基于PLC自動門控制系統(tǒng)的設計

1、摘要本文是關于自動門控制系統(tǒng)的設計，自動門系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、感應器件、驅動裝置和傳動裝置組成。主要工作原理是感應器件將檢測到的人體或物體信號傳送到PLC，PLC再綜合收到的自動門狀態(tài)信號作出判斷，而后發(fā)出控制信號，使驅動裝置運行，在通過傳動裝置帶動門的動作。隨著電子技術的發(fā)展，PLC不斷的更新，PLC控制已成為自動控制中最常見的方式之一。自動門就是自動控制應用的以典型例子，由于可編程控制器具有很好的處理自動門開關控制及良好的穩(wěn)定性，而且可以很簡單的改變控制的方式，因此，自動門的生產(chǎn)商家很多都運用PLC來做門的控制器。目前自動門在日常生活中用越來越廣泛。PLC控制具有較高的可靠性

2、、穩(wěn)定性、維修方便等優(yōu)點。關鍵詞：自動門、PLC、感應器件、驅動裝置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 i

3、ntroduced 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

4、,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

5、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目錄摘要1Abstract2引言41.自動門軟硬件設計51.1自動門類型的選擇51.2自動門硬件系統(tǒng)的設計51.3自動門的軟件設計52自動門控制系統(tǒng)總體方案設計52.1在自動門的功能需求分析52.2自動門的控

6、制要求62.3自動門控制系統(tǒng)構成6概述6具體構成73自動門控制系統(tǒng)的硬件設計83.1 PLC的選擇83.2驅動裝置的選型103.3感應器件的選型103.4 直流電動機的選型113.5傳動裝置113.6 限位開關113.7自動門控制系統(tǒng)I/0地址分配表123.8自動們控制系統(tǒng)的原理圖134自動門控制系統(tǒng)軟件的設計144.1工作過程的分析144.2 梯形圖的設計155程序調(diào)試175.1硬件線路連接175.2聯(lián)機調(diào)試176 結束語197參考文獻20引言在經(jīng)濟飛速發(fā)展的中國，高樓聳立的大都市里的大廈、賓館、酒店、銀行、商場、寫字樓，自動門已經(jīng)隨處可見。自動門的工作方式是通過自動門內(nèi)外兩側的感應開關來感

7、應人的出入，當人走進自動門是感應開關感應到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅動裝臵將門打開。當人通過之后，再將門關上。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，不但能給我們帶來人員進出方便、節(jié)約空調(diào)能源、防風、防塵、降低噪音等好處，更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息。 自動門在國外早已得到普遍的應用，在我國也以優(yōu)異的性能逐步得到大家的認同，中國已迎來了自動們發(fā)展的黃金時期 自動門性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝臵，早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。目前自動門及其自動化行業(yè)最穩(wěn)定的控制裝臵是PLC，它是一種專

8、門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝臵。目前他在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕化工等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。因此運用PLC控制自動門具有較高的可靠性、維修方便等優(yōu)點。由此看來，進行自動門的PLC控制系統(tǒng)設計，可以推動自動門行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動門行業(yè)乃至整個自動化行業(yè)的應用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究價值。 本課題主要介紹運用PLC為控制器的自動門控制系統(tǒng)的設計，所有產(chǎn)品的開發(fā)都要講究實用本課題開發(fā)的產(chǎn)品對許多場合都能適用，而且能夠簡單化，不論對于產(chǎn)品開發(fā)還是使用者來說都是最好的。此系統(tǒng)的設計既滿足了自動門的基本要求，還可以保證自動門的穩(wěn)定性。研究本課題

