本设计是从经济实惠的角度出发，基于西门子PLC实现的8位密码锁的控制设计，这是一款可以多次更改密码，具有报警功能的PLC电子密码锁控制系统。通过对密码锁的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过仿真实验证明了该系统的实用性，智能控制密码锁开锁、更改、报警、复位、重置等功能。并能在错误次数过多时，将键盘输入锁定，拥有防试探的功能，大大加强了密码锁的安全性。使该密码锁具有保密性强，灵活性高的特点。可将其运用在需要安全保障的一些重要场所。
主要研究内容
用PLC设计一个8位的密码锁，实现对重要场所的安全门禁控制，控制要求如下：
采用键盘实现密码的输入、设置、复位等操作
输入密码正确时，执行开门信号；
密码输入错误三次以上时，报警灯闪烁，密码输入错误5次以上时锁定键盘，同时警铃响起，报警灯亮；
在密码输入正确后，可以允许重置密码、复位密码操作。
画出系统框图、电气布局图、主接线图、功能框图、时序图、PLC I/O分配表、PLC接线图、流程图、顺序功能框图、梯形图
在模拟软件上仿真动作过程，并对仿真过程进行记录。
1.5 设计思路
由于是初次接触PLC编程实践，能否把把书上的知识灵活的运用是重要的前提，需要自行查阅资料，设计方案，不断尝试。
首先应查阅课题相关资料，了解其工作原理，并对其进行硬件方案设计，完成后设计软件方案，再将软硬件结合进行方案验证，利用STEP7进行软件编程， 使用PLCSIM进行仿真实验验证方案可行性。
利用SIMATIC Manager编写PLC设计一个8位的密码锁，实现对重要场所的安全门禁控制，控制要求如下： - 采用键盘实现密码的输入、设置、复位等操作；
- 输入密码正确时，执行开门信号；
- 密码输入错误三次以上时，报警灯闪烁，密码输入错误5次以上时锁定键盘，同时警铃响起，报警灯亮；
- 在密码输入正确后，可以允许重置密码、复位密码操作。
2.2 设计目标通过对8位密码锁的设计实践，将对以往课内学习的只是进行巩固与实践，有助于培养我们对PLC编程的理解与应用，锻炼我们解决实际工程问题、查阅文献、产品手册、图书资料和书写技术文档的能力，并掌握分析问题、解决问题的思路。 基于PLC设计一个8位门禁密码锁，该密码锁带有15个按钮输入，3个输出，其中10个输入按钮为0~9的数字密码输入，另外5个分别为输入、确认、复位、更改和重置；3个输出为门禁电机（开门信号）、蜂鸣器（报警铃）和报警灯。 2.3 需求分析在课题要求当中，采用键盘实现密码的输入、设置、复位等操作。要实现上述控制要求，需要采用PLC，通过梯形图来完成。PLC输入端需要接入15个控制按钮，分别用不同的按钮代表不同的操作，有输入、确认、0~9的数字输入、复位、更改和重置等操作，按下输入按钮，输入数字密码，并对输入位数计数，若密码输入中发现错误，可按下复位，清空计数，允许重新输入。再按下确认键验证密码， 输入密码正确时，允许修改密码[10]。 同时要求输入密码正确时，执行开门信号。在密码正确后输出信号控制门禁电机接触器，以控制门禁电机运行。 要求密码输入错误三次以上时，报警灯闪烁，密码输入错误5次以上时锁定键盘，同时警铃响起，报警灯亮。密码验证错误时，对其计数，正确时清零，当达到三次时，输出脉冲信号，使报警灯闪烁。达到五次时，输出两个控制信号，使报警灯常亮，警铃响起，同时断开密码输入功能，是键盘锁定。 密码正确后，应允许更改密码，按下更改后，输入8位密码，将作为新的密码，在一次输入密码正确后，允许将密码重置。以实现课题中要求的在密码输入正确后，可以允许重置密码、复位密码操作。 根据上述分析，实现方案应包括硬件方案和软件方案。硬件方案需要选择PLC控制器以及相关的低压电器，并完成电气控制原理图、PLC的I/O分配、PLC的接线图等。软件方案需要画时序图、顺序功能框图，并编写梯形图以完成对门禁电机和报警的逻辑控制，并进行仿真和演示验证。 2.4 技术方案
