自动门PLC控制系统.docx

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自动门PLC控制系统

摘要

随着自动化技术的快速发展，智能控制已经成为自动控制系统中最常见的一种控制方式。

由于编程控制器（PLC）具有较强的对环境的适应能力和较高的稳定性，使得在自动门控制系统中PLC的应用也更加普遍。

本文通过分析自动门控制系统的工作原理和工作流程，利用西门子S7-200可编程控制器对自动门系统进行控制，通过传感器对其进行检测，实现了自动门PLC控制系统由信号检测、降压起动、延时等待到反转关门的全过程。

本设计主要的工作原理是通过信号感应探测器检测有无人或物体经过，并将检测到的信号转换成自动门PLC控制系统的开关量信号，并传递给PLC，PLC控制系统根据开关信号来控制电动机的正转和反转，从而实现开门和关门过程。

关键词：

S7-200PLC；自动门；传感器；开关量信号

Abstract

Withtherapiddevelopmentofautomationtechnology，intelligentcontrolhasbecomeoneofthemostcommonintheautomaticcontrolsystemcontrolmode．Becausetheprogrammablecontroller（PLC）hasstrongadaptabilitytotheenvironmentandhighstability，andmakestheapplicationofPLCinautomaticcontrolsystemisalsomorecommon．

Inthisarticle，throughanalyzingtheworkingprincipleandworkingprocessofautomaticdoorcontrolsystem，usingtheSiemensS7-200programmablecontrollertocontrolautomaticdoorsystem，throughthesensortodetect，implementstheautomaticPLCcontrolsystemconsistsofsignaldetection，step-downstarting，thedelaywaitingfortothewholeprocessofinversionisclosed．Workingprincipleofthisdesignismainlythroughthesignalsensingdetectormayhavenoorobject，andthedetectedsignalisconvertedintoautomaticPLCcontrolsystemoftheswitchsignal，andtransfertoPLC，PLCcontrolsystembasedonswitchsignaltocontroltheforwardandinversionofthemotor，soastorealizetheopeningandclosingprocess．

Keywords:

S7-200PLC；Automaticdoor；Thesensor；On-offsignal

1绪论

1.1课题研究背景及意义

在二十一世纪的今天，门不仅强调了安全性，而且还突出了实用性和美化性，从理论上理解，自动门应该是对门的使用观念的一种扩展，是人们在生产和生活中对门的功能的完善和提升。

自动门在150年前开始进入专业化大规模生产，并且在不断完善和提升的过程当中，涌现出了一大批初具规模的专业制造商。

自动门除了可以美化出、入口环境外，同时又可以节约空调能源，并且在降低噪音、防风、防尘方面也有独特的作用，在通电后还可以实现自动开门和关门，既方便了人员进出，又使建筑的档次得到了较大的提高，因而在国内外的建筑市场上迅速得到普及，同时也几乎成为了银行、酒店、写字楼等场所门面装修所不可少的一项配置。

自动门形式最常见的是将信号感应探测器安装在自动门的门内外两侧，当人或物体接近自动门时，感应探测器能检测到信号，并给控制系统发出一个开门信号，控制电动机正转开门，当人或物体通过门之后，再将门关闭。

由于自动门PLC控制系统的开、关门信号是触点信号，使用的信号源可以是红外传感器或者微波雷达。

红外传感器的工作原理是反应物体的存在，缺点是反应的速度较慢，无论人或物体是否移动，只须处于红外传感器的扫描范围内，它都能作出反应并产生触点信号，使电机正转开门。

微波雷达的工作原理是反应物体的位移，因此反应速度非常快，适合安装在行走速度正常的人员经过的场合，它的特别之处是如果在门附近的人员不想进门或出门而静止不动时，微波雷达将不再产生信号，自动门会自动关上，因此能够对门机起保护作用。

1.2国内外发展现状

进入九十年代以来，随着社会的进步和电子技术的发展，自动化技术已经取得了较大的进步，自动门在生产生活中也得到了最广泛的使用。

根据使用的场所及用途的差别，还可以将自动门分为自动旋转门、平移门、平开门等，自动旋转门由于价格昂贵而且体积较大，一般只使用于高档生活服务特区及大型娱乐会所。

自动平移门用的最为普遍，这种门的特点是结构简单、容易控制，并且维护方便。

自动平开门因为门体的重量和体积的差别也会对自动门控制系统提出不同的要求，因此使用的场合较少。

自动门控制方式多种多样，其中控制器控制可分为继电器接触器控制和智能控制器控制。

继电器接触器控制是经过按钮、继电器和接触器来控制的，而智能控制器控制是通过控制自动化配置的运行来控制的，它具备较高的稳定性，并且安全、可靠，因此大部分生产厂商逐步淘汰继电器接触器逻辑控制而改用智能控制器作为自动门的控制装置。

