精品毕设基于PLC的数字电子钟设计.docx
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精品毕设基于PLC的数字电子钟设计
江苏城市职业学院
毕业设计说明书
论文题目
基于PLC自动门的控制与分析
学号
1025570110
姓名
杨嘉源
指导教师
顾叶虎
职称
讲师
办学点
无锡办学点
教学班
10楼宇智能化工程技术
200年月日
2015年1月14日
摘要
随着科技的日益加快，科技也进入了人们呢的生活的方方面面。
继电器控制系统曾经在工业领域的发展中起着巨大地推动作用，目前仍存在大量的运用，但是由于其自身性能和功能已满足不了人们的要求，自动化控制逐渐变得智能化、远程化、网络化，于是在人们长期的研究过程中PLC应运而生了，与继电器控制系统相比，PLC由于应用了可编程控制器技术，使其可靠性变得更高、抗干扰能力更强了、而且在设计、使用和维护上更也方便了，于是人们在工业自动化领域中广泛的运用它。
本文就是从PLC在自动门系统上的应用进行设计和分析的。
为增强自动门运行的可靠性，提出了一种以S7-200可编程序控制器为核心的自动门控制系统。
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。
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，I/O点的确定，程序设计进行了说明。
关键词：
PLC（S7-200）自动门变频控制
目录
前言1
第一章课题概论2
1.1国内外自动门发展现状2
1.2本课题研究内容3
1.3PLC的发展前景3
1.3.1PLC微型化发展3
1.3.2PLC网络技术化发展3
1.3.3向模块化、智能化发展3
1.3.4PLC操作向简易化方向发展3
1.3.5编程语言和编程工具的多样化和标准化4
第二章自动门控制系统的整体方案5
2.1设计流程5
2.2自动门的功能需求分析5
2.3自动门的控制要求6
2.4自动门具体构成6
第三章硬件设计7
3.1可编程控制器的选型7
3.2驱动装置的选型7
3.3感应器件的选型8
3.4行程开关（限位开关）的工作原理8
3.5传动装置8
第四章自动门控制系统软件的设计10
4.1PLC梯形图概述10
4.2自动门工作流程10
4.3自动门控制系统原理图12
4.4工作过程的分析14
4.5梯形图的设计14
4.6过程分析16
总结18
参考文献19
前言
如今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庄重高档，因此自动门在人们生活中的运用越来越广泛，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、可靠性高、维修不方便等缺点。
而在自动门控制系统设计中，稳定、安全可靠级人性化是首先考虑的因素。
为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。
第一章课题概论
1.1国内外自动门发展现状
在国外，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，因此应用非常广泛。
随着我国经济的飞速发展，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，使用自动门。
但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。
在自动门控制系统设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。
由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。
客流量的差异会对自动门的使用产生很大的影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和频繁使用自动门。
自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只使用余高档酒店宾馆，自动平移门使用的最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门，目前市场上流行的平移型自动门一般是两开，这种门的特点是简单易控，维护方便。
自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当人走进门时，感应器感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装臵将门打开。
当人通过之后，再将门关上。
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。
自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来说，有继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控制；智能控制器控制，即通过运行现代自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。
由于继电器逻辑控制的自动门系统存在许多缺陷而逐步被智能控制器的自动门所淘汰。
在智能控制器的选折上，自动门的主控制器有微电脑控制器控制和可编程控制器（PLC）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型商场的自动门都是有这种方式来控制的。
1.2本课题研究内容
以自动感应门为研究对象，设计PLC外部硬件电路和软件程序，是控制系统更加智能化、人性化。
综合了自动门的简洁、简单的要求，在本课题中主要研究自动门，本课题设计的自动门具有自动开门功能和分时段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商城等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。
1.3PLC的发展前景
PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦一样，随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
1.3.1PLC微型化发展
PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。
比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90×75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。
PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。
从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
1.3.2PLC网络技术化发展
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。
目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。
各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。
1.3.3向模块化、智能化发展
为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。
1.3.4PLC操作向简易化方向发展
目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。
PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。
这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。
PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。
1.3.5编程语言和编程工具的多样化和标准化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。
第二章自动门控制系统的整体方案
2.1设计流程
1．深入了解和分析自动门的控制要求和控制部件。
2．确定I/O设备。
根据自动门控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。
3．根据I/O点数选择合适的PLC类型。
4．分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。
5．设计自动门系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。
6．将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
7．自动门系统的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。
2.2自动门的功能需求分析
本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。
根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能：
1.开门和关门控制应有手动和自动方式
为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。
手动和自动开门方式由手自动转换开关来控制。
当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。
当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。
2.紧急停止
当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。
PLC控制和执行元件构成是自动门控制系统的两个重要组成。
采用自动和手动控制方式，此种控制模式为自动门的主要控制方式。
本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。
2.3自动门的控制要求
经分析设计任务，可知完成任务的实质就是控制电机的正反转。
要实现自动控制首先要具备一下功能部件：
微波检测开关，限位开关，超载要实现电机正保护开关。
先确定电机与门扇轨道组成的系统，要实现电机正转—开门，电机反转—关门。
首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体通过信号时，开关上有电流通过，（光电检测开关是脉冲触发需对其自锁）所以线圈上有电流通过，电动机正传，带动自动门执行开门过程。
当门完全打开之后，使开门限位开关由闭合到断开，此时自动门停止，延时8秒。
