自动门控制系统设计 学生姓名： 解泓立 学 号： 200848050315 班级： 机制 F0908 指导教师： ****宗才 2011 年 12 月 08 日 1 内容摘要 在当今社会自动门的应用也越来越广泛。它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所使用，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。本课程设计的自动门控制系统是利用 PLC 为核心来控制实 PLC现的其电路结构简单程序运行可靠性高。 程序用梯形图语言设计完成并采用模拟仿真软件测试 PLC 控制系统。本设计方案可靠性高在设计必要设计要求上又做了一定的功能加强，比如增加手动开关门功能，和禁止开关门功能使该自动门系统更加强大。 关键字：PLC；控制；自动门 1 目 录第1章 引 言 ...................................................................................................... 1第 2 章 PLC 概述 ..................................................................................................... 2 2.1 系统设计方案 ................................................................................................ 2 2.2 控制系统流程图 .......................................................... 错误！未定义书签。 2.3 自动门配置及组成原理 .............................................. 错误！未定义书签。 2.4 PLC 接线图 .................................................................. 错误！未定义书签。 2.4 程序梯形图 ................................................................. 错误！未定义书签。第 3 章 自动门介绍 ............................................................. 错误！未定义书签。第 4 章 总体方案设计......................................................... 错误！未定义书签。第五章 PLC 控制系统设计 ................................................ 错误！未定义书签。致谢 ............................................................................................ 错误！未定义书签。参考文献 .................................................................................. 错误！未定义书签。 1 第1章 引 言 这次课程设计是毕业前**一次课程设计，也是我们机电方向****的一次机电综合课程设计，通过这次设计，将所学的东西融会贯通，系统的为毕业设计做一次练习。这此设计是以西门子 S7-200 为主要载体，结合与之相应的 STEP7—Micro/WIN32 编程软件和模拟仿真软件来对自动门的控制系统进行设计。 自动门控制系统利用了西门子 S7-200 系列 PLC，对光电开关、限位开关、电动机正反转等其他一些输入/输出进行控制实现了门开关过程的自动化。 本控制系统的硬件组成有：西门子 S7-200（222）、门内光电探测开关 K1、门外光电探测开关 K2、开门到位限位开关 K3、关门到限位开关 K4、开门执行机构 KM1（使直流电动机正转）、关门执行机构 KM2（使直流电动机反转）直流电动机等相关部件。 根据设计任务书的要求自动门控制系统应满足以下控制要求：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。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。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。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，**重新开始等待 8 秒后，再自动进入关门过程。 根据设计任务书要求结合本程序实际情况选用西门子 S7-200（222）做为该系统的控制核心。除满足上述基本要求外，考虑到自动门使用中的一些实际情况特别在系统中添加了手动开关门功能和门禁功能。 1 第2章 PLC 概述 PLC 可编程序控制器：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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过程。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了**上**台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 可编程逻辑控制器（PLC）具有以下鲜明的特点： 1.系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如 DDC 和 DCS 等，实现过程的综合自动化。 2.使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 3.能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。 2 第 3 章 自动门的介绍 3.1 自动门概述 自动门 英文名：automatic door。自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门是指：可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。 自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，****自动门品牌多玛在 1945 年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了 1962 年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门红外感应微波感应触摸感应脚踏感应、刷卡自动门等。常用的自动门可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门。 3.2 自动门的组成 以平移自动门感应门为例来介绍自动门的组成如下： 1.主控制器：它是自动感应门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。 2．感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。 3.动力马达：提供开门与关门的主动力，控制自动感应门门扇加速与减速运行。 4.自动感应门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其 按特定方向行进。 5.门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。 6.同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。 7.下部导向系统：是自动感应门门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。 8.