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基于PLC自动门控制系统的设计
摘要
随着科学技术的日新月异，我们的生活发生了巨大的变化。
一个智能化、自动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。
其中自动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。
为了增强自动门运行的可靠性,提出了一种以S7-200可编程序控制器（PLC）为核心的自动门控制系统。
分析了该控制系统的工作原理,描述了系统的硬件组成,介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程,对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。
结合PLC的运行特点,对控制系统的工作流程作了合理的优化。
在此基础上,采用结构化的编程方法,给出了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。
系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。
应用结果表明,整个系统功能完善,性能可靠。
关键词：
可编程控制器；S7-200；自动门；控制系统
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ourliveschangedgreatly.Anintelligentandautomationhasbegantoappearinourview,thisgivesusgreatconvenience.Intheprocessofautomaticdoorisofatypicalautomation,thisdesignistheuseofknowledge,andcombiningwithactualneedandresearch.
Tostrengthenthereliabilityoftheoperation,aS7-200（PLC）asthecoreoftheautomaticcontrolsystem.Analyzedthecontrolsystemworks,adescriptionofahardwaresystem,introducedthebodyautomaticallydetectandrespondtotheoperationpositionoftheinspectionandoperationoftheinspectionandcontrolcircuittotheworkoftheprocess,theplcandofcourseIwouldliketoconfirmtheorder.ItwasintroducedhowtochooseaPLCtype,toreallysettletheI/Oorders.Combiningtheoperationcharacteristicsofprogrammablecontroller,areasonableoptimizationwasmadefortheworkflowofthesystem.Onthisbasis,usingstructuredprogrammingmethod,theprogramflowchartsofmainprogrammoduleandopeningdoorsubroutinemoduleandclosingdoorsubroutinemoduleweredeveloped.Thedebuggingofthecontrolsystemwasdevelopedandthecontrolsystemhasbeenadopted.Thepracticalapplicationshowsthatthecontrolsystemisgoodandreliable.
Keywords:
programmablelogiccontroller（PLC）；S7-200；automaticdoor；Controlsystem
前言
自动门控制系统，在现当代社会是一个应用非常广泛的设备，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部分——自动门控制系统正是我们这论文的主要研究讨论的课题。
自动门是指:
可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。
例如：
各种用可识别感应器控制的自动专用门。
这是实现生活自动化进程的一个重要组成部分。
自动门的问题研究，其控制系统可追溯到早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。
而基于PLC（可编程控制器，以下统一用“PLC”表示）控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。
所以此设计中，我以西门子公司S7-200系列PLC为控制系统的核心元件，作信号的处理工作。
而感应部分，采用BISS0001芯片与RE200B热释电元件的组合，实现人或物体进出时的信号转换装置。
而实现门的开与关，则用直流电机作为动力装置，配以继电器控制来达到电机正反转动作，并加上行程开关作为限位，以实现该功能，因为以上器件在生活中非常容易购买，且价格适宜，同时也便于维护，非常适合广泛生产应用。
本课题所研究的自动门控制系统，主要通过PLC作为控制基础，加上对红外热释电传感器的应用，从而实现了门的“自动”功能，此设计拓展了PLC的应用层面，增加了实现自动门控制系统的选择性。
第一章绪论
本章主要从自动门的研究背景与意义、自动门的介绍及起源、自动门的组成及分类三个部分来对自动门进行简单的了解。
1.1研究背景与研究意义
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性:
有效的防范通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。
自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模专业制造商。
门的高级形式——自动门起源在欧美，迅速发展至今，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。
大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿态。
自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。
所以对自动门的认识应该从人们对门功能的要求开始。
作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。
因此门体本身应牢固、密封。
自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。
自动门除可美化出入口环境外，由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。
如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌（目前有很多自动门品牌是有一些贸易公司购买散件加上自己拼装而成，应尽量避免购买此类产品）。
不要认为样本上全是外国语，资料也是外国语的商品就是进口商品，其实这样是违反国家规定的。
真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。
由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，浴室迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。
同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修所不可少的一项配置。
