自动门控制系统的PLC设计.docx
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自动门控制系统的PLC设计
自动门控制系统的PLC设计
作者：
【摘要】可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。
目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。
本课程设计介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。
用西门子公司S7-200系列的PLC，设计了一个简单平移自动门的自动门控制系统。
该系统主要完成自动门的开、关控制及其出现故障时能实行手动控制。
【关键词】自动门控制，可编程序控制器
目录
摘要..................................................................................
1PLC的发展史....................................................................2
1.1PLC的起源.................................................................2
1.2PLC的诞生.................................................................2
1.3PLC的特点、现状与发展.................................................2
1.4PLC的功能................................................................3
2PLC的组成和工作原理.......................................................5
2.1PLC的组成................................................................5
2.2工作原理...................................................................6
3自动门基本介绍..............................................................8
3.1组成部件...................................................................8
3.2工作流程..................................................................8
3.3自动门的分类.............................................................8
3.4行程开关的工作原理....................................................10
4I/O分配地址..................................................................11
5运作原理图....................................................................12
5.1方案说明.................................................................12
5.2程序流程.................................................................12
5.3继电器接触控制图......................................................13
5.4PLC连线图...............................................................13
6系统程序设计.................................................................14
6.1梯形图...................................................................14
6.2操作说明.................................................................15
7总结............................................................................16
附录程序语句表.................................................................17
参考文献............................................................................18
1PLC的发展史
1.1PLC的起源
PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。
自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。
上世纪60年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制人物。
随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。
1.2PLC的诞生
1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功，这标志着PLC第一次进入人们的视野
·1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
·1971年，日本研制出第一台DCS-8
·1973年，德国研制出第一台PLC
·1974年，中国研制出第一台PLC
1.3PLC的特点、现状与发展
1.3.1特点
体积小。
可靠性高。
编程方便，可在线更改程序。
适应工业环境。
适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。
与DCS相比，价格低廉。
安装、维修简单。
1.3.2现状
当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流，80%以上的行业，80%以上的设备均可使用PLC。
据统计，当今世界PLC生产厂家约有150家，生产300多个品种。
2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。
1.3.3发展史
第一代：
1969年至1972年，代表产品有
·美国DEC公司的PDP-14/L
·日本立石电机公司的SCY-022
·日本北辰电机公司的HOSC-20
第二代：
1973年至1975年，代表产品有
·美国GE公司的LOGISTROT
