自动门毕业设计

本科毕业设计（论文）题目基于PLC的自动门控制系统设计学院名称专业班级学生姓名导师姓名电气工程与自动化学院测控技术与仪器09-2二O三年五月三十日基于 PLC 的自动门控制系统设计作者姓名专业指导教师姓名专业技术职务测控技术与仪器刘涛讲师目录摘 要 1第一章 绪 论 31.1研究背景和研究意义 31.2国内外发展的状况 41.3自动门简介 41.4自动门的组成 5第二章 PLC 的介绍 52.1 PLC 的简介 52.2 PLC 的主要功能 72.3 PLC 的基本结构 72.4 PLC 的特点 82.5 PLC 的工作原理 8第三章 自动门控制系统的整体方案 93.1系统总体设计 93.2自动门的功能需求分析 103.3自动门的部件组成103.4自动门的控制要求11第四章 自动门的硬件系统设计114.1自动感应门的基本工作原理124.2感应器件的选型124.3限位开关的概述134.4 PLC 的选择 134.4.1输入输出（I/O）点数的估算134.4.2存储器容量的选择144.4.3控制功能的选择144.4.4机型的选择154.4.5对PLC响应时间的要求154.4.6自动门系统I/O地址的分配情况154.5自动门控制器的操作164.6自动门电机的概述16第五章 自动门的软件系统设计165.1工作流程图165.2 PLC的编程语言175.3 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述185.4 PLC梯形图概述195.5 PLC梯形图的设计原则205.6 PLC功能指令概述205 . 7梯形图以及指令 2 05.7.1梯形图205.7.2指令 25第六章 结论 28参考文献 28致 谢 29摘要随着科学技术的日新月异，我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自 动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。其中自 动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际 需要而进行研究的。为了增强自动门运行的可靠性,提出了一种以S7-200可编程序控制器(PLC) 为核心的自动门控制系统。分析了该控制系统的工作原理,描述了系统的硬件组 成,介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的 工作过程,对 PLC 的选型及 I/O 点的确定进行了说明。结合 PLC 的运行特点,对 控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础上,采用结构化的编程方法,给出 了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬 件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结果表明,整个系统功能完善,性能可 靠。结合 PLC 的运行特点，对控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础 上，给出了控制系统软件设计的程序流程图、顺序功能图及PLC控制梯形图等。 本设计介绍应用可编程控制器取代传统的继电器、接触器控制系统，实现自动门 控制的过程。关键词：可编程控制器 S7-200 自动门 控制系统ABSTRACTAlong with the science and technology change rapidly, great changes have taken place in our life. An intelligent, automation has began to appear in front of us, which provides much convenience to our. A typical representative of automatic door is the automation process, this design is the use of knowledge, combined with the actual need and research.In order to enhance the reliability of automatic door system, presents a S7-200 programmable controller (PLC) automatic door control system as the core. Analysis of the working principle of the control system, the hardware of the system consists of the description, describes the human detection, automatic door operation position detection, detection of door operation obstacles such as work process control circuit, determine the selection of PLC and I/O are described. According to the operating characteristics of PLC, the control system were reasonable workflow optimization. On this basis, using structured programming method, the program flow chart of main program module, open the door, close the door subroutine module subroutine modules are given. The system has passed the debugging of hardware and software, has been applied in practice. The results of application show that, the whole system has perfect function, reliable performance.The operation characteristics of PLC, the control system were reasonable workflow optimization. On this basis, function flow chart of the program, the sequential control system software design diagrams, external control terminal wiring diagram and PLC ladder diagram is given. This design introduces the application of programmable controller to replace the traditional relay, contactor control systems, automatic door control process.Keywords: programmable controller; S7-200; automatic control system;第一章 绪 论1.1 研究背景和研究意义21 世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通 行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协 调、和谐。自动门大规模专业化生产始于 150 年前，在不断发展和完善的过程中，涌现 出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式-自动门起源在欧美，迅速发展至 今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。自动门从理论上理 解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。所以 对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。作为建筑物一部分的门，从最基 本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。因此门 体本身应牢固、密封。