基于PLC自动门设计

第1章  绪论

在经济高速发展、科学技术飞速腾飞的21世纪的中国社会，如钢铁森林般的高楼拔地而起的城市中，饭店、银行、商场、博物馆、办公大楼，在这些建筑中随处都可以发现到自动门的身影。在早些年间的外国社会，自动门就得到了普及和利用，在近几年的中国自动门就以优秀的性能本大家认为是生活和工作中不可缺少的部分，这也表明自动门技术在我国开始飞速发展。

在自动门的工作中，控制装置是至关重要的。在最初的研发中，我们选择使用继电器逻辑控制系统作为控制装置进行工作，但因其具有配置过程复杂、本身性能波动大、维修困难性高等短板而被人们逐渐放弃。PLC是在目前的自动们以及其他的自动化行业中作为最为稳定性最为优异的装置，可编程控制器是本身出现的意义是用来满足工业开发环境中人们的需求。在当前社会的汽车制造、石油化工、冶炼金属、轻化工、机械工业等方面的应用具有持久的发展潜力和优秀的实用性。并且使用PLC控制的自动门在工作和生活中具有高度的稳定性和低廉的维修成本等特点。从此种种看来，随着人们对生活品质要求的不断提升与科技水平的提高，PLC控制系统的相关自动化产品将不断地在市场中受到推崇。这不但可以改进和方便我们的生活，同时也能够提高可编程控制器在自动门市场中以及其他相关的自动化行业的利用和进步，在不断的研发和改进之中可以为我们带来可观的经济效益，并且为我们的技术研发提供更多的实例。

在我们平时的生活中，例如大型商场、飞机场、银行进出口、医院入口这些地方，当我们出入其中都可以看到自动门控制系统。在这些场所中安装自动门，不仅是为了降低排耗、减少工作场所的恼人的噪音、避免风沙的侵袭，同时也可以提高建筑的进、出口的庄更具现代感，而体贴的人性化的设计是取代传统大门的重要因素，科技是为人们服务，只有不断的提升科技水平才能做到满足人们不断的需求。在选择自动门的样式时考虑了平移自动门、圆弧自动门、可推开式自动门、旋转自动门这几种，根据我实际情况的需要我选择的品种是平移自动门。自动门之所以可以做到能使人自由进出，主要是依靠门上的感应器，当有人准备出入自动门时，感应装置会检测到人的运动，并将检测到的信号传达到控制系统，而在它接收到感应装置发送的信号之后，会将信号传输到驱动装置，之后门会开启，在确认人被放行时，门扇闭合。科技因为人们的需求而不断进步，而自动化产品又恰好符合人们的需求。自动门既解放了人力，同时也提高了在公众设施中人们出入的安全性。它们的造型美观、雅致，同时因为是PLC控制具有低成本、高稳定性、维修便利的特点，在世界的工业和建筑业中受到推崇和普及。我相信自动化产品在未来的市场具有长久的发展前景。   

在当前中国工业、制造业飞速发展的时代，PLC也由此应运而生。通过对人员短时间的培训就可以灵活运用PLC,在PLC中大部分的继电器和连线被软件程序取代，存储器根据不同情况下改变数字式和开关量的逻辑控制的运行状态,来达到掌管不同样式的设备或监督设备的工作流程的目的。并且PLC和它有关的部件，都应该依照比较简便的方式使控制系统融为一个整体，能够在未来使它的性能得到提高和完善的原则进行设计的。在当前的社会下，可编程控制器在汽车、轻纺、环保、文化娱乐等各种不同领域的运用和研发都具有很高的发展和进步的潜力。并且使用PLC来控制自动门可以让自动门的稳定性得到提高，还可以让机器设备的平时的修理和护理更加方便，降低它的成本。

在我这次研究课题项目中，运用可编程控制器作为自动门的控制系统不但可以很有效的提升自动门的安全性、稳定性和降低经济成本，而且随着科技越来越进步，PLC的体积也越来越小，这也提升了所有自动化行业的技术水平，使得自动门这种产品在我们身边变得更加高效和普及。所以,不断的改进和完善可编程控制器控制系统的自动门,符合当前社会潮流的前进方向，能够加快自动门行业的进程,使PLC设备的种类变得更加全面、各方面标准更严格、性能更优越,也能造福更多的人民群众。

