基于PLC的门禁系统的设计 自动化.docx
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基于PLC的门禁系统的设计自动化
基于PLC的门禁系统的设计
DesignofAccessControlSystembasedonPLC
摘要
伴随着现代社会科技的高速发展，人民生活水平日渐提高，安全的重要性逐渐被人们重视，门禁系统也就应运而生了，传统的防盗门已经不能满足人们的需求。
本文研究的主要内容是基于PLC的自动门禁系统。
首先对PLC的特点、组成结构和工作原理以及设计一个控制系统的思想和步骤进行了论述；随后简单的介绍了一下门禁的基本结构和工作原理；主要是对门禁系统的设计，其中包括总体设计硬件框图设计，PLC的选型介绍，I/O口地址分配，PLC输入和输出接线图的设计还有对程序的设计和调试。
最终通过监控软件组态王实现了对门禁系统的监控效果，设计了登录界面和监控界面。
本次设计还实现了自动报警和消防的功能，这是传统门禁实现不了的功能。
门禁系统功能的完善大大的提高了社会的安全性。
关键词:
门禁系统PLC组态王GXDeveloper
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmodernsocialscienceandtechnology,thepeople'slivingstandardisincreasing,theimportanceofsecurityhasbeengraduallypaidattentionto.Theentranceguardsystemhascomeintobeing,andthetraditionalanti-theftdoorcannotmeettheneedsofpeople.
ThemaincontentofthispaperisautomaticaccesscontrolsystembasedonPLC.First,thecharacteristics,structureandworkingprincipleofPLCandtheideasandstepstodesignacontrolsystemarediscussed.Thenthebasicstructureandworkingprincipleoftheentranceguardarebrieflyintroduced.Thedesignoftheentranceguardsystem,includingthedesignoftheoveralldesignofthehardwareframe,theintroductionofthetypeselectionofthePLC,andtheI/OportAddressassignment,PLCinputandoutputwiringdiagramdesign,andprogramdesignanddebugging.Finally,themonitoringeffectoftheaccesscontrolsystemisrealizedbymonitoringKingviewsoftware,andthelogininterfaceandmonitoringinterfacearedesigned.Thisdesignhasalsorealizedthefunctionofautomaticalarmandfirecontrol,whichisthefunctionoftraditionalaccesscontrol.Thefunctionoftheaccesscontrolsystemhasgreatlyimprovedthesafetyofthesociety.
Keywords:
AccessControlSystemPLCKingViewGXDeveloper
绪论
为了能跟上现代社会高速发展的脚步，满足人们日益增长的对安全性的需求，保护人民的财产安全，提高社会治安的安全性，门禁系统也就随之诞生了。
门禁系统不仅仅为居民带来了安全便捷性，还为管理者提供了更加快速便捷的可操作性，提高了整个社会的安全性。
本文研究的基于PLC的门禁系统的设计主要适用于市政办公楼，居民小区，医院，工厂，以及人流量大的建筑中。
门禁系统在近些年科技日渐发展的过程中已经逐渐完善了其安全性，便捷性和实用性，目前市面上比较流行的门禁系统识别方式有生物识别，指纹识别，无线识别等，适用于不同的社会人群。
