自动门旋转设计.docx

天津滨海职业学院全日制高等职业教育

毕业实践环节毕业设计（典型性项目）说明书

自动旋转门结构设计（方案）

作者：邹社敬
院系：天津滨海职业学院机电工程系
专业：机电一体化
年级：2012级
学号：20120141446
指导教师：陈天祥
时间：2015年4月

主要内容简介
随着生活水平的不断提高和科技的发展，旋转自动门广泛的应用在楼宇自动化中。又美观使用，还为人们的是带来方面便。因此，要保证自动门安全有效的工作，针对控制要求设计合理的旋转门控制系统就很有实际价值和现实意义。
本设计利用可编程序控制器（PLC）和变频器等设计了针对三姨自动旋转门的控制系统。设计中根据控制原理和设计要求确定了系统的设计方案，给出了结构框图、电气原理图。针对每个环节进行具体设计，对主控芯片、变频器、传感器等进行参数选择，给出传感器的连接电路和信号分析，系统通过主控芯片雨各种传感器的连接，对控制信号进行检测和分析，并利用扁平起调节电视机实现对旋转门的控制。
旋转门控制系统实现了对门的自动停止、自动定位。速度调节、安全智能和夜间闭锁等功能。另外针对不同人群的需要才却徐昂硬的措施是整个系统显得更加人性化。

关键字：可编程控制器 变频器 旋转门控制系统 PLC原理

目录
第一章设计方案的确定 3
第一节自动旋转门系统的方案设计 3
第二节旋转门控制方案的确定 4
第二章主控芯片选择及辅助电路设计 4
第一节主控芯片的选型 4
第三章变频器原理及电源的选择 7
第一节变频调速的基本原理 7
第二节变频器容量选择 8
第三节系统电源的设计 10
第四章传感器的选型及信号处理 12
第一节红外检测传感器 12
第二节接近开关传感器 15
第三节防碰撞传感器 16
参考文献 18

第一章设计方案的确定
旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统，检测系统,安全系统等几个方面进行考虑。从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。
第一节自动旋转门系统的方案设计
一、框架总成
分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。采用中心门轴结构安装和驱动旋转门体设计，每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃，安全可靠。门体结构简图如图1-1所示。

图1-1 门体结构简图
二、驱动系统
由一个三相交流电机提供动力，用减速器带动中心门轴驱动。
三、控制系统
由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。
四、检测系统
由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。
五、安全系统
主要有接触和非接触安全感应器。旋转门入口立柱均装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动。
第二节旋转门控制方案的确定
通过分析可知本设计是利用可编程控制器（PLC）、变频器传感器等构成三翼自动旋转门的控制系统。根据控制原理和设计要求确定了系统的结构框图如图1-2所示。
红外传感器作用是检测是否有行人通行；红外防夹传感器和防夹接近开关用来检测是否有人被夹；定位接近开关用来检测门翼是否停在定位位置；防碰撞传感器用来检测是否有人被碰或被撞；主控芯片用来判断传感器传来的各种信号并经过判断做出相应控制动作；变频器接收控制信号对电动机进行调速。另外还有运行状态指示灯和过载报警等等。
旋转门控制系统实现了对门的自动启停、自动定位、速度调节、安全智能和夜间闭锁等功能。

