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基于PLC的车库门自动控制设计
基于PLC的车库门自动控制设计
【摘要】
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。
智能车库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智能车库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，智能车库门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。
目前智能车库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。
本文是关于智能车库门控制系统的设计，智能车库门系统主要由可编程控制器（PLC）、无线遥控开关、限位器件、驱动装置和传动装置组成。
主要工作原理是人控制无线遥控开关将信号传送到PLC，PLC再综合收到的智能车库门状态信号作出判断，而后发出控制信号，使驱动装置运行，再通过传动装置带动门的动作。
【关键词】：
智能车库门；PLC；无线遥控开关；感应器件；驱动装置
引言
随着进口汽车大量涌入和国内汽车工业的不断发展，大中城市的汽车数量剧增，私家车更是越来越普及。
从而引发了停车管理及防盗问题愈演愈烈。
近几年，我国的停车场门控管理技术不断完善，计算机技术、通信技术、网络技术的发展又促进了停车场门控管理系统功能的强大。
但是，现时某些小区停车场如要运用大量高新技术就会出现资金不足、维护管理不完善的问题，有时考虑也不够全面，且停车在小区停车场是需要收费的。
所以目前建造属于自己个人的私家车库就显得尤为重要，这样不仅可省去小区停车场即时收费这一环节，而且可以更好的安置自己的爱车。
车库门是私家车库的核心部分，可以及时有效的保护了车主的财产安全。
早期的车库门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。
1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），其特点是：
具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。
PLC控制智能车库门由于具有智能化程度高、故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。
为此，本设计采用PLC控制车库门的开关及其外围灯具设备的工作，以达到节能的目的，更加入的语音系统能够更人性化的为车主服务。
一、智能车库门控制要求
库门设计为卷帘式，用一个电机来拖动卷帘。
正转接触器KM1使电机开门，反转接触器KM2使电机关门。
在车库门的内侧装有无线遥控开关的接收器。
其控制过程如图1-1所示。
要求实现以下四个功能：
1．按下无线遥控开关上的开门键，产生输入电信号X2=1，从而继电器KM1线圈得电，车库门开始打开，同时车库外的灯Y6（白天不会亮）亮，蜂鸣器Y7工作。
2．当车库门打开的其上升极限X1处，KM1线圈失电，车库门停止上升，车库内的灯Y5亮，灯Y6在5秒后熄灭，蜂鸣器立即Y7停止工作。
3．按下无线遥控开关上的关门键，产生输入信号X3=1，从而继电器KM2线圈得电，车库门开始关闭，同时灯Y5在5秒后熄灭，灯立即Y6（白天不会亮）打开。
4．当车库门关闭到其下降极限X0处，KM2线圈失电，车库门停止下降，灯Y6在2分钟后自动熄灭。
图1-1车库门动作示意图
二、智能车库门外部设备的选用
（一）车库门开关控制器的选择
1．作用：
提供信号给PLC控制车库门的开关。
由于要实现车库门的智能化控制，则要求车主在车上就可以打开车库门，无需下车手动操作，所以本文将选用无线遥控开关。
2．无线遥控开关的选型要求：
抗干扰能力均很强,可在强电磁干扰环境中使用。
频率稳定性好,接收灵敏度高。
控制安全，发射器和接收器只能一对一使用。
遥控距离广，最低要求100M，可以与PLC连接使用。
综上所述确定选择深圳市奥圣科技发展有限公司的奥圣/AU-RK02-12无线遥控开关，如图2-1所示。
图2-1奥圣/AU-RK02-12无线遥控开关
3．产品特点：
四路输出，可独立输出，也可非锁和互锁输出。
可通过拔插插针跳线的方式方便地在点动、互锁、自锁三种工作方式中进行随意切换。
使用方便更换芯片的芯片座，可方便地更换为点动、互锁、自锁各类芯片，以便满足各类需要。
接收灵敏度高，遥控距离可达50米至100米以上。
采用大容量继电器，可控制上千瓦的电器及设备。
采用无线编码技术，无方向性，开关互不干扰。
主要应用于遥控电动门、窗、开关、安防等工业或照明遥控领域。
4．其主要技术参数如下：
工作电压：
DC24V
接收频率：
315MHZ
接收灵敏度：
－95db
工作方式：
点动，互锁，自锁
最大负载：
7A
编码类型：
固定
编码方式：
焊盘
5．接线说明：
1、4、7、10为常开端