9、意味著產(chǎn)品成本的下降，效益提高。因此是一個比較實用且經(jīng)濟的產(chǎn)品。1.自動門軟硬件設計1.1自動門類型的選擇綜合了自動門的簡潔、簡單的要求，在本課題中主要研究自動平移門，本課題設計的自動平移門具有手動和自動開門功能和分時間段控制功能以及配備安全防夾人光線、后備電源等輔助裝置來滿足商場等人流眾多的場所的高效率、高安全性的要求。1.2自動門硬件系統(tǒng)的設計本課題設計的自動門要求有很高的穩(wěn)定性來滿足日常的需要，故在本設計中所選用的智能控制器為穩(wěn)定性良好的德國西門子公司生產(chǎn)的CPU224小型PLC。在自動門的開關門速度控制上本設計以變頻器作為調(diào)節(jié)器，運用變頻器的三段速控制實現(xiàn)自動門的轉速控制，為了解決在頻

10、率很低時出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，驅動裝置選用功率強大、穩(wěn)定性好的自帶減速裝置的直流電動機，在感應器方面運用了自動門專用的微波雷達感應器和在工業(yè)控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性好的接近傳感器，運用感應器的開關量信號輸入給PLC來實現(xiàn)PLC對自動門的控制。由于本課題的具體需要在硬件系統(tǒng)的設計過程中主要考慮自動門的經(jīng)濟實用、穩(wěn)定的需要。1.3自動門的軟件設計在本設計中選用了目前運用最多的PLC編程語言梯形圖，梯形圖能直觀明了的設計出自動門的控制要求，并能更好的考慮到安全性和故障報警等問題，梯形圖的編寫運用西門子自帶的編程軟件，此軟件具有強大的診斷功能，能更快的查處故障原因，從而大大縮短了維修

11、時間。2自動門控制系統(tǒng)總體方案設計2.1在自動門的功能需求分析本設計面向商場入口的應用，需要有安全性和可靠性。根據(jù)商場中對自動門的具體要求，本課題所設計的自動門應由以下功能：(1)開門和關門控制應有手動和自動方式為了便于維護，自動門應具有手動和自動方式。當信號采集裝置檢測到有人接近門口且門未打開或者檢測到已無人接近門口且門未關閉，PLC動作輸出信號開控制點動機正轉或者反轉來開門或者關門。(2)緊急停止當自動門出現(xiàn)夾人現(xiàn)象時，可閉合緊急停止開關，自動門自動進入開門過程。自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和執(zhí)行元件構成。采用自動和手動控制方式，此種控制模式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門

12、控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。2.2自動門的控制要求(1)當有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關K1或K2時，開門執(zhí)行機構KM1動作，電動機正轉，到達開門限位開關K3位置時，電機停止運行。(2)自動門在開門位置停留8秒后，自動進入關門過程，關門執(zhí)行機構KM2被起動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關K4位置時，電機停止運行。(3)在關門過程中，當有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關K2或K1時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。(4)在門打開后的8秒等待時間內(nèi)，若有人員由外至內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關K2或K1時，必須重新開始等待8秒

13、后，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。2.3自動門控制系統(tǒng)構成自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和動作執(zhí)行元件構成。采用自動和手動電動控制方式，此種控制方式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。2.3.1PLC概述可編程控制器，英文Programmable Controller,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它以微處理器為核心，集自動化技術、計算機技術、通信技術為一體，它通過運行儲存在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程

14、得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于計算機。普通計算機進行入出信息交換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性、以及信息的實際使用。特別要考慮怎樣適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝便于門內(nèi)外感應采集信號，便于維修和抗干擾等問題，入出信息變換及可靠地物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本點。PLC可以通過他的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電器控制裝置多得多、強得多。2.3.2具體構成自動門系統(tǒng)的具體組成如下圖： 由上圖可知，當感應器件檢測到人體或物

15、體信號時將信號傳給PLC,PLC根據(jù)已經(jīng)采集的信號發(fā)出控制信號，是驅動裝置運行，通過傳動裝置帶動自動門的運行。3自動門控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 PLC的選擇在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。因此工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需要的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估計輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。(1)輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)