本次设计主要是利用光电传感器、温度传感器、一氧化碳浓度传感器和电子锁等其他硬件设备实现了门的自动开闭，报警消防等功能，同时管理者可以通过上位机来登录监控界面实施对门禁系统的监控管理，门禁系统就是对出入人员进出通道的系统化管理，能够有效提高社会的安全性和便捷性。
本次设计的门禁系统相比于传统的钥匙门锁能够更加有效的对出入人员进行管理，传统钥匙门锁需要对出入人员进行登记管理且效率低工作量大，而此次设计的门禁系统能够更加快速准确的记录人员身份，在发生火灾等紧急情况时能够快速开门，同时更加方便于管理者的管理操作，具体来说就是门禁系统从管理上对管理者的工作更加准确便捷，门禁模式下刷卡或者电磁锁开门，非门禁模式下人员通过光感应开关自动开门。
从某种意义上来讲，门禁系统不仅带来进出人员方便，减少人员工作量，更提高了社会安全性，使人们在通道管理方面上跨入了一个新电子时代。
1PLC简介
1.1PLC的特点
可编程逻辑控制器（PLC）是一种电子设备，其存储内部程序通过可编程存储器执行逻辑操作，顺序控制，计数，同步和其他指令操作。
通过专门为工业生产而设计的数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机器或生产过程，是工业控制的核心。
（1）抗干扰能力强
继电器接触器控制系统使用大量机械触点，这会使设备接线复杂，当触点打开和闭合时，触点被电弧破坏，从而降低其寿命和可靠性。
PLC采用微电子技术，并通过非接触式电子存储元件进行大量的开关操作。
复杂的接线和大多数继电器被软件取代，使用寿命长，可靠性大大提高。
控制器的主模块采用非常大规模的集成电路，并具有完善的通道保护和信号调理电路来保护输入和输出端口。
机械结构和软件结构以及硬件和软件采用了一系列抗干扰措施，制造商的行业经验不断得到改善。
PLC的平均故障间隔时间高达数万小时，非常适合工业生产现场的使用，PLC已成为机械设备生产中的主要控制设备，并得到了广泛的认可。
（2）编程方便
PLC程序编译简洁的梯形图或简单的指令，不需要其他微型计算机的知识。
这种编程语言更简单，更直观，更易于用户理解。
另外，程序可以在线修改而不需要拆卸硬件来实现不同的控制效果。
（3）功能全面，适应性强
PLC的I/O系统功能齐全，可用于各种类型的模拟量输入和输出。
通过使用微处理器，还可以使用逻辑功能和顺序控制功能来执行诸如模拟，监视和报告打印等功能。
控制器配有不同类型的硬件，用户可以根据不同的控制要求和控制规模进行配置。
一旦确定了硬件配置，通过在不改变条件的情况下修改软件即可快速轻松地实现工艺生产要求。
（4）体积小，维护方便
PLC体积小，重量轻，易于安装。
由于PLC的输入输出系统能直观的反映出系统的内部工作状态并且拥有完善的自诊断功能，所以PLC的故障率相比传统微机要低得多。
当PLC故障时，会有一个非常简洁易读的提示，这对维护人员来说将非常方便的检修和监视。
（5）设计到调试的工作量少
通常，通过继电器和接触器来执行控制任务，必须根据工艺要求建立接线图和接线图，然后进行安装和调试，修改也十分不便。
由于PLC采用软件控制取代了硬件布线控制，硬件模块非常简洁，大大缩短了设计周期和安装布线工作量。
完成调试和接线后，在后期调试过程中倘若发现了问题，由于PLC是通过软件程序来实现控制功能，所以只需要修改程序就可以解决。
1.2PLC的组成
中央处理单元（CPU）
CPU是控制器的控制中心。
它主要由算术单元，控制器，寄存器以及相互连接的数据，控制和状态总线组成。
CPU还包括外围芯片，总线接口和相关电路。
内存主要用于存储程序和数据，并且是控制器的一个重要组成部分。
每组PLC至少有一个CPU，根据控制器的系统程序分配的功能接收和存储程序和用户数据，并使用扫描来收集设备传输的状态或数据并存入寄存器中。
另外还能诊断运行状态下PLC的电源和内部电路以及在编程过程中的语法错误。
为了进一步提高可编程控制器的可靠性，大型可编程控制器也使用双CPU来构成冗余系统或三CPU投票系统。
这样即使CPU出现故障，整个系统也能正常工作。
CPU速度和内存容量是控制器的重要参数，用于确定控制器的运行速度，I/O数量和软件容量，从而限制控制规模。
存储器
存放系统软件的存储器成为系统程序存储器
存放应用软件的存储器成为用户程序存储器
电源
可编程逻辑控制器的功能在整个系统中扮演着非常重要的角色。
如果没有一个良好可靠的电源，系统的工作将会变得不正常，可编程逻辑控制器制造商也非常重视电源的设计和制造。
