PLC自动门课程设计.docx
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PLC自动门课程设计
1引言……………………………………………………………………………1
2系统总体设计………………………………………………………………3
2.1系统控制要求……………………………………………………………3
2.2自动门的门体结构及参数………………………………………………3
2.3自动门的机械传动机构…………………………………………………4
2.4自动门的导轨及滑轮结构………………………………………………4
2.5自动门的控制系统方案确定……………………………………………5
3控制系统硬件设计…………………………………………………………7
3.1PLC选型及扩展…………………………………………………………7
3.1.1PLC的选型………………………………………………………7
3.1.2I/O地址分配……………………………………………………8
3.1.3PLC扩展模块……………………………………………………9
3.1.4变频器的选型…………………………………………………10
3.2电机及驱动控制………………………………………………………10
3.2.1电机的选型……………………………………………………10
3.2.2电机的主线路图………………………………………………11
3.3检测元件选型…………………………………………………………11
3.4低压电器选型…………………………………………………………12
3.4.1低压断路器的选型……………………………………………12
3.4.2熔断器的选型…………………………………………………13
3.4.3控制按钮的选型………………………………………………14
3.5电源设计…………………………………………………………………15
3.6人机接口设计……………………………………………………………15
3.6.1HMI简述…………………………………………………………15
3.6.2HMI的功能………………………………………………………15
3.6.3HMI的分类………………………………………………………15
3.6.4TD200按键说明…………………………………………………16
4控制系统软件设计………………………………………………………17
4.1控制程序流程图………………………………………………………17
4.2控制程序设计…………………………………………………………18
4.3显示操作界面设计……………………………………………………20
4.4程序调试（仿真图）……………………………………………………25
5结束语………………………………………………………………………29
参考文献………………………………………………………………………30
附录………………………………………………………………………………31
第1章引言
1.1设计目的
进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经很成熟,并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。
在现在人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防尘、防风，同时可以使出入口显得很庄重高档，因此自动门在人们的生活中的运用越来越广泛,自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等。
使用中自动门的控制方法较多，但在实际中相当多的自动门系统一般采用继电器逻辑控制，这种控制方式故障率高、可靠性低、维修不方便等缺点。
而在自动门控制系统的研究设计中，稳定、安全可靠及人性化是首先考虑的因素。
因此，找到一种具有可靠性高、使用和维护方便的控制方法用于自动门的控制是目前值得研究的课题。
全面熟悉掌握PLC的硬件组成以及各种指令的应用，使学生掌握小型的PLC应用系统设计的步骤，熟悉和掌握PLC开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析.判断.检修进一步锻炼和培养学生的动手能力；为了加强学生智能的培养，更好的使理论与实践相结合,真正做到增长知识与发展能力的统一，着重培养学生电力电子技术方面的实践能力和科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
通过本次课程设计，初步掌握工程实践方法和组织实践的技能，逐渐熟悉开展科学实践的程序和办法。
1.2自动门简介
门是伴随着人们的文明而诞生的，随着科学的发展，门的种类越来越多，技术也越来越复杂。
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。
自动门是随着人们对生活条件的不断追求、科技的不断发展应运而生的高科技产品，因此，它具备了普通门所没有的优势：
雅观漂亮，而且使用管理起来更加的安全、方便、舒适，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。
因此自动门被广泛的应用于大型商场、银行、大酒店、机场、办公大厦等各种大型的公共场所。
自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、驱动装置、传动装置、门禁系统、安全装置、集中控制等。
必须根据建筑物的使用特点。
通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。