·德国SIEMENS（西门子）公司的SIMATICS3、S4系列
·日本富士电机公司的SC系列
第三代：
1976年至1983年，代表产品有
·美国GOULD公司的M84、484、584、684、884
·德国SIEMENS（西门子）公司的SIMATICS5系列
·日本三菱公司的MELPLAC-50、550
第四代：
1983年至现在，代表产品有
·美国GOULD公司的A5900
·德国SIEMENS（西门子）公司的S7系列
1.3.4发展趋势
PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。
PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。
新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量的控制领域，广泛的应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。
但PLC也面临着其他行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：
微型、小型PLC功能明显增强
跟多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、微型PLC。
三菱的FXOS14点，其尺寸仅为58mm×89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到院里工业控制的其他行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。
集成化发展趋势增强
由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯功能和网络化，尤其以PC为基的控制产品增长率最快。
PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人一机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。
以PC为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。
向开放性转变
PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构式封闭的而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，单各公司的组态、寻址、语言结构不一致，使各种PLC互不兼容。
国际电工协会（IEC）在1992年颁布了IEC1131-3《可编程程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。
现在开发以PC为基、在WINDOWS平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。
1.4PLC的功能
数据采集与输出。
控制功能。
包括顺序控制、逻辑控制等。
数据处理功能。
一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便的对生产过程中的资料进行处理。
用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理，控制生产过程。
输入/输出接口调理功能。
具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。
通信、联网功能。
某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。
可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网的要求。
人机界面功能。
编程、调试等，并且大部分支持在线编程。
2PLC的组成和工作原理
2.1PLC的组成
2.1.1PLC的基本结构
·CPU模块
·I/O模块
·编程器
·电源
·接口
2.1.2CPU模块
CPU即中央处理器（CentralProcessingUnit），是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。
主要用于：
接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
2.1.3I/O模块
I/O模块，即输入/输出模块，是PLC与外界连接的借口。
·输入模块：
输入模块是用来接收和采集两种类型输入信号的模块，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等一系列开关的开关量输入信号。
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等模拟量输入信号。
·输出模块：
输出接口是用来连接被控制对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。
2.1.4编程器
编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。
编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。
编程器一般有有两种类型：
简易编程器和图形编程器。
简易编程器体积小，便宜，合适小型PLC，但是需要联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，有液晶显示（LCD）和阴极射线式（CRT）两种，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程。
不但操作方便、功能强大，还可与打印机、绘图仪等设备相连。
但是价格较高，不适用于小型PLC。
随着PLC联网功能的增强，出现了第三种编程方式，即计算机辅助编程。
由于计算机操作简易，编程量和工作效率远比前两种编程器要高。
因此，越来越多的用户更愿意采取这种编程方式。
2.1.5电源模块
PLC内部配有开关式稳定电源的电源模块，用来将外部宫殿电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流断电源。
2.2工作原理
PLC有两种工作状态，运行状态（RUN）和停止状态（STOP）。
在运行状态中，
PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执行，直到PLC停机或者切换停止工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段：
开始→诊断→与编程器通信→读入程序→执行程序→输出结果→开始
PLC这种周而复始的循环工作方式被称为“扫描工作方式”。
在工作状态下，这种工作方式所需要的时间被称为“扫描周期”。
其典型值为1-100ms。
3自动门基本介绍
3.1组成部件
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；同时可以通过主控制器调节自动门的开启速度、幅度等参数。
感应探测器：
负责采集外部信号，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给予主控制器一个脉冲型号。
