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1、毕业论文基于plc的自动窗帘控制系统 工学院毕业设计 基于PLC的自动窗帘控制系统专 业： 电气自动化技术 班 级： 学 号： 学生姓名： 校外指导教师：校内指导教师：二零一二年五月摘 要 11 绪论 21.1 PLC概述 21.1.1 PLC的定义 21.1.2 PLC的功能 31.1.3 PLC的系统组成 31.1.4 PLC控制系统的设计方法与步骤 31.2 自动窗帘的概述 41.2.1 自动窗帘的简介 41.2.2 国内自动窗帘的发展现状 51.3 本课题研究的内容和意义 52 自动窗帘的控制原理及方案 72.1 自动窗帘的基本控制原理 72.1.1 自动窗帘的控制原理 72.1.2

2、自动窗帘的主要部件组成 72.2 自动窗帘控制要求 72.3 自动窗帘控制方案设计 82.3.1 自动窗帘方案的分析与论证 82.3.2 控制方案的确定 83 自动窗帘控制系统的硬件设计 93.1 PLC的功能分析与选型 93.2 电动机的功能分析及选型 93.3 光电开关的功能分析及选型 103.4 接近开关的功能分析与选型 103.5 自动窗帘控制系统的I/O点及地址分配 103.6 自动窗帘控制系统的电气接线 114 自动窗帘控制系统的软件设计 134.1 控制系统的程序流程图 134.2 PLC的编程语言 134.3 QP的设计与编程 155 系统调试 175.1 PLC程序的调试方法

3、及现象 175.2 触摸屏程序调试 176 总结与展望 19参考文献 20摘 要：本文是关于自动窗帘控制系统的设计，自动窗帘系统主要由可编程控制器（PLC）、感应器件、驱动装置和传动装置组成。主要工作原理是感应器件将检测到的人体或物体信号传送到PLC，PLC再综合收到的自动窗帘状态信号作出判断，而后发出控制信号，使驱动装置运行，在通过传动装置带动门的动作。主要介绍运用PLC为控制器的自动窗帘控制系统的设计，所有产品的开发都要讲究实用本课题开发的产品对许多场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发还是使用者来说都是最好的。此系统的设计既满足了自动窗帘的基本要求，还可以保证自动窗帘的稳定性。研

4、究本课题意味着产品成本的下降，效益提高。因此是一个比较实用且经济的产品。关键词：自动门;PLC;感应器件;驱动装置1 绪论在经济飞速发展的中国，商业门面、商场、医院、企业等公共场所或住宅。尤其是窗帘门较大，使用自动窗帘方便、快捷开启。 自动窗帘已经随处可见。它的工作方式是通过窗帘内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走进自动门是感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过之后，再将窗帘门关上。由于自动窗帘在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员使用方便、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。自动窗帘性能优劣

5、主要取决于它的控制装置，早期的自动窗帘控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。目前自动窗帘及其自动化行业最稳定的控制装置是PLC，它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。目前他在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用PLC控制自动窗帘具有较高的可靠性、维修方便等优点。由此看来，进行自动门的PLC控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。1.1 PLC概述1.1.1 PLC的定义PLC 问世以来，尽管时间不长，

6、但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufactory Association) 经过四年的调查工作，于 1984 年首先将其正式命名为PC(Programmable Controller),并给PC 作了如下定义：“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC 之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁

7、布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿,并在1987 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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部设备，都易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根

8、据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.1.2 PLC的功能(1)逻辑控制(2)定时控制(3)计数控制(4)步进(顺序)控制(5)PID 控制(6)数据控制,PLC具有数据处理能力(7)通信和联网(8)其它PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT 模块。1.1.3 PLC的系统组成PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1.1所示。图1.1 PLC系统结构图1.1.4 PLC控制系统的设计方法与步骤（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求（2）确定I/O设备根据被控对象对PLC控制系统

9、的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备按钮、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器等。（3）选择合适的PLC类型根据以确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（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。接着就可以进行PLC程序的设计，同时可进行控制台或操作台的设计和现场施工。（5）设计应用系统梯形图程序根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟

10、悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的时间经验。（6）将程序输入PLC当使用建议编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将 下载到PLC中去。（7）进行软件测试程序输入PLC后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。（8）应用系统整体调试在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整体系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局

