門，其特點如下文所示。3.1平滑自動門概述3.1.1平滑自動門的特點和使用范圍1.平滑自動門的特點。(1)設備可以自動的開門和關門，使用起來非常方便。這種設備主要是通過小型控制器來控制門扇的開啟和關閉以及開啟和關閉的速度，而且控制器可以在設備運行的時候可以自我監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而設備具體的運行模式通過再設計產(chǎn)品的時候可以寫入到控制器中，這樣設備的安裝和調試會非常簡單和方便。除此在外，設備的運行阻力不是太大，這樣在設備出現(xiàn)問題的時候也可以通過人員進行強制打開門，防止出現(xiàn)緊急情況。(2)設備在運行的時候比較平穩(wěn)、噪音小而且相對比較安全，可以通過更大的人流量。設備的運行速度可以通過控制器進行設定，而且還可以自行變換不同的運行速度。由于設備的驅動裝置采用了電動機作為動力源，而電動機可以實現(xiàn)無極調速，以此設備可以通過較快的速度開門來提高人員的通過效率，再通過較低的速度關門來提高設備的安全性能。(3)具有自動補償?shù)墓δ?，環(huán)境適應能力非常強。由于設備采用的是電動機作為設備的動力源，所以自動門在運行中因風力加大或其他因素阻力增加時，電機會輸出更大動力來以補償外界環(huán)境變化的需要。(4)設備的可靠性非常高，可以保證設備可以長時間無故障連續(xù)運行。設備的機械結構相對比較簡潔，而且多數(shù)采用金屬材質，而且自動門的動力源采用的是電動機，這種結構的設計完全可以保證設備可以長時間并且無故障的運行。除此之外，設備的控制線路多數(shù)放在設備的內部，以減少老化和外力帶來的損壞。這也是設備長時間運行的保障之一。(5)設備的維修相對方便和簡單。由于設備本身并不復雜，所以在設備出現(xiàn)問題的時候，可以非?？焖俚呐袛喑龅降资鞘裁吹胤匠霈F(xiàn)了問題，這些問題包括電路損壞、控制器損害、傳感器失靈、以及機械故障等各種問題。而這些故障的表現(xiàn)形式并不相同，所以維修人員可以輕易的判斷出什么地方出先了問題，以及如何處理這些問題。2.商用平滑自動門的使用范圍。商用平滑自動門發(fā)展迅速，隨著社會的進步和發(fā)展，隨著高檔次的建筑日益增多，商用平滑自動門應用日趨廣泛，日趨普及。目前大量應用于公司、商場等出入口，以此來帶給別人不同的感受。3.1.2平滑自動門的類型按自動門不同開啟方式分類,自動門可以分為以下幾種：(1)單開式平滑自動門。用于較窄的門廳、間隔門、室內門等，如圖3.1(a)、(b)所示。(2)雙開式平滑自動門。用于外門、廳門等門洞較寬的場合，如圖3.1(c)所示。(3)重疊式單開平滑自動門。用于藏門空間較窄小，又需較大門洞的場合，如圖3.1(d)、(e)所示。(4)重疊式雙開平滑自動門，用于城門空間較?。中韬艽箝T洞的場合，如圖3.1(f)所示。圖3.1商用平滑自動門分類(a)單開式平滑自動門（左開門）；(b)單開式平滑自動門（右開門）；(c)雙開式平滑自動門；(d)重疊式單開平滑自動門（右開門）；(e)重疊式單開平滑自動門；(f)重疊式雙開平滑自動門根據(jù)產(chǎn)品的應用場景和特點，本文采用上圖3.1的(c)雙開式平滑自動門,具體結構如下圖3.2所示[1]。圖3.2雙開式平滑自動門結構圖3.2平滑自動門的結構組成商用平滑自動門主要由固定門體、活動門扇、驅動裝置和傳感器組成。商用平滑自動門結構如圖3.3所示。1.平滑自動門的門體。從下圖3.3我們可以得到以下信息：首先固定的門體和可以自由移動活動門扇組成了平滑自動門的門體。固定的門體由以下幾個部件組成，分別為：固定的門扇、整體門框、橫粱和橫梁上部的玻璃窗。通過這種結構可以顯得自動門更加美觀和大方。除此之外自動門的邊框通常采用擁有足夠的強度和剛度的金屬材質，并且通過螺栓的結構將它與建筑物緊緊的連接起來。