2、5、8、11为公共端
3、6、9、12为常闭端
（二）家用车库电机的选择
1．作用：
给车库门的开关提供动力，由PLC控制的接触器KM1、KM2控制其正反转。
2．选用车库门电机主要考虑：
车库门面积、重量，当地的天气气候，车库门的使用寿命等。
无刷直流电机具有更大的功率密度（铁芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省却变频器以及产能提高因素考虑在内，使用者的综合成本下降很大。
所以在本设计中选用的无刷直流电动为TTMOTOR的无刷直流电机，如图2-2所示。
3．产品特点：
该产品设计先进、工艺精良、性能稳定、安全可靠。
具有整体感强、体积小、重量轻、耗电省、噪音低、输出转矩大，制动灵活、准确等特点。
广泛使用于工厂、商店、会议中心、中小型市场、家庭的门等。
其中GMP56-TEC5760型适合于本设计使用。
4．其主要技术参数如下：
电压：
24.0（V）
功率：
25（W）
额定速度：
100（rpm）
额定转矩：
0.9（NM）
额定电流：
2.10（A）
效率：
75（%）
绝缘等级：
B
电机外形尺寸：
直径：
56（mm）长度：
110（mm）
图2-2GMP56-TEC5760直流无刷电机
（三）车库内外灯的光控开关选择
1．作用：
与PLC控制的继电器联合控制车库外灯的开关，接线示意图，如图2-3所示。
2．产品特点：
本光控感应开关电路设计采用高品质CDS元器件装置,并使用继电器开关接通负载力强,继电器开关使用寿命10万次。
当环境光照度低于8Lux时,开关自动接通负载,当环境光照度足够时,开关自动关闭负载,适用于楼道、走廊、仓库、车库、地下通道等公共场所各类灯具电器的自动开关。
3．其主要技术参数如下：
感应方式：
被动式
感应原理：
光敏感应
自身功率：
<0.016W/h
光控感应：
2-8Lux
负载能力：
阻性1000W,感性400W
环境温度：
-20℃—+50℃
负载范围：
白炽灯,日光灯,节能灯,LED灯等各类负载
工作电压：
180V-AC265V（50Hz/60Hz）
图2-3光控开关接线示意图
4．安装注意事项：
安装时开关应背光，避免灯光的直射或干扰，开关表面光线应尽量接近自然环境光线。
（四）蜂鸣器的选择
1．作用：
提供语音提示，凸显智能车库门的人性化，由PLC直接控制
为力提高生活质量，要求当车库门打开时喇叭会发出“车库门正在打开请稍等，驾车请注意安全，切勿酒驾！
”的语音提示。
所以本设计选用智能语音提示喇叭——常州安全语音提示喇叭开发有限公司的626.802型喇叭。
2．产品特点：
功能扩展能力强，采用模块化电路设计，触发接口扩展性强，语音扩展能力强，采用先进的可编程语音集成电路，支持语音定制及多段扩展，电路稳定可靠，系统电路按照工业级标准进行设计，输出功率大，性能稳定可靠，具有过载保护，输出功率大。
采用成熟稳定的推挽功率放大输出，效率高，功率大，语音音质好，优质语音芯片，低失真放大，优质铝膜扬声器使得该系统功率充足，音质圆润，坚固耐用，防水能力强，全封闭结构，优质ABS工程塑料外壳，美观坚固，使用寿命长，防水能力达到国经工业标准防水等级IPX6。
3．其主要技术参数如下：
型号：
IR-QCDZ-103-24
工作电压：
24V
工作电流：
<0.3A
额定功率：
10W
最大功率：
25W
工作模式：
白天/关闭/夜间（前单元）
工作温度：
-20～70℃
频率响应：
500－8KHz
灵敏度：
120dB±5dB
阻抗：
8Ω
颜色：
黑色
尺寸：
100×100×100mm
重量：
0.3kg
（五）24V直流电源选择
1．作用：
为耗能设备提供动力来源，输入220V交流输出24V直流。
24V直流电源是整个智能车库门的动能来源，所以电能的输出要稳定，且要具备过载过压保护。
因此选择明纬S-60-24单组输出开关电源,如图2-4所示。
图2-4明纬S-60-24单组输出开关电源
2．产品特点：
国际通用全范围交流输入，具有短路、过载、过电压保护，自然风冷，100%满载老化测试，开关工作频率77KHZ。
3．其主要技术参数如下：
直流电压：
24V
额定电流：
2.5A
额定功率：
60W
输入电压：
220V
频率范围：
47~63Hz
效率：
79%
工作温度：
-10~+60℃
工作适度：
20~90%RH
尺寸：
159*97*38MM（L*W*H）
（六）PLC的选择
1．作用：
是整个智能车库门的核心，协调控制车库门各部件的动作，实现智能化。
在PLC系统设计时，首先要确定控制方案，下一步的工作就是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，应该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。
2．输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数的估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10％到20％的可扩展。
