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PLC自动门
目录
摘要I
AbstractII
1概述1
1.1自动门与报警简介1
1.2设计任务及方案说明1
1.3自动门控制装置系统的工作原理1
1.4自动门控制装置系统的流程框图3
2PLC简介4
2.1可编程序控制器产生与发展4
2.2可编程序控制器的特点与分类5
2.3可编程序控制器的组成与工作过程6
2.4可编程序控制器的硬件基础7
2.5可编程序控制器的软件基础8
2.6可编程控制器的选择8
2.7PLC的I/O端口分配与接线8
3其它器材的选择与简介9
3.1自动门的选择9
3.2行程开关的选择10
3.3传感器的选择10
3.4电机的选择11
4仓库自动门与报警系统11
4.1自动门装置的主要电气原理图12
4.2开关门程序13
4.3作息时间及报警程序13
5软件系统设计和仿真14
6设计小结15
参考文献17
致XXX18
附录19
摘要
本文介绍了利用可编程控制器PLC和三相交流电机组成的自动门控制系统，给出了系统的PLC和三相交流电机的主要控制技术环节。
中心控制器通过与各种传感器（防夹，红外感应传感器，接近开关传感器）的连接，实现仓库门系统的自动启停，自动定位，调速功能和夜间闭锁等功能，进而实现自动系统的安全可靠控制。
同时充分利用已有资源和各种逻辑传感器和电铃、信号灯等报警装置组成简易的报警与处理系统。
本文还介绍了系统的软件设计和仿真，并给出了系统的梯形图程序。
关键词：
PLC；传感器；自动门
ABSTRACT
Theconfigureofaautomaticcontrolsystemofautomaticgateandthestructureofitscontrolsystemarepresentedinthispaper.ItpaysmoreattentiontothemethodusingPLC，Transducersandthree-phaseACmotortocontrolmachine（defendtoclip,theinfrareddrayrespondstospreadthefeelingmachine,nearingtotheswitchtospreadthefeelingmachine）,carryoutasystemofautomaticunderwaystop,automaticfixedposition,adjustsoonthefunctionandnighttimesshutthelocketc.function,thencarryoutthesafecredibilitycontrolofasystem.Thistextstillintroducesthesoftwaredesignofthesystemandadjuststotry,andgiveaformoflanguageprocedureofthesystem.
Keywords:
ProgrammableLogicController;Transducer;AutomaticGate
1概述
1.1自动门与报警简介
在经济飞速发展的中国，在我们高楼耸立的大都市，在大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门与报警系统已经是随处可见。
自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。
自动报警系统极大的提高了各种设施的安全系数。
可编程控制器（PLC）在继电器的控制和计算机控制的基础上开发出来的，是一种应用于工业生产过程控制，具有实时数字化处理能力的硬件设备，为工业自动化提供高可靠性的自动控制装置。
可编程控制器（PLC）在工业现场因其编程方便，抗干扰能力强，获得了广泛的应用。
具有可靠性高，环境适应好，编程简单，使用方便以及体积小，重量轻，功耗低等优点，迅速成为当代工业自动化的支柱设备。
进出仓库的方便与否直接关系到生产的效率，同时仓库储存的物品要求能妥善保管，贵重物品还要求能防盗，因此对安全要求也比较高，并且仓库储存的大部分物品都不耐潮湿和高温，因此为仓库设计及全天候的自动门与报警系统门是很有必要也很有意义的。
由于自动门的适用性、自动报警的快速准确性、可编程控制器（PLC）的优越性，为此我设计自动门与报警系统，具有安装维护简单、方便可靠、节能和安全等多种特性。
1.2设计任务及方案说明
（1）能感应靠近门的人，从而实现门的自动开启，同时待人通过后，等待数秒，在没人再靠近门时，门自动关闭。
此过程可通过热释电红外传感器实现感应功能，三相交流电机实现门的开与关。
（2）在休息休假时，门可以转为门功能，当有人靠近只做报警，不启动电机。
这里可以加一套响铃电路实现，而感应部分仍然用热释电红外传感器。
（3）考虑到一些人流通量大，长期开关会导致门的损耗较大，因此设有手动开关门的按钮。
原理就是电机的交流接触器的互锁与正反转功能来实现。
（4）报警系统能全天候不间断监控仓库环境，能及时发现问题并且报警。
1.3自动门控制装置系统的工作原理
（1）当有人由内到外或者由外到内通过光电检测开关时，开关上有电流通过（光电检测开关是脉冲触发须对其自锁）由于开门限位开关常闭，所以线圈上有电流通过。
电动机正转，到达开门限位开关位置时，电动机停止运行，从而完成开门工作。
（2）当自动门到开门限位开关位置时启动可调延时定时器8秒后，自动进入关门过程，电动机反转，当门移动到关门限位开关时电机停止运行，关门过程完成。
（3）在关门过程中，当有人员由外到内或者由内到外通过光电检测开关，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，若有人员由外到内或者有内到外通过光电检测开关时，必须重新开始等待8秒后，在自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
（5）因有时人员流通量大时，频繁开门和关门会影响电机工作寿命和浪费电力，因此设有启动按钮SB7，开门或关门的状态下关闭自动门，即可实现。
（6）考虑到自动门在出现故障或者维修的时候，用自动控制存在一定的问题，最后决定增加手动开门和关门开关。
（7）在休息时可转为门模式，当有人靠近时，光电检测开关感应，激活报警单元通知保安，而不进行门的开关。