為了可以安裝驅動裝置，橫梁必須要有充足的安裝空間，而且必須要保證在驅動裝置在工作時不發(fā)生跳動，所以必須要將放置驅動裝置的橫和立框緊密的連接，而且還要將活動門扇吊掛在活動門扇上。在一些情況下，一些自動門可能在橫梁上方無玻璃窗和無固定門扇。這些情況都有可能出現(xiàn)，這就要求我們在設計自動門時，要根據(jù)具體的情況和要求來確定。圖3.3商用平滑自動門結構示意圖驅動機構與控制器；2-上門框；3-傳感器；4-上亮子；5-立框；6-玻璃；7-橫梁；8-抱框；9-活動門扇；10-固定門扇；11-下橫梁；12-下導軌；13-安全傳感器；14-門鎖；15-門夾；16-止擺器2.活動門扇的材料。為了美觀和簡潔，平滑自動門活動門扇的材料常玻璃這種透明的材料來代替其它的材料。而玻璃可以分為兩種，一種是鋼化玻璃，另一種為建筑玻璃，這兩種類型各自所有優(yōu)缺點，其中鋼化玻璃造價非常昂貴，但是他的透光性非常好好、機械強度很高，而且破碎后無尖角，因此鋼化玻璃門扇被廣泛的使用。因為玻璃門扇不能直接與驅動機構相連接，所以玻璃門扇必須要加裝玻璃夾，可以根據(jù)實際使用需求選擇合適尺寸的玻璃夾。玻璃夾的材料有黃銅、鋁合金或者是不銹鋼等材料[1]。3.門體常用尺寸。(1)門體厚度尺寸。門體厚度按門體邊框厚度確定。常用的門體是鋁型材或鋼型材，其基本尺寸為80、90、100mm，在選擇門體厚度時應盡量選取標準位。我們選用80mm。(2)門體寬度尺寸。門體寬度尺寸要根據(jù)門洞實際尺寸和整體布置選擇，活動門扇要與固定門扇相匹配，但門扇不宜過寬，單扇尺寸在700—1100mm，合適的尺寸為900M。雙開雙門扇的總寬度應控制在1600一2300mm。我們選用雙開雙門扇的總寬度為2000mm。(3)門體高度尺寸。門體高度尺寸根據(jù)洞口實際尺寸選擇。常用門高為2100mm左右，若洞口過高就要在活動門扇上方加上亮子，加裝固定門扇，并應該與活動門扇的高度及寬度比例合適。(4)門體質量選擇。我們選用門高位2100mm。常用活動門扇的單扇質量為45、75、125kg三種。根據(jù)本文產(chǎn)品的實際需求，產(chǎn)品選用的單扇門質量為45kg4.門體玻璃選擇。門體所用玻璃有三種：白色浮法平板玻璃(GB11614—89)，厚度為20-15mm；鋼化玻璃(GB9963—88)厚度為6mm；夾層玻璃(GB9962—88)，厚度為9mm。玻璃的質量必須符合相關標準的要求。根據(jù)本文設計的產(chǎn)品所應用的實際情況，所選擇的的門體玻璃為鋼化玻璃，厚度為6mm。圖3.4門體結構5.平滑自動門門體附件。平滑自動門門體一般采用玻璃。為了與其他部件連接和其余性能的要求，必須安裝一些附件，如門夾、下止擺裝置、鉸具等；其中安裝在活動門扇的上下端的門夾，起作用主要是將門扇和驅動裝置的傳動裝置的連接。玻璃材質門扇首先要和門夾扇連接起來，然后門夾扇再通過螺絲等與門滑輪吊件相連接。應為活動門扇主要是靠門夾來與吊件進行連接，所以門夾有兩種，分別為門頂懸垂玻璃夾和門底玻璃夾，都是相同的結構。玻璃夾的材料有鋁合金、黃銅及不銹鋼，不銹鋼門夾可以是拉絲、拋光和鈦合金表面處理。本文設計的門夾如下圖3.5所示[1]。圖3.5門夾結構3.3同步帶傳動設計要點

1.同步帶傳動的主要失效形式和計算準則。承載繩的疲勞拉斷、帶齒的過度磨損、打滑與跳齒是同步帶傳動的主要失效形式。所以，同步帶擁有較高的抗拉強度來保證同步帶不被拉斷是進行同步帶傳動設計計算的前提[6]。2.同步帶傳動的設計計算步驟和參數(shù)選擇。(1)確定計算功率Pc。Pc的確定方法與普通V帶相同，即