正常的交流电压波动在+10%（+15%）的范围内，PLC可以直接连接到交流网络，无需采取任何其他措施。
输入输出接口电路
现场输入接口电路由微型计算机的光耦合电路和输入接口电路构成，并且用作计算机接口的输入通道，是可编程逻辑控制器和现场控制之间的接口。
现场输出接口电路由输出数据寄存器，选通电路和中断请求电路集成，并且可编程逻辑功能控制器输出对应于输出电路的执行部分的控制信号。
功能模块
如计数、定位等功能模块，通信模块等PLC硬件结构图如图1-1所示
图1-1PLC硬件结构图
1.3PLC的工作原理
与等待命令的微型计算机的操作模式不同，PLC采用循环扫描操作模式。
CPU根据第一条指令的指令步数开始循环分析。
如果没有跳转指令，则从第一条指令顺序执行用户程序，直到遇到结束符号并返回第一条语句指令，连续循环，每个循环称为一个扫描周期。
通常，PLC控制器的扫描周期等于所有时间的总和，如自诊断、通信、输入采样、程序执行和输出刷新。
一个扫描周期主要分为三个阶段：
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，可编程逻辑控制器依次读取所有输入状态和扫描数据，并将它们存储在I/O映射区域的相应单元中。
输入采样完成后，它继续执行用户程序和输出的刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映射区域中相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，以确保在所有情况下都能读取输入。
（2）程序执行阶段
在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按降序扫描用户程序（梯形图）。
扫描每个图案时，始终扫描梯形图左侧每个触点形成的控制电路，并在逻辑上按照先左后右、先上后下的顺序运算由触点形成的控制电路。
然后，根据逻辑操作的结果，刷新逻辑线圈在系统RAM存储区中相应位的状态，或更新输出线圈I/O映象区中相应位的状态或确定是否执行梯形图中指定的特殊功能指令。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序时，可编程逻辑控制器进入输出的刷新阶段。
在此期间，CPU根据I/O卡区域中的状态和相应数据刷新所有输出锁存电路，并通过输出电路驱动相应的器件。
此时，这是可编程逻辑控制器的真实输出。
1.4PLC控制系统设计步骤
在执行PLC控制系统之前，需要定义控制系统要执行的功能和处理条件，然后通过分析控制系统的功能来定义控制和输出信号的结构，类型和数量。
最后，确定PLC的选择和具体配置。
一般控制系统的设计可按以下几个步骤来进行：
（1）熟悉被控对象
制定控制计划以分析受控对象的过程和工作特性，并确定PLC控制系统的受控对象控制要求。
（2）确定I/O设备
根据系统的控制要求确定用户所需的I/O点数，输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）
（3）分配PLC的I/O地址
根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。
（4）设计软件及硬件进行PLC程序设计
根据生产现场的设备需要，确定控制按钮，选择开关，接触器，电磁阀，信号指示器等各种类型，规格，数量的输入输出设备，根据所选PLC型号列出输入输出设备和PLC输入输出端子比较图，用于绘制PLC外部I/O电路图和编译程序。
（5）联机调试
使用编程器的监视功能执行逐步调试，所有部件调试成功后，运行实际负载。
如果不符合要求，则调整设备和程序。
通常只需要修改部分程序。
2门禁系统综述
2.1门禁系统组成结构
（1）身份识别单元
身份识别部分在门禁控制系统中起着至关重要的作用，它可以识别和确认经过的人的身份，并且有许多方法和手段来实现身份识别，有卡片识别方法，密码识别方法和生物学识别方法和综合识别方法。
（2）处理与控制单元
处理与控制单元，即访问控制器，能够存储和处理相关人员的信息，并且响应于判断出入的各种输入和输出请求，包括操作单元，输入单元，存储单元，输出单元和通信单元，并且是门禁控制系统中最重要的部分。
（3）传感与报警单元
传感器与报警单元包括各种传感器，探测器和按钮等设备，并应具有针对机械创伤的具体措施。
同时，门禁系统还可以监控以下报警情况：
报警，短路，断路，退出请求，设备断线等，防止人们屏蔽和破坏报警信号，提高控制系统接入安全性。