自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动 旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂 贵而且非常宠大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大 家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。自 动门除可美化出入口环境外，由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可 节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速 在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒 店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防 尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得 到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必 不可少的一项配置。自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来分，有传统的继电器控制，即 通过按钮和复杂的接线安装；智能控制器控制，即通过运用现代自动化设备来控 制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。由于继电器逻 辑控制的自动门系统因存在许多缺陷而逐步被智能控制器控制的自动门所淘汰。在智能控制器的选择上，自动门的主控器有微电脑控制器控制和可编程控制 器（PLC ）控制，微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家 采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定性高维护方便，目前许多大型 的商场的自动门都是由这种方式来控制。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门 时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打 开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理， 既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及 1。1.2 国内外发展的状况纵观当今自动感应门市场的情况，欧州、日本、本土品牌都已经在市场上取 得一定的份额，并确立了各自在市场中的定位及发展模式。而各种规模的门机生 产销售厂商则更以数百计。中国自动感应门已成为全球自动门最大市场及生产制 造中心，自动门的发展前景十分可观，全球的自动门厂商都试图在中国谋求发展。 市场竞争日趋激烈。由于不同使用地点对门机和自动门的设计安装有不同要求， 所以自动感应门生产商倾向于采用对用户直销，或者与有安装设计能力的系统集 成商合作进行销售。外资品牌与内资品牌的自动感应门相比更注重品牌形象的建 设和宣传。而内资企业则更注重产销量的提升。一些内资企业除生产自有品牌产 品外，还代理销售或贴牌生产外资品牌的产品，销售模式更加多元化。在自动感 应门日趋激烈的竞争中，各企业都针对自身特点采用各种方法扩大市场份额。其 中比较普遍的一种方式是对生产以及下游销售渠道进行产业链整合。从目前市场情况看，自动门产品还主要应用于经济发达的东部及东南沿海地 区。自动门产品的应用正在不断的向内陆发达城市扩张，随着各省会城市的建设， 以及外商投资向内地的转移，自动感应门的使用地域正在向内陆延伸。 一些中 小型建筑及服务机构，如便利店、照相馆、小饭店等，也开始关注服务设施使用 的便利性，从而引入自动门。这类自动感应门企业的需求为中低端自动门市场提 供了广泛的需求。虽然自动门市场在各方推动下快速增长，但自动感应门也存在一些影响其发 展的因素。一部分自动门产品生产商追求利益最大化，在原材料及技术工艺等相 对方面做得不到位。一部分自动门安装队伍没有经过严格培训，安装出的自动门 做工粗糙质量难以保证，导致售后无法保证，用户反应强烈。另外自动门产品的 标准体系还不完善，要求还不明确，可操作性不强。而且大部分自动感应门标准 属于非强制标准。标准的讨论和制定还在积极完善中，期待未来可以对市场规范 起到积极的作用。1.3 自动门简介自动门 英文名：automatic door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，世界第一自动门品牌多玛在 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，电气式已开始出现，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。利用脚踏板、光电束等作用以电力、气压或液压为动力自动启闭门扇的系统。 公元 1 世纪,希腊人希罗建造的自动打开庙门的装置是最早利用气压和液压为动 力的自动门。现代自动门的操作主要有三种方式。（1）脚踏板式：在踏板之下装 有压力开关。（2）光电束式：在门的附近设置光束发射装置和光电传感装置。（3） 按钮方式：用手按类似开关的按钮使门扇打开。自动门以滑动、铰链或折叠等方 式启闭门扇。为了防盗，必须同时装有特殊的设备，例如家庭用的自动门就需要 装设来人识别装置或电视监视器等，对家庭以外的人员进行严格限制。自动门在 商场、宾馆、饭店、机场、车站、银行等场合已得到广泛应用。1.4 自动门的组成主控制器：它是自动门的指挥中心，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；同时人们通过主控制器调节门扇开 启速度、开启幅度等参数。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。动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。 门扇行运轨道：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。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。同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊 具走轮系统。下部导向系统：是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。第二章 PLC 的介绍2.1 PLC 的简介可编程控制器（Programmable Controller）简称PC,但个人计算机（Personal Computer）也简称PC,为了区别，人们仍习惯称可编程控制器为PLC （Programmable Logical Controller）。国际电工委员会(International Electrical Committee)于1987年颁布了可编 程控制器的标准及其定义：“可编程控制器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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存 储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数 字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及 其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能 的原则而设计2。可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC (Programmable Logic Controller)，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、 计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、 通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来， 控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入 控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中 期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路 也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判 断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、 定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制 各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合 的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、 通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺， 因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方 面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货 要求专门设计控制器，适合批量生产。