图 2?1设计方案 如图 2?1所示，按下输入按钮输入“0~9”的8位数字密码，并对输入位数计数，若输入中发现错误，按下复位按钮清零计数，重新输入8位密码，按下确认键后，验证密码的正确性，若错误，对其计数，达到三 次，输出接口向警灯输出周期脉冲信号，使报警灯闪烁，达到五次将禁止输入密码和验证密码的功能，以此达到锁定键盘的要求，同时输出两个高电平信号，使警铃长鸣，警灯常亮；若密码正确，将错误计数清零，发出开门信号，门禁电机运行，同时允许更改密码，按下更改按钮，再按下输入键，输入新的“0~9”8位新的数字密码，确认按钮按下，密码修改成功。重新输入新的密码，若正确，将允许重置密码，按下重置按钮将密码重置为初始密码[11]。 2.5 方案论证硬件上可利用开关按钮或者触摸屏实现按钮的输入，通过S7-300处理来控制门禁电机的运行,软件方面利用PLC梯形图编程来实现密码锁的控制逻辑，完成了对密码锁的输入、复位、更改、重置、报警等功能的控制逻辑程序编写。在利用PLCSIM进行仿真时，仿真程序正常运行，仿真结果完全符合课题要求，密码锁的输入、复位、更改、重置、报警等功能完全正常。因本方案所用电器元件少，功能较简单，所需要的成本相对于重要场所的安全性来说，其成本很低。 2.6 本章小结本章作为总体方案是对课题要求的说明与分析，根据分析结果进行方案设计并对其可行性做了一定的分析和验证。 第3章 硬件设计3.1 硬件系统框图
图 3?1硬件系统框图 如图 3?1所示，通过键盘输入指令，PLC处理，输出信号报警或开锁，存储器存储初始密码和中间值，电源为PLC提供能量。 3.2 电气布局图
图 3?2 电气布局图 如图 3?2所示，8位密码锁由一个输入键盘通过PLC来控制门禁电机的动作以此作为密码锁，键盘上由15输入按钮，3个指示灯都是用于密码错误提示，有一个蜂鸣器将在密码错误5次后报警。 3.3 PLC选型表格 3?1 CPU信息 在如表格 3?1所示的各CPU中[16]，不同的CPU有不同的特性，存储容量也不一样，由于该密码锁数字量总共为18个，且于密码锁需要较快的反应速度，以可选用存储容量为64KB的CPU 314。 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整[15]。本设计有15个数字量输入，3个数字量输出，因此选用SM321 DI32xDC24V作为输入，SM322 DO16Xdc24V/0.5A作为输出。 3.4 电器选型对于密码锁所用到的低压电器需要进行选型，如下： 3.4.1 按钮根据密码锁键盘的实际要求分析，需选用常开、不带指示灯、自动返回、平头的普通按钮。如表格 3?2所示，可选用短柄黑按钮XB2BD21C，型号为LA39-10X/K的常开按钮。可在按钮上加装键帽。 表格 3?2 按钮型号 
3.4.2 指示灯对于指示灯，由于是用来密码错误报警的所以应选用灯光颜色为红色的指示灯，且由于该设计是用于重要场所的门禁，可选用亮度较大的指示灯，所以选用额定电压为3.7V，额定电流为250mA。 3.4.3 蜂鸣器蜂鸣器的选型有如下指标： - 尺寸：蜂鸣器的尺寸会影响到音量的大小，频率的高低，电磁式的最小从7mm到最大的25mm，压电式的从12mm到50mm或更大都有。应用于门禁密码锁的蜂鸣器应采用中等大小的蜂鸣器，
- 工作电压：电磁式的蜂鸣器，从1.5到24V，压电式的从3V到220V都是可行的，但一般压电的还是建议有9V以上的电压，以获得较大的声音。