而在选取自动门智能控制器时，又可将其主控制器分为可编程控制器（PLC）控制和微电脑控制器控制。

PLC控制的特点是稳定性高、维修方便等，目前很多大型场所的自动门都是用PLC来控制的。

微电脑控制器控制的特点是安装容易、体积小等，目前也有一部分厂家选用此种方法生产自动门。

1.3课题的主要内容

（1）通过分析自动门PLC控制系统的工作过程，选用合适的PLC控制器，确定I/O点。

（2）设计出自动门PLC控制系统的主电路模块、开门和关门控制模块。

（3）采用梯形图对其系统进行程序编制，并结合PLC的运行特点对控制系统的工作流程作合理的优化。

2自动门PLC控制系统的总体设计

2.1设计流程

（1）认真分析和理解自动门PLC控制系统的控制部件和控制要求。

（2）根据自动门PLC控制系统的基本要求和功能分析系统所需的I/O设备。

经常使用的输入设备有按钮开关、主令开关、行程开关等，经常使用的输出设备有指示灯、接触器、继电器等。

（3）确定输入/输出点数并选取适合的PLC型号。

（4）分配PLC的输入/输出点，编制出PLC外部端子I/O分配表或者I/O硬件接线图。

（5）根据自动门控制系统的要求画出系统的主电路和控制电路。

（6）依据自动门PLC控制系统的设计要求编制出完整的梯形图程序，这是自动门PLC控制系统设计的最核心部分。

2.2自动门控制系统的功能需求分析

根据自动门出入口情况对PLC控制系统的具体要求，本次所设计的自动门应该具有如下功能：

（1）手动/自动转换方式

为了避免紧急情况和维修方便，自动门应能够实现手动和自动转换。

可以由手动/自动转换开关来控制自动门的手动和自动开、关门方式转换。

当手动/自动转换开关断开时，手动控制失效，进行自动控制，由信号感应探测器来检测是否有人或物靠近门并且门还未打开，或者检测到已无人或物靠近门并且门还未关闭，并由PLC动作输出信号来控制电动机的正转（开门）或者反转（关门）。

当手动/自动转换开关闭合时，自动控制失效，进行手动控制。

（2）防夹人功能

为了避免自动门产生夹人事件，应在门内外两侧安装防夹人信号感应探测器，来避免停留在门周围的人被门夹住。

（3）开门或关门时电动机降压启动

电动机启动时，由于起动电流过大，因此要采用降低电动机定子绕组电压的办法来防止起动电流过大而损坏电动机，并在一段时间后使电动机恢复全压运行。

常见的降压起动方法有Y/Δ降压启动、自耦变压器降压起动、软启动器降压和定子绕组串电阻降压起动。

2.3自动门PLC控制系统的具体构成

自动门PLC控制系统的组成框图如下图2.1所示。

图2.1自动门PLC控制系统的组成框图

当感应探测器检测到人体或物体接近自动门时，将信号传递给可编程控制器（PLC），然后PLC根据检测到的信号发出控制指令，使驱动装置动作，并通过传动装置使自动门动作。

2.4PLC的基本结构

可编程控制器（PLC）是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出模块、编程器、电源等部分组成，PLC的结构框图如图2.2所示。

图2.2PLC的结构框图

PLC的主要组成部分及功能如下表2.1所示。

表2.1PLC主要组成部分及其功能

PLC的

系统组成

功能

中央处理单元（CPU）

CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，主要完成下列工作：

（1）编程器等输入设备输入的程序和数据由CPU进行存储和接收。

（2）用扫描的方式通过输入/输出部件接收现场信号，并存入数据存储器或输入映像寄存器中。

（3）诊断PLC内部程序中的语法错误和工作故障等。

（4）PLC进入运行状态后，执行用户程序，存储相应的内部控制信号，完成各种数据的传输和处理，以完成用户指令规定的各种操作。

（5）响应各种外围设备的请求。

存储器

存储器的主要功能是存放数据和程序。

程序是PLC操作的依据，数据是PLC操作的对象。

在PLC中，存储器是保存工作数据、用户数据和系统程序的器件。

输入/输出

模块

输入/输出模块是PLC及外围设备连接的部件。

输入模块的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，并对其进行隔离、放大、滤波和电平转换等。

输出模块的作用是将CPU的输出信号转换成驱动控制对象执行机构的控制信号并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部电路和外部执行元件。