11、部调试，然后进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。（9）编制技术文件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电气布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。1.2 自动窗帘的概述1.2.1 自动窗帘的简介窗帘的性能广，具有保温、保冷、防虫、防风、防尘、隔音、防异味、采光、密封，有低噪音，速度快，开启频率高，安全性能好等多种功能。可广泛使用于电子、机械、化工、纺织、冷冻、印刷、食品、汽车装配、超市、物流仓储等多种行业的空调车间和洁净厂房。其中高速自动开启与关闭的快窗帘，在寻求严格的质量管理和高效率，节俭经费的工厂、仓库、店

12、铺等处，出入口的有效开闭是决定商品的安全性与生产经营效率的最大关键。快速窗帘比一般窗帘速度高达20倍,实现每1小时100次的高速开闭与高度的耐久性。另外，通过开口高度调节机能的并用，缩短出入口的开放时间，提高室内的空调的效率把室外的异物混入控制在最小限度，同时提高工作效率。为实现安全，清洁，节能的工作环境，为提高产品质量节减经费作出贡献。 密封性能好，采用德国编码器调制限位，门底端装有加重隔气布，可与各种不平坦地面紧密结合，起到良好防尘降噪、防风保温作用。1.2.2 国内自动窗帘的发展现状自动窗帘产品尽管已经进入市场成熟期，但从总的要求看，尚不够成熟和完善，在技术开发和产品定位上仍依靠市场的自

13、然导向为主。国家建设部在2004后6月组建了自动窗帘标准化技术委员会，对全行业进行规范、指导和服务，但要把纯自然状态下的行业发展模式进行规范到位，必然会遇到一些亟待解决的问题：（1）知识产权保护力度太弱。一批假冒伪劣厂家刚被淘汰出局，随之又有一批卷土而来，大有“野火烧不尽”之势，而正规动作的品牌企业面对这种不正当的竞争却又不得不疲于应对，可谓深受其害。从总体上来讲，国人对知识产权的保护意识本身就不强，在实际动作中又缺少相应的技术和政策支持，导致大批正规企业辛辛苦苦投入大量资金、精心研发的新产品，刚一问世，仿冒伪劣产品就蜂拥而至充斥市场，以低廉的价格与之竞争,同时，鱼目混珠的劣质产品，也令消费者

14、无法分辨，无所适从。这不仅使正规投入研发的企业蒙受损失，也直接坑害了消费者利益，扰乱了市场秩序。（2）缺少产品标准和技术规范。由于自动窗帘产品面市仅十几年的时间，技术工作的基础才刚刚建立，要制定产品标准和技术标准尚缺乏足够的技术准备和足够的调研及数据准备。可以说，建设部自动窗帘车库门标准化技术委员会的成立和运行，为制定这些标准和技术规范创造了有利条件，但要真正落到实处还需要行业内同仁们的积极参与支持和配合。（3）自动窗帘产品的长期发展目标定位不够清晰。现阶段各生产厂家大多都是各自为战，摸着石头过河，对于在什么时候要达到一个什么样的标准没有一个统一、明确的认定。这必然导致企业目光短浅和盲目开发，

15、不仅是资源上的浪费，而且极易错失行业发展的最佳时机。（4）恶性竞争。竞争本来是市场经济的应有之义，但它又犹如一柄双刃剑，市场秩序和环境不规范时，若运用得不当，就会出现恶性竞争，导致厂家和消费者双方受害。特别是在市场资源有限的情况下，僧多粥少，一份订单有十几个厂家去竞争的案例屡见不鲜。为了各自的眼前利益最终就会演变为价格竞争，因为它迎合了现阶段经济尚不充裕的国人消费需求。而低价竞争又必然导致一些企业在降低制造成本上大做文章，随之而来的就是原材料以次充好，偷工减料，服务水平降低，产品品质和质量下降,最终受害的还是消费者。1.3 本课题研究的内容和意义本设计综合了自动窗帘的简洁和简单的要求，并且具有

16、手动和自动开关窗帘功能，要求有很高的稳定性来满足日常的需要，所以在本设计中选用的智能控制器为稳定性良好的GE Fanuc系列PLC；感应探测器选用光电开关能可靠的将人或物进行检测；使用直流减速电动机作为驱动动力，驱动和控制简单，制动性能好，转矩大效率高。在硬件设计基础上再进行系统软件设计。本课题的具体需求在系统设计过程中考虑到了自动窗帘的经济实用、稳定的需要。由于自动窗帘在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到了广泛应用。自动窗帘在国外早就得到了普遍应用，在国内也逐渐得到了大家的认可，已经迎来了自动窗帘发展的黄金时期。早期自动窗帘控制系统采用继电器逻辑控

