自动门控制装置[1].doc

自动门控制装置

[摘要]：该自动门控制装置是利用热释电人体红外传感器检测信息，再用可编程序控制器（PLC）控制电动机的正反转。从而达到控制门的开、关。又介绍了三相异步电动机广泛应用，它具有结构简单、价格低廉、运行可靠和效率较高等特点。
[关键词] 热释电人体红外传感器 PLC控制程序 电动机
一：引言
自动门控制装置采用热电释人体红外线传感器、PLC控制程序、电动机及相关设备构成的装置，它广泛用于生活中[1]。
可编程序控制器（PLC, Programmable  Logic  Controller）是采用微电脑技术制造的自动控制设备。他以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。PLC大多采用多CPU结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展[2]。主要用的电动机是三相异步电动机，它现今得到了广泛的应用，具有结构简单、价格低廉、运行可靠和效率较高等特点[3]。
     随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，PLC与上位PC机联网形成的PLC及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，PLC集三电与一体，具有良好的控制精度和高可靠性，使得PLC成为现代工业自动化的支柱[4]。PLC的生产厂家和型号、种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法，本文拟就用日本立石公司生产的OMRON C20p型PLC，设计几个PLC在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，可作为高校学生学习PLC的控制技术的参考，也可作为工业电机的自动控制电路。
PLC最主要的编程语言是梯形图。常用的图形符号是梯形图符号，类似于电器原理图的符号，较易为电器工作人员所接受，此外还有逻辑符号、流程图符号等。有的PLC也可使用高级语言，如BASTC，C语言等，其实只要有相应的编译软件，什么语言都可以使用。PLC并不是一个一成不变的产品，它是采用计算机的设计思想而开发生产出来，经过几十年的发展，各个生产厂商在竞争的同时不断的完善、优化，使其更贴近自动化的发展，更适应自动化的现场要求[5]。
本控制装置中用到的是红外传感器，红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红外线是一种不可见光，物理本质是热辐射。一个只热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射能量就越强[6]。
红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路等组成[7]。主要用到的红外探测器是光子探测器。它利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象。称为光子效应[8]。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率[9]。
各种类型的电机制造厂遍布全国各地，生产面貌迅速改观。对电机的新理论、新结构、新材料、新工艺、新运行方式和测试方法所进行的大量实验研究工作获得了可靠的成果[10]。
三相异步电动机又称为三相感应电动机，它在工农业生产中应用非常广泛。例如，中小型轧钢设备、矿山机械、机床和农副产品加工机械等大部分均采用三相异步电动机来拖动[11]。根据统计，在电网的总动力负载中，异步电机约占85%，随着电气化、自动化技术的发展，它在工农业生产和人民生活中的重要性也日益显著[12]。三相异步电动机之所以能广泛应用，因为它具有结构简单、价格低廉、运行可靠和效率较高等特点。
该装置主要研究的基本内容为以下几小点：
1、首先选择合适的光电检测器检测有无人的到来；
2、然后选择适当的PLC型号；
3、再把光电检测器检测的信号传给PLC；
4、最后由PLC控制电动机的正反转。
由以上几点从而达到对自动门的控制。
二：自动门控制装置的组成

检测开关

电动机所控制的门

电动机装置

PLC程序控制

三：自动门控制装置的工作原理
1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。
2）自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，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K2或K1时，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K2或K1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。
四：自动门控制装置的总体设计
本电路安装与宾馆、银行等大门的顶部，有人进、出门时，门自动打开，控制电路原理图见图（a）所示。
在此电路中使用一套图（b）电路板，当有人进、出大门，既PY1检测到人体时，电路板P点输出一高点平，V1饱和，PLC被触发，于是就执行PLC中的程序。再将继电器的输出来带动电动机正、反转，从而控制门的自动开、关。
PY1

P
R1
R22222

PLC
M

图(a)控制原理图
五：自动门控制装置的单元电路设计
1．热释电人体红外线传感器
热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在，已得到越来越广泛的应用。目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。
热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。P2288的敏感单元的制造材料由LiTaO3 制成[13]。热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5~15um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。
滤光窗它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。例如，P2288的响应波长为6~14um，中心波长为10um,物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足λm*T=2989（um.k）（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为36~37.5。C ，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7~14um）的中心[14]。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。综上所述，说明传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

图b中的PY1为传感器P2288，IC1选用低噪音高速运算放大器。PT1检测到人体红外信号时，2脚输出极微弱的电信号直接送到IC1a放大器的同相输入端，IC1a对信号放大约2500倍后，再从1脚输出，由电容C8 合到IC1b做进一步放大[15]。IC2构成窗口式电压比较器，当IC1b7脚电压幅度在U1和U2之间时，IC2的1和7脚均无输出，IC1b的7脚的电压大于U1时，IC2a的7脚输出高电平；IC1b的7脚的电压小于U2时，IC2b的1脚输出高电平；经D1、D2的相互隔离和“或”的作用，从P点输出控制脉冲信号。图b既是P2288型号的热释电人体红外线传感器检测与放大电路。R11用于设定窗口的阀门值电平，调节R11可调节检测器的灵敏度。
2：P2288型号的热释电人体红外线传感器的技术参数：如表1