自动门平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，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。
由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。
自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。
微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。
红外传感器对物体存在进行反应，不管人员是否移动，只要在处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。
缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。
1.2自动门的简介
自动门英文名：
automaticdoor
自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。
二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。
到了1962年，电气式已开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。
当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。
例如：
各种用可识别控制的自动专用门，如：
感应自动门（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。
利用脚踏板、光电束等作用以电力、气压或液压为动力自动启闭门扇的系统。
公元1世纪,希腊人希罗建造的自动打开庙门的装置是最早利用气压和液压为动力的自动门。
如图所示，祭坛点火使1的空气膨胀，水流入2，利用水的重量使轴3转动,将门打开。
祭坛灭火，门即自动关闭。
现代自动门的操作主要有三种方。
①脚踏板式：
在踏板之下装有压力开关。
②光电束式：
在门的附近设置光束发射装置和光电传感装置。
③按钮方式：
用手按类似开关的按钮使门扇打开。
自动门以滑动、铰链或折叠等方式启闭门扇。
为了防盗，必须同时装有特殊的设备，例如家庭用的自动门就需要装设来人识别装置或电视监视器等，对家庭以外的人员进行严格限制。
自动门在商场、宾馆、饭店、机场、车站、银行等场合已得到广泛应用。
1.3自动门的组成及分类
1.3.1自动门的组成
主控制器：
它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令、指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控制器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
感应探测器：
负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；
动力马达：
提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。
门扇行运轨道：
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。
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。
同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：
用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。
下部导向系统：
是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
1.3.2自动门的分类
自动门主要有:
旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门。
如图1.1：
弧形自动门双重平移自动门双扇平移自动门
图1-1自动门分类
1.4本章小结
本章主要介绍了自动门控制系统的研究意义与背景、自动门的介绍与起源、自动门的组成及分类。
主要是对自动门的发展历史以及其基本概念有一个大致的了解，为下面的设计打下一个基础。
第二章PLC的介绍及选择
可编程控制器（ProgrammableController简称PLC）。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的控制系统。
可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。
由于PLC在自动化控制中的种种优势，因此被广泛的引用于自动门系统中。
2.1PLC的简介
由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。
美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），但为了与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，常将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：
可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入∕输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制器或产生过程的自动化控制装置。
1982年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中对PLC作了如下的定义：
“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序控制器的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
”
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
2.2PLC的主要功能及特点
2.2.1PLC的主要功能
1.开关逻辑和顺序控制
这是PLC应用最广泛、最基本的场合。
它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。
2.模拟控制（A/D和D/A控制）
在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。
过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。
3.定时/计数控制
PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。
对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。
4．步进控制
PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。
5.运动控制
在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。
6.数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。
7.通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
2.2.2PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
2.配套齐全，功能完善，适用性强
3.易学易用，深受工程技术人员欢迎
4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
