基于PLC自动门控制系统设计.docx

摘要本文是关于自动门控制系统的设计，自动门系统主要由可编程控制器（PLC）、感应器件、驱动装置和传动装置组成。主要工作原理是感应器件将检测到的人体或物体信号传送到PLC，PLC再综合收到的自动门状态信号作出判断，而后发出控制信号，使驱动装置运行，在通过传动装置带动门的动作。随着电子技术的发展，PLC不断的更新，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一。自动门就是自动控制应用的以典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。目前自动门在日常生活中用越来越广泛。PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点。关键词：自动门、PLC、感应器件、驱动装置AbstractAiming at enhancing the reliabilily of the automatic door operation，S7200 programmable logic controler(PLC) was used as the core of the automatic door systemThe principle of control system was analyzed with description of the control system hardware.It was introduced that the working process of control circuits about human body detection sensor and automatic door position detection and obstacle detection and so on.it was introduced how to choose a PLC type ,to really settle the IO ordersCombining the operation characteristics of programmable controller,a reasonable optimization was made for the work flow of the systemOn this basis, using structured programming method，the program flow charts of main program module and opening door subroutine module and closing door subroutine module were developed The debugging of the control system was developed and the control system has been adopted.The practical application shows that the control system is good and reliableKey words：programmable logic controller(PLC)；s7200；automatic door；control system目录摘要1Abstract2引言41.自动门软硬件设计51.1自动门类型的选择51.2自动门硬件系统的设计51.3自动门的软件设计52自动门控制系统总体方案设计52.1在自动门的功能需求分析52.2自动门的控制要求62.3自动门控制系统构成62.3.1PLC概述62.3.2具体构成73自动门控制系统的硬件设计83.1 PLC的选择83.2驱动装置的选型103.3感应器件的选型103.4 直流电动机的选型113.5传动装置113.6 限位开关113.7自动门控制系统I/0地址分配表123.8自动们控制系统的原理图134自动门控制系统软件的设计144.1工作过程的分析144.2 梯形图的设计155程序调试175.1硬件线路连接175.2联机调试176 结束语197参考文献20引言在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经随处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走进自动门是感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装臵将门打开。当人通过之后，再将门关上。由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。自动门在国外早已得到普遍的应用，在我国也以优异的性能逐步得到大家的认同，中国已迎来了自动们发展的黄金时期自动门性能优劣主要取决于它的控制装臵，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装臵是PLC，它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臵。目前他在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工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、维修方便等优点。由此看来，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。本课题主要介绍运用PLC为控制器的自动门控制系统的设计，所有产品的开发都要讲究实用本课题开发的产品对许多场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发还是使用者来说都是最好的。此系统的设计既满足了自动门的基本要求，还可以保证自动门的稳定性。研究本课题意味着产品成本的下降，效益提高。因此是一个比较实用且经济的产品。1.自动门软硬件设计1.1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。1.2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器为稳定性良好的德国西门子公司生产的CPU224小型PLC。在自动门的开关门速度控制上本设计以变频器作为调节器，运用变频器的三段速控制实现自动门的转速控制，为了解决在频率很低时出现不稳定的问题，驱动装置选用功率强大、稳定性好的自带减速装置的直流电动机，在感应器方面运用了自动门专用的微波雷达感应器和在工业控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性好的接近传感器，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要在硬件系统的设计过程中主要考虑自动门的经济实用、稳定的需要。1.3自动门的软件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，梯形图能直观明了的设计出自动门的控制要求，并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题，梯形图的编写运用西门子自带的编程软件，此软件具有强大的诊断功能，能更快的查处故障原因，从而大大缩短了维修时间。2自动门控制系统总体方案设计2.1在自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能：(1)开门和关门控制应有手动和自动方式为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，PLC动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。(2)紧急停止当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。自动门控制系统包含PLC控制和执行元件构成。采用自动和手动控制方式，此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。2.2自动门的控制要求(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。2.3自动门控制系统构成自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动电动控制方式，此种控制方式为目前大多自动门的控制方式。本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。2.3.1PLC概述可编程控制器，英文Programmable Controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，它通过运行储存在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于计算机。普通计算机进行入出信息交换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性、以及信息的实际使用。特别要考虑怎样适应于工业环境，如便于安装便于门内外感应采集信号，便于维修和抗干扰等问题，入出信息变换及可靠地物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本点。PLC可以通过他的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电器控制装置多得多、强得多。2.3.2具体构成自动门系统的具体组成如下图： 由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC,PLC根据已经采集的信号发出控制信号，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。3自动门控制系统的硬件设计3.1 PLC的选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。(1)输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加10%到20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入12点，输出12点。(2)存储器容量的选择存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须在程序调试之后才知道。为了设计选型时，能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。