(3.1)式中Ka—工況系數(shù)，詳細的系數(shù)見下表。自動門工況系數(shù)，參考表中相類似設備選取。通過對自動門實際運行情況的分析，選取的工況系數(shù)Ka=1.5表3.1同步帶傳動的工況系數(shù)KA工作機動力機交流電動機（普通轉矩鼠籠式、同步電動機），交流電動機（并激）交流電動機（大轉矩、大滑差率、單相、滑環(huán)），直流電動機（復勵、串勵）運轉時間運轉時間斷續(xù)使用每日3～5h普通使用每日8～16h連續(xù)使用每日3～5h斷續(xù)續(xù)使用每日3～5h普通使用每日3～5h連續(xù)使用每日3～5h復印機，配油裝置，放映機，醫(yī)療器械1.01.41.6清掃機，縫紉機，辦公機械輕負荷傳送帶、包裝機液壓攪拌機、圓形帶鋸、印刷機械注1.當用壓緊輪時，將表中KA值加上下表值：壓緊輪位置松邊內側松邊外側緊邊內側緊邊外側附加值02.當增速傳動時，將表中KA值加上下表：增速比1.25～1.741.75～2.492.50～3.49≥3.50附加值0.4由于本文設計的產(chǎn)品應用在人流量比較大的商城入口之類的場所，所以上表3.1中符合產(chǎn)品的工況系數(shù)的KA為1.5。而在本文設計的產(chǎn)品中并未使用壓緊輪以及進行增速傳動，所以本文產(chǎn)品的工況系數(shù)KA=1.5(2)對同步帶型號進行選型。根據(jù)計算功率Pc和小帶輪轉速n1.由圖選定帶型。根據(jù)本文的自動門實際運行情況，而本文的小帶輪轉速不超過300r/min,且計算功率不大于三百瓦，所以本文的同步帶的型號為L型[7]。圖3.6同步帶選型圖(3)確定帶輪齒數(shù)z1、z2和帶輪節(jié)圓直徑dp1、dp2。一般選取同步帶輪的要求低小帶輪齒數(shù)要大于小帶輪的最少齒數(shù)，所以如果帶速和安裝尺寸可以滿足要求時，最好將齒輪的齒數(shù)選擇多一些。大輪輪的齒數(shù)為小齒輪齒數(shù)數(shù)乘上傳動比，即z2=iz1并取為整數(shù)。帶輪的節(jié)圓直徑計算通過下式3.2得到。(3.2)表3.2小帶輪的最少齒數(shù)zmin小帶輪轉速n1(r/min)帶型MXLXXLXLLHXHXXH＜900————1012142222900～1200121210121624241200～1800141412141826261800～3600161612162030——3600～48001818151822————通過上表3.2，結合本文具體的要求，可以選擇同步帶輪的主動輪和從動輪一樣，即Z1=Z2=20，然后可以確定：驗算帶速Vdp1(3.3)式中各符號單位和前文相同。在通常情況下，XL、L型同步帶的Vmax=50m/s;H型同步帶的Vmax=40m/s;XH、XXH型同步帶的Vmax=30m/s。(4)確定同步帶的寬度bs。首先確定小帶輪嚙合齒數(shù)zm。一般要求z大于6.若zm過小，會引起齒側工作表面過快磨損。然后確定基準額定功率P0，參考相關手冊和上述標準計算。根據(jù)表3.3列出的許用工作拉力Fp和同步帶的基準寬度bs0的帶的單位長度質量以及帶速v即可求出基準額定功率P0并確定同步帶的寬度bs。表3.3同步帶的基準寬度bs0、許用工作拉力F和單位長度的質量q帶型MXLXXLXLLHXHBs0(mm)25.476.2101.6Fp(N)273150.17244.462100.854048.9Q(kg/m)0.0070.010.0220.0950.4481.484帶速驗算符合要求而且Fp=244.46Nq=0.095kg/mbs0=25.4mm(5)計算帶傳動作用在軸上的壓力通過下式3.4得到FQ(3.4)式中:Pc的單位為kW；v的單位為m/s；FQ的單位為N。(6)確定同步帶的中心距。根據(jù)相關手冊和國家標準GB11362--89《同步帶傳動額定功率和傳動中心距的計算》確定中心距。