第2章  系统总体设计

我设计的PLC控制的自动门主要定位于商场，而在商场中因为较大的人流量，较高的安全性和可观的稳定性是至关重要的。针对在大型商场中考察到的情况，我们制定了自动门的设计方案，首先确定以自动与手动作为自动门的控制方式，这种控制方式的好处体现在日常的维修与保养十分的简易和费用较低。在信号采集装置探查到有人靠近门，而门却没有打开时，可编程控制器就开始向电动机传送信号，电动机收到PLC传递的信号开始工作进行正转开启自动门。当信号采集装置探查到并没有人在监测范围内且门处于打开状态，可编程控制器就开始向电动机传送信号，电动机反转门扇闭合。   

在本课题中控制系统是整个自动门最为关键的一部分，在总体设计中它分为控制和执行元件两部分。在设计控制方式时我放弃了无线遥控模式，选择的是自动与手动控制方式，这也是当前国内的主流。我的设计是以可编程控制器为核心，操控传动机构达到精确的掌控自动门的打开与闭合从而达到自动门的自动化控制的目的。

(1)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，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动电动控制方式，此种控制方式为目前大多自动门的控制方式。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。

2.3.1 PLC概述

可编辑控制器，英文Programmable Controller，简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，它通过运行储存在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

2.3.2 具体构成

控制方式是自动门可以正常运转的重要基础。在自动门系统中自动控制方式虽然方便，但当发生故障的时候手动控制方式就会起到关键的作用，便于我们的检查修理与日常维护保养。一个自动门的最低运行标准就是当信号检测装置检测到靠近门的人时，自动门自动打开，没有人靠近时，自动门可以及时关闭。

                      图2-1  自动门控制系统总体设计框图

由图2-1可知，当有人靠近自动门时感应器件会马上进行感应,之后感应器会把信号送至PLC处，可编程控制器会分析所收到的信号向驱动装置发出动作指令，让驱动装置开始运转，在驱动装置运转之后自动门会因为受到传动装置所提供的动力进行开关。

第3章  硬件设计

3.1.1  PLC的选型

在当今的工业发展中，自动化处于一个被各方面瞩目和需求的位置，而PLC是在自动化中备受关注的一部分，所以在我们的设计中PLC的选型是至关重要的。因为可编程控制器产品种类繁杂，不同的公司生产的产品的种类，性能和组成都有各自的特点，但归根结底它们的工作特性和基础构成大致一样。其基本组成如图3-1所示

图3-1 PLC结构示意图

因为我们是为自动门选择控制系统，没有什么高端的额外要求。我们将西门子公司生产的CPU 224XP型可编程控制器作为我们的首选，首先是根据我们实际情况所要求的输出总点数是十二点到三十二点，其次西门子系列产品本身结构简练合理，出售价格不高，体积小，非常符合我们的设计要求，CPU 224XP型可编程控制器输出类型是继电器输出型，拥有十二个输入和输出点数，剩下的以备不时之需。

3.1.2 驱动装置的选型

一个优秀的自动门能否保持一个良好的工作状态，主要取决于它的驱动器。无刷直流电机本社特色是机电一体化，它本身的构成主要依靠电动机主体和驱动装置。在性能上它超越了传统电机，还剔除掉多余复杂的碳刷、滑环结构，把自己所需要占用的空间压缩到最小。直流无刷电机功率密度高，耐颠簸震动，不会产生噪声，震动小，运转平滑、具有很强的速度调解能力，和其他电动机相比可使用时间长、不易发生故障、不需要过多精力的日常保养，还有不产生火花、直流电动机线性机械特性、很高的速度调节上下限、启动转矩大、工作显性能优异等特性。在制造业、日常生活用具、工业工控、电子等方面受到大量使用，同时也是需要"轻、小、薄、低噪音、精密、高稳定性”这些场所的不二之选。再通过对性能的考察与自身的实际需求我将DIMA EAST-C3型直流无刷电机作为驱动装置，直流无刷电机的各项技术参数如表3-1所示

表3-1 DIMA EAST-C3 型电机技术参数

3.1.3 感应器件的选型

在根据实际情况选择感应器时，主要考虑了微波感应器和红外感应器这两种感应器件。微波感应器，因为具有极快的反应速度还被人们叫做微波雷达，它可以迅速检测到物体的运动，因为它的工作效率高、反应的速度快，适合在办公楼、商场等人们以一般速度出入的建筑设施。但它的缺点是，一旦人静止不动，感应器无法检测到人的存在，门扇自动闭合存在“夹人”的风险。微波传感器的工作原理是通过不断向外界及发射电波，当电波遇到物体时会被反弹回来，而传感器会吧收到的电波变化传递给自动门，自动门根据情况进行开关。在红外感应器处于工作状态时，对静止的物体和运动的物体都可以进行感知，但它的反应速度不如微博雷达。根据设计中对自动门控制系统达到的控制效果的要求和现实自动门工作状态的的观察选择了微波感应器，型号是KOB W-01，它的各项指标见表3-2