16、計的輸入輸出點數(shù)，在增加10%到20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點數(shù)為輸入12點，輸出12點。(2)存儲器容量的選擇存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目實用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器的容量。設計階段，由于用戶程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，須在程序調(diào)試之后才知道。為了設計選型時，能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替，存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的形式，許多文獻資料中給出了不同的公式，

17、大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10到15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按次數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應能存儲索要儲存的程序，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。(3)控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等性能的選擇。根據(jù)本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)的要求，主要介紹一下幾種功能的選擇。a 控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需要的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。

18、b編程功能離線編程方式：PLC和編程器共用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 c診斷功能 PLC的診斷功能爆孔硬件和軟鍵的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診

19、斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟鍵對PLC的CPU玉外部輸入輸出等部件信息叫喚功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。 (4)機型的選擇 a.PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊兩類型型，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/0點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/0卡件或插卡，因此用戶可較合理的選擇和配置系統(tǒng)控

20、制的I/0點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 b經(jīng)濟的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出比較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。點當數(shù)增加到一數(shù)值后，相應的存儲器容量相應增加，因此，點數(shù)的增加對PLC選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。本課題所設計的自動門屬于小型控制系統(tǒng)，結合經(jīng)濟性的考慮因此選用整體型PLC。 綜合以上因素，本課題的設計采用德國西門子公司生產(chǎn)的CPU224小型PLC來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。3.

21、2驅動裝置的選型自動門的驅動器是自動門能否良好工作的保障。在本設計中是運用直流無刷電機。直流無刷電機功率密度高，噪音極小、調(diào)速性能好，即具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機線性機械特性、調(diào)速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等諸多優(yōu)點。是應用于“輕、小、薄、安靜、精密、可靠”等場合的最佳選擇本設計選用的是亞坦電機控制有限公司生產(chǎn)的45BLDC系列直流無刷電機，電機直徑45，額定轉數(shù)4000轉，額定扭矩0.036N.m，功率15W100W。額定電壓24V DC。3.3感應器件的選型目前自動門行業(yè)運用的感應器件主要有微波感應器、紅外感應器等。微波感應器，又稱微波雷達，對

22、物體的移動進行反應，因而反應速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，微波感應器是以微波多普勒原理為基礎，平面型天線昨感應系統(tǒng)，以微處理器作控制。整機關鍵元器件均為進口器件，方案設計選擇器件均確保了產(chǎn)品可靠性。 微波感應器的特點： 微波感應器是以10.525GHz微波頻率發(fā)射、接收。其探測方式具體如下優(yōu)點： (1)非接觸探測。 (2)不受溫度、濕度、噪音。紅外感應器，是對物體的存在進行反應，不管人員是否移動，只要處于感應器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應，另外，紅外感應器的反應速度比微波感應器慢。根據(jù)不同的功能和性能運用在各類不同場合的自動控制系統(tǒng)中，是自動門系統(tǒng)的關鍵部位，其性能直接影響自動門系統(tǒng)

23、的安全及穩(wěn)定，如在高檔酒店、寫字樓，可以選擇高靈敏度的感應器；在人行道邊上的銀行、商店等經(jīng)常有人路過的地方，選擇窄區(qū)域的感應器。結合本課題的實際需要在設計自動門的人員檢測上運用上海順安達門業(yè)裝飾有限公司的微波自動門感應器WB-3004，其規(guī)格如下： 3.4 直流電動機的選型并勵或他勵直流電動機與交流異步電動機相比，雖然結構復雜，價格高，維修也不方便，但是在調(diào)速性能上有其獨特的優(yōu)點。因為鼠籠式電動機在一般情況下是不能調(diào)速的，更不能無級調(diào)速，因此，對調(diào)速要求高的設備，均采用直流電動機。這是因為直流電動機能無級調(diào)速，機械傳動機構比較簡單。3.5傳動裝置本控制系統(tǒng)所用到的傳動裝置具體包括如下： 1 自