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环 境的能力，受到用户的青昧，因而在冶金、化工、交通、电力等诸多领域获得广 泛的应用，与机器人、 CAD/CAM 一起，被称为现代工业控制的三大支柱。可编 程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作 用。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到 迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛 的应用3。2.2 PLC 的主要功能(1) 开关逻辑和顺序控制这是 PLC 应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算 和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。(2) 模拟控制(A/D和D/A控制)在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、 流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量 的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分 PLC 产品都具备处理这类模 拟量的功能，而且编程和使用方便。(3) 定时/计数控制PLC 具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器 与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要 对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。(4) 步进控制PLC 为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进 控制功能。(5) 运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控(CNC)集成在一起，用以 完成机床的运动控制。(6) 数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数 据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还 可以进行浮点运算和函数运算。(7) 通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他 智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。2.3 PLC的基本结构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，基本构成为：1、电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠 的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分 重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。2. 中央处理单元(CPU)中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒 定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它 以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑 或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕 之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出 装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来 对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样, 即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4、输入输出接口电路（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、 选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行 部件输出相应的控制信号。5、功能模块如计数、定位等功能模块。6、通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等42.4 PLC 的特点PLC 作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特 点。具体特点如下:（1）可靠性高，抗干扰能力强（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎（4）安装方便，扩展灵活（5）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造（6）体积小，重量轻，能耗低2.5 PLC 的工作原理可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统 的工作原理基本相同。PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环 序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地 集中采样、集中输出的方式来完成5。一个扫描周期（工作周期）主要成分为以 下几个阶段：（1）输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理过程，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号， 不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入 信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的 状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描 周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上 说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一 般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的6。（2）执行用户程序扫描阶段是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进 行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描， 每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而 不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器 中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存 器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写 入到输出映像寄存器中。