留有余量后，就作为输入输出点数估算数据。
在实际订货时，还需要根据制造厂商PLC的产品特点对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法本设计的I/O点数为输入6点，输出5点。
3．机型的选择
（1）、PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型，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。
整体型的PLC的I/O点数是固定的，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/O卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统的I/O点数，功能扩展方面灵活，一般用于大中型控制系统。
（2）、从经济的角度考虑
在选择PLC时，应该考虑其性能价格比。
考虑经济时，也应该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的影响，当点数增加到一定数值后，相应的存储器容量也应增加。
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一定的影响。
所以，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。
本设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑，选用整体型PLC。
4．对PLC响应时间的选择
对于多数场合，PLC的响应时间基本上能满足控制要求。
响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。
PLC的工作方式决定了它不能接受频率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。
综上所述，本设计选择了三菱的FX系列的FX2N-16MR,如果I/O点不够可以使用拓展单元，三菱FX2N-16MR具有如下优点：
最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动门应用提供最大的灵活性和控制能力，如图2-5所示。
图2-5三菱FX2N系列PLC样图
三、智能车库门的控制流程
（一）汽车进、出库流程文字说明
当汽车进库时，汽车行驶到离车库门一定的距离时，车主按下无线遥控开关遥控器上的开门按钮，接收器会把开门信号传送给PLC，然后由PLC控制车库门打开。
车库门打开的同时，车库外的灯会打开（白天不会打开，由光控开关控制）、蜂鸣器工作发出“车库门正在打开请稍等，驾车请注意安全，切勿酒驾！
”的语音提示，车库门完全打开后，车库内的灯立即打开，车库外的灯会延时熄灭，以达到节能目的。
车主离开车库，按下无线遥控开关遥控器上的关门按钮，接收器会把关门信号传送给PLC，然后由PLC控制车库门关闭。
车库门关闭的瞬间车库外的灯会立即打开，车库里的灯会延时熄灭，在车库门完全关闭以后，车库外的灯会延时熄灭，以达到节能的目的。
出库控制过程同入库过程。
（二）汽车进、出库控制流程图
1.车库开门流程图如图3-1所示。
图3-1车库门开门流程图
2.车库关门流程图如图3-2所示。
图3-2车库门关门流程图
四、智能车库门的梯形图设计
（一）PLC梯形图的概述
PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。
国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：
功能表图（sequentialfunctionchart）、梯形图（Ladderdiagram）、功能块图（Functionblackdiagram）、指令表（Instructionlist）、结构文本（structuredtext）。
梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。
采用梯形图程序设计语言，这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系。
在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。
形梯图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
1.与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
2.与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；
3.与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：