17、制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已被逐渐淘汰。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。他采用可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、和算数运算等操作指令，并能通过数字式和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用PLC控制自动窗帘具有较高的可靠性，维修方便等优点。本课题的自动窗帘设计

18、运用PLC做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济性，对与整个自动门行业是一次技术革新，提高了自动门的使用率，因此，进行自动窗帘的PLC控制系统的设计，可以推动自动窗帘行业的发展，扩大PLC在自动窗帘行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。2 自动窗帘的控制原理及方案2.1 自动窗帘的基本控制原理2.1.1 自动窗帘的控制原理自动窗帘最常见的形式就是在自动窗帘的内外两侧安装感应探测器，感应探测器探测到有人或物体进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知动力电机运行，电机将动力传给吊具系统使窗帘开启，碰到行程开关电机停止转动；窗帘扇开启后一段时间由控制器作出判断，如需关窗帘

19、，通知电机反向运动，关闭窗帘。控制系统结构如下图2.1所示。图2.1 控制系统结构图2.1.2 自动窗帘的主要部件组成（1）主控制器：它是自动窗帘的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥电机或电锁类系统工作；（2）感应探测器：也叫感应器，负责接受处理外部信号，就好比人的眼睛，当移动的物体进入它的可视范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；（3）动力电机：提供开窗帘与关窗帘移动的主动力；（4）行程开关：检测门扇的移动位置，提供给主控制器脉冲信号控制动力电机指定位置停转；（5）窗帘行进轨道：约束窗帘的吊具走轮系统，使其在特定轨道行进；（6）窗帘吊具走轮系统：用于吊挂活动窗帘，

20、同时在动力牵引下带动窗帘运行；（7）下部导向系统：是窗帘下部的导向和定位装置，防止窗帘在运行时出现前后窗帘体摆动。2.2 自动窗帘控制要求（1）当有人或物由内到外或由外到内通过时，感应探测器检测到信号，开门执行机构执行动作，电机正转，到达开窗帘限位位置时，电机停止运行。（2）自动窗帘在开门位置停留5秒后，自动窗帘进入关门过程，关窗帘执行机构被启动，电机反转，当窗帘移动到关窗帘限位时，电机停止运行。（3）当关窗帘过程中，当有人或物由外到内或由内到外通过时，感应探测器检测到信号，应立即停止关窗帘，并自动进入开窗帘程序，以保证人或物安全通过。2.3 自动窗帘控制方案设计2.3.1 自动窗帘方案的分析

21、与论证为实现自动窗帘的控制要求，本控制系统采用运用PLC作为主控制器来调节直流减速电机实现控制门扇开启和关闭，电机结构简单，成本低，控制方便。由于自动窗帘的窗帘是用窗帘布做成的，重量不够，而且还会左右晃动，所以门框内的两侧固定了两条轨道，防止门扇的晃动，还有就是用刚好长度的铁片捏在布的下方，即有下垂的重量了，又有接近开关所需感应的铁片。因为PLC的输出电压是24V，所以所选的电动机也应是24V的直流减速电动机和两个24V的继电器作为负载。2.3.2 控制方案的确定（1）开门和关门控制应有手动和自动方式为了便于维护，自动窗帘应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到有人接近窗口且窗未打开或者检测

22、到已无人接近窗口且窗帘未关闭，PLC动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。（2）紧急停止当自动窗帘出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动窗帘自动进入开窗帘过程。自动窗帘控制系统包含PLC控制和执行元件构成。采用自动和手动控制方式，此种控制模式为目前大多自动窗帘的控制方式。本课题所设计的自动窗帘控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制窗帘的开和关实现窗帘的自动化控制。3 自动窗帘控制系统的硬件设计3.1 PLC的功能分析与选型PLC的定义是：可编程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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制

23、、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。综合以上因素，自动窗帘控制系统的核心是PLC技术，因此自动窗帘控制系统PLC应用系统很重要。此项目中我们用到的PLC系统为GE FANUC。此系统的外部硬件接线如图

24、3.1所示。图3.1 GE FANUC PLC系统3.2 电动机的功能分析及选型直流减速电动机即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大啊的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机的集成体。这种集成体通常称为齿轮马达或齿轮电机。通常有专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。本次项目所用的电动机是THINK TE-22JS-24-78CN 80CN 直流马达 DC 24V

25、 53转直流减速电机。3.3 光电开关的功能分析及选型光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。本次所用的是漫反射型光电开关，型号为E3F-DS30C4，NPN三线常开，检测距离为30cm。3.4 接近开关的功能分析与选型接近开关也就是限位开关，用于控制机械设备的行程及保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装有生产的机械部件上的模块撞击行程开关时，行程开