1.4自动门控制装置系统的流程框图
图1流程图
2PLC简介
2.1可编程序控制器产生与发展
2.1.1可编程序控制器产生
1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，提出一种设想：
把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置。
这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。
使不熟悉计算机的人也能方便地使用，并提出十项招标指标。
美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP—14，并在汽车自动装配线上试用获得成功。
该设备用计算机作为核心设备。
其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的，这就是人们常说的存储程序控制。
由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）[1]。
进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品。
系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。
故称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字[1]。
可编程序控制器广泛地应用于工业控制。
它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。
可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置[1]。
2.1.2可编程序控制器的发展
同计算机的发展类似，目前可编程序控制器正朝着两个方向发展。
一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。
如OMRON公司的CQM1、SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器。
这种可编程序控制器可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。
二是朝着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。
这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。
系统不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。
通过网络可以与上位机通讯，配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以实现自动化工厂的全面要求[1]。
2.2可编程序控制器的特点与分类
国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器作了如下的规定：
“可编程序控制器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。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”这段话完全道出了可编程序控制器的特点和应用领域[1]。
2.2.1可编程序控制器的特点
可编程序控制之所以被广泛使用，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。
归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点。
可靠性高。
例如三菱Ｆ１和Ｆ２可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。
环境适应性强。
在环境温度-20℃~65℃、相对湿度为35％~85％情况下可正常工作。
灵活通用。
使用方便、维护简单。
整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。
2.2.2可编程序控制器的分类
可编程序控制器是由现代化大生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。
一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。
其一是从可编程序控制器的控制规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类[1]。
（1）按控制规模分类
可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。
小型机:
小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。
中型机:
中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。
大型机：
大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。
它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控[1]。
（2）按控制性能分类
可编程序控制器可以分为高档机、中档机和低档机。
低档机：
这类可编程序控制器，具有基本的控制功能和一般的运算能力。
工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。
比如，日本OMRON公司生产的C60P就属于这一类。
中档机：
这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。
它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。
工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。