- 消耗电流：电磁式的依电压的不同，从几十到上百毫安都有，压电式的就省电的多，几毫安就可以正常的动作，且在蜂鸣器启动时，瞬间需消耗约三倍的电流，采用压电式蜂鸣器以节省成本。
- 驱动方式：二种蜂鸣器都有自激式的，只要接上直流电（DC）即可发声，因为已内建了驱动线路在蜂鸣器中了，因为动作原理的不同，电磁式蜂鸣器要用1/2方波来驱动，压电的用方波，才能有较好的声音输出。
综上所述，应选用压电式蜂鸣器SS0905PA0,如图 3?3所示,工作电压为9V，工作温度为-20~70℃，工作电流为4mA。 
图 3?3 SS0905PA0 3.4.4 门禁电机
图 3?4 ja12-1:1000减速电机 由于本设计是密码锁，门禁电机只是对锁舌进行控制，功率以及尺寸不能太大，且转速不能过大，所以应选用带齿轮减速装置的小型电机，如图 3?4所示，额定电压为6V，空载电流为45mA。 3.5 输入输出分配表如表格 3?1所示，为8位密码锁的输入输出分配表。有15个输入，3个输出。
3.6 PLC接线图如图 3?5所示[14]，按下输入按钮I0.0，即可输入8位密码，若发现输入有误，按下复位按钮I0.1,重新输入8位密码，按下确认按钮，若密码正确，KM1得电，开锁。按下II0.0.3，更改密码，再次按下I0.0，输入8位新的密码，按下确认按钮I0.1更改成功，重新输入新的8位密码KM1得电，按下I0.4重置密码。若输入的密码错误，达到3次，Q4.2会输出频率为2hz的电平脉冲，使得警灯闪烁，达到5次，Q4.1、Q4.2会输出高电平，使警灯常亮，警铃响。 
图 3?5 PLC接线图 3.7 主电路电气控制原理图PLC应该控制一台门禁电机的运行并给出运行状态的指示。则门禁电机的主电路如下图 3?6所示。 主电路图中需要连接一台电机。线路中需要接热继电器FR进行过载保护，接熔断器FU进行短路保护，闸刀开关QS用来隔离电源、接通电路。如图 3?6所示 
图 3?6 电气控制的主电路图 3.8 本章小结本章主要对课题8位密码锁的PLC设计进行了硬件方面的设计，从硬件系统框图、电气布局图到各种低压电器的分析与选型，还有对PLC的选型，输入输出的IO分配，参考资料对PLC接线图的设计，并且画出了门禁电机的主接线图。 第4章 软件设计4.1 功能框图
图 4?1 功能框图 如图 4?1所示，密码输入过程中可用复位功能，重新输入密码，密码输入完成后，将验证密码的正确性，若错误达到3次将告警，警灯闪烁，达到5次将使警灯常亮，警铃响起，键盘锁定。密码若正确，将执行开门信号，允许更改密码，更改密码过程中，可用复位功能重新输入8位密码，更改完成后，需重新输入8位更改后密码，验证通过后，才允许重置密码。 4.2 流程图如图 4?2所示， FB1作为主要程序，进入FB1，按下输入按钮进入调用FC1，FC1作为密码输入功能，将输入的8位密码保存到FB1的背景数据块DB1中，若中途发觉输入密码有误，可按下复位按钮重新输入8位密码，输入完成后，按下确认按钮，进入FC2，FC2位密码验证功能，将已输入的密码与默认密码进行比较，若密码错误，将计数器C2计数加1，判断C2计数是否等于5，若等于点亮报警灯使其常亮、置位警铃使其报警，并锁定键盘；若不等于5，继续判断C2计数是否等于3，若等于将使警灯闪烁，周期为2S，回到重新输入密码；若密码正确，开门信号置位，控制门禁电机运行，并允许更改密码，按下更改按钮，在按下输入按钮，进入FC1,输入8位新的密码，FC1将输入的8位密码保存到FB1的DB1的另外8位IO参数中，按下确认密码，即可修改成功。重新输入新的正确的才能开锁，并允许重置密码，按下重置按钮，会将密码重置为初始密码0~7。 