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的 模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程 序的执行而变化的。（3）输出刷新扫描阶段这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映 像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出 端子去驱动各输出继电器所带的负载7。第三章 自动门控制系统的整体方案3.1 系统总体设计（1）深入了解和分析自动门的控制要求和控制部件。（2）确定I/O设备。根据自动门控制系统的功能要求，确定系统所需的用 户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等， 常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。（3）根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。（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或者输 入输出端子的接线图。(5) 设计自动门系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形 图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。(6) 将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。(7) 自动门系统的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可 以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。3.2 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。手动和自动开门方式由手自 动转换开关来控制。当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。当 转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器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且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电 机的正转或者反转来实现开门或者关门。(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。 PLC控制和执行元件构成是自动门控制系统的两个重要组成。采用自动和手动控 制方式，此种控制模式为自动门的主要控制方式。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。3.3 自动门的部件组成(1) 主控器是自动感应门的指挥中心，它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；同时工作人员可通过主控 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，当有移动物体进入它的工作范围时， 它就给主控器一个脉冲信号。(3) 动力马达可提供开关门的主动力。(4) 自动感应门扇行进轨道用于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 运行时出现前后摆动。3.4 自动门的控制要求经分析设计任务，可知完成任务的实质就是控制电机的正反转。要实现自动 控制首先要具备一下功能部件：微波检测开关，限位开关，超载要实现电机正保 护开关。先确定电机与门扇轨道组成的系统，要实现电机正转开门，电机反转 关门。首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体通过信号时，开关上有电流通 过，光电检测开关是脉冲触发需对其自锁，所以线圈上有电流通过，电动机正传， 带动自动门执行开门过程。当门完全打开之后，使开门限位开关由闭合到断开，此时自动门停止，延时 5 秒。 若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行 5 秒延时。当 5 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。考虑到自动门若出现故障或维修的时候，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。第四章 自动门的硬件系统设计自动门的硬件根据不同的类型各有不同，此以平移型感应门为例子介绍它的 硬件，主要有：自动感应门主控制器，自动感应探测器，自动感应门动力马达， 自动感应门门扇行进轨道，门扇吊具走轮系统，同步皮带（有的厂家使用三角皮 带），自动感应门下部导向系统：是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。大体分为 6 部分如下图 4-1。图 4-1 系统硬件结构图4.1 自动感应门的基本工作原理首先，平移式自动感应门由以下部件组成：（1）主控器：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，如同人的眼睛，当有移动物体进入 它的 工作范围时，它就给主控器一个脉冲信号。（3）无刷直流电动机：提供开门与关门的主动力，控制自动感应门的速度。（4）自动感应门扇行进轨道：就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统， 使其按特定的方向行进。（5）门扇吊具走轮系统：用于吊挂活动门扇，同时在动力的牵引下带动门 扇运行。（6）同步皮带：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 在运行时出现门体摆动。自动感应门门扇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，同时监控马达转 数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做 出正向运行，将动力传给同步皮带，再由同步带将动力传给吊具系统使自动感应 门门扇开启；自动感应门门扇开启后由控制器做出判断，若需关闭自动感应门， 通知马达做相反运动，关闭自动感应门。4.2 感应器件的选型根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动控制系统中，是自动门 系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，如在高档酒店、 写字楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人 路过的地方，选择窄区域的感应器。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，微波感应器是以微波多普勒原理为基础， 平面型天线作感应系统，以微处理器作控制。整机关键元器件均为进口器件，方 案设计选择器件均确保了产品可靠性。微波感应器是以 10.525GHz 微波频率发射、接收。其探测方式具体如下优 点：（1）非接触探测。（2）不受温度、湿度、噪音。本设计选用红外感应器。红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人 员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢4.3限位开关的概述限位开关又称行程开关，可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等， 简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物 时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开 关接点开、合状态的改变去控制电路和机。限位开关是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其 触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被 用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向 运动、变速运动或自动往返运动等。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。