初定中心距a0初定帶的節(jié)線長度L0p及其齒數(shù)zp，然后通過式3.5得到計算的中心距。(3.5)實際中心距a通過式3.6得到。(3.6)(7)確定帶輪結構尺寸。同步帶帶輪的結構設計及安裝使用要求可參考國家標準GB11361--89《同步帶傳動帶輪》?？偵纤觯綆У脑O計具體如下圖3.7所示。圖3.7同步帶3.4自動門的規(guī)格通過以上對自動門的設計、選型以及實際的使用要求，自動門的具體參數(shù)如下表所示表3.4自動門具體參數(shù)單扇門開啟寬度（mm）1000mm單扇門的最大承重（kg）1x100kg高度（mm）2000mm最快開/關門速度（cm/s）60cm/s常速開/關門速度（cm/s）32.5cm/s減速開/關門速度（cm/s）20cm/s開啟保持時間（s）10s（后期可以重新設置）可編程控制器（PLC）電源220VAC,50Hz驅動器電源220AC,50Hz驅動器輸出額定功率150W3.5驅動裝置的選型自動門在運行中的阻力約為200N，而同步帶輪的直徑60.67mm，所以運動產(chǎn)生的力矩為通過式3.7得到。(3.7)故所選電機的輸出轉矩需大于6.067N.m而開關門的最大速度為60cm/s,所以自動門在運行時需要最大的功率通過式3.8得到。(3.8)故所選電機的額定功率需大于120W由于自動門可用于安裝的位置較小，所以本文采用的為減速機和電機安裝在一起的減速電機。減速電機具有以下的優(yōu)點：（1）性能優(yōu)越,能耗低,減速器效率高達百分之九十七,噪音低；（2）傳動比分級比較精細,可供選擇的范圍非常廣,轉速型譜非常寬,減速范圍i=2-29700；（3）設備可用范圍非常廣,維護成本相對較低,而且維護十分方便；（4）密封性能非常好，可以對設備進行很好的保護，而且可以在復雜和惡劣的條件下進行正常的工作。通過對比直流減速電機和交流減速電機，我們可以輕易地獲取交流減速電機的電源，這一優(yōu)優(yōu)勢是直流減速電機所無法具有的。除此之外，交流交流減速電機還擁有工作效率非常高和壽命較長等特點[3]。本文采用的減速電機為交流減速電機。在綜合考慮本設計的使用條件和應用場景后，本設計采用的驅動裝置為亞太傳動的直角減速電動機。具體的型號為5GU100RT，這款產(chǎn)品的類型為單相異步電動機，極數(shù)為4極，額定功率為150W，減速比為100，容許力矩為20N.m。本款減速電機的實際外形如下圖3.8所示圖3.8直角減速電動機在本文中的直角交流減速電機實現(xiàn)不同的運轉速度是運用變頻器來進行三段速度調節(jié)以滿足自動門運行的要求，以達到本文設計的目的。這種變頻器調節(jié)電機轉速的方法具有非常好的穩(wěn)定性，維修非常方便，接線簡單，成本相對較低。這種控制形式是目前的自動門行業(yè)非常主流的控制方式。4自動門控制系統(tǒng)的設計4.1控制系統(tǒng)結構設計本文對變頻器控制是通過PLC來實現(xiàn)的，而交流減速電機的轉速變化是通過變頻器事先設置的幾組參數(shù)來調整的。本文采用的變頻器電路，具有結構十分簡單、控制非常方便、可靠性很高的優(yōu)點。而交流減速電機具有效率非常高、維護成本很低的特點。交流減速電機驅動系統(tǒng)與直流減速電機驅動系統(tǒng)相比，具有電源獲取方便、效率高和壽命長等優(yōu)勢,并且交流電機系統(tǒng)調速范圍寬，而且能實現(xiàn)在低速運轉時輸出轉矩恒定、在高速運轉時功率恒定這些特殊的運轉狀態(tài)[8]。4.2可編程控制器(PLC)的選型對PLC系統(tǒng)進行設計時，第一步也是最為關鍵的一步是確定控制方案，第二步需要做的就是對PLC進行選型。PLC的選型時根據(jù)工藝流程圖所明確的特點和設計自動門的特性來確定。