本文通过结合PLC控制系统的简介及各种普遍应用的自动门的特点，对由PLC作为控制系统的自动门的概况、主要分类、组成、原理、软硬件控制系统、PLC程序的编写等都进行了一定的介绍。
第2章系统总体设计
2.1系统控制要求
（1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。
（2）自动门在开门位置停留8s后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被
起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4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K2或K1
时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。
（4）在门打开后的8s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K2或K1时，必须重新开始等待8s后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
（5）开门与关门不可同时进行。
2.2自动门的门体结构及参数
本设计面向商场和超市等人流量巨大，出入频繁的场所，需要有安全性和可靠性，根据主流自动门设计和本论文内容的要求，设计自动门门面结构如图2.1所示：
图2.1自动门门面结构示意图
公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限，为使门体更加坚固耐用，本设计门体玻璃材质使用钢化玻璃。
根据例如机场、大型超市、和医院外门等公共场所人员流量巨大的需求，必须对自动门进行综合的考虑，设定适合的具体参数，例如增加门的数量、加大门扇宽度、增加关门延时时间等。
自动门具体参数如表2.1所示：
表2.1自动门的具体参数
门体设计项目
参数设定值
单扇门开启宽度
1500mm
单扇门的最大承重
1
200kg
门体高度
2500mm
2.3自动门的机械传动结构
自动门的机械传动机构设计主要包括安装板，行进轨道，三相交流电机，传送皮带，皮带滑轮，轨道滑轮，吊架等。
传动机构如图2.2所示。
其中马达皮带直径为5cm，皮带外径为28cm，内径为14cm。
图2.2机械传动结构
2.4自动门的导轨及滑轮结构
导轨、滑轮及传动皮带是推拉自动门的基本传动部件，与活动扇的运行直接有关，是易损件，其结构设计、材质、加工、安装及调试精度、维修保养等决定了质量和使用寿命。
（1）双水平导轨设计及优点
本设计采用了水平双导轨设计。
这种结构不仅有效地缓解了动态“侧摆”的弊病，同时也在一定程度上解决了活动扇“掉扇”等安全问题。
而且大大地减少了滑轮的动态磨损，在根据活动扇受力情况对导轨和滑轮截面曲线进行加强设计后，使门机的单扇承重量达到200公斤。
自动门导轨采用双层水平导轨设计，使活动扇重心处于双层水平导轨的两个支撑点之间，形成双层“正悬挂”。
导轨朝下的开口两侧配以毛刷形成密封，有效避免积尘造成的磨损影响。
这种设计还在于解决了导轨、传动及电气组件的安装固定等关键问题。
双水平导轨的最大优点是静音，因为彻底解决侧摆的弊病从而达到了最大的动态稳定性，从而保证了安全，在一定程度实现了“免维修”的承诺。
（2）水平双导轨和滑轮受力状况的改善
在两侧简支的水平双导轨的结构设计中。
每一个活动扇由四个滑轮来悬挂、驱动，从而避免起动、刹车过程中前后轮的压力不均，在水平和垂直两个方向减少了活动扇的摆动和震动，这种结构较之侧悬挂双滑轮结构的使用寿命几乎提高了一倍，而且大幅度降低了运行噪音。
（3）新齿型皮带的选用
为了提高传动机械效率，自动门采用齿型皮带传动。
一般自动门的传动皮带的齿型为直角，齿型高度小。
当皮带张紧及门机加速度运行时，皮带的齿距会发生变化并导致皮带快速磨损，所以传动皮带是易损件，需定期更换。
最新的传动皮带是经过数组钢丝加强的尼龙皮带，这种皮带的齿型表面附加一层尼龙布，不仅使曲线齿型表面与传动齿轮严格吻合，而且减少了滑动的可能性，尼龙皮带的加强钢丝避免了齿距变形和断裂的可能性，使传动皮带成为不可损部件。
2.5自动门的控制系统方案确定
自动门的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，制造烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。
目前自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（PLC）。
本设计运用PLC控制变频器来调节交流电机运转来实现自动门运转的控制方式。
采用变频器控制电路，结构简单，控制方便，可靠性高。
交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高，结构简单，维护方便，易于冷却和寿命长等优点，并且系统调速范围宽，能实现低速恒转矩，高速恒功率运转等特性。
随着变频技术的发展，交流电机控制的成本得以降低，为交流驱动系统在自动门中的广泛运用提供了条件。
控制系统结构图如图2.3所示：
图2.3PLC控制系统结构
第3章控制系统硬件设计
3.1PLC选型及扩展
3.1.1PLC的选型
系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。
这其中PLC的选型至关重要，如何根据不同的控制要求选择合适的PLC，设计出运行平稳、动作可靠、安全实用、调试方便、易于维护的控制系统呢?