电源

PLC的电源部件是将交流电转换成直流电源的装置，并向PLC提供所需的高质量的直流电源。

为保证PLC工作可靠，一般采用的是开关型稳压电源，其特点是体积小、抗干扰性能好、效率高、电压范围宽、重量轻。

编程器

编程器是用户及PLC的对话窗口，是编制、调试、监护用户程序的主要设备，通过通信接口及CPU连接。

用户通过编程器编写控制程序，并通过编程器接口将程序写入PLC。

2.5PLC的工作原理

（1）PLC的工作方式和运行框图

可编程控制器（PLC）是根据集中输入和输出、周期性循环扫描的方式进行运行的。

可编程控制器（PLC）从第一条用户程序指令开始执行，并按顺序逐条地执行直到结束，然后再返回第一条指令并开始新一轮的指令扫描。

PLC就是这样循环重复的扫描执行。

PLC运行的全过程可用如图2.3所示的PLC运行框图来表示。

图2.3PLC运行框图

（2）PLC的扫描工作过程

可编程控制器是在其系统软件的支持下按循环扫描原理运行的，它的运行过程就是周期性的循环扫描过程，每一个扫描周期均可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段，PLC的工作过程如图2.4所示。

图2.4PLC的工作过程

2.6自动门控制系统PLC的选择

通过对自动门控制系统的估算，本设计的I/O点数为输入11点，输出4点。

综合以上因素，本系统的PLC型号是采用智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的S7-200小型PLC来实现整个自动门PLC控制系统，西门子S7-200的参数如下表2.2所示。

表2.2西门子S7-200的参数

主要

性能

（1）模拟量I/O点数为2输入和1输出共3个。

（2）数字量I/O点数为14输入和10输出共24个。

（3）扩展模块可连接7个。

（4）最大可扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。

其他

性能

（1）20K字节数据和程序存储空间。

（2）独立的100KHZ高速计数器6个。

（3）100KHZ的高速脉冲输出2个。

（4）RS485编程/通讯口2个，具有自由方式通讯能力、MPI和PPI通讯协议。

特点

还新增了如位控特性、自整定PID功能、内置模拟量I/O、诊断LED、线性斜坡脉冲指令、数据记录及配方功能等。

3自动门PLC控制系统的硬件设计

3.1电气控制系统的主电路设计

主电路由接触器KM1主触点和接触器KM2主触点来控制电动机的正反转，接触器KM3主触点将电动机的定子绕组接成三角形，接触器KM4主触点将电动机的定子绕组接成星形，电动机可实现星形—三角形降压启动。

星形—三角形降压启动只能用于正常运行时定子绕组为三角形连接的三相异步电动机，而且定子绕组应有6个接线端子。

启动时将定子绕组接成星形，待电动机的转速升到一定的程度时，再改为三角形连接，使电动机正常运行。

星形—三角形降压启动的优点在于星形连接时起动电流只是原来三角形接法的

，起动电流特性好、价格便宜、结构简单。

缺点是起动转矩也相应的下降为原来三角形接法的

，转矩特性差。

热继电器FR对电动机M作过载保护，熔断器FU1作短路保护和严重过载保护。

自动门控制系统主电路原理图如下图3.1所示。

图3.1自动门控制系统主电路原理图

3.2电气控制系统的控制电路设计

当手动/自动转换开关SA1闭合时，中间继电器KA1线圈得电，实现手动控制。

当手动开门开关SB4闭合时，KM1线圈得电并自锁，电动机M正转开门，直到开门极限，当手动关门开关SB5闭合时，KM2线圈得电并自锁，电动机M反转关门，直到关门极限。

当手动/自动转换开关SA1断开时，中间继电器KA1线圈立即断电，所以触点立即复位，实现自动控制。

当有人或物体由内到外或由外到内通过感应探测器时，能使门外感应探测器SB1或门内感应探测器SB2闭合，中间继电器KA2线圈得电，常开触点立即闭合，常闭触点立即断开，并使KM1线圈得电并自锁，位于主电路的主触点KM1闭合，电动机M正转，实现开门动作，直到到达开门极限。