限位开关结构如图4-2所示图4-2限位开关结构图4.4 PLC的选择在PLC系统设计时，首先要确定控制方案，下一步的工作就是PLC工程设 计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此工程设计选型 和估算时，应该详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确 定所要的操作和动作，然后根据控制要求，估计输入输出点数、所需存储器的容 量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和 设计相应的控制系统。4.4.1输入输出（I/O）点数的估算I/O点数的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%到20%的可扩展。留有余量后，就作为输入输出点数估算数据。在实际订货时，还需要根据制造厂商 PLC 的产品特点对输入输出点数进行圆整。根据 估算的方法本设计的I/O点数为输入12点，输出12点。4.4.2 存储器容量的选择存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存 储器中用户应用项目实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在 设计阶段，由于用户的程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须 在程序调试之后在知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存 储器容量估算来代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中 给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15倍，加上模拟I/O 点数的 100 倍，以此为内存的字数（16 位为一字），另外再按次数的 25考虑余 量。因此，本设计的 PLC 内存容量选择应能存储索要储存的程序，这样才能在 以后的改造过程中有足够的空间。4.4.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速 度等性能的选择。 根据本设计的要求，主要由以下几种功能的选择。（1）控制功能 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，在大多数场合常采用 单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元 完成所需要的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。（2）编程功能 离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编 程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后， 编程器切换到运行模式，CPU对现场进行控制，不能进行编程。在线编程方式： CPU和编程器都有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内 与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，在下一个 扫描周期里，主机就根据新收到程序运行。这种方式成本高，但系统调试和操作 方便，在大型PLC中常采用。编程软件应该带有五种标准化的编程语言：顺序 功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）、语言表（IL）、和结构文本（ST）。选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123）,同时，也应支持多种语言 编程方式，如C语言，Basic语言等，以满足特殊控制场合的控制要求。（3）诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断是通过 硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置。软件诊断分内诊断和外诊断，通过软件对 PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU外部输入输 出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对 操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间9。4.4.4 机型的选择（1）PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型，按应用环境分为现场 安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型的 PLC 的 I/O 点数是固定的，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统的I/O点数，功 能扩展方面灵活，一般用于大中型控制系统。（2）经济角度的考虑 在选择PLC时，应该考虑其性能价格比。考虑经济 时，也应该同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素。进行比较 和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接的影响，当点数 增加到一定数值后，相应的存储器容量也应增加。因此，点数的增加对PLC选 用、存储器容量、控制功能范围等选择都有一定的影响。所以，在估算和选用时 应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本设计的自动门属于小型 控制系统，结合经济性的考虑，选用整体型 PLC。4.4.5 对 PLC 响应时间的要求对于多数场合，PLC的相应时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输入 滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC的工作方式决定了它不能接受频率过 高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度 高的 PLC 或快速响应模块和中断输入模块。综合以上因素，本课题的设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC 来实现整个系统的控制。4.4.6 自动门系统 I/O 地址的分配情况输入/输出信号在PLC接线端子的地址分配是进行PLC控制系统设计基础。 对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线 来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根 据线路图来安装控制柜。I/O地址分配是编写PLC程序首先要做的前提条件，也 是现成接线和调试的重要依据。PLC控制系统的I/O地址分配如下表4-3：表 4-3 I/O 地址分配表I0.1门外光检测电开 关I0.2门内光检测电开 关I0.3开门限位电开 关10.4关门限位电开关10.5过载保护开关10.6紧急停车开关10.7启动停止I1.0手动开门I1.1手动关门Q0.0开门Q0.1关门Q0.2故障报警4.5 自动门控制器的操作（1）门体开关手动控制：接通电源后,控制器数显窗口中间应显示“一”， 此时为控制器的待机状态。控制器面板上的四个按键分别是“关门”、“停止”、“开门”、“报警”。按下“开门”或“关门”键时，显窗口应分别显示“H” 或“E”。此时门机拖动门体运动，控制器此时并有低频讯响声发出。门体在运 动时，当限位开关起作用或自动延时动作，门体自动停止运动，此时低频讯响声 自动停止发声。由开门到关门，或有关们到开门转换时，必须按动停止键方可进 行转换。（2）门体开关遥控控制： 遥控器的“A”键对应手动开关的“开门”， “B”键对应手动开关的“停止”，“C”键对应手动开关的“关门”，“D”键对应手动开关的“报警”功能。使用时，按下遥控器相应的功能键约1 0.5S 时门体将按照既定功能运动或停止，其操作过程同手动控制。遥控器的控制距离 与现场的电磁场强弱、遥控发射器的电池电压、气候的变化等因素有一定影响， 这是正常现象，使用拉杆天线可适当增加控制距离。（3）报警功能设置： 按动手动控制的“报警”或遥控器的“D”键可以 设置报警状态。该键为重复键，即报警的设置和解除交替产生。当报警状态为设 置时，窗口显示“日”。当报警状态为解除时，窗口显示为“一”。当报警出现 时，控制器将有高频声讯信号发出。当门体启动（开关）时，报警状态自动解除。 门体运动时，仍可设置报警，但报警功能处于暂停状态，当门体运动停止时，报 警状态自动恢复。