在PLC系统设计时，首先应确定系统方案，下一步工作就是PLC的设计选型。
选择PLC，主要是确定PLC的生产厂家和PLC的具体型号。
（1）PLC生产厂家的选择确定
PLC的生产厂家，主要应该考虑设备用户的要求、设计者对于不同厂家PLC的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务等方面的因素。
从PLC本身的可靠性考虑，原则上只要是国外大公司的产品，不应该存在可靠性不好的问题。
（2）输入输出（I/0）点数的估算
PLC的输入/输出点数是PLC的基本参数之一。
I/O点数的确定应以控制设备所需的所有输入/输出点数的总和为依据。
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。
（3）PLC机型的选择
整体型PLC的I/0点数较少且相对固定，因此用户选择的余地较小，通常用于小型控制系统。
这一类PLC的代表有：
西门子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、欧姆龙公司的CPM1A系列等。
（4）经济性的考虑
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。
综合以上因素，根据作者对PLC生产牌子的熟悉程度、I/O接入点（初步设计10个输入点和2个输出点）的估算、小型控制系统的要求以及经济可行性等综合考虑，本论文设计采用西门子S7-200（cpu224）系列小型PLC来实现整个自动系统的控制，所选PLC如图所示3-2所示。
西门子S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，它结构紧凑、扩展性良好、指令功能强大、价格低廉，成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
其产品集成一定数字I/O点的CPU：
CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM。
S7-200的编程软件：
STEP7-Micro/WIN32。
该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。
使得PLC的编程更加方便、快捷。
可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。
西门子S7-200系列PLC如图3.1,PLC主机图如图3.2。
图3.1西门子S7-200系列PLC
图3.2PLC主机
3.1.2I/O地址分配
I/O地址的分配是编写PLC程序的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。
根据自动门的控制系统的要求，确定PLC的I/O分配表，在表3.1中列出
表3.1输入/输出地址分配表
名称
代码
地址编号
启动停止开关
SF1
I0.0
紧急停止开关
SF2
I0.1
手动开门开关
SF3
I0.2
手动关门开关
SF4
I0.3
开门限位开关
BG1
I0.4
关门限位开关
BG2
I0.5
滑道内行程开关1
BG3
I0.6
滑道内行程开关2
BG4
I0.7
门内光电检测开关K1
KF1
I1.0
门外光电检测开关K2
KF2
I1.1
开门执行机构
Q0.0
KF1
关门执行机构
Q0.1
KF2
3.1.3PLC扩展模块
系统需要1路模拟量输出，所以选用一块EM232模拟量输入（2路）扩展模块。
EM232扩展模块图如图3.3。
图3.3PLC扩展模块EM232
3.1.4变频器的选型
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电流通过整流器转换成直流电流，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以提供给电动机。
变频器的电流一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器是输出频率可改变的交流电力拖动设备。
变频器调速的主要工作原理是将供给电机定子的三相电流工频电经大功率整流元件整流，变成直流，再将直流电用正弦波脉宽调节技术逆变为频率可调，幅度也随之改变的三相交流电，以此为电源再提供给电机使用。
MM440是一种集多种功能于一体的变频器，该系列有多个型号供用户选择，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W~200KW，可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的各种场合。
可通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。
因此，在本系统设计中使用MM440变频器，其块图如图3.4
图3.4变频器
3.2电机及驱动控制
3.2.1电机的选型
根据本论文所设计的自动门的要求选用绝缘电阻、绝缘介电强度、接地装置、过电压保护等符合国际安全标准的规定的，具有噪声低、过载能力强、低转速的交流变频电机，在结合了安全、稳定的考虑，本论文设计的自动控制系统的驱动装置选用本溪市微分电机有限责任公司生产的电梯自动门专用三相交流变频电机，型号为SBP90-60型，额定电压为三相交流220V，采用Y型接法。
3.2.2电机的主线路图
图3.5电机主线路图
3.3检测元件选型
光电开关除克服了接触式行程开关存在的诸多不足外，还克服了接近开关的作用距离短、不能直接检测非金属材料等缺点。
它具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗电磁干扰能力强等优点，还可非接触、无损失地检测和控制各种固体、液体、透明体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。
目前，光电开关已被用做物位检测、液位检测、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出以及安全防护等诸多领域。
光电开关一般都具有良好的回差特性，即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。
同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。
FWD-DS红外感应光电开关，名称：
主动式红外线对射
范围：
<15米/25米。
（当在大雨，大雾等坏天气情况下，距离会减少%30）
红外发射频率：
1.92khz
输入电源：
12V----24VDC/AC
波长：
940nm
输入电流：
RX15MA---TX30MA
对射夹角：
<+—10%
使用环境：
-20%to70%
最大负载：
1Amax30V
3.4低压电器选型