因此，對自動門類型進行選擇和參數(shù)選取時，首先要明確工藝流程的特點、自動門控制的要求，清晰了解在要求范圍內所需確定的操作和指令，然后根據(jù)自動門的控制方案，先根據(jù)浮點數(shù)估算出所需內存容量，、選擇合適的PLC類型并選擇合適的控制系統(tǒng)。通過查閱相關的資料以及我們學過的關于PLC選型的知識，在對本文控制系統(tǒng)進行分析以及實際需求的考慮，最終本文所采用的PLC為日本三菱公司生產(chǎn)的FX3U-64MR小型PLC來實對整個系統(tǒng)的所有控制，本文采用的PLC具體如下圖4.1所示。圖4.1三菱FX3U-64MR可編程控制器除此之外，三菱FX3U-64MR還擁有三千多個輔助繼電器、多達256點計時器以及235點計數(shù)器和8000點數(shù)據(jù)寄存器等充裕的內部繼電器，這些東西完全可以滿足本設計控制程序的使用要求[9]。4.3變頻器的選型根據(jù)自動門的實際需求，選擇變頻器時要注意所選參數(shù)和實際參數(shù)是否相匹配，具體如下所示：(1)電壓匹配；實際負載電壓要和設計所選變壓器銘牌上的額定電壓和相匹配。而此次所選用的電機的額定電壓為220V，所以在選擇變頻器的額定電壓要符合電機的額定電壓。(2)電流匹配；所選變壓器的額定電流和實際負載的電流匹配，根據(jù)最大電流確定變頻器電流和過載能力。（3）轉矩匹配；在選取電機型號時要考慮電機在恒轉矩負載或有減速裝置的狀態(tài)，而本課題所用電機的最初起動轉矩為20N.m遠遠大于系統(tǒng)設計需要的轉矩，所以所選電機可以滿足系統(tǒng)的設計需求[10]。綜合以上因素考慮，本文所采用的變頻器為三菱公司生產(chǎn)的FR－500系列中的FR-540變頻器，具體如下圖4.2所示，作為控制減速電機轉速的控制器。圖4.2三菱FR-540變頻器三菱FR-540變頻器具有以下優(yōu)點：(1)接線十分簡單，可以通過繼電器的輸出端和變頻器的輸入端相連來控制電機運轉的方向和速度。(2)能根據(jù)自己的需求靈活安裝，用戶可以根據(jù)自己的實際需要，可以把控制裝置安裝到任的位置，從而方便用戶可以進行遠距離操作。(3)變頻器的頻率設置方法十分簡單，并且這款變頻器還具有三速設定功能，這就完全可以滿足本文設計的自動門控制系統(tǒng)的控制要求。除此之外，這些操作還非常方便，用戶對變頻器的外接電位器旋轉下就能控制變頻器的頻率。4.3.1變頻器的參數(shù)選取自動門的運行速度有如下要求：自動門的運動過程為：快速運動→常速運行（限位）→慢速運行（限位）→停止,構成了如下圖4.3的開門和關門曲線。根據(jù)轉速公式4.1,可以計算出變頻器的設定頻率(4.1)其中f為電流頻率，p為電機極對數(shù)，s為電機的轉差率，n表示轉子實際轉速。根據(jù)公式和電機參數(shù)p=4，額定轉速為1500r/min，而減速電機的減速比為50，同步帶輪直接與減速電機相連，即同步帶輪的轉速與電機的轉速的轉速比為1：50.1.根據(jù)第三章表3.4總曾提到自動門的規(guī)格,加速開門或者關門的距離為30cm，時間控制在0.5S，速度為3600cm/min，此時轉子的轉速的需求為955r/min。2.處于中速開關門之間的距離應為65cm，耗時2s,速度應為1950cm/min，此時電動機的理論轉速為501r/min。3.同理處于減速開關門之間的距離應該為30厘米,時間為4s,速度應為450cm/s，此時電動機的理論轉速為119r/min。根據(jù)以上的速度參數(shù)來對變頻器進行設置，而變頻器的頻率具體設置方法如下表4.1所示。最后，根據(jù)下面的變頻器的設置方法來設置系統(tǒng)所需要的變頻器的三種速度的控制頻率[11]。