4.6自动门电机的概述电机按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。本设计应用的是直流电机，因为他的可调速性。通过电机轴上嵌入一个同步 轮，拉动同步带，靠皮带将里传输到门上，并把旋转运动转化为直线运动。第五章 自动门的软件系统设计5.1 工作流程图自动门其工作流程如图5-1 所示5.2 PLC的编程语言编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1. 图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图 法、时序流程图法和步进顺控法。（1）梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统 的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地 把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来 说，是最方便的一种编程方法。（2）功能块图法功能块图是另外一种图形式的 PLC 编程语言。它使用像电子电路中的各种 门电路，加上输入、输出，通过一定的逻辑连接方式来完成控制逻辑，它也可以 把函数和功能块连接到电路中，完成各种复杂的功能和计算。（3）顺序功能图法 顺序功能图法是一种真正的图形化的编程方法。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，特别适合在复杂的顺序控制系统中使用。在顺序 功能图中，最重要的三个元素是状态、和状态相关的动作、转移。（4）结构化文本法结构化文本是一种用于 PLC 的结构化方式编程的语言。相信结构化文本可 以编制出非常复杂的数据处理或逻辑控制程序。（5）指令表指令表也是一种比较早的 PLC 的编程语言，它使用一些逻辑和功能指令的 缩略语来表示相应的指令功能，类似于计算机中的助记符语言，是用一个或几个 容易记忆的字符来代表 PLC 的某种操作功能，按照一定的语法和句法编写出一 行一行的程序，来实现所要求的控制任务的逻辑关系或运算4。2. 经验法编程 经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己 工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的 情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。3. 计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7Micro/WIN）在计算 机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可 以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、 加密以及形成EXE文件。5.3 编程软件 STEP7-Micro/WIN 概述STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司 专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程 序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子S7-200用户不 可缺少的开发工具。以 STEP7-Micro/W IN 创建程序，为接通 STEP 7-Micro/W IN,可双击 STEP 7-Micro/WIN图标，或选择开始（Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 4.0 菜单命令。如图5.2所示，STEP 7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序 的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示 或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7-Micro/WIN 的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将 单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑 器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临 时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显 示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换15。STEP 7-Micro/W IN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、 语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任 何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯 形图（LAD）编程语言11。操作主界面如图5-2所示。图5-2编程软件STEP7-Micro/WIN主界面5.4 PLC梯形图概述梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控 制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为 熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应 用12梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；(3) 与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流(Power Flow)不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用 时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为 PLC 的第一编程语言。梯形 图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人 员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设 计称为编程。5.5 PLC 梯形图的设计原则(1) 每个继电器的线圈和它的触点均用同一个编号，每个元件的触点使用 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) 线圈不能直接接在左边母线上。(4) 在一个程序中，同一编号的线圈只能输出一次。(5) 在梯形体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13。5.6 PLC 功能指令概述一般的逻辑控制系统用软继电器、定时器和计数器及基本指令就可以实现。利用功能指令可以开发出更复杂的控制系统，以致构成网络控制系统。功能指令 的丰富程度及其合用的方便程度是衡量PLC性能的一个重要指标。S7-200 的功能指令很丰富，大致包括这几方面：算数与逻辑运算、传送、移 位与循环移位、程序流控制、数据表处理、PID指令、数据格式变换、高速处理、 通信以及实时时钟等。功能指令的助记符与汇编语言相似，略懂计算机知识的人学习起来也不会有 太大困难。但S7-200系列PLC功能指令毕竟太多，一般学者不必准确记忆其详 尽用法，需要时可查阅产品手册。5.7 梯形图以及指令5.7.1 梯形图I/O地址分配是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现成接线和调试的 重要依据。PLC控制系统的I/O地址分配如下表5-1：表5-1 I/O地址分配rje口HiVSymbolAddress门外光电检测开并10.12门内光电检测并关I0.234开门限位开关I0.3羔门限位开关I0.45E7过载保护开关I0.5急停开关I0.E启动开去I0.78手动开门11.09手动关门11.110开门Q0.011关门Q0.112报警Q0.213根据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：门外光电检测开“报雲启动开关开门限位开关4开门）SymbolAddressComment报警Q0.2开门Q0.0开门限位并关10.3门内光电检测开关10.2门外光电检 aw矣10.1启动开关10.7手动开门11.0Network 2Sy