26、关的触电动作，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相似。接近开关可以分为以下三种：电感式接近开关,电容式接近开关和霍尔开关。本次所用的接近开关是电感式接近开关，型号为SN04-N，NPN三线常开，检测距离为4mm。3.5 自动窗帘控制系统的I/O点及地址分配I/0分配表示编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据，变量表如表3.1所示。表3.1 PLC变量表NameDataTypeIOAddress功能说明rukouBOOL%I00081入口传感器chukouBOOL%I00082出口传感器shangshengBOO

27、L%I00098控制窗帘上升按钮xiajiangBOOL%I00099控制窗帘下降按钮shangxianBOOL%I00084窗帘的上限位xiaxianBOOL%I00083窗帘的下限位tingzhiBOOL%I00097停止按钮upBOOL%Q0003窗帘上升downBOOL%Q0002窗帘下降3.6 自动窗帘控制系统的电气接线在此项目中所用到的PLC练剑编程模块，分别有电源模块、CPI模块、以太网模块、IC694MDL645模块、IC694MDL754模块。以下分别是IC694MDL645模块、IC694MDL754模块的外部接线图。如图3.2和3.3所示。图3.2 IC694MDL645

28、模块外部接线图图3.3 IC694MDL754模块外部接线图4 自动窗帘控制系统的软件设计4.1 控制系统的程序流程图根据本课题的控制要求，所设计的程序按照以下的流程进行，以达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最佳设计。系统流程如图4.1所示。图4.1 系统流程图4.2 PLC的编程语言设计梯形图的基本方法和步骤：（1）首先根据工艺过程控制要求，画出控制流程图，力求表达清晰、准确。必要时可以把控制系统分解成几个相对独立的部分，尽量简化，利于编程（2）将所有的输入信号（按键，行程限位开关，压力开关，压力、速度、时间等传感器）和输出控制对象（接触器、电动机等）分别列出，按被采用的PLC型号内部逻辑

29、元件编号范围，对I/O端子做出相应的分配和安排。（3）根据控制流程图，有规律的分配和利用PLC内部有关的逻辑元件（如辅助继电器、定时器、计数器等）构成相应的基本回路。（4）以梯形图的形式来描述控制要求，绘制梯形图要遵循编程原则。（5）编写程序清单时，必须按梯形图的逻辑行和逻辑单元的编排顺序（由上而下，从左到右）依次进行。 本系统的程序软件采用GE FUNCA PLC梯形图语言进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编程规则：a.每个继电器的线圈和他的触点均用同一个编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。b.梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。线圈不能直接接在左边的

30、母线上。c.在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，他很容易引起误操作，应避免。d.在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有电流流动，这个电流只能在梯形图中单向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下流动。e.无论选用何种PLC机型，所使用的软件编号（即地址）必须在该机型的有效范围以内。根据以上规则和PLC的编程方法和思路编写了本课题设计的自动窗帘控制系统的梯形图程序，具体程序如图4.2所示。图4.2 PLC程序图4.3 QP的设计与编程为了便于操作和调试，对于物料自动分拣系统控制设计的触摸屏画面，根据PLC的编程，

31、将QP和PLC都下载好，然后在触摸屏上操作就会达到预期的结果。本项目根据PLC所编的程序，其中当按下开始按钮shart时，小车变量su就以从0一直累加20的位移向前运行，当按下复位按钮reset时，小车就回到原来的位置。假如变量PLC.up为1时，窗帘就以累加20的位移向上移动，同理当PLC.down等于1时，窗帘就以累加20的位移向下移动。触摸屏的脚本程序如图4.4所示。图4.4 脚本程序图5 系统调试5.1 PLC程序的调试方法及现象将所有外部接线按接线图接好后，再接上24V电源通电，把PLC的程序下载进去，以下就是调试的现象。（1）手动开/关现象一：当按手动上升开关按钮时，电动机M正转。现象二：当按手动下降开关按钮时，电动机M反转。（2）自动开/关窗帘现象一：当传感器（前或后）感应到有物体经过时时，电动机M正转；若按下停止按钮，则电动机M停止转动。现象二：当电动机M停止转动时，计时器计时5秒进行延时；在5秒内，如果传感器（后或前）检测到物体经过，电动机也反转，直到到达下限位。5.2 触摸屏程序调试触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。工作时，我们必须首先用手指或其