当门机到达开门限位开关SQ1位置时，SQ1常闭触点立即断开，常开触点立即闭合，使KM1线圈立即断电，电动机M停止运行。

若此时门外感应探测器SB1或门内感应探测器SB2无信号，则通电延时继电器KT1线圈得电，延时等待8秒。

若在延时8秒内门外感应探测器SB1或门内感应探测器SB2又检测到人或物体通过信号，则通电延时继电器KT1线圈立即断电，并重新等待。

延时等待8秒后通电延时继电器KT1常开触点闭合，接触器线圈KM2得电并自锁，位于主电路的主触点KM2闭合，电动机M反转，实现关门动作，若在关门时内门外感应探测器SB1或门内感应探测器SB2又检测到人或物体通过信号，则KM2立即失电，KM1重新得电，重新执行开门动作。

在门外感应探测器开关SB1或门内感应探测器开关SB2两端并联上防夹人感应探测器开关SB3，若防夹人感应探测器SB3检测到信号，则电动机M立即执行正转开门动作，保证人员安全通过，避免出现夹人事故。

电动机M启动时，KM1或KM2线圈得电，常开触点KM1或KM2闭合，线圈KM4得电，并使主触点KM4闭合，电动机定子绕组呈星形连接，此时通电延时继电器KT2得电，延时3秒后通电延时常开触点KT2立即闭合，使KM3线圈得电并自锁，主触点KM3闭合，常闭触点立即断开使KM4和KT2线圈失电，电动机定子绕组呈三角形连接，使电动机M在额电电压下正常运行。

电动机运行到开门限位开关SQ1或关门限位开关SQ2时，电动机采用速度继电器控制的反接电气制动使电动机加速停止转动，当电动机的转速在100

以下时，认为电动机已停止转动，则速度继电器的动合触点KS断开，电动机制动结束。

如果在自动门闭合或者打开时出现意外情况，能在自动门内外多点进行控制，手动断开门外启停开关SA2或门内启停开关SA3，使控制电路立即断电，电动机停止转动。

为了避免电动机出现短路故障，控制部分正转控制线圈KM1和反转控制线圈KM2采用双方的常闭触点实现电气联锁。

自动门PLC控制系统控制电路图如下图3.2所示。

图3.2自动门PLC控制系统控制电路图

3.3自动门PLC控制系统设计的一般方法

输入、输出点配置和地址分配时应该注意的问题。

（1）分别集中配置所有的按钮和限位开关，同类型设备占用的输出点地址放在一起。

（2）按顺序定义输入点、输出点地址号。

（3）如果有多余的输入或输出点，可将每一个输入模块或输出模块的输入点都分配给一台机器或设备。

（4）有噪声的输入模块尽量插在远离CPU模块的插槽内，彼此相关的输出模块的输出地址号应连写。

3.4可编程控制器的I/O分配

根据自动门PLC控制系统的要求，确定PLC的I/O分配表，如表3.1所示。

表3.1I/O分配表

类型

设备

PLC端子号

输入端

热继电器开关FR

I0.0

门外感应探测器SB1

I0.1

门内感应探测器SB2

I0.2

防夹人感应探测器SB3

I0.3

手动开门SB4

I0.4

手动关门SB5

I0.5

开门限位开关SQ1

I1.1

关门限位开关SQ2

I1.2

手动/自动开关SA1

I1.3

门外启停开关SA2

I1.4

门内启停开关SA3

I1.5

速度继电器开关KS

I1.6

输出端

开门KM1

Q0.1

关门KM2

Q0.2

电动机三角形形连接KM3

Q0.3

电动机星形连接KM4

Q0.4

PLC外部端子I/O分配表的直观表达方式是I/O配置图，它可以清楚的表示PLC的外部端子的接线情况。

PLC外部端子I/O硬件接线图如图3.3所示。

图3.3PLC外部端子I/O硬件接线图

4自动门PLC控制系统软件的设计

4.1软件设计的一般方法

（1）根据控制系统的基本要求，确定控制系统的运行方式，如自动、手动、连续和单步等，以及应该完成的动作顺序、动作条件等；还要确定所有的控制系统的参数（时间、计数、模拟量精度等）。

（2）对于较为复杂的控制系统，应先绘制出控制系统的控制流程图，并根据流程图进行程序设计。

（3）根据控制系统要求设计出完整的梯形图程序。

（4）对程序进行修改、模拟调试直到能够满足控制系统要求为止。

4.2程序流程图

PLC的工作方式是顺序扫描、不断循环的过程，所以即使是顺序程序也会反复执行，其各个部分的执行及否由相应的条件来控制，条件满足则执行，否则进行等待，直到条件满足为止。