圖4.3開門和關門曲線表4.1變頻器設定名稱表示設定范圍最小設定單位設定值上限頻率(Pr1)0～120Hz0.1Hz50Hz下限頻率(Pr2)0～120Hz0.1Hz0.1Hz速度設定（高速）(Pr4)0～120Hz0.1Hz63.6Hz速度設定（中速）(Pr5)0～120Hz0.1Hz33.4Hz速度速設定（低速）(Pr6)0～120Hz0.1Hz7.9Hz加速時間(Pr7)0～999s0.1s0.5s減速時間(Pr8)0～999s0.1s4s操作模式選擇(Pr79)0～4,7,8124.4感應開關的選型目前市場上常見的自動門選用的感應開關大致分為觸摸式、微波式和接觸感應式等類型。用戶選擇傳感器時候根據(jù)它們配置在適應不同場所的場合自動門做出設計。因為傳感器是自動門控制系統(tǒng)的關鍵部件，傳感器的性能對自動門系統(tǒng)的安全運行及穩(wěn)定性會產(chǎn)生直接影響[12]。根據(jù)本文設計的自動門適用的場所，以及考慮其穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，本文的自動門在檢測行人的傳感器的選型上采用了上海晶園微電子公司的WB-3001微波感應器，這種類型的感應器又被常稱為微波雷達。這種傳感器通過對物體的變動產(chǎn)生反應，所以它的反應速度非常迅速，可以適用于快速行走的人員要通過的場所，而且這種感應器的特點是可以不受到周圍環(huán)境變化而產(chǎn)生錯誤。此次設計中還加入了防夾人感應器，這次設計中選用了晶圓公司生產(chǎn)的WS-210傳感器，此傳感器采用了紅外安全光纖。這可以極大降低外界光線對其干擾。其作用是在自動門進行關門時，當有行人通過即行人通過安全開關時，門體會自動停止關門動作,以此起到自動門的防夾人功能。在自動門的速度信號的采集上采用了Keyence（基恩士）公司生產(chǎn)的ED-130U非埋入型接近傳感器，這種傳感器的特性是可以檢測幾乎所有的金屬，它的檢測距離最大達到了20mm，這種檢測距離在安裝調節(jié)時非常方便。4.5自動門密碼鎖的設計為實現(xiàn)自動門的功能的多樣化和自動門管理的方便，本文在原有自動門的基礎上添加了基于PLC的密碼鎖，密碼鎖的形狀如下圖4.4所示。具體的功能為通過按壓四個輸入按鈕的次序和按壓次數(shù)來和系統(tǒng)設置的按壓次序和次數(shù)進行比較，如果按鈕的按壓次序和次數(shù)與系統(tǒng)設置的按壓次序和次數(shù)一樣，那么密碼鎖打開，即開始執(zhí)行系統(tǒng)設計的動作[13]。本文的自動門密碼鎖的控制說明具體如下：(1)密碼鎖共有七個按鈕，分別為啟動按鈕、停止按鈕、復位按鈕和四個輸入輸入按鈕。(2)系統(tǒng)啟動后，在規(guī)定的時間段內進行開鎖，連續(xù)輸入錯誤密碼達到三次后無法再進行輸入需要同歸系統(tǒng)復位才可以繼續(xù)進行輸入。通過四個輸入按鈕來完成系統(tǒng)規(guī)定的按壓順序和系統(tǒng)規(guī)定的按壓次數(shù)后，然后執(zhí)行自動門的開鎖動作。圖4.4密碼鎖輸入面板本文的自動門密碼鎖輸入密碼具體如圖4.4所示，其工作原理為：(1)按下啟動按鈕，自動門密碼鎖工作，即系統(tǒng)對應的觸點M0閉合，系統(tǒng)啟動。這是可以通過按壓輸入按鈕來進行輸入，按下按鈕1(X001)三次，C0

K3計數(shù)3次，接通C0（計算器），CO工作，也將接通在下一位的觸點CO閉合。按壓按鈕2(X002)一次，C1K2計數(shù)器進行計數(shù)1次，然后C1通電，即C1計數(shù)器工作，再下一位的觸點C1閉合。按壓按鈕3(X003)兩次，C2K2進行計數(shù)器計數(shù)2次，然后C2通電，C2計數(shù)器開始工作，再下一位的觸點C2閉合。按壓按鈕4(X004)四次，C3K4計數(shù)器計數(shù)4次，然后C3通電，C3計數(shù)器開始工作，在整個控制系統(tǒng)中，上述3位觸點都已經(jīng)完成通電。