当自动感应门门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达 3转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达拥有一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使自动感应门扇开启；自动感应门扇开启后由控制器作出判断，如需关自动感应门，通知马达作反向运动，关闭自动感应门扇。 3.3 自动门行程开关的工作原理 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。在实际中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于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。 3.4 自动门光电开关介绍 3.4.1.工作原理。 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。 3.4.2．光电开关的分类及术语解释 1.光电开关分类 1）漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是**的检测模式。 2）镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 3）对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是*可靠的检测装置。 4）槽式光电开关：它通常采用标准的 U 字型结构，其发射器和接收器分别位于 U 型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过 U 型槽且阻断光轴时，光电开关 4就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体使用**可靠。 5）光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 2．术语解释 1）检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 2）回差距离：动作距离与复位距离之间的**值。 3）响应频率：在规定的 1s 的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。 4）输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 5）检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。 6）输出形式：分 NPN 二线、NPN 三线、NPN 四线、PNP 二线、PNP 三线、PNP四线、AC 二线、AC 五线（自带继电器），及直流 NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。 5 第 4 章 总体方案设计 根据设计任务书要求结合实际情况确定系统总体方案为：脉冲信号由光电开关、限位开关产生的，信号输入到 PLC，经过 PLC 的分配，然后去控制直流电动机去控制负载，从而使得自动门进行正常工作。如图 2-1 为自动门控制的总体设计的结构图 信 信 直 负 号 号 流 脉 分 电 载 冲 配 动 机 图 2-1 系统总体设计结构图 自动门控制系统中，PLC 主要完成以下功能： 1．检测功能： （1）检测门处于关闭状态时是否有人靠近或者离开：开门。 （2）检测门是否完全开开：停止开门。 （3）检测门保持打开状态时是否有人靠近或通过：继续保持开门状态。 （4）检测关门过程中是否有人靠近或通过：停止关门，执行开门。 2. 控制功能： （1）控制开门、关门动作。 （2）控制保持门开状态时间 8s。 （3）手动开关门及门禁功能。 6 第 5 章 PLC 控制系统设计 5.1 系统主电路 根据设计任务书要求，自动门控制系统的主电路需要实现门的开关。主电路需要的元器件有：直流电动机、组合开关、接触器、熔断器、热继电器。 各元器件功能为：电动机正反转带动门实现开关动作，组合开关为电源引入，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护，用热继电器作为过载保护。电路如图 3-1。 图 3-1 主电路图 5.2 控制流程图 根据设计要求控制过程应为： 打开门禁开关 QS。当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关 K1 或 K2 或者按下开门按 SB0 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。自动门在开门位置停留 8 秒后或有人按下关门按钮 SB1，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。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。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，**重新开始等待 8 秒后，再自动进入关门过程。若把门禁开关 QS0 关闭则门不能打开。 根据控制要求设计控制系统流程图，如图 2-2。 7 开始 打开开关 否 手动开门 K1K2 是否有信号？ 是 开门 否 是否到 K3 限位开关？ 是 停止开门 保持开门 8 秒、K1K2 否手动关门 是否有信号？ 是 关门 是 K2 K1、 是否有信号？ 否 关门 否 是否到 K4 限位开关？ 是 停止 图 5.1 自动门控制系统流程 8 5.3 控制系统硬件组成 自动门控制装置由门内光电探测开关 K1、门外光电探测开关 K2、开门到位限位开关 K3、关门到限位开关 K4、开门执行机构 KM1（使电动机正转）、关门执行机构KM2（使电动机反转）、门禁开关 QS0、手动开门开关 SB0、手动关门开关 SB1 等部件组成。 5.4 确定 I/O 点数 在该控制系统中，输入信号有：门外光检测电开关 K1 信号、门内光检测电开关 K2信号、开门限位电开关 K3 信号、关门限位电开关 K4 信号、启停按钮 QS0 信号、手动开门 SB0 信号；手动关门 SB1 信号。输出信号有：开门执行机构 KM1 信号、关门执行机构 KM2 信号。 5.5 PLC 的选型 目前国内应用较广的 PLC 有三菱、西门子等。综合经济、**、有效等因素本设计选用西门子 PLC。 经分析该 PLC 控制系统需要 7 个输入，两个输出。由该控制系统控制规模不大，控制程序比较简单综合控制规模、内存大小、功能要求、价格等因素确定选用西门子S7-200（222）。 根据西门子S7-200（222）的模块及 I/O 接口组成确定该控制系统的 I/O 点的分配及地址编码，如表 3-1 所示。 根据 I/O 点的分配及地址编码表及 S7-200（222）的特点做出该控制系统的 I/O 接线图，如图 3-2 所示。 表 3-1 I/O 点的分配及地址编码表 控制信号 名称 I/O 点地址编码 门外光检测电开关 K1 I0.0 门内光检测电开关 K2 I0.1 开门限位电开关 K3 I0.2 输入 关门限位电开关 K4 I0.3 启停按钮 QS0 I0.4 手动开门 SB0 I0.5 手动关门 SB1 I0.6 开门执行机构 KM1 Q0.0 输出 关门执行机构 KM2 Q0.1 9 1LK1 I0.0 KM1K2 Q0.0 I0.1K3 Q0.1 I0.2K4 I0.3 CPU KM2 2M 222QS0 I0.4SB0 I0.5SB1 I0.6 N 220V AC M L1 L 图 3-1 自动门 PLC 的 I/O 接线图 10 第 6 章 PLC 控制程序设计 PLC 程序常用的设计方法主要有经验设计法、继电器控制电路转化为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。由于本控制程序比较简单，所以在设计时选择了经验设计法。在设计过程中使用了 STEP7—Micro/WIN32 编程软件和模拟仿真软件S7-200sim3.0 来完成程序的设计。程序梯形图如下图 6-1 所示。 图 6-1 程序梯形图 11 图 6-1 程序梯形图（续 1）用 STEP7—Micro/WIN32 将梯形图程序转换成语句表如图 6-2 所示。 图 6-2 程序语句表 12图 6-2 程序语句表（续 1） 13