根据自动门PLC控制系统的控制要求，设计自动门PLC控制系统流程图如图4.1所示。

图4.1自动门PLC控制系统流程图

4.3梯形图的设计

根据PLC的I/O分配表，设计自动门PLC控制系统的梯形图，调用2个S7-200系列PLC中的辅助继电器M0.1和M0.2起到中间状态暂存作用，并采用定时精度为100ms的定时器T37和T38分别延时8s和3s。

根据自动门PLC控制系统的工作原理和工作过程画出自动门PLC控制系统的梯形图如图4.2所示。

图4.2自动门PLC控制系统梯形图

梯形图对应的指令表如下。

LDI0.0ANQ0.1

AI1.4=Q0.2

AI1.5LRD

LPSLDT38

LDM0.2OQ0.3

OQ0.1ALD

AM0.1LDQ0.1

LDI0.4OQ0.2

OQ0.1ALD

AM0.1=Q0.3

OLDLRD

ANI1.1LDQ0.1

LDI1.2OQ0.2

AI1.6ALD

OLDANQ0.3

ANQ0.2=Q0.4

=Q0.1TONT38，30

LRDLRD

LDT37AI1.3

OQ0.2=M0.1

ALDLRD

ANM0.1AI1.1

ANM0.2ANM0.2

LDI0.5TONT37，80

OQ0.2LPP

AM0.1LDI0.1

OLDOI0.2

ANI1.2OI0.3

LDI1.1ALD

AI1.6=M0.2

OLD

4.4故障分析

系统常见的故障和处理方法如表4.1所示。

表4.1常见故障机处理方法

故障现象

故障诊断

处理方法

接触器或继电器衔铁噪声大

1.短路环脱落

1.重新安装或更换短路环

2.电源电压过低

2.检查线圈电压，是否将380V线圈误用于220V场合或电源电压过低

3.弹簧反作用力过大

3.调整或更换弹簧

接触器或继电器线圈过热或烧损

1.电源电压不符

1.检查电源电压，并检查是否误将220V线圈用于380V场合

2.动作频率过高

2.降低线圈动作频率

3.线圈受潮

3.烘干线圈或更换线圈

低压断路器手动合分闸失灵

1.触头熔焊

1.清洗和修理触头，必要时更换触头

2.机械故障

2.排除机械故障

3.三相主触头不同步

3.调整触头使其同步

熔断器过热

1.熔断器接触不良

1.排除熔断器生锈、松动、脏污等接触不良现象

2.负载电流过大

2.检查负载及电源电压，使电流恢复至正常值

三相电动机运行中有异常声响

1.电源故障

1.排除缺相或三相不平衡、电压过低情况

2.绕组故障

2.排除绕组局部短路、断路等故障

3.变形、缺油或松动

3.洗轴承、清理风道、调整气隙、充油、校正变形、正确装配等

PLC输入全部断开（动作指示灯灭）

可能是输入回路故障

更换单元

PLC动作正确但指示灯灭

可能是LED损坏

更换LED

结论

本设计基本上达到了设计要求，将可编程控制器（PLC）应用到自动门控制系统中，研究了PLC在自动门控制系统的设计原理及设计方法，并重点研究了自动门PLC控制系统的硬件设计及软件设计，并在用PLC对自动门进行控制的同时实施实时故障监测，充分发挥了PLC的可靠性高、实时性好和抗干扰性强等特点，并且外部接线简单、灵活，维修方便。

当然，由于所学知识有限，本次设计还存在一些不足之处，功能方面也还不够全面，其实本设计还可以有更加全面的功能，比如开门和关门时设置蜂鸣器的提示音或指示灯提醒，提示行人注意安全，还可以在开门和关门速度上进行调节，使开门和关门速度加快或减慢，所以要想将自动门PLC控制系统实际使用，必须得通过现场调试。

实际条件的限制也是本设计的不足之处。

对于在本设计中出现的不足之处，我会在今后的工作学习中去不断的研究完善。

在学校学习的知识是有限的，以后的工作中我们肯定也会遇到许多未知的领域，了解掌握这方面的能力便会使我们受益匪浅。

在整个设计和制作过程中，对所学的知识进行了系统全面的应用，理解了PLC控制系统