图 4?2流程图 4.3 时序图如下图 4?3所示，初始化完成后，将M0.1置1，启动密码输入程序，第一次按下I0.0时，进入FC1输入8位密码，若密码输入途中发现密码错误，按下复位按钮I0.2，将复位输入计数，重新输入8位密码，按下确认按钮I0.1，将M0.2置1，验证密码，密码正确门禁电机接触器KM1得电，门禁电机运行开锁，按下重设密码I0.3，将M0.3置1，更改密码，输入8位新的密码，按下确认按钮I0.1修改成功，需重新输入密码，若密码错误达到三次，将使报警灯一周期为2s闪烁，5次将使键盘锁定，阻止输入密码，并让报警灯与警铃报警；若密码正确，将M0.4置1，允许重置密码，按下重置按钮I0.4，将重置密码为初始密码0~7。 
图 4?3时序图 4.4 顺序功能框图
图 4?4顺序功能图 上图 4?4中的FC1时8为密码输入模块，FC2时密码验证模块。初始化完成后，置位M0.0，在没按下更改按钮I0.3时，按下输入按钮，输入8位密码，按下确认验证密码是否正确，验证完成，将M1.4置1，密码错误将M1.1置1，若验证完成，密码未错误，即密码正确，按下I0.3即可更改密码,输入8位新的密码,确认按钮I0.1按下后更改成功，将可重置密码标志位M2.5置1，重新按下输入按钮I0.0，重新进入密码输入，密码验证成功可更改密码，也可重置密码，按下重置按钮I0.4，将密码重置为0~7，并将标志位M2.5复位。可重新输入密码，密码输入错误后，计数器C2计数。计数达到3，报警灯闪烁，达到5，报警灯常亮，警铃响。键盘锁定。 4.5 梯形图编程采用西门子公司的STEP7_V56软件进行梯形图的编写，8位密码锁的部分程序及说明，由于其程序的需要，分为OB1、FB1、FC1、FC2[17]。 - 由于需要保存密码数据，密码锁的控制程序主要编写在FB1中：
图 4?5初始化计数器1、2 网络1：如图 4?5所示，初始完成后，进入程序，现将密码错误计数，与输入密码位数计数器复位。并置位密码输入步，允许密码输入。 网络2：如图 4?6所示，按下I0.0，进入密码输入功能FC1，将输入的8位密码保存到a1~a8，8个参数中，按下I0.1结束输入。 
图 4?6输入密码 
图 4?7 验证密码1 
图 4?8验证密码2 网络4：如图 4?7和图 4?8所示，按下I0.1，将进入验证密码功能FC2，将输入的8位密码a1~a8与设置的密码b1~b8进行对位比较，输出密码状态标志，为1密码错误，为0密码正确。 
图 4?9开门
图 4?10 错误计数 网络5：如图 4?9所示，密码验证完成后，若密码正确，置位Q4.0门禁电机启动。 网络7：如图 4?10所示，若密码错误，用计数器C2对密码错误次数计数。 
图 4?11告警处理 网络8：错误3次，启动报警灯闪烁功能。 网络9：错误5次锁定键盘，警铃响，警灯常亮。 网络10：报警灯闪烁。M5.5为CPU的CLOCK MEMORY,M5.5频率为2Hz，当密码错误5次之后，警铃响起，会使警灯由闪烁变为常亮。 
图 4?12更改密码 网络14:按下I0.3,进入密码更改，再次调用FC1，将输入的8位密码，保存在b1~b8中。 
图 4?13更改密码后置位密码更改标志 网络15：更改密码完成后，将密码已更改标志置1，并置0开门信号，需重新输入密码。 
图 4?14重置密码 网络16：按下重置按钮，将初始密码0~7重置到a1~a8。 
图 4?15 清空计数 网络1：密码输入达到8位，复位计数器，位下一次密码输入做好准备。 
图 4?16 密码输入扫描1 
图 4?17 密码输入扫描2 
图 4?18密码输入扫描3 网络2：对输入的数字密码进行检测，有一位密码输入了，将输入标志参数j置1. 