若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时。
当8秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。
在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。
考虑到自动门若出现故障或维修的时候，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。
2.4自动门具体构成
自动门系统的具体组成如下图：
PLC
图2-1自动门系统组成
由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC，PLC根据已经采集的信号发出控制信号，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。
第三章硬件设计
3.1可编程控制器的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
电源部件
微处理器cpu
I/O
扩展接口
输入部件
外
设接口
综合PLC的选型标准，本课题的设计采用智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个自动系统的控制
基本单元
I/O
扩展单元
系用
统户
程程
序序
存储器
其他外设
编程器
输出部件
驱动
受控单元
图3.1PLC硬件图
3.2驱动装置的选型
自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障。
结合安全稳定的考虑，在本设计中选用天津安全电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的3相380V交流电机，此电机噪音极小、调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。
3.3感应器件的选型
目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。
微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所。
结合本课题的实际需要在设计自动门的人员检测上运用微波雷达传感器为自动门感应器微波感应器的特点:
1．非接触探测
2．不受温度，湿度，噪音影响
3.4行程开关（限位开关）的工作原理
行程开关又称限位开关，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，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的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，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。
滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮（羊角式）非自动复位式，双滚轮行移开关具有两个稳态位置，有“记忆”作用，在某些情况下可以简化线路。
3.5传动装置
在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：
1．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。
2．所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。
3．电机：
驱动电机采用380V三相交流电机，功率大，可调性强。
4．导轨：
水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性。
并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。
5．滑轮：
采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。
6．皮带：
用于传输电机所产动力，牵引自动门吊具走论系统，采用齿形皮带，齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。
皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。
7．马达皮带轮直径为5cm，皮带滑轮内径为13.5cm，外径为28.5cm。
第四章自动门控制系统软件的设计
4.1PLC梯形图概述
梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。
在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。
因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
1.与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。
2.与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习。
3.与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：
梯形图中的能流（PowerFlow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。
梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。
梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。
4.2自动门工作流程
1．按下启动按钮，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8秒后，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8秒等待时间内，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8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
5．考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。
以上工作过程可用流程图表达如下图所示。
否
蜂鸣器响
4.3自动门控制系统原理图
a.自动门控制系统主电路控制图：
图4-2自动门控制系统主电路
b.继电器接触器
KM2
KM0
SB1
SB7
KM0
KM1
FR
SB10
SB2
KM1
SB2
SB1
SB3
8S
KM1
KM0
SB4
SB11
SB5
SB6
KM0
图4-3继电器控制器控制图
c.外围接线
KM1
4.4工作过程的分析
根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照下图所示的流程运行，已达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计，工作流程如下：
首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体信号时，电动机正传，带动自动门执行开门过程。
当门完全打开之后，使开门限位开关打开，此时自动门停止，进行8秒延时。
若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时。
当8秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。
在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。
考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。
4.5梯形图的设计
表4-1自动门I/O地址分配表
PLC原件
作用
I0.1
门外光检测电开关
I0.2
门内光检测电开关
I0.3
开门限位开关
I0.4
关门限位开关
I0.5
过载保护开关
I0.6
紧急停车开关
I0.7
启动停止
I1.0
手动开门
I1.1
手动关门
Q0.0
电动机正转
Q0.1
电动机反转
梯形图：
图4-5PLC梯形图
4.6过程分析
1．首先按下启动按钮使I0.7闭合，若外检测开关或内检测开关检测到有人体接近时将其转换成信号使I0.1或I0.2闭合。
由于开门限位开关I0.3是常闭的，所以Q0.0线圈得电，由原理分析可知光电检测开关的触发方式是脉冲触发，所以需要自锁。
当Q0.0线圈通电时Q0.0闭合，此时电动机正转带动自动门扇移动，执行开门过程。
2．当门扇完全打开时，使开门限位开关I0.3打开，Q0.0线圈失电。
电动机停止转动。
3．当门扇停止移动时，由于开门限位开关的常闭变成断开，故使常开变闭合。
此时进行8秒钟的延时，若此时外检测开关或内检测开关I0.1或I0.2检测到有人体信号，则使T0重新延时8秒钟。
4．当8秒的延时完毕后T0线圈通电，关门限位开关闭合，所以使Q0.1得电并自锁，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，为了保证其安全性设置过载保护和紧急停车。
7．考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，避免造成不便和不必要故障，于是设置手动开门和手动关门。
总结
本设计基本上达到了设计目的，利用PLC实现自动门的控制系统。
掌握了PLC的编程，并运用软硬件的知识，通过合理的设备选型，参数设置，软硬件设计，提高了自动门的可靠运行。
改善了自动门的舒适感，并节约了电能。
给人们带来了极大的方便。
用可编程控制器对自动门进行控制的同时实施实时故障监测，准确可靠，实时性好，便于维修。
当然，由于所学知识和时间的有限，本次设计还存在一些不足之处，功能方面还不够全面，自动门内部结构不太了解，还需要现场学习，本设计还可以有更加全面的功能，比如开门关门设置蜂鸣器的提示音，提示行人通过，还可以在开门速度上添加变频器，使开门速度加快，提高效率。
由于实际条件的限制，仿真效果不太理想这也是不足之处。
本设计中存在的不足之处，今后我会不断的研究努力去完善。
对于自动门硬件，也知道了一些周边技术，扩充了知识面，增强对工艺的理解。
我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益匪浅。
通过这次设计，我把所学的各种知识都联系起来，把理论和实际联系了起来，既巩固了旧知识，有学到了新知识，开阔了视野，拓宽了思路，培养了自己分析问题和解决问题的能力，我要把我的毕业设计作为我在学习的最后一个历程画一个自己满意的句号。
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