梯形图中的能流（PowerFlow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
（二）梯形图编程环境
本设计的梯形图编程是运用三菱公司的GXDeveloper编程软件完成的，其编程环境界面如图4-1所示。
图4-1GXDeveloper编程界面
下面主要介绍下GXDeveloper编程软件概要：
GXDeveloper是具有下列功能的软件包。
1．制作程序
2．对可编程控制器CPU的写入/读出，如图4-2所示。
图4-2可编程控制器CPU的写入/读出示意图
（三）智能车库门I/O分配表
智能车库门I/O分配表，如表1-1所示。
表1-1智能车库门I/O分配表
输入装置
车库门下限位
X0
车库门上限位
X1
无线遥控开关打开
X2
无线遥控开关打关
X3
手动打开车库门
X4
手动关闭车库门
X5
输出装置
车库门上升KM1
Y0
车库门下降KM2
Y1
车库外灯
Y6
车库内灯
Y5
语音提示喇叭
Y7
（四）智能车库门程序图分析
1、车库门上升及蜂鸣器控制
图4-3车库门上升及蜂鸣器控制
如图4-3所示，当车主按下无线遥控开关上的开门按钮或手动开门按钮时，PLC会接受到X2=1或X4=1，此时PLC的内部继电器Y0和Y7动作，Y0得电以后会通过自己的常开触点形成自锁，与Y1成互锁。
由Y0控制的继电器KM1的常开触点会一直闭合，车库门上升，蜂鸣器工作。
X1为车库门上限位行程开关，车库门打开到上升极限的时候会通过X1停止车库门的上升及蜂鸣器的工作。
2、车库门下降及车库外照明灯的延时控制
图4-4车库门下降及车库外照明灯的延时控制
如图4-4所示，当车主按下无线遥控开关上的关门按钮或手动关门按钮时，PLC会接受到X3=1或X5=1，此时PLC的内部继电器Y1动作，Y1的常开触点会形成自锁，与Y0成互锁。
由Y1控制的继电器KM2的常开触点会一直闭合，车库门下降。
在车库门下降的同时，计时器T1开始计时，在5S以后关闭车库内的照明灯。
3、车库外照明灯的控制
图4-5车库外照明灯的控制
如图4-5所示，当车库门打开或车库门关闭的时候，PLC会通过Y0和Y1的状态Y6的动作，从而控制车库外照明灯的控制，M0为辅助继电器，T0为时间继电器，计时5S，在车库门完全打开5S后熄灭车库外照明灯，T2也是时间继电器，计时2min，在车库门完全关闭2min后熄灭车库外照明灯。
4、车库内照明灯及车库外照明灯的延时控制
图4-6车库内照明灯及车库外照明灯的延时控制
如图4-6所示，车库内的照明灯会在车库门完全打开的时候打开，由车库上限位行程开关X1控制，在车库门关闭的同时T1在计时5S后将车库内灯熄灭。
其中T0和T2都是用来控制车库外照明灯的延时关闭的，在车库门完全打开时，计时器T0会工作，在计时5S后将车库外灯熄灭，在车库门完全关闭时，T2开始计时，在计时2min后将车库外照明灯关闭。
5．具体梯形图程序在附录III中列出。
五、控制系统的电气接线
智能车库门控制系统的控制连接电路主要包括I/O接线电路、控制系统主电路连接，详细的接线方式分别在附录I和附录II中列出。
总结
经过这一个多月的毕业设计过程，我了解了很多以前不曾了解的东西。
结合自己所学的专业知识，设计出程序和硬件系统，真正开始理解了PLC控制系统的设计方法，改善了PLC梯形图的编程能力，也认识到了GXDeveloper编程软件的应用。
但体会最深的还是自己各方面知识的贫乏，编程方面需要加强努力，其他很多地方都需要继续努力；另一方面也体会到了网络资源的丰富，找资料也需要技术，开拓了眼界，这些都是以后可以运用到实际工作中的知识财富。
一个设计涉及的是多方面的问题，需要考虑的东西也很多。
经过这次毕业设计，使我认识到以后处理问题都应考虑的全面细致，这样才能最好的处理好问题。
这次设计的过程中遇到的问题很多，老师和同学对我的帮助很大。
一些处理不了的问题，也能很变通的解决。
完成这个设计也是对自己大学所学知识的一次总结，一次检验。
更加系统更加深刻的认识到了自己三年来所学的知识对于以后从事相关专业工作的重要性。
也认识到了其中的不足之处，以后需要更多努力。
参考文献
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谢辞
老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
最后感谢和我同窗三年的大学同学，朝夕相伴的日子里，我门曾经一起笑过，哭过，彷徨过。
正是你门为我创造的这个安定的学习环境，我才得以顺利地地过完得大学生活。
多年来你们的帮助和关怀给了我莫大的安慰，帮助我度过了最困难的时候。
大学里在一起的日子，是我们青春中最灿烂的一页，即将过去的大学生活将成为我们最美好的回忆，回忆里的每张面孔，都栩栩如生，我会将你们珍藏。
三年的大学生活虽然短暂，但是有了你门的陪伴，关于大学的一切记忆都会变成永恒。
在此离别之时，我祝愿大家都有一个美好的前程。
附录II/O接线电路示意图
附录II控制系统主电路连接示意图
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