图1-2控制原理框图
第二章主控芯片选择及辅助电路设计
第一节主控芯片的选型
一、PLC的简要介绍
PLC即可编程序控制器（Programmable Controller,简称PC），在其早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称可编程序控制器为可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logical Controller）。
可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、编程简单、功能强、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维护方便等优点，目前在冶金、化工、交通、电力等工业控制领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的四大支柱(可编程序控制器技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术)之一。
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点:体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其对生产工艺多变的系统适应性差。如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计困难，而且其可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。
在这种形势下，60年代末可编程控制器在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
PLC通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于它本身具有可靠性高，编程简单，使用方便，控制系统构成简单等优点，可编程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。
二、PLC的选型
通过分析可知，所需的控制的电气元器件有按钮开关和指示灯等。具体如表3-1所示。 通过对旋转门控制要求的分析，PLC控制输入信号有22个，输出接点共8个。按照预留15%-20%的接点数来计算，输入接点至少要30个，输出接点至少要10个。 
本系统是个简单控制系统，按一般经验来估算，同时由上段对I/O接点的分析主要有：开关量输入字节数：30×15=450 
开关量输出字节数：10×8=80 
系统推断定时器/计数器字节数：8×1=8 
总计大约需要538个字节数容量。加上预留30%，有1K的程序容量足够了。 由以上可得，同时兼顾经济性原则。在常用的PLC产品中SIMATIC-S7-200系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的PLC。在此系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。本系统选择了SIMATIC-S7-200型PLC，参数见表3-1。由PLC型号主回路电压AC（100～240）V；输入端参数为电压DC24V，电流5/7mA；继电器输出端电压AC150V，DC30V以内。 
表2-1 PLC性能参数表

三、 PLC的I/O点分配
输入输出端口的保护及分配： PLC输入口电压定额一般为直流24V，有一些输入口是不接电源的，输出口的电压定额常接工频低压交流电源和直流电源。当输入口端连接电感类设备时,为了防止电路关断时刻产生高电压对输入输出口造成破坏，应在感性元件两端加接保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51~120欧，电容可以取0.1~0.47uF。电容的额定电压应大于电源的峰值电源续流二极管可以选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。对PLC输入端电阻分析，自带电阻为3k欧，对于DC24V的电流为标准电流，对输入口保护不需做特别处理。输出为直流感性负载时，需在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制。查有关资料时，在直流感性负载输出时可选电流为1A左右的二极管，电阻约为50欧左右。本系统中输出口选交流电源，电阻取65欧。
第三章变频器原理及电源的选择
第一节变频调速的基本原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元检测单元微处理单元等组成的。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，
式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。
有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
第二节变频器容量选择
变频器容量的选用由很多因数决定，例如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的是电动机的额定电流。
降低变频器的输出频率，就可以实现电动机减速。加快变频器输出频率的降低速率，可使电动机更快的减速。当变频器输出频率对应的速度低于电动机的实际转速时，电动机就进行再生制动。在这种运行状况下，异步电动机将变成异步发电机，而负载的机械能将被转换为电能并反馈给变频器。当反馈能量过大时，变频器本身的过电压保护电路将会动作并切断变频器的输出，使电动机处于自由减速状态，反而无法达到快速减速的目的。
表3-1变频器参数表
变频器型号
6SE6440-2UD17-5AA1
使用功率
0.75 kW
输入电压/V
3相AC380~480(110%)
输入频率/Hz
47~63
输出频率/Hz
0~650
额定电流/A
2.2
过载能力(恒转矩)
150%负载过载能力,持续60s
功率因数
0.98
变频器效率
96%~97%
合闸冲击电流
小于额定输入电流
控制方式
线性V/f;二次方V/f;可编程V/f
PWM频率/Hz
2~16kHz
固定频率
15个,可编程
跳转频率
4个,可编程
数字输入
6个完全可编程的带隔离的数字输入
模拟输入
2个,0~10V,0~20mA
继电器输出
3个,可组态为DC30/A(电阻性负载),
AC250V/2A(感性负载)
模拟输出
2个,可编程(0/4~20mA)
串行接口
RS-485,可选RS-232
制动
直流注入式制动,复合制动,动力制动
为了避免出现上述现象，使上述能量能在直流中间回路的其他部分消耗，而不造成电压升高。在电压变频器中，一般都在直流中间回路的电容器两端并联上制动三极管和制动电阻。
图3-2 变频器接线图

当直流中间回路的电压升高到一定的电压值，制动三极管就会导通，使直流电压通过制动电阻放电，即电动机回馈给变频器的直流中间回路的能量，以热能的形式在制动电阻上消耗掉。由于三翼自动旋转门是恒转矩负载，故变频器选用通用型的。又因为三翼旋转门的转速不允许超过额定值电机不会过载。选用西门子通用变频器MM440系列,型号为6SE6440-2UD17-5AA1。参数见表3-1。变频器接线图如图3-2所示：
第三节系统电源的设计
本设计共有两个电源模块。一个直流24V和一个为电磁锁等提供的直流±12V模块。如图3-3和图3-4所示。
图3-3为第一个电源模块。将交流电220V通过变压器将电压转换为所需的电压等级，再经过整流桥整流，通过稳压器7824和电容、稳压管等等器件实现整流稳压滤波的作用，最终输出所需要的24V直流电。