（4）电锁与执行单元
电锁与执行单元部分包括必须具有灵敏，实施可靠，良好的防潮和防腐性能以及足够的机械强度的电子锁，挡车器等控制设备。
2.2门禁系统的工作原理
通过打开和关闭控制门来管理进出人员被称为门禁系统。
门禁系统的操作过程可分为检测，管理和执行。
读卡器，密码键盘，各种生物识别技术，开门按钮等都是传感器，他们的任务是接受命令并下载信号或在验证后下载信号。
控制器和管理软件负责门禁系统的管理功能，在接收到传感器发送的信息后，根据门禁人员的信息决定开关门。
当电子锁收到打开或关闭门的命令时，它会调整运行状态直到它与命令匹配。
（1）当有人员准备出入的时候，会将门禁卡在读卡器上刷卡或者指纹识别等一系列方式来识别出入人员身份。
（2）完成信息采样之后，信息会传送到附近的控制器中，通过控制器自动识别，确认出入人员是否有权限通过，然后发送控制信号到门锁，执行开门操作。
（3）当人员通过后，开门过程完成之后开门限位开关闭合，传送信号给控制器，控制器反馈关门信号。
（4）当温度和一氧化碳浓度超出设定范围时，门禁系统的一氧化碳浓度和温度传感器传送数字信号给控制器，一氧化碳浓度开门和温度传感器开关闭合，系统将电锁一直处于开启状态，以便人们能够方便逃生。
3门禁系统的硬件设计
3.1总体设计硬件框图
门禁系统的总体设计框图如图3-1所示：
图3-1门禁系统硬件框图
3.2PLC的选型
在门禁系统的设计中，经常使用单片机或PLC，其本质是一个由单片机集成的复杂集成系统。
PLC控制的主要优点是：
程序更换简单方便，可直接连接生产设备，适应一般工业生产环境，并提供强大的抗干扰能力，平均无故障时间长，检查、维护和安装方便，设计简单，调试周期短，适用范围广泛。
单片机控制的主要优点是它可以使用程序来实现各种复杂的控制功能，并使用中断处理程序以低成本快速响应。
考虑到这种设计主要应用于工业领域，单片机用于家庭使用，这些优点和缺点相结合，所以在设计门禁系统时采用了PLC控制。
现在市面上常见的PLC主要有三菱，西门子，欧姆龙，松下等，在考虑选择PLC机型时不仅要满足系统控制功能还要保证系统运行安全可靠，维护方便。
根据输入/输出点，存储容量，通讯功能确定PLC控制模式。
三菱FX2N系列PLC基于上述要求，具有配置灵活，运行速度快，寄存器容量大等优点。
3.3传感器的选型
传感器是一种识别设备，可以捕获测量信息并将其转换为电信号或其他形式的信号输出。
这是实现自动检测和控制的第一个环节。
图3-2传感器组成结构图
（1）门禁系统光电探测开关传感器的选型
我在门禁系统的光电检测开关部分选择了红外传感器。
红外传感器系统是一种使用红外线作为媒介的测量系统。
该传感器的创新之处在于能够承受来自外部的强烈光线干扰。
太阳光包含干扰红外接收管的红外线。
该灯可以打开红外接收器二极管，导致系统产生错误的日志，甚至使整个系统瘫痪。
这种传感器的优点是可以设置多点记录，并且可以根据需要选择管阵列的间距和阵列数量。
（2）门禁系统温度监控报警传感器的选型
温度传感器是一种检测温度并将其转换为可用输出信号的传感器。
监控警报不是关于特定温度值，而是关于温度是否超出我们指定的范围。
一旦温度超过规定范围，就会输出报警信号。
因此我在温度监控部分选择了逻辑输出类型的传感器。
LM56，MAX6501-MAX6504和MAX6509/6510就是典型的例子。
在这里我选择了MAX6501，它允许用户选择一个接近他想要的控制的温度阈值，并且只需将它插入电路即可使用，无需任何外部元件。
（3）门禁系统一氧化碳浓度监控报警传感器的选型
一氧化碳传感器属于化学传感器，与报警器一起使用，是报警系统中的核心检测元件，基于固定电位的电解原理。
当一氧化碳扩散到气体传感器中时，其输出产生电流输出，该电流输出提供给警报器中的传感电路并用于将化学能转化为电能。
随着气体浓度的变化，气体传感器的输出电流也随输出电流成比例变化。
报警装置的直流链路将放大后的输出转换为各种输出设备，以完成声音，光线和电力等检测和报警功能，与控制器一起构成环境检测或监测报警系统。
3.4I/O地址分配
本次设计的门禁系统有11个输入点，5个输出点。
其中X0、X1、X2、X10、X11为功能开关，X3、X4为限位开关，X5为感应开关，X6、X7为报警开关，X12为模式转换开关。
具体分布见表3-1：
表3-1PLC的输入点分配表
启动按钮
X0
温度报警开关
X6
停止按钮
X1
一氧化碳报警开关
X7
消铃按钮
X2
刷卡
X10
开门限位
X3
钥匙手动开门