比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。
高档机：
这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。
它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。
工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。
这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。
在联网中一般做主站使用[1]。
（3）按结构去划分
整体式：
整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做基本单元。
一个基本单元就是一台完整的PLC。
控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。
整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。
组合式：
组合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。
其中各块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。
叠装式：
叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵活、安装整齐的优点于一身。
它也是由各个单元的组合构成。
其特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。
在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。
使系统达到配置灵活、体积小巧。
2.3可编程序控制器的组成与工作过程
2.3.1可编程序控制器的组成
中央处理单元（CPU）
存储器单元
电源单元
输入输出单元
接口单元
外部设备
2.3.2PLC最主要的方式是周期扫描方式。
可以细分成下面几个过程：
上电处理过程，PLC上电后，要进行上电的初始化处理。
占用的时间为T0。
共同处理过程，共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。
该过程占用的时间为T1。
通讯服务过程，当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。
该过程占用的时间为T2。
外设服务过程当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。
该过程占用的时间为T3。
程序执行过程，该过程用于执行用户程序。
从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。
该过程占用的时间为T4。
显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。
I/O刷新过程，这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。
输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。
该过程占用时间为T5。
显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。
可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为：
T=T1+T2+T3+T4+T5[2]。
2.3.3关于PLC的时间滞后问题
PLC对输入和输出信号的响应是有延时的，这就是滞后现象。
为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T。
还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。
因此，在一个程序中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。
只有最后一次赋的值才能送到输出端[2]。
2.4可编程序控制器的硬件基础
可编程序控制器是用来执行具体的控制，具体的工艺要求和具体的工作环境决定了可编程序控制器的选择具体的I/O模块和系统配置[2]。
2.4.1可编程序控制器的接口模块
接口模块负责把外部设备的信息转换成CPU能够接收的信号，同时把CPU发送到外部设备的信号转换成能够驱动外部设备的电平。
接口模块不仅能起到转换电平的作用，还可以起到外部设备的电信号与CPU的隔离作用，同时也可以起到抗干扰和滤波等作用[2]。
2.4.2可编程序控制器的配置
PLC的配置可分为三种：
基本配置、近程扩展配置和远程扩展配置[2]。
2.5可编程序控制器的软件基础
可编程序控制器的软件分为两大部分，系统监控程序和用户程序。
系统监控程序是由可编程序控制器的制造者编制的，用于控制可编程序控制器本身的运行。
另一部分为用户程序。
它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行[2]。
2.6可编程控制器的选择
CPU222本机集成了8点输入/6点输出共有14个数字量I/O。
可连接２个扩展模块，最大扩展至78点数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
CPU222有6K字节程序和数据存贮空间，4个独立的30KHｚ高速计数器，２路独立的20KHｚ高速脉冲输出，具有PID控制器。
它还配置了１个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力[2]。
CPU222具有扩展能力、适应性更广泛的小型控制器，加一个4入/4出扩展模块EM223能够满足自动门控制系统的需要。
2.7PLC的I/O端口分配与接线
表1PLC的I/O端口分配
地址
代号
工程名
地址
代号
工程名
I0.0
SB10
手动开门
I1.0