(2)在C4計數(shù)繼電器中，系統(tǒng)中預先設置了總計為10次的計數(shù)，表示按壓按鈕1(X001)三次、按壓按鈕2(X002)一次、按壓按鈕3(X003)兩次和按壓按鈕4(X004)四次（3+1+2+4=10），通過正確按壓上面的每一個按鈕，而且剛好是計數(shù)的總次數(shù)為十次才能接通計數(shù)器C4。通過這樣的操作，最后計數(shù)器C0、C1、C2、C3和C4這五個計數(shù)器的觸點全部閉合，整個電路才可以接通，自動門密碼鎖的解鎖才表示成功。

(3)當我們連續(xù)輸錯3次密碼后，計數(shù)器C6在計數(shù)3次之后再進行工作，這時將這個系統(tǒng)斷開，如果需要復位要再按下X006(后臺復位)。假設連續(xù)輸入錯誤密碼沒有達到3次，在我們成功解鎖后的電路將C6清零，系統(tǒng)恢復正常。(4)在整個的輸入的過程中設置的時間為10秒(T1K100)，但我們當我們按下啟動按扭(X000)后就表示開始計時，如果整個輸入過程大于10s，T1觸點將會閉合Y001工作，發(fā)出警報，計數(shù)器C6工作一次，如果在輸入過程中發(fā)現(xiàn)有參數(shù)輸入錯誤，可立即按停止按鈕(X005)進行重新輸入。(3)設置的密碼如果需要修改，則可以在計數(shù)器CO、C1、C2、C3和C4的計數(shù)次數(shù)上進行修改，并且還要確保計數(shù)器的計數(shù)次數(shù)滿足C0+C1+C2+C3=C4。通過以上的設計思路和想法，繪制出的程序如下圖4.5所示。圖4.5密碼鎖梯形圖4.6自動門系統(tǒng)的I/O分配表編程I/O分配表式PLC程序編程編寫的前提條件，同時也是現(xiàn)場接線和調試的重要依據(jù)。根據(jù)之前自動門的控制要求，編配以下PLC的I/O分配表，在下表中列出。表4.2輸入端分配表輸入輸出類型輸入點對應的作用輸入X0急停開關X1輸入按扭1X2輸入按鈕2X3輸入按鈕3X4輸入按鈕4X5停止按鈕X6復位按鈕X7切換運行模式X12感應開關（內）X13感應開關（外）X14防夾人光柵（常閉）X15關門下限X1610開門下限X17開關門中速X20關門低速/開門高速X21手動開門X22手動關門X23關門高速/開門低速X24異常復位表4.3輸出端分配表輸入輸出類型輸出點對應的作用輸出Y0密碼錯誤燈Y1手動開門Y2手動關門Y3開/關門中速Y4開/關門低速Y5開/關門高速Y6自動開門燈閃爍Y7自動關門燈閃爍Y10開/關門提醒Y11故障報警燈Y12自動開門Y13自動關門Y14異常停止4.7控制系統(tǒng)的電氣接線在此次自動門系統(tǒng)的控制接線圖包括控制系統(tǒng)連接電路、I/O接線圖，詳細的接線方法見附錄A，這里就不詳細的展示。 5控制系統(tǒng)的程序設計與調試5.1程序流程圖根據(jù)本課題的控制要求和安全要求，所設計的程序按照圖5.1所示的流程運行，以達到本系統(tǒng)的最佳設計要求和完成系統(tǒng)的最終設計。圖5.1系統(tǒng)設計流程圖5.2梯形圖的設計本系統(tǒng)運用GXDeveloper8.0編程軟件進行梯形圖順控程序編寫，軟件界面如下圖5.2所示圖5.2軟件界面新建新的工程，具體的新工程參數(shù)設置如下圖5.3所示圖5.3新工程設置詳細的梯形圖可見附錄C5.3程序調試由于沒有實物進行驗證，所以本文的程序的調試是通過在線仿真進行調試的。本文調試的軟件為FX-TRN-BEG-C，具體的軟件的界面如下圖5.4所示圖5.4調試軟件界面因為原本采用中三菱仿真模擬軟件輸入和輸出端的I/O接口有限，具體如下圖所示，所以無法進行整個程序的調試。