24、動門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。 2 自動門扇吊具走論系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。 3 同步皮帶：用于傳輸電機所產(chǎn)動力，牽引自動門吊具走論系統(tǒng)。3.6 限位開關限位開關又稱行程開關，是一種利用生產(chǎn)機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。 限位開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產(chǎn)機械運動到某一運動位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉化為電信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產(chǎn)機械給以必要

25、的保護。3.7自動門控制系統(tǒng)I/0地址分配表I/0分配表示編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是現(xiàn)場接線和調(diào)試的重要依據(jù)。3.8自動們控制系統(tǒng)的原理圖 上圖為自動門控制系統(tǒng)的主電路原理圖。如上圖所示KA1 KA2是感應器控制的兩個繼電器，有感應器感應到有人時會自動閉合，SQ1、SQ2是開關門到位行程開關 ，檢測開關門是否到位檢，SQ3、SQ4是開關門時減速行程開關。4自動門控制系統(tǒng)軟件的設計4.1工作過程的分析根據(jù) 本課題的控制要求和安全要求，所設計的程序按照下圖所示的流程運行，已達到本系統(tǒng)的最佳設計要求和完成系統(tǒng)的最終設計，工作流程如下：(1)首先按下啟動按鈕，當傳感器檢測到能有人體信號時，

26、電動機正傳，帶動自動門執(zhí)行開門過程。(2)當門完全打開之后，使開門限位開關打開，此時自動門停止，進行8秒延時。 若此時感應器重新檢測到有人體信號時，則在重新進行8秒延時 (3)當8秒的延時完畢后，電動機反轉執(zhí)行關門過程。在關門過程中，傳感器重新檢測到人體信號時，此時中斷關門轉向開門過程。(4)考慮到自動門若出現(xiàn)故障時，使用自動控制系統(tǒng)有所不適，于是設置手動開門和手動關門。以上工作過程可用流程圖表達如附圖所示。4.2 梯形圖的設計設計梯形圖的基本方法和步驟：（1）首先根據(jù)工藝過程控制要求，畫出控制流程圖，力求表達清晰、準確。必要時可以把控制系統(tǒng)分解成幾個相對獨立的部分，盡量簡化，利于編程(2)將

27、所有的輸入信號（按鍵，行程限位開關，壓力開關，壓力、速度、時間等傳感器）和輸出控制對象（接觸器、電磁閥、電動機、指示燈等）分別列出，按被采用的PLC型號內(nèi)部邏輯元件編號范圍，對I/O端子做出相應的分配和安排。（3）根據(jù)控制流程圖，有規(guī)律的分配和利用PLC內(nèi)部有關的邏輯元件（如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等）構成相應的基本回路。（4）以梯形圖的形式來描述控制要求，繪制梯形圖要遵循編程原則。（5）編寫程序清單時，必須按梯形圖的邏輯行和邏輯單元的編排順序（由上而下，從左到右）依次進行。 本系統(tǒng)的程序軟件采用西門子公司設計開發(fā)的STEP-Micro/WIN,選擇他的梯形圖語言進行程序設計。在設計過程中應

28、遵循以下編程規(guī)則：1.每個繼電器的線圈和他的觸點均用同一個編號，每個元件的觸點使用時沒有數(shù)量限制。2.梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。3.線圈不能直接接在左邊的母線上。4.在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，他很容易引起誤操作，應避免。5.在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有電流流動，這個電流只能在梯形圖中單向流動即從左向右流動，層次的改變只能從上向下流動。6.無論選用何種PLC機型，所使用的軟件編號（即地址）必須在該機型的有效范圍以內(nèi)。根據(jù)以上規(guī)則和PLC的編程方法和思路編寫了本課題設計的自動門控制系統(tǒng)的梯形圖程序，具體程序如下：5程序調(diào)試5.1硬件線路連接