基于PLC自动门控制系统的设计.docx
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基于PLC自动门控制系统的设计
基于PLC自动门控制系统的设计
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做出判断，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。
本文详细阐述了自动门控制系统的硬件设计和软件设计，并在S7-200实验台上完成了仿真调试。
采用PLC控制自动门具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点，具有良好的应用前景.
关键词：
自动门；PLC；感应器件；驱动装置
THEAUTOMATICDOORCONTROLSYSTEMRESEARCHBASEDONPLC
ABSTRACT
Thethesisisabouttheautomaticdoorcontrolsystem。
Itismadeofthefollowingparts:
ProgrammableLogicController（PLC）,sensingdevices,drivedevice,grearingdevice.Theprincipleis:
sensingdevicessendsthedetectedhumanbodyorobjectsignalstoPLC.PLCjudgesthereceivedautomaticdoorstatesignal,thensendscontrolsignals,anddrivesactuatorstodrivetheautomaticdoorrun.
Thethesisdescribesthehardwareandsoftwaredesignoftheautomaticdoorcontrolsystem,andcompletesthesimulationdebuggingontheS7-200bench.UsingPLCasthecontroloftheautomaticdoorswillhavehighreliability,convenient,andagoodprospect.
Keywords:
Automaticdoors;PLC;Sensingdevices;Drivedevice
目录
1前言-----------------------------------------------------------1
2自动门控制系统总体方案设计-------------------------------------2
2.1自动门的功能需求分析-------------------------------------2
2.2自动门的控制要求-----------------------------------------2
2.3自动门控制系统构成---------------------------------------2
2.3.1PLC概述--------------------------------------------2
2.3.2具体构成--------------------------------------------5
3自动门控制系统的硬件设计---------------------------------------6
3.1PLC的选型-----------------------------------------------8
3.2驱动装置的选型-------------------------------------------8
3.3感应器件的选型-------------------------------------------8
3.4传动装置-------------------------------------------------9
3.5限位开关-------------------------------------------------9
3.6自动门控制系统I/O地址分配表----------------------------10
3.7自动门控制系统的原理图----------------------------------10
3.7.1主电路及供电线路-----------------------------------10
3.7.2PLC外围接线图-------------------------------------11
4自动门控制系统的软件设计--------------------------------------12
4.1工作过程分析--------------------------------------------12
4.2梯形图程序----------------------------------------------12
5程序调试------------------------------------------------------14
5.1硬件线路连接--------------------------------------------14
5.2联机调试------------------------------------------------14
6结束语---------------------------------------------------------16
参考文献--------------------------------------------------------17
致谢------------------------------------------------------------18
附录------------------------------------------------------------19
1前言
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，自动门已经是随处可见。
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，当人走进自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过门之后，再将门关闭。
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[1]。
自动门在国外早已得到普遍的应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。
自动门性能优劣主要取决于它的控制装置，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置可编程控制器（以下简称PLC），PLC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置。
目前它在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业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[2]。
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，不论对于产品开发商还是使用者来说都是最好的[3]。
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下降，效益提高。
因此是一个比较实用且经济的产品。
2自动门控制系统总体方案设计
2.1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具有以下功能：
（1）开门和关门控制应具有手动和自动方式
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且门未关闭，PLC动作输出信号开控制电动机正转或者反转来开门或者关门[4]。
（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。
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BG1或BG2时，开门执行机构QA1动作，电动机正转，到达开门限位开关BG3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QA2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关BG4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BG2或BG1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BG2或BG1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，英文称ProgrammableController，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。
它通过运行存储在其内存中的程序，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，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行入出信息变换时，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。
特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于门内外感应器采集信号PLC手动控制开关安全感应器变频器交流电机蜂鸣器开/关门指示灯第9页维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：
（1）逻辑处理功能；
（2）数据运算功能；
（3）准确定时功能；
（4）高速计数功能；
（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；
（6）程序与数据存储功能；
（7）联网通信功能；
（8）自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。
像PLC这样。
集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
现代化工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