低压电器元件明细表如下表3.2
表3.2元件明细表如表
序号
名称
符号
型号与规格
数量
1
三相交流变频电动机
M
SBP90-6,0.18KW,220V,0.45A
1
2
熔断器及熔芯配套
FA
RT14-20/2
3
3
低压断路器
QA
DZ15-40/390
3
4
启动停止开关
SF1
LW5-15/5.5Q
1
5
紧急停止开关
SF2
LA20-11J
1
6
手动开门开关
SF3
LA20-11D
1
7
手动关门开关
SF4
LA20-11D
1
8
开门限位开关
BG1
LXl9A
1
9
关门限位开关
BG2
LXl9A
1
10
滑道内行程开关
BG3
LXl2—2
1
11
滑道内行程开关
BG4
LXl2—2
1
12
门内光电检测开关
KF1
FWD-DS
1
13
门外光电检测开关
KF2
FWD-DS
1
14
指示灯
PG
AD16-22D/RG
1
3.4.1低压断路器的选型
低压断路器也称做自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。
除了能完成接通和分段电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等保护，也可以用于不频繁的起动电动机。
①额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。
②热脱扣器的整定电流应与所控制负载（比如电动机）的额定电流一致。
③欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
④过电流脱扣器的额定电流Iz大于或等于线路的最大负载电流。
对于单台电动机来说，可按下式计算
Iz≥kIq3-1
式中，k为安全系数，可取1.5~1.7；Iq为电动机的启动电流。
对于多台电动机来说，可下式计算
Iz≥K（Iq,max+∑Ier）3-2
式中，K也可取1.5~1.7；Iq,max为最大一台电动机的启动电流；∑Ier为其他电动机的额定电流之和。
行程开关又称做限位开关，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、形成大小或位置的一种自动控制器件。
行程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。
当生产机械运动到某一预定位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，姜机械信号转换为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给予必要的保护。
LXl2—2型行程开关具有2常开2常闭触头，额定电流5A。
LXl9A系列行程开关是LXl9系列行程开关的改型产品，具有1常开1常闭触头，额定电流5A。
可组成单轮、双轮及径向传动杆等形式的行程开关。
3.4.2熔断器的选型
熔断器的选择包括熔断器类型的选择和熔体额定电流的选择两部分。
选择熔断器类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。
例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。
所以，容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锌合金熔断器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。
若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的或熔体为锌质的熔断器。
用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力，当短路电流较大时，宜采用高分断能力的熔断器。
当短路电流相当大时，宜采用限流作用的熔断器。
熔体额定电流的选择：
1.用于保护照明或电热设备的熔断器，因负载电流比较稳定，熔体的额定电流一般应等于或稍大于负载的额定电压，即
式中：
为熔体的额定电流，
为负载的额定电流
2.用于保护单台长期工作的电动机（即供电支线）的熔断器，考虑电动机启动时不应熔断，即
Ire≥（1.5~2.5）Ie3-3
轻载启动或启动时间比较短时，系数可取近似1.5。
带重载启动或启动时间比较长时，系数可取近似2.5。
3.用于保护频繁启动电动机（即供电支线）的熔断器，考虑频繁启动时发热而熔断器也不应熔断，即
Ire≥（3~3.5）Ie3-4
式中：
为熔体的额定电流，
为电动机的额定电流。
4.用于保护多台电动机（即供电干线）的熔断器，在出现尖峰电流时不应熔断，通常将其中容量最大的一台电动机启动，而其余电动机正常运行出现的电流作为其尖峰电流。
为此，熔体的额定电流应满足下述关系
Ire≥（1.5~2.5）Ie，max+∑Ie3-5
式中:
为多台电动机中容量最大的一台电动机额定电流，为其余电动机额定电流之和。
5.为防止发生越级熔断，上、下级（即供电干、支线）熔断器间应有良好的协调配合。
为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支线）大1~2个级差。
6.熔断器额定电压的选择应等于或大于所在电路的额定电压。
3.4.3控制按钮的选型
控制按钮简称按钮，是一种结构简单且使用广泛的手动电器，在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等。
控制按钮在结构上有按钮式、自锁式、紧急式、钥匙式、旋钮式和保护式等。
LA20系列控制按钮LA20系列作用同LAl9系列，但LA20系列控制按钮有单钮、双钮和三钮三种，单钮带有信号灯，装在按钮颈部，钮头兼作灯罩，有红、黄、绿和白等种颜色，双钮和三钮型的分开启式和保护式两种，钮头为方形，按钮组件有一组常开和一组常闭触头，常闭触头靠复位弹簧闭合。
3.5电源设计
根据本设计需求选择型号6EP1333-1SL11的电源单相220VAC输入,输出24VDC,5A。
3.6人机接口设计
3.6.1HMI简述
在PLC控制系统的运行过程中，操作人员需要实时改变某些系统参数，也需要了解、掌握控制系统中的一些实时信息，为实现这样的功能，。
就需要在“人”和“机器”之间架起一座桥梁，即需要一些设备来完成这些功能。
这些能在“人”和“机器”之间实现数据交换的设备就是HMI（HumanMachineInterface），即人机界面或人机接口。
3.6.2HMI的功能
现在HMI能实现的功能主要：
（1）参数设定及发布控制命令通过HMI可以在PLC外部进行相关输入参数设定，或通过画面上的输入按钮、开关等来发出控制命令；
（2）控制过程的动态显示PLC内部的信息和实时控制过程的画面
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