SB8
消铃按钮
I0.1
SB11
手动关门
I1.1
SB5
过载保护
I0.2
SB1
门外光电感应开关
Q0.0
KM0
开门电机正转接触器线圈
I0.3
SB2
门内光电感应开关
Q0.1
KM1
关门电机反转接触器线圈
I0.4
SQ1
开门到位限位开关
Q0.2
火警指示灯
I0.5
SQ2
关门到位限位开关
Q0.3
温度报警指示灯
I0.6
一氧化碳感应开关
Q0.4
警铃
I0.7
温度感应开关
I1.3
SB7
停机按钮
I1.2
SB6
紧急停车保护开关
图3ＰＬＣ的接口分配
3其它器材的选择与简介
3.1自动门的选择
自动门有许多种类，如弧形自动门、双重平移自动门和双扇平移等类型。
由于仓库门一般比较大，甚至要求能让大卡车通过，同时要求比较坚固且具有一定的抗暴能力和防潮能力，所以我们一般采用厚钢板制造的双重平移门。
双重平移门具有打开空间大，同时由于是两扇门相对打开相对移动速度小的优点。
3.2行程开关的选择
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，当安装于生产的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[1]。
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，用以控制其行程和进行终端限位保护。
在自动门装置中就是用它进行终端限位保护。
3.3传感器的选择
（1）自动门光电探测开关传感器的选择。
在自动门传感器我们选择热释电红外传感器，热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器[3]。
不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
图3是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。
图4双探测元热释电红外线传感器的结构示意图
（2）仓库监控报警部分传感器的选择。
在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇，空调或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。
LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表，所以在此我们选择LM56。
LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关，内置1.25V参考电压输出端，最大只能带50μA的负载。
电源电压从2.7~10V，工作电流最大230μA，内置传感器的灵敏度为6.2mV/℃，传感器输出电压为6.2mV/℃×T+395mV。
其它传感器（一氧化碳触感器、粉尘触感器）也可以选用类似的逻辑输出式触感器或者把电路设计成逻辑输出型，方便主机的处理。
3.4电机的选择
由于仓库大门一般较厚重，所以所采用的电机应该具有较大的启动性能，因此直流电机是个不错的选择，但是考虑到我们常用的电是交流的，因此采用直流电机必须配套较大的整流系统，会增加设计成本。
所以本文中采用工厂通用的380V三相交流异步电机。
异步电机主要作为电动机使用。
它是工农业生产及国民经济各部门中应用最为广泛而且需要量最大的一种电机。
金属切削机床、轧钢设备、鼓风机、粉碎机、水泵、油泵、轻工机械、纺织机械、矿山机械等，绝大部分都采用异步电动机拖动。
人们的日常生活中，异步电机的应用也日益广泛，如电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等家用电器中，都用到单相异步电机。
电力拖动中，绝大多数的拖动电机为异步电动机，其用电量约占电网总负荷的60%。
异步电动机之所以得到广泛应用，是因为它具有结构简单、使用方便、运行可靠、效率较高，以及制造容易，成本低廉等优点[4]。
异步电动机本身的调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的场合，一般采用直流电动机。
近一二十年来，以电力电子器件和微型计算机为基础发展起来的异步电动机交流调速系统，使异步电动机的调速性能得以改善，因而其用途更加广泛[4]。
异步电动机运行时，必须从电网吸收无功功率，这将使电网的功率因数变差。
由于电网的功率因数可以用别的办法进行补偿，因而这一点并不妨碍异步电动机的广泛使用。
同时考虑到大电机启动时会产生较大的启动电流冲击电网，影响其他电气设备，因此大型仓库门可以考虑调速启动，如星三角启动和串频敏电阻启动。
本文设计仓库为中小型仓库，选用三相交流电机比较合适。
4仓库自动门与报警系统
4.1自动门装置的主要电气原理图
图5自动门开关门电气接线图
图中器件说明：
KM0：
正转接触器线圈KM1：
反转接触器线圈KA：
中间继电器线圈SB1、SB2：
红外热释电路输出端SQ1、SQ2：
门的限位保护开关SB5：
过载保护开关SB6：
紧急停车保护开关SB7：
启动/停止开关SB10：
手动开门SB11：
手动关门QF:
低压断路器FR：
热继电器
工作过程如下：
开门SB1、SB2、SB10中的任一个按钮接通，接触器KM0线圈通电，辅助触头闭合自锁，主触头闭合，电机正转进行开门动作，开门到达限位开关SQ1，限位开关的常闭触头打开，常开触头闭合，KM0线圈断电，电机停转，开门动完成。
等待SQ1常开触头闭合，时间继电器线圈KT通电，等待预设时间后常开触头闭合。
关门KT或SB11闭合，接触器KM1线圈通电，辅助触头闭合完成自锁，主触头闭合，电机反转进行关门动作，限位开关SQ1复位，门完全关闭到达关门限位开关SQ2，限位开关的常闭触头打开，接触器KM1线圈断电，电机停转，关门动作完成。
插入关门过程中若有SB1、SB2、SB10中的任一个闭合，接触器KM0线圈通电，常闭触头KM0闭合使得接触器KM1线圈断电，系统重新进入开门动作。
保护系统过载保护开关SB5闭合，或者门上紧急停车保护开关SB6闭合，中间继电器KA线圈得电，常闭触头断开，开门和关门动作都停止。
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