5.体积小，重量轻，能耗低
2.3PLC的组成与基本结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。
因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
2.3.1PLC的硬件系统
PLC的硬件系统由主机系统（如图2.1）、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
图2-1PLC硬件主机系统图
2.4PLC的工作原理
可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。
PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。
CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地集中采样、集中输出的方式来完成。
一个扫描周期（工作周期）主要成分为以下几个阶段：
1.输入采样扫描阶段
这是第一个集中批处理过程，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态是否变化。
即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。
2.执行用户程序扫描阶段
是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。
如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。
对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。
在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。
在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而变化的。
3.输出刷新扫描阶段
这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。
2.4本章小结
本章主要介绍了PLC的基本概念、PLC的主要功能及特点、PLC的组成与基本结构、PLC的工作原理四个方面的内容。
通过对PLC的了解，掌握其基本功能，将其运用到自动门控制系统中去。
第三章自动门的执行机构的设计
本章主要是在上一章的基础上对自动门的执行机构进行设计，执行机构主要分为有稳压电源设计、直流无刷电动机的应用这两大部分，同时能够通过这个设计对稳压电源的设计及无刷直流电动机有更深的了解。
3.1稳压电源设计
随着自动门的不断发展，被越来越多的应用于各建筑物，广泛的应用也使其安全变的越来越重要。
对电源的影响因素是多方面的，其中主要干扰，来自噪声的影响。
因此，为了提高自动门的运行稳定性，稳定的电压和较小的波纹是重点考虑的问题。
较为普遍的稳压装置是变压器，因为它价格实惠，但有一定的弱点，对于电源的稳压性能并不是很强。
因此我们需要设计稳压电源并根据无刷直流电机供电要求选择合理的电路参数，同时需要合理设计交流滤波器以减少电磁干扰。
由于自动门工作时间长、安全性要求高，因此从电网电源开始，就应用了过流、过热保护以尽量避免意外发生。
保护电路有多种形式，下面是一种保护电路的框图（图3.1）。
图3-1保护电路框图
过压保护采用压敏电阻和瞬变电压抑制器，以防止雷击等意外事故产生的瞬间高压。
交流EMI滤波器主要是用来抑制共模、共差干扰。
如图（图3.2）所示，它主要包括两个输入端、两个输出端和一个接地端，电路包括共模扼流圈、滤波电容、共模滤波电容。
图3-2交流EMI滤波器
自动门的整流电路主要是把交变的交流电转换成稳定的直流电，使电源适合各种驱动装置（如无刷直流电机）的使用。
全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。
全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A等多种规格，耐压值（最高反向电压有）25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。
下图（图3.3）是其电路图形符号与内部电路。
图3-3电路图形符号与内部电路
3.2无刷直流电机的应用
目前自动门中的动力部分主要有无刷直流电机、交流变频电机及步进电机的使用。
今以无刷直流电机为例来介绍自动门系统中执行机构的设计。
下图是电机的主电路图（图3.4）：
图3-4主电路图
无刷直流电机需要控制器来进行控制，MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。
该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。
此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部运行使能等。
自动门控制要求。
物体靠近门时传感器获得信号传给控制器，控制器根据当前所在位置决定门的动作。
有三种情况：
①门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。
②门处于半开状态，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门。
③门处于开启状态，控制器使门保持开启状态。
无物体靠近门时：
如果门处于开启状态，延时适当的时间后以最佳速度曲线关闭门：
如果门处于关闭状态，维持相应的开、关门速度曲线如图一所示。
关门时：
OA段为加速段，AB段为稳速运行段，BC段为减速停止（门关到位）段。
开门时：
CB段为加速段，BA段为稳速运行段，OA段为减速停止（门开到位）段。
根据自动门控制要求，系统原理框图如下图（图3.5）所示。
开门门磁：
检测门的最大开启位置，门开后驱动电机停止工作，并防止开门过量而损坏系统部件。
闭门门磁：
检测门的关闭位置，门关后驱动电机停止工作。
驱动器：
扩大驱动功率以驱动150w的无刷直流电机。
工作指示灯：
（a）有电源指示灯；（b）正常、故障指示灯。
超过预期时间门不到位即是故障状态。
图3-5系统原理框图
3.3本章小结
本章主要是对自动门控制系统的执行机构进行设计。
主要设计的分为稳压电源和无刷直流电机的应用两大部分。
通过这个设计能更多的了解稳压电路特点结构等方面，也对无刷直流电机有了很多认识，最重要的是能够掌握其在自动门控制系统中的应用。
第四章自动门的硬件设计
自动门的硬件根据不同的类型各有不同，此以平移型感应门为例子介绍它的硬件，主要有：
自动感应门主控制器，自动感应探测器，自动感应门动力马达，自动感应门门扇行进轨道，门扇吊具走轮系统，同步皮带（有的厂家使用三角皮带），自动感应门下部导向系统：
是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
大体分为6部分如下图4.1。
图4-1硬件组成框图
4.1自动感应门的基本工作原理
首先，平移式自动感应门由以下部件组成：
（1）主控器：
它是自动感应门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
（2）感应探测器：
负责采集外部信号，如同人的眼睛，当有移动物体进入它的工作范围时，它就给主控器一个脉冲信号。
（3）无刷直流电动机：
提供开门与关门的主动力，控制自动感应门的速度。
（4）自动感应门扇行进轨道：
就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定的方向行进。
（5）门扇吊具走轮系统：
用于吊挂活动门扇，同时在动力的牵引下带动门扇运行。
（6）同步皮带：
用于传输马达所产动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。
（7）下部导向
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