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。
门扇行进轨道：
约束门扇行走的吊具走轮系统，使其按特定的方向行进。
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：
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。
3.2工作流程
当门扇要完成要完成一次开门与关门时，其工作流程如下：
感应探测器探测到有人接近时，将脉冲信号传给主控制器，主控制器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。
马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器做出判断。
如需关门，则马达反向运动，关闭门扇。
3.3自动门的分类
自动门通常可分为：
平移自动门（如图3-1）、圆弧自动门（如图3-2）、折叠自动门（如图3-3）、旋转自动门（如图3-4）等。
图3-1平移自动门
图3-2圆弧自动门
图3-3折叠自动门
图3-4旋转自动门
3.4行程开关的工作原理
行程限位开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。
在实际生产中，将行程限位开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程限位开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程限位开关时一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，作用原理与按钮类似。
行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程，进行终端限位保护。
在电梯的控制电路中，还利用行程限位开关来控制开关桥门的速度、自动开关门的限位，电梯的上、下限位保护。
行程限位开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
4I/O地址的分配
输入/输出信号的名称、代码及地址编号
名称
代码
地址编号
输入信号
门内光电探测开关
K1
I0.2
门外光电探测开关
K2
I0.1
开门到位限位开关
K3
I0.3
关门到位限位开关
K4
I0.4
启动停止
K5
I0.7
手动开关
K6
I1.0
手动关门
K7
I1.1
输出信号
开门执行机构
KM0
Q0.0
关门执行机构
KM1
Q0.1
短接启动电阻接触器
KM2
Q0.2
5运作原理图
5.1方案说明
由于自动门种类繁多，本设计主要针对平移自动门的PLC自动控制。
需要功能部件：
光电检测开关，限位开关，超载保护开关，直流电机。
当有人接近自动门，通过光电检测开关时，开关上有电流通过，由于开门限位开关常闭，线圈得电，电机正转。
当门扇到达限定位置时，线圈失电，电机停止运作。
自动门门扇到达限定位置时，启动延时定时器。
8秒后，自动进入关门过程，电机反转。
当门扇移动到关门限定位置时，开关常开，线圈失电，电机自动停止运作。
在关门过程中，如有人接近自动门时，应立即停止关门程序，并自动进入开门程序。
在门扇打开后的8秒等待时间内，如有人接近自动门，必须重新开始延时等待8秒，再自动进入关门程序，以保证可以安全通过自动门。
考虑到自动门在出现故障和维修的时间段内，自动控制系统失效，故必须增加手动开关门开关。
5.2程序流程
开始
若K1、K2有信号
开门
K3打开电机停止
延时8s若K1、K2有信号开门再延时8s
关门
若K1、K2有信号
K4打开电机停止
结束
5.3继电器接触控制图
图6-1继电器接触控制图
5.4PLC接线图
图6-2PLC接线图
6系统程序设计
6.1梯形图
6.2操作说明
1、首先按下启动按钮，I0.7闭合，若外检测开关或内检测开关有信号时I0.1或I0.2闭合。
由于开门限位开关I0.3是长闭的，所以Q0.0线圈得电。
当Q0.0线圈通电时Q0.0闭合，此时电机正转带动自动门门扇打开，执行开门过程。
2、门扇完全打开时，使开门限位开关I0.3打开，Q0.0线圈失电.电机停止运作。
3、当门扇停止移动时，由于开门限位开关的常闭变成常开，故使常开闭合。
进行8s的延时，若此时外检测开关或内检测开关I0.1或I0.2有信号，则使T37重新延时8s。
4、当8s的延时完毕后，T37线圈得电，关门限位开关关闭，所以使Q0.1通电并自锁，电机反转，执行关门过程。
5、在关门过程中，若外检测开关或内检测开关I0.1、I0.2有信号又使Q0.0通电，由于在关门过程中Q0.0常闭，此时打开，并中断关门过程，转向开门过程。
6、在此控制过程中，为了保证其安全性和正常运作，设置过载保护。
7、考虑到自动门若出现故障时，自动控制系统失效，所以设置手动开关门开关。
7总结
毕业设计是检测学生毕业前对一门知识的所学所以所用，并提出分析，发现问题，解决问题能力的一项能力测试，是对以后实际工作的培训。
开始我先认真对论题进行了分析，考虑到要求及条件。
在与同学的讨论交流，和查阅并分析借鉴了诸多资料。
如《可编程序控制》、《电机拖动》等教科书，以及另外的资料书和XX百科。
终于完成了这次设计。
回顾这次“自动门控制系统的PLC设计”论题，令我感触颇多。
在短短的时间里，付出了不少的时间和精力，努力的查找资料、利用CAD绘制电路图。
虽然感觉任务很沉，同时也接触到了书上所没有提及到的知识。
虽然经验不足，但是在努力的情况下还是完成了这次毕业设计。
在此过程中，发觉了自身思维不够集中等缺点。
在这段时间里，让我体会到了PLC这门课程与现实生活中的诸多事物已然挂钩，同时也明白了理论必须经过实践的道理。
在实际生活中，很多东西都是理论所不具备的，但又是通过理论而得出的结论与行动。
知道了如何来分析得来的知识。
在此，感谢这门课程的任课教师，傅老师，同时也感谢其他课程的老师，给予了我们这么多堂精彩的授课，给学生们带来了丰富的理论知识。
附录程序语句表
LDI0.1
OI0.2
OQ0.0
ANQ0.2
OI1.0
ANI0.7
ANI0.3
=Q0.0
LDI0.3
ANI0.1
ANI0.2
TONT37,80
LDT37
OQ0.1
ANQ0.0
ANQ0.2
AI0.7
ANI0.4
OI1.1
=Q0.1
LDI0.5
OI0.6
OQ0.2
AI0.7
=Q0.2
参考文献
[1]电气控制与PLC原理及应用李道霖主编电子工业出版社2004.8
[2]可编程控制器应用技术赵春生主编人民邮电出版社2008.9
[3]深入浅出西门子S7-200PLC（第二版）北京航空航天大学出版社2005.3
[4]电力拖动控制线路与技能训练（第三版）中国劳动社会保障出版社2008.2
[5]可编程控制器原理及应用[M]吴中俊黄永红北京机械工业出版社2004
[6]电器与PLC控制技术[M]张万忠刘明芹北京化学工业出版社2003
[7]PLC应运开发案例精选（第二版）高钦和北京人民电邮出版社2008
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[9]可编程序控制器及应用林小峰北京高等教育出社[M]1991
[10]可编程序控制器教程温照方北京北京理工大学出版社2002
[11]逻辑与可编程控制系统汪道辉北京机械工业出版[M]2001
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