项目
符号
单位
P2288
灵敏度（响应率）
RV
V/W
6500（HZ）
检测距离

M
12——15
接受红外线波长

uM
6———14
工作电压
O
U
3———15
工作温度
TO
C
—40——+60
保存温度
T
C

—55——（—125）

IC1选用低噪低漂的高速运算放大器，图1中的R2——R8尽可能选用误差小，噪声小的金属氧化膜电阻，C4、C8、C9尽可能漏电小，可选无极性电容。

3．下图为（图b）P2288的检测电路[16]：

图b

4．图c为PLC的基本组成

（图c）

5．图d为I/O服务阶段和与用户程序执行阶段：

（图d）

6．控制系统图
控制系统图如下：
电机正转继电器

P
L
C
急停开关

门内检测开关K1

门外检测开关K2

电机反转继电器
开门限位开关K3

开门限位开关K4

7．PLC框架配置图
门控制装置采用西门子公司S7—200的CPU224整体式PLC。PLC框架配置图如下图所示

CPU模块
S7—200

。

8．CPU224的输入/输出电压、输入/输出方式和输入/输出点。

类型

电源电压

输入电压

输出电压

输出电流

输入点

输出点
继电器输出
85—264UDC
24UDC
24UDC
2A继电器输出
14
10

9．S7—200的CPU224整体式PLC模块的主要技术指标。
外形尺寸
120.5*80*62mm
程序
4096字
用户数据
2560字
存储器类型
EEOROM
存储器卡
EEOROM
数据后备
190H
扩展模块数量
7个模块
数字量I/O物理区
128
模拟量I/O物理区
12入/10出
布尔指令执行速度
0.37us
内部延迟
256
计数器/定时器
256/256
顺序控制继电器
256
FOR/NEXT循环
有
整数/实数运算
有
脉冲输出
2(20KHZ)

10．PLC系统资源分配
（1）整个控制装置的输入量有五个：
1）急停开关
2）门内光电探测K1
3）门外光电探测K2
4）开门到位限位开关K3
5）关门到位限位开关K4
（2）输出要控制设备只有电机，因为要求它正转或者反转，输出量只有两个；
（3）只需一个停止时间，因而只要一个定时器；
11：PLC系统资源分配表
PLC的输入/输出、定时器、和内部继电器地址
在控制中的作用
I0.0
急停开关
I0.1
门内光电探测K1
I0.2
门外光电探测K2
I0.3
开门到位限位开关K3
I0.4
关门到位限位开关K4
Q0.1
开门执行机构
Q0.2
关门执行机构
T3
开门延时计时器
M0.1
中间继电器1
M0.2
中间继电器2

12：电动机
1）：在图(e)中并联于SB1的常开触点，KM1为正向自锁触点，并联于SB2的常开触点，KM2为反向自锁触点，串联于KM1接触器线圈的KM2常闭触点称为反向对正向的互锁触点，它的任务是当反向接触器通电时，其常闭触点断开正向接触器回路，以避免正、反向接触器同时得电而导致主电路相间短路。同理，与KM2线圈串联的KM1常闭触点称为正向对反向的互锁触点[17]。由此可知，若在两个接触器线圈电路中相互串入对方的常闭触点时，则二者相互制约，不能同时动作，即起互锁作用，称为电气连锁。
[KM1为正转接触器，KM2为反转接触器]
FR

FR

SB1

SB2 KM1 SB3 KM2

KM2 KM1
KM2
KM1

图（e）

2）：电动机正反转控制I/O端子接线图如图[18]（f）
IM IL

I0. 0

I0. 1 Q0. 1
S7——200
I0 .2
CPU224
I0 .3 Q0 .2

I0 .4

M
N
L+24DC LIAC
A
KM1
KM2
A
SB2
SB3
SB1
FR

图（f）

开始
六：自动门控制装置程序流程图

探测开关是否有信号
N

Y
电机正转

到达K3位置
N
Y

电机停止转动

N
Y
探测开关是否有信号
停留8秒

Y

N
电机反转

Y
到达K4位置
探测开关是否有信号

N

N
Y
电机停止转动

七：自动门控制装置源程序[19]
1:程序梯形图

NETWORK1
I0.1 I0.3 M0.2 I0.0 Q0.1

I0.2

T32 Q0.1

NETWORK2
IN TON

PT

T32
I0.3 I0.1 I0.2 I0.0

+8000-

NETWORK3

T32 I0.1 I0.2 I0.4 M0.1 I0.0 Q0.2

Q0.2

2: 助记符程序：

NETWORK1
//
LD I0.1
O I0.2
LD T32
A Q0.1
OI
AN I0.3
AN M0.2
A I0.0
= Q0.1

NETWORK2
//
LD I0.3
AN I0.1
AN I0.2
A I0.0
TON T32 , +8000

NETWORK3
//
LD T32
O Q0.2
AN I0.1
AN I0.2
AN I0.4
AN M0.1
A I0.0
= Q0.2

八：结束语
本论文对自动门控制装置的设计过程做了详细的阐述。对自动门的控制主要是采用可编程序控制器PLC，对三相异步电动机的控制，当热释电人体红外传感器的检测开关测试到有人时，电动机在PLC程序的控制下正转，门打开；当门打开后，所设定时器的停止时间到，电动机再由PLC控制反转、门关闭。就这样不断的循环下去。
参考文献
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