(3)控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等性能的选择。根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。a 控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。b编程功能离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。 c诊断功能 PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 (4)机型的选择 a.PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块两类型型，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/0点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 b经济的考虑 选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。 综合以上因素，本课题的设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。3.2驱动装置的选型自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障。在本设计中是运用直流无刷电机。直流无刷电机功率密度高，噪音极小、调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择本设计选用的是亚坦电机控制有限公司生产的45BLDC系列直流无刷电机，电机直径45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m，功率15W100W。额定电压24V DC。3.3感应器件的选型目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。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，微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面型天线昨感应系统，以微处理器作控制。整机关键元器件均为进口器件，方案设计选择器件均确保了产品可靠性。 微波感应器的特点： 微波感应器是以10.525GHz微波频率发射、接收。其探测方式具体如下优点： (1)非接触探测。 (2)不受温度、湿度、噪音。红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢。根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，是自动门系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，如在高档酒店、写字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，选择窄区域的感应器。结合本课题的实际需要在设计自动门的人员检测上运用上海顺安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB-3004，其规格如下： 3.4 直流电动机的选型并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。3.5传动装置本控制系统所用到的传动装置具体包括如下： 1 自动门扇行进轨道：就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。 2 自动门扇吊具走论系统：用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。 3 同步皮带：用于传输电机所产动力，牵引自动门吊具走论系统。3.6 限位开关限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。 限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。3.7自动门控制系统I/0地址分配表I/0分配表示编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。3.8自动们控制系统的原理图 上图为自动门控制系统的主电路原理图。如上图所示KA1 KA2是感应器控制的两个继电器，有感应器感应到有人时会自动闭合，SQ1、SQ2是开关门到位行程开关 ，检测开关门是否到位检，SQ3、SQ4是开关门时减速行程开关。4自动门控制系统软件的设计4.1工作过程的分析根据 本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照下图所示的流程运行，已达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计，工作流程如下：(1)首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体信号时，电动机正传，带动自动门执行开门过程。(2)当门完全打开之后，使开门限位开关打开，此时自动门停止，进行8秒延时。 若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时 (3)当8秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。(4)考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。以上工作过程可用流程图表达如附图所示。4.2 梯形图的设计设计梯形图的基本方法和步骤：（1）首先根据工艺过程控制要求，画出控制流程图，力求表达清晰、准确。必要时可以把控制系统分解成几个相对独立的部分，尽量简化，利于编程(2)将所有的输入信号（按键，行程限位开关，压力开关，压力、速度、时间等传感器）和输出控制对象（接触器、电磁阀、电动机、指示灯等）分别列出，按被采用的PLC型号内部逻辑元件编号范围，对I/O端子做出相应的分配和安排。（3）根据控制流程图，有规律的分配和利用PLC内部有关的逻辑元件（如辅助继电器、定时器、计数器等）构成相应的基本回路。（4）以梯形图的形式来描述控制要求，绘制梯形图要遵循编程原则。（5）编写程序清单时，必须按梯形图的逻辑行和逻辑单元的编排顺序（由上而下，从左到右）依次进行。 本系统的程序软件采用西门子公司设计开发的STEP-Micro/WIN,选择他的梯形图语言进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编程规则：1.每个继电器的线圈和他的触点均用同一个编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。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的母线上。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，他很容易引起误操作，应避免。5.在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有电流流动，这个电流只能在梯形图中单向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下流动。6.无论选用何种PLC机型，所使用的软件编号（即地址）必须在该机型的有效范围以内。根据以上规则和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，具体程序如下：5程序调试5.1硬件线路连接 图5-1接线图采用实验室可编程控制器试验台，主机s7-200cpu224 cn ac/dc/rly,其供电电压均为直流24v。调试过程的电路图如5-1所示； 在模拟调试过程中，因于实验条件有限，所以微波探测信号与限位开关动作均由按钮代替（即BG1、BG2、BG3、BG4），SF0、SF11均接按钮。QA1、QA2用中间继电器代替，其线圈电压为24V。5.2联机调试（1）按图5-1连接线路，接电源（2）将在“STEP7-Micro/WIN V4.0SP5”开发平台编写好的软件通过“RS-232/PPI电缆”下载到“CPU224”中。 （3）运行过程实验按启动按钮”SF0”a手动开/关 现象一：当按手动开关按钮SF10时，电动机M正转 现象二：当按手动开关按钮SF11时，电动机M反转 b自动开/关门 现象一：当按下按钮BG1或BG2时，电动机M正转；若按下按钮BG4，则电动机M停止转动 现象二：当电动机M停止转动时，计时器计时8秒进行延时。若此时再次按下按钮BG1或BG2，则计时器重新计时8秒。 现象三：当8秒延时完毕后，电动机M进行反转；在反转过程中若按下按钮BG1或BG2，则电动机M进行反转 现象四：当按下紧急按钮SF5时，电动机M进行正转。6 结束语本文研究了基于plc的自动门控制系统的设计原理与实现方法，包括硬件设计与软件设计。不仅在理论上论证了该系统实施的可行性，而且在实验中进行了模拟调试。虽说调试后本系统的整体设计能够达到实际要求，但在实际应用中还应结合实际情况，考虑各部分的容量及其技术参数，供电电源的设计、系统接地问题、电缆设计与铺设、plc输出端保护等问题，已使系统达到安全可靠的工作，所以要想交付用户使用，必须得通过现场调试。这就又给我们提出了更高层次的问题，毕竟一个较好的和较完善的应用软件不是在短时间内就可以完成的它需要不断的完善和发展，需要我们做大量的工作和时间的检验。现在的系统还没有达到真正的智能化，还需要正增加很多新的功能和先进的科学技术，才能达到真正意义上的智能化控制。7参考文献(1)王永华，现代电气控制及PLC应用技术。北京航空航天大学出版社 2008 . 3.9(2)何衍庆主编，何一平、王鹏副主编著，常用PLC应用手册，电子工业出版社2008.3.7(3)李凤阁，佟为明，编著，电气控制与可编程控制器应用技术，北京机械工业出版社2007.12.25(4)陈立定，电气控制与可编程控制器技术 北京人民邮电出版社 2007.3.5(5)马志喜 电气工程设计 北京机械工业出版社 2008.6.7(6)郭和伟 电器与PLC控制技术 北京清华大学出版社 2007.4.6(7)赵克裕 许福永 微波原理与技术 北京高等教育出版社 2006.8.5(8)阮有德 电气控制与PLC实训教程 人民邮电出版社 2006.10.10(9)齐占庆 王振臣 电气控制技术 北京机械工业出版社 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