基于PLC自动门控制系统的设计论文

目录

一.自动门控制系统总体方案设计

1.1自动门的功能需求分析 1.2自动门控制要求

1.3自动门的机械传动机构设计 二．自动门控制系统的硬件设计

2.1 PLC的选择 2.2 驱动装置的选型 2.3 感应器件的选型 2.4 直流电动机的调速 2.5 传动装置 2.6 限位开关

2.7自动门控制系统CPU I/O地址分配表 2.8自动门控制系统的原理图 2.8.1主电路原理图

2.8.2 PLC外围接线图 三．自动门控制系统的软件设计

3.1工作过程分析 3.2 梯形图程序 四．程序调试

4.2联机调试

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1.自动门控制系统总体方案设计 1.1自动门的功能需求分析

本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能： （1） 开门和关门控制应有手动和自动方式

为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，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

当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。

自动门控制系统包含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。 1.2自动门的控制要求

（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，

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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秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。 自动门系统的具体组成如下图：

由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC,PLC根据已经采集的信号发出控制信号，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。

工作流程图：

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1.3自动门的机械传动机构设计

在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：

1.

自动门的传动主要包括安装版，轨道，门机，皮带，吊挂件等。所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。

2.

电机：驱动电机采用V直流电动机，功率大，可调性强。

3.

导轨：水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆得问题，从而确保了门扇的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方便的特点。

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4.

滑轮：采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。

5.

皮带：采用齿形皮带，齿形皮带的截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了使用寿命。

二．自动门控制系统的硬件设计 2.1 PLC的选择

本课题的设计采用德国西门子公司生产的s7-200系列CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。 2.2驱动装置的选型

自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障。在本设计中是运用直流无刷电机。直流无刷电机功率密度高，噪音极小、调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。本设计选用的45BLDC系列直流无刷电机，电机直径φ45，额定转数4000转，额定扭矩0.036N.m，功率15W～100W。额定电压24V DC。 2.3感应器件的选型

目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，方案设计选择器件均确保了产品可靠性。

结合本课题的实际需要在设计自动门的人员检测上运用上海顺安达

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门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB-3004，其规格如下：

2.4直流电动机的调速

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。由直流电动机的转速公式： n=（U-IaRa）/KEΦ

可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。 1.调磁法

这种调速方法有3个优点： （1）调速平滑，可无级调速；

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（2）调速经济，控制方便； （3）机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。 2.调压法

这种调速方法有下列优点：

（1）机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好； （2）调速幅度大；

（3）可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。 2.5传动装置

1 自动门扇行进轨道：就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。

2 自动门扇吊具走论系统：用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。

3 同步皮带：用于传输电机所产动力，牵引自动门吊具走论系统。 2.6 限位开关

限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、

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行程大小或位置的一种自动控制器件。

限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。 2.7自动门控制系统cpu I/0地址分配表

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。 I/O分配表：

IO.1:门外光电控制继电器KA1 I0.7：启动停止SQ5 I0.2:门内光电控制继电器KA2 I1.0：手动开门SQ6 I0.3：开门到位行程开关SQ1 I1.1：手动关门SQ7 I0.4 ：关门到位行程开关SQ2 Q0.0:开门接触器KM1 I0.5：过载保护开关SQ3 Q0.1：关门接触器KM2 I0.6：紧急停车开关SQ4 Q0.2:换速继电器KA3 2.8自动们控制系统的设计图 2.8.1主电路及供电线路

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上图为自动门控制系统的主电路原理图。 2.8.2 外围线路图

三．自动门控制系统软件的设计

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3.1 工作过程的分析

（1）

首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体信号时，电动机正传，带动自动门执行开门过程。

（2）

当门完全打开之后，使开门限位开关打开，此时自动门停止，进行8秒延时。 若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时

（3）

当8秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。

（4）

考虑到自动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。以上工作过程可用流程图表达。

3.2梯形图程序

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

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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程规则：

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。

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. 4.

线圈不能直接接在左边的母线上。

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。

5.

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。

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：

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自动门开门梯形图

自动门运行梯形图

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自动门关门梯形图

自动门开门语句表: 自动门运行及关门语句表:

网络一 LD I0.1 网络三 LD T0 网络五 O I0.2 O Q0.1 R Q0.0 O Q0.0 AN Q0.0 AN Q0.2 AN Q0.2 A I0.7 A I0.7 O I1.0 O I1.1 AN I0.3 AN I0.4 = Q0.0 = Q0.1 网络二 LD I0.3 网络四 LD I0.5 AN I0.1 O I0.6 AN I0.2 O Q0.2 TON T0.+80 A I0.7 = Q0.2

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LD Q0.2 14

四.程序调试

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。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。

调试过程：

（1）按附图1总线路图连接线路，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/关门

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。

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参考文献

（1）《电器与plc控制技术及应运》 张晓峰主编.北京高等教育出版社，2013.8

附图一：

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