X11
关门限位
X4
门禁模式
X12
光电感应开关
X5
输出点包括功能输出Y0、Y1，报警输出Y2、Y3、Y4，具体分布见表3-2。
表3-2PLC输出点分配表
开门
Y0
温度指示灯
Y3
关门
Y1
警铃
Y4
火警指示灯
Y2
上位启动按钮
M0
上位手动关门
M4
上位停止按钮
M1
上位机门禁模式
M5
上位消铃按钮
M2
启动标志
M10
上位手动开门
M3
允许关门条件
M11
3.5PLC外部输入输出接线图与工作流程
部分开关说明：
SQ1，SQ2：
开关门限位开关
K1：
处于门禁模式下用户可刷卡进入
K2：
发生故障时人员检修需要钥匙进行手动开关门
图3-2PLC外部输入输出接线图
外部系统是通过I/O端口与CPU连接的，根据设计要求的I/O分配表画出外部输入输出接线图，其工作流程为：
（1）门禁系统启动之后，管理者根据时段和要求选择是否进入门禁模式。
（2）当门禁系统没有处于门禁模式下时，出入者在进出前触发光电感应开关（光电感应开关是脉冲触发，需要对其进行自锁），电动机正转，自动打开直到达到开门限位开关，电动机停止，完成开门动作。
（3）当自动门开门动作完成后，触发开门限位开关，启动可调延时定时器5秒后（可通过程序修改定时器时间长短），电动机反转，自动进入关门过程直到达到关门限位开关，电动机停止，完成关门动作。
（4）若在关门过程中若有其他人员进出，触发光电感应开关，则立刻停止关门动作，进行开门动作，防止人员受到伤害。
（5）当门禁系统处于门禁模式时，进出者在通过自动门时只能通过刷卡或者钥匙手动开门来获得出入权限，同时当有人靠近时激活报警单元通知保安。
（6）当温度超出设定范围时温度报警指示灯亮起，并响起警铃。
（7）当一氧化碳浓度超出设定范围时火警指示灯亮起，警铃响起，同时电机正转大门打开。
3.6门禁系统的主电路
图3-3门禁主电路接线图
图中器件说明：
KM1：
正转接触器线圈KM2：
反转接触器线圈FU：
熔断器
QF：
低压断路器
该电路主要控制门的打开和关闭。
当系统允许开门时，KA1闭合，KM1线圈通电，电机转动打开门，当系统达到允许关门状态时，KA2闭合，KM2线圈通电，电机转动关门
4软件程序设计与调试
4.1梯形图程序设计
下面是基于PLC的门禁系统的程序设计：
管理者通过启动按钮X0或者上位机控制启动按钮M0进行门禁系统的启动。
图4-1启动标志
系统启动之后M10通电，当X5、X7、X10或X11闭合后YO通电形成自锁，自动开门。
图4-2开门
当到达开门限位开关时，X003闭合，M11得电，允许关门，若此时光电感应开关感知到有人通过，则X005断开，M11不得电，中断关门操作。
当发生火警灾害时，M11不得电，不允许关门。
图4-3允许关门条件
当达到关门条件时，M11得电，通过可调延时继电器可对开门时间进行调整。
图4-4延时自动关门
当延时自动关门设定的时间到达之后T1得电，若满足允许关门条件M11得电且处于启动状态下即M10得电，则进行关门操作，同时管理者也可以通过上位机控制M4闭合完成关门。
图4-5关门
当一氧化碳浓度超出所设定的范围时，X007闭合，Y002得电，火警指示灯亮起；当温度超出所设定的范围时，X006闭合,Y003得电，温度报警指示灯亮起。
图4-6报警指示灯
当温度或一氧化碳浓度超出所设定范围时,X006或X007检测到上升沿脉冲，触发报警开关，Y004得电，警铃响起。
若报警开关误触或警报解除，管理者可通过消铃按钮X002关闭警铃。
图4-7警铃
4.2指令表
根据设计的梯形图程序生成出的指令表如下：
;*系统启动标志
0LDX000
1ORM0
2ORM10
3ANIX001
4ANIM1
5OUTM10
;*开门
6LDX005
7ORY000
8ANIM5
9ANIX012
10ANDM10
11ORX007
12ORX010
13ORX011
14ORY000
15ANIY001
16ANIX003
17OUTY000
;*允许关门条件
18LDX003
19LDIX005
20ANIM5
21ANIX012
22ORX012
23ORM5
24ANB
25ANIX007
26ANIX004
27ANIX010
28ANIX011
29ANIM3
30OUTM11
;*延时自动关门
31LDM11
32OUTT1K50
;*关门
35LDT1
36ORY001
37ANDM10
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