图3-3 直流24V电源电路图

图3-4 直流±12V电源电路图
图3-4为本系统的第二个电源模块。为了给电磁锁和其他传感器供应+12V和-12V直流电源，在电源设计中加入了以上电路。
原理同图3-3，交流220V电源经变压器降压，然后经过整流桥整流，通过稳压器7812和7912以及电容电路稳压、滤波，最后输出所需要的+12V和-12V直流电源。综上可得三翼自动旋转门控制系统原理图如下图3-5所示:
旋转门控制系统的设计是以三翼旋转门为模型，以PLC为主控制器，外加传感器和变频器等组成的自动旋转门控制系统。
通过各种类型的传感器将控制信号（如：调速按钮、防夹、放撞、防碰、急停等）检测并经处理传递到PLC中，根据设计要求的安全控制措施以及条件的优先级来判断并发出相应的控制信号，最后由传动装置完成动作。

图3-5 控制系
本设计预计实现的主要功能有： 
1. 防夹功能。当门扇运转靠近曲壁立柱时，则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体。行人或物体离开右侧立柱时门自动恢复运转。 
2. 急停功能。当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，门立即停转，解除急停信号，门又自动恢复运转。 
3. 暂停功能（STOP钮）。与急停功能相当，不同的是按STOP钮后，必须用残疾、正常或高速三个按钮中的一个进行恢复。 
4. 残疾优先功能。当按下残疾按钮后，30s内门始终以2 r／min的速度低速运转，此时按正常或高速钮无效，以确保残疾人安全通过。30s后来人，门自动以正常速度运转。
电动机过载保护功能。当电动机过载时，门停转并且指示灯闪烁报警。过载消除后门自动恢复运转。 
变频器报警输出和延时自动复位功能。当变频器过压或过流时，关闭输出，门停转并报警（指示灯闪烁），延时3s自动复位。

第四章传感器的选型及信号处理
为防止三翼旋转门在工作过程中因某些原因而发生伤人的事故出现，那么就需要配置一定的安全系统。传感器的分布如图4-1所示。

图4-1 传感器分布示意图
第一节红外检测传感器
一、热释电红外传感器
被动红外探测器的原理是人体表面温度与周围环境温度存在差别的，在人体移动时，这种差别产生的变化可以通过红外敏感元件来检测到，从而触发报警。而且，为了防止误报，被动红外探测器通过菲涅尔透镜将探测覆盖范围分成一定数量的探测区，当温度变化在两个区之间产生时，探测器电路就触发一个信号脉冲，探测器根据信号脉冲触发警报输出。被动式热释电红外探头的优缺点：
优点：本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。
缺点：①容易受各种热源、光源干扰。
②被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
③易受射频辐射的干扰。
④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
人体检测电路的框图如图4-2所示：

图4-2 人体检测电路框图
人体检测电路如图4-3所示：

图4-3 红外线检测放大及比较电路a

图4-3中，R1、C1为退交连电路，R2为传感器负载电阻。传感器的输出信号经C2耦合到运算放大器A1。电阻R3、R5将放大器偏置于电源电压的一半，其增益取决于R6与R4的比值。经两级放大后，信号放大40~50倍左右。A2在无信号输入时，其输出约为4.5VDC。图中C3、C9为退交连电容。
A3为电压比较器。调节W，使比较器同相端电压在2.5V~4V左右变化。在无报警信号输入时，反相端电压大于同相端电压，比较器输出为低电平。当有人入侵时，比较器翻转，输出为高电平（并且LED 亮），当人体在走动时，则输出一串脉冲。