图3-2 微波感应器的安装位置及检测范围

3.1.4 传动装置

自动门传动系统使用的设备如下所示：

3.1.5 限位开关

在本次设计中使用到了限位开关，也被叫做行程开关，他能够放置在移动的物体上，同样也适用于处于停止运动状态的的物体上。这种开关主要依靠机器在运动时发生的接触来发出控制信号。它分为接触式和非接触式两种。由接点分离、闭合状态的变化达到操控正处于工作状态的机器设备的传输距离、快慢、具体方位的目的。在自动化行业中，限位开关主要被应用在建筑、港口中不同种类的传输机器、起重设备行程控制中。在现实生活的机械生产工作过程中，当设备到达需要停止的距离时，在生产机器上的能够运动的部分会受到限位开关的操控。实现这种控制的原理是限位开关可以把机械信号变成电信号，这种智能化的处理是为了使生产信号免受不必要的损伤，既延长了机器的使用寿命，也减少了生产过程中不必要的损耗。而在生活中，它主要其连锁保护的作用，运用在洗衣机的脱水和录音、像机的倒带中。

3.2.1 自动门控制系统I/0口分配表

如果我们想要制定合理的I/O分配表必须遵守一些规则，只要是按照程序的不同和可编程控制器的输入、输出点还有内部寄存器的多少来写的。如果想要准确编写出可编程控制器程序内容的话就一定需要它，改变设备的操控方式也要用到它。PLC的输入接口分配如表3-3所示

表3-3 PLC的输入接口分配表

PLC的输出接口表如图3-4所示                     

表3-4 PLC的输出接口分配表

3.2.2自动门控制系统的主电路原理图

在我们按下启动按钮之后，当微波感应器件检测到有人从门外进入或从门内出去时，KM1，KM3闭合KM2，KM4断开，电动机正转门开。当门开达到开门限位开关后门停止运行，过8秒后KM2，KM4闭合KM1，KM3断开，电动机反转门关。自动门控制系统的主电路原理图如图3-3所示。

图3-3 自动门控制系统的主电路原理图

3.2.3 自动门控制系统的外部接线图

外部接线图能帮助我们给为直观的的了解系统，如图3-4所示

图3-4  自动门控制系统的外部接线图

如图3-4所示,S1，S2是微波感应器，S1或S2感应到有人时，自动门打开，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4是开关门到位行程开关 ，检测开关门是否到位。

第4章  软件设计

软件设计是我们能够实现具体设计方案的基础。根据最初课题想要达到的自动门控制效果的实现和具体标准，一切的系统运行程序如图4-1所示，目的是能够使自动门系统能达到最佳的运行效果和完成系统的最终目的设计。   

自动门控制系统控制要求如下：

1. 当出现人靠近微波感应器S1或S2之后，开门执行机构KM1,KM3开始工作，电动机进行正转，运行到开门限位开关SQ1和SQ3位置时电机不再工作。  

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,KM4起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关SQ2和SQ4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微波感应器S1或S2时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。

4．在8秒内打开门后的等待时间，如果有一个从外到内或通过微波传感器S1或S2从内到外的人，你必须重新开始等待8秒，然后自动进入关闭过程，以保证人员安全通过。

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，利于编辑。

（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、电磁阀、电动机、指示灯等）分别列出，按被采用的PLC型号内部逻辑元件编号范围，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西门子公司设计开发的STEP-Micro/WIN,选择他的梯形图语言进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编辑规则：

1.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。

2.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）。

3.线圈不能直接在左边的母线上。

4.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，他容易引起误操作，应避免。

5.在梯形图中没有真实的电流流动，为例便于分析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。

6.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门控制系统的梯形图程序，具体程序如下：

第5章  程序调试和仿真结果

本课程设计采用西门子PLC编程软件 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4版和仿真软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4版进行仿真。下面进行程序调试和分别对自动门控制系统的各个部分进行仿真。

5.1.1 硬件线路连接

图5-1 接线图

采用实验室可编程控制器试验台，主机s7-200cpu224 cn ac/dc/rly,其供电电压均为直流24v。调试过程的电路图如5-1所示；

在模拟调试过程中，因于实验条件有限，所以微波探测信号与限位开关动作均由按钮代替（即BG1、BG2、BG3、BG4），SF0、SF11均接按钮。QA1、QA2用中间继电器代替，其线圈电压为24V。