因而只能進行部分程序的調試，并且不得不改變輸入輸出序號進行改變來適應仿真界面的按鈕和指示燈。具體的仿真界面如下圖5.5所示。圖5.5仿真界面在通過更改輸入輸出編號已適應仿真界面的按鈕和指示燈后，通過在線選項中的寫入PLC的按鈕將程序寫入，具體如下圖5.6所示。圖5.6程序寫入界面然后在通過圖5.7我們可以看到，在按下PB1(X20)按鈕后，燈Y20變紅，即按下X20，輸出Y20。這就表示這段程序沒有出錯，通過這樣的方法來驗證整個程序的是否有編程上的錯誤。具體的結果如下圖5.7所示。圖5.7仿真結果通過上述的方法我們完成了整個系統(tǒng)的調試工作，最后的調試結果記錄如下表所示。表5.1PLC元件調試記錄PLC元件元件狀態(tài)輸出結果X0OFF程序停止X11ON跳轉自動運行程序X12X13ON門開(Y12通電)開門提示燈閃爍(Y6通電)X14OFF自動關門停止(Y13)自動開門動作(Y12)X15ONY13自動關門停止、Y7關門燈停止閃爍X16ONY12自動開門停止、Y6開門燈停止閃爍X17ONY3自動開門/關門中速運行X20ON關門時，Y4自動門關門低速動作；開門時，Y5自動門開門高速動作X21ON在X1OFF的時候，Y1手動開門動作X22ON在X1通電狀態(tài)時，手動關門開始動作(Y2通電)X23ON處于開門狀態(tài)時，做低速動作(Y4)；處于關門狀態(tài)時，做高速動作(Y5)X24ON清除系統(tǒng)異常在調試本文設計的控制系統(tǒng)程序的過程的時候，仿真的輸入和輸出與系統(tǒng)要設計的功能沒有產(chǎn)生偏差，因此本文的控制程序的設計總沒有發(fā)現(xiàn)錯誤和問題。本文設計的自動門除一般自動門的功能外還帶有密碼鎖功能，因此本文所設計的產(chǎn)品應用范圍比一般自動門的應用范圍要廣。例如應用在一些對保密性有一定要求的場所，如企業(yè)的倉庫等，這就是本文設計的產(chǎn)品與其他現(xiàn)存產(chǎn)品的優(yōu)勢所在。5總結本文的設計內容主要是關于自動門的機械結構的設計和控制系統(tǒng)的程序設計。自動門的設計首先要根據(jù)其所適用的場所來確定本文的自動門的類型，由于本文設計的自動門主要應用于商場、餐廳以及公司等場所，所以我們可以首先確定本文的自動門的結構為雙開式平滑自動門。然后，根據(jù)實際使用要求來對自動門的其他設備進行增加或者刪除。本文設計的基于PLC的自動門禁系統(tǒng)要求我們要在原有自動門的基礎上添加密碼功能。為了優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計以及減少輸入設備帶來的額外成本和更簡單的安裝形式，本文設計的密碼鎖功能也是基于PLC的。本文的機械機構部分主要為自動門各個標準件的選型和一些參數(shù)的確定，以及一些非標件的設計。具體設計過程就是根據(jù)使用現(xiàn)場的實際情況來確定自動門的大小，然后根據(jù)實際的驅動要求來設計自動門的驅動系統(tǒng)，除此之外，還要對其他的一些必要的附件進行選型和設計，如門夾結構等。本文所設計的產(chǎn)品在實際中擁有非常高的可行性以及較高的運行可靠性。雖然實際生活中擁有種類繁多的自動門，但是本文設計的產(chǎn)品并未與它們完全重疊，所以本設計是對自動門行業(yè)的一種補充。通過本次的畢業(yè)設計，是我第一次綜合運用自己所學的專業(yè)知識。通過這些不太完善且不成體系的的知識，我初步地完成了系統(tǒng)的設計，但是其中有許多的錯誤和漏洞。而在糾正這些錯誤和修補漏洞的時候，我所學的知識漸漸開始形成了基本的體系，這為我以后的工作奠定了很好的基礎。而且產(chǎn)品的設計思想也開始有了