图4-4红外线检测放大及比较电路b
图4-4为红外检测放大比较电路，电路中A、B端与图5-2中A、B连接，即当有人走近门前时（有一定距离），比较器A3即输出一串脉冲。传感器分别安装在门的里外两边，使人无论进门或出门，都能检测到信号。
前半部分有信号输出就会使BG导通，BG输出低电平，此低电平触发单稳态电路，使其3脚输出为高电平，使继电器吸合。暂态时间由R3、C3决定，暂态结束后3脚为低电平，继电器释放。
二、防夹红外传感器
防夹传感器是用来检测人是否在防夹区域内用的。应采用红外线传感器检测，其检测方式是竖直的。因此当人在防夹区域时，传感器只有通过竖直检测才不会误判。

图4-5 防夹红外传感器电路图
假如传感器不是竖直的，而是发散的，如人正常经过转门区时，防夹传感器就有可能检测到人的存在，而此时门翼又有可能正好在防夹接近传感器范围内。两者信号同时有效，使门体无故停转，而造成不必要的麻烦。因此可以选择红外垂直防夹传感器。红外线防夹传感器安装在门的进出口的两个防夹区域内，即进出口的右边立柱旁的华盖上，其具体位置根据调节而定。详细电路如图4-5所示。
TX05D为反射式红外光电开关，通电后，它会向外发射载频为40kHz的红外调制光。TX05D的工作电压为5～12V，当通电电压为12V时，其红外监测距离在1.2m左右。当有人闯入其红外监视区内时，人体会反射部分红外光信号到TX05D的光电接收管，经光电转换及TX05D内的放大器放大、调解、信号处理及整形后，在其输出端输出高电平信号。该信号经R1使VT导通，继电器通电、吸合，其触点接通。
TX05D是国产反射式红外光电开关，是红外发、收一体化红外传感模块器件，外部只有三根引线，安装、使用方便，在红外检测、自动防范、自动或半自动控制中得到一定应用。TX05D的主要性能参数如下：
TX05D采用直流电压，=5~12V；工作电流为5~15mA；红外监测距离小于120cm，其距离在一定程度上与所加的电源高低有关。
第二节接近开关传感器
本设计中应用的接近开关传感器共四个：防夹接近开关（出入口右侧立柱各1个)、直流制动接近开关1个、锁门接近开关1个。
一、 防夹接近开关：由于在出入口两个防夹区域内要安装了防夹传感器。而防夹感应器是用来感应人是否处于防夹区域内，而不知道是否门扇已经靠近防夹区域内，所以仅靠防夹传感器是无法鉴别人是否即将受夹或正在受夹。
二、 直流制动接近开关：由于当电动机停转时，门要停在指定的位置，而门停转时，电机要先停转而门体有一定惯性而使得门无法停在指定的位置上。这时我们就需要接近开关，当门靠近门停位置时，就产生信号发出制动信息，使门体在这个位置。接近开关的感应距离过大，会使门制动后停在指定位置的前边。感应位置过小，由于接近开关也有一个响应时间，则使门停超过门应停的位置。
三、锁门接近开关：当锁门时，为了让门精确的停位在上锁的位置，同样需要一接近开关提前感应锁门位置的临近，发出锁门信号使门体精确停在这个位置便于我们上电磁锁和机械锁，而无需人再来推门体使其准确停位。接近开关的感应距离过小都到不了门体的精确停位，而使得无法上锁。所以感应距离为适当才可。详细电路图见图4-6。

图4-6 电感式接近开关电路
图4-6为本设计中用到的电感式接近开关。该电路为负电源供电，电压为-12V，电路由振荡器施密特触发器由稳压管组成的稳压器输出晶体三极管和电源滤波器组成, 接近开关。
第三节防碰撞传感器
防碰撞传感器：防碰传感器主要时为了防止人和门的速度不一致时，旋转门翼打到行人；而防撞传感器则是为了防止人因不小心撞在门体的立柱上，而引起旋转门体旋转过来撞伤行人。
图4-7 防碰撞传感器电路图
防碰传感器安装在两扇旋转门翼的底部，而防撞传感器安装在门体的立柱上。电路图如图4-7所示。

参考文献
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