图 4?19输入计数 网络3：将每一位输入进行计数，在按下复位按钮后，复位密码。 网络4~11：将输入的密码按输入的先后顺序分别输出给不同的参数保存。 
图 4?20密码保存1 
图 4?21 密码保存2 
图 4?22 密码保存3 
图 4?23密码保存4 
图 4?24 FC2密码验证 网络1~8：将输入的密码，按位比较，若错误将M1.1置1。 4.6 本章小结本章是对8位密码锁的PLC的软件设计，是对功能框图、流程图、时序图、顺序功能框图、梯形图等方面的设计，详细阐述了密码锁的控制思路、功能，与各种功能实现的方式与操作方法。 第5章 测试和验证5.1 任务分工本团队一共两人，成员有：叶俊林、王宇。 我作为队长进行项目的总体规划与分工。 由于团队人数较少，且因疫情原因，我们都是通过视频与屏幕分享来共同讨论、设计与编写程序。 硬件方面：我负责寻找资料和提供一些意见，另一位组员王宇负责设计，对硬件设计的各种图表进行合作绘制和设计。 软件方面：王宇对我在大致功能的总结与功能框图、时序图的绘制及对程序编写过程中提供了宝贵的意见，我根据硬件设计与时序图进行程序框架的搭建与编写与调试。 5.2 搭建环境本文档是基于西门子S7-300 PLC技术下的设计，编程环境是STEP7 V5.6的SIMATIC MANAGER,仿真环境为PLCSIM。 5.2.1 建立编辑编译环境本设计需用到西门子SIMATIC MANANGER的编辑、编译环境，以下是建立过程： - 首先到西门子工业支持中心下载一个STEP7 V5.6的安装包资源，如图 5?1所示：
图 5?1下载软件 - 按路径删除注册表项SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager的“PendingFileRe
nameOperations”注册表项。 
图 5?2删除注册表 （3）开始安装STEP V5.6 
图 5?3开始安装 （4）安装完成后，选择站点，进行硬件组态后，便可进入编辑、编译界面，如图 5?4编辑、编译环境： 
图 5?4编辑、编译环境 5.2.2 建立仿真和测试环境将STEP7 V5.6安装完成后，下载PLCSIM以建立仿真和测试环境，并将其安装： 
图 5?5安装PLCSIM 安装完成后，在程序编写结束后，可在SIMATIC MANAGER 调用该功能进行仿真： - 如图 5?6所示，点击图标
 ，可打开仿真功能，选中SIMATIC 300站点，点击图标 将硬件组态与梯形图程序下载到仿真器中。仿真器界面如图 5?7所示。
图 5?6调用仿真 
图 5?7 PLCSIM仿真器 - 如图 5?8所示，将程序下载进仿真器之后，需要调用梯形图中所涉及到的输入输出以及所涉及到的其它器件到仿真器主面板上，对所需要监视的输入输出进行地址分配。如图 5?9所示，点击梯形图中图标
 建立仿真器与梯形图的链接，再点击图标 ，进入在线监视模式，最后在仿真器中将状态切换到RUN，开始仿真。
图 5?8开始仿真 
图 5?9 运行监视 5.3 硬件组态如图 5?10所示，本设计的PLC硬件组态中电源采用了PS 307 5A，CPU采用的是CPU 314，接口模块采用的是DI32XDC24V以及DI16XDO16DC24V/0.5A。
图 5?10硬件组态 5.4 方案验证前面我和我的同组同学王宇通过查阅资料、询问老师等方法，分工合作进行了软、硬件方面的设计与程序的调试，下面我们将一起通过仿真来进行最后方案可行性的验证，仿真结果如下： 5.4.1 输入密码
图 5?11输入密码 操作：按下I0.0（输入按钮）将进入密码输入功能。 结果：M0.1为1，FC1启动，等待密码的输入。 符合预期要求。 
图 5?12输入8位密码 操作：依次输入8位密码，如0~7,。 结果：FC1输出8位密码，依次为0、1、2、3、4、5、6、7。 符合预期要求。 5.4.2 密码验证