PLC专为工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
其主要特点主要有：
（1）抗干扰能力强，可靠性高
（2）控制系统结构简单，通用性强
（3）编程方便，易于使用
（4）功能强大，成本低
（5）设计、施工、调试的周期短
（6）维护方便
PLC与其他典型控制系统的区别[5]
（1）PLC与继电器控制系统的区别
继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点。
使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。
a.控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想在改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每个只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差，而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需要改变程序即可，因此灵活性和扩展性都很好。
b.工作方式
电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时处于受控状态，它属于并行方式。
而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性扫描过程中，各种逻辑、数值输出地结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以它属于串行工作方式。
c.控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。
（2）与单片机控制系统的区别
a.本质区别
单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制系统是基于板级或模块级的系统。
其实PLC本身就是一个单片机系统，它是已经开发好的单片机产品。
开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在产品的单片机控制系统上进行的二次开发。
b.使用场合
单片机控制系统适合于家电产品、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用；而PLC控制系统适合在单机电气控制系统、工业控制领域的制造业自动化和过程控制中使用。
c.使用过程
设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰等大量工作需要专门的开发装置和低级编辑语言编制控制程序，进行系统联调；而PLC不必操心内部的计算机系统是否可靠和它们的看干扰能力，软件设计使用工业编程语言，相对来说比较简单。
进行系统调试时，因为有很好的工程工具帮助，所以也非常容易。
2.3.2具体构成：
自动门系统的具体组成如下图2-1所示
图2-1自动门控制系统组成示意图
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，使驱动装置运行，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
3.1PLC的选型
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的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、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，再增加10%～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）存储器容量的估算
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使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需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替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15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），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000第10页条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间[6]。
（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特性的选择。
根据本课题所设计的自动门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
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和编程器公用一个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。
在线编程方式：
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。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
c诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
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，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换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型两类，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/O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/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
b.经济性的考虑
5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，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU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择整体型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。
如图3-1所示
图3-1CPU224外形
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Ф45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m～0.24N.m，功率15W~100W。
额定电压24VDC。
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，平面型天线作感应系统，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[7]。
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。
其探测方式具有如下优点：
（1）非接触探测。
（2）不受温度、湿度、噪
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门控制系统中，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反，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生产的微波自动门感应器WB-3004,其规格参数如表3-1：
表3-1WB-3004规格参数
型号
WB-3004
供电电压
AC/DC12V~AC/DC24V
工作频率范围
50Hz~60Hz
感应探头工作频率
10.525GHz（9.00GHz~12.00GHz）
工作指示方式
LED
感应时间/延时时间
REAL-TIME/0.5SEC
感应范围
4.0M（W） X3.0M（D）
静态功耗：
工作功耗：
200mW@12V
550mW@12V
探头可调节角度
40°~160°
工作温度范围
-25℃~+60℃
相对湿度
0~95%
安装方式
WALL
3.4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，使其按特定方向行进。
2自动门扇吊具走轮系统：
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，牵引自动门扇吊具走轮系统
3.5限位开关
限位开关又称为行程开关，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[8]。
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。
3.6自动门控制系统I/O地址分配表
I/O分配表式编写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。
根据自动门控制系统的要求，确定了PLC的I/O分配表如下[9]：
表3-2I/O分配表
名称
代码
地址编号
输入信号
由外到内微波检测开关
BG1
I0.1
由内到外微波检测开关
BG2
I0.2
关门限位开关
BG3
I0.3
开门限位开关
BG4
I0.4
紧急停止开关
SF5
I0.5
启动停止
SF0
I0.0
手动开门
SF10
I1.0
手动关门
SF11
I1.1
输出信号
开门执行机构
QA1
Q0.1
关门执行机构
QA2
Q0.2
3.7自动门控制系统的原理图
3.7.1主电路及供电线路
图3-2供电线路
右边为一个稳压源，其作用是输入电压220V，输出电压24V，输出电流为
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