5.1.2 联机调试

（1）按图5-1连接线路，接电源

（2）将在“STEP7-Micro/WIN V4.0SP5”开发平台编写好的软件通过“RS-232/PPI电缆”下载到“CPU224”中。

（3）运行过程实验

按启动按钮”SF0”

a手动开/关

现象一：当按手动开关按钮SF10时，电动机M正转。           

现象二：当按手动开关按钮SF11时，电动机M反转。

b自动开/关门

现象一：当按下按钮BG1或BG2时，电动机M正转；若按下按钮BG4，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8秒进行延时。若此时再次按下按钮BG1或BG2，则计时器重新计时8秒。

现象三：当8秒延时完毕后，电动机M进行反转；在反转过程中若按下按钮BG1或BG2，则电动机M进行反转。

现象四：当按下紧急按钮SF5时，电动机M进行正转。

图5-2自动开门控制部分仿真图

图5-1仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，自动控制启动，微波感应器感应到有人经过，则自动门打开。

图5-3  开门后等待部分仿真图

图5-3仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，自动控制启动，自动门开门到位后等待8秒，若等待过程中无人经过，则自动关门。

（3）自动门控制系统等待过程中检测到有人经过部分，仿真结果如图5-4所示

图5-4 等待过程中检测到有人经过部分仿真

图5-4仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，自动控制启动，自动门开门到位后等待8秒，等待过程中有人经过，则重新计时8秒后自动关门。

（4）自动门控制系统自动关门部分，仿真结果如图5-5所示

图5-5 自动关门部分仿真图

图5-5仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，自动控制启动，自动门开门等待8秒后无人经过，则自动门自动关闭。

（5）自动门控制系统手动开门部分，仿真结果如图5-6所示

图5-6 手动开门部分仿真图

图5-6仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，手动控制启动，按下开门按钮，自动门打开。

（6）自动门控制系统手动关门部分，仿真结果如图5-7所示

                     图5-7 手动关门部分仿真图            

图5-7仿真的控制过程为：自动门控制系统启动，手动控制启动，按下关门按钮，自动门关闭。

结束语

这次的自动门设计基本符合我最初的设想与要求，实现了用PLC作为自动门的控制核心的初衷。根据我从课堂学习中收获的有关PLC软件程序的知识，请教别人关于硬件的要求，通过网上的考察和实物的观察参考从而实现了设备的合适的选型，软、硬件的合理构成，使自动门能够更加稳定、安全的进行工作。虽然因为对专业知识掌握的不足和时间的局限性，我的自动门装置还有一些漏洞。在实现功能方面还有所缺陷,对自动门的内部结构了解的太少，还学要更多的学习与研究。我的设计上还可以增加更多人性化的设备，比如安装一个蜂鸣器或灯光闪烁，在人进出自动门时，提示行人是否可以通过，还可以在驱动装置上添加变频器，根据实际情况，改变开关门的速度，提高人们的通行效率。在实地安装、使用中还应结合场所的实际情况，考虑各部件的容量及其技术参数、生产成本，电源设计、系统接地、电缆设计和敷设、可编程控制器输出保护等问题，使自动门系统实现了更安全可靠的程度，使他们能使人安心使用。这同时又会带给我们跟多需要解决的问题，因为一个想要大面积推广的和较完善的应用软件在短时间内是不可能完成的，想要将它更加完善就需要不断的改进和发展，需要我做更多的工作和时间方面的检验。现在的系统远远没有达到真正的智能化，还需要增加更多高端、细致、经济的功能和技术，才能达到真正意义上的智能化控制。

现在遇到的难遇挫折并不会打倒我，我会通过自己的学习与实践去解决他们，收获更多的知识，从而使自己变得更优秀。通过对硬件的选型和配置的过程中，我得到了了书本所学不到的实践经验。通过这次的自动门设计使我明白了单纯学习书本的知识和为了应付考试的学习是远远不够的，它们不会被你所应用和掌握，只有与实际问题相结合，才能使自己的专业水平得到提高，在未来我会加倍努力。

经过三个多月的努力终于完成了毕业设计，在进行毕业设计的过程中感谢指导老师的悉心指导与提出的宝贵意见，同时也感谢在我出现疑惑时对我伸出援手的同学。有你们们的帮助我才可以圆满完成本次毕业设计，是你们让我知道困难并不是一种负担，而是驱使我前进的一种动力，我会将这次的宝贵经历当成一种财富，永远珍藏。

附录

自动门控制系统梯形图