图 5?13密码正确 操作：按下I0.1（确认按钮），进入密码验证程序。 结果：密码验证成功，错误标志M1.1为0，密码正确，门禁电机接触器得电，开锁；M0.3为1，可更改密码。 结果符合预期。 5.4.3 报警
图 5?14密码错误 操作：按下I0.1后，验证密码。 结果：密码错误，对错误计数。 
图 5?15报警1 密码错误达到3次，报警灯闪烁。M5.5为CLOCK MEMORY第5位，频率为2Hz。 结果符合预期要求。 
图 5?16报警2 密码错误达到5次，警灯常亮，警铃响，M0.1为0，键盘被锁定。 结果符合预期要求。 5.4.4 更改密码
图 5?17更改密码1 操作：按下I0.3（更改按钮），再按下输入按钮。 结果：FC1启动，等待密码输入。 结果符合预期要求。 
图 5?18更改密码2 操作：输入新的8位密码，如7,6,5,4,3,2,1,0。按下I0.1（确认按钮）。 结果：8为密码被保存到8个参数中为7,6,5,4,3,2,1,0。 结果符合预期要求。 5.4.5 重置密码
图 5?19重置密码1 操作：更改密码完成后，将使M2.5(密码已更改标志)置1，重新输入更改后的密码。 结果：M0.4为1，可以重置密码。 
图 5?20重置密码2 操作：按下I0.4（重置密码按钮）。 结果：密码被重置为0,1,2,3,4,5,6,7。 结果符合预期。 5.4.6 复位
图 5?21复位1 
图 5?22复位2 操作：密码输入过程中，若发现输入出错，可按下I0.2（复位按钮），可重新输入8位密码；如：正确密码位0~7，输入时误输为0,1,4,5，按下I0.2，输入8位密码。 结果：输入计数被清零，重新输入的8位密码被输出。 结果符合预期要求。 
图 5?23复位3 5.5 问题与分析在拿到课题之后，由于对于PLC编程的不熟悉，以及对STEP7软件的不熟练，使得刚拿到课题的我一点思路都没有，然后通过课本和查阅资料，以及观看老师发在超星上的视频、请教老师，网上观看教学视频等方法，让我对西门子PLC有了一个大致的了解以及对编程方法的掌握。但在后续设计与程序的编写中也遇到了如下问题： - 在硬件设计中，由于不了解工程与PLC设计步骤，对硬件设计中的硬件系统框图、电气布局图、主电路电气控制图的绘制以及电气选型方面有较大的困难。
- 通过查阅资料、询问老师和同学、观看教学视频等方法，并通过与同学合作完成了图的绘制，与电气选型方面的规则与方法。
- 在软件设计中，由于对PLC编程的不熟练，功能框图不会绘制，梯形图绘制中经常会有设计的功能不知道怎么实现。
- 通过查阅资料、询问老师和同学、观看教学视频等方法，并通过与同项目的同学一起不断地编写和思考，终于大致完成了梯形图的编写。
- 在仿真中，会出现设计的功能无法实现，不同的功能交替使用会有BUG的出现。
- 通过不断地仿真与修改程序，使功能进一步完善，使程序变得更加完整。
5.6 创新与扩展本课题使8位密码锁的PLC设计，在设计中我实现了密码的输入、验证、更改、复位、重置、锁的开锁与密码错误时的报警以及防试探（密码错误次数过多，锁定键盘）等功能，但对于开锁功能，只能在密码证的情况下驱动门禁电机开门，但开门后，若不重新输入密码，开门信号将会一直存在，将一直驱动门禁电机运转，这是不现实的，所以可以加一个行程开关或者定时器，在开门完毕后停止门禁电机；也可以在开门一段时间后，将门禁电机反转，将门重新闭合，密码锁重新上锁。甚至可以加入指纹识别、面部识别等功能代替密码输入。 5.7 本章小结本章主要阐明了与同项目小组成员的分工合作进行方案验证的内容，编程与仿真环境的搭建、硬件组态的设计、仿真步骤与各个功能的实现结果、以及对密码锁的扩展思考。 附录一 梯形图 OB100程序： 
OB1程序 
FC1程序：         
FC2密码验证：    
FB1主控制程序：             
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