自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 解泓立 學(xué) 號： 200848050315 班級： 機(jī)制 F0908 指導(dǎo)教師： ****宗才 2011 年 12 月 08 日 1 內(nèi)容摘要 在當(dāng)今社會自動門的應(yīng)用也越來越廣泛。它現(xiàn)在為許多賓館、超市、百貨大樓等現(xiàn)代建筑所使用，不僅可以美化出入口環(huán)境，而且具有節(jié)能、防塵、隔音等功能，同時也是建筑物智能化的重要指標(biāo)。本課程設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)是利用 PLC 為核心來控制實 PLC現(xiàn)的其電路結(jié)構(gòu)簡單程序運(yùn)行可靠性高。 程序用梯形圖語言設(shè)計完成并采用模擬仿真軟件測試 PLC 控制系統(tǒng)。本設(shè)計方案可靠性高在設(shè)計必要設(shè)計要求上又做了一定的功能加強(qiáng)，比如增加手動開關(guān)門功能，和禁止開關(guān)門功能使該自動門系統(tǒng)更加強(qiáng)大。 關(guān)鍵字：PLC；控制；自動門 1 目 錄第1章 引 言 ...................................................................................................... 1第 2 章 PLC 概述 ..................................................................................................... 2 2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 ................................................................................................ 2 2.2 控制系統(tǒng)流程圖 .......................................................... 錯誤！未定義書簽。 2.3 自動門配置及組成原理 .............................................. 錯誤！未定義書簽。 2.4 PLC 接線圖 .................................................................. 錯誤！未定義書簽。 2.4 程序梯形圖 ................................................................. 錯誤！未定義書簽。第 3 章 自動門介紹 ............................................................. 錯誤！未定義書簽。第 4 章 總體方案設(shè)計......................................................... 錯誤！未定義書簽。第五章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 ................................................ 錯誤！未定義書簽。致謝 ............................................................................................ 錯誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn) .................................................................................. 錯誤！未定義書簽。 1 第1章 引 言 這次課程設(shè)計是畢業(yè)前**一次課程設(shè)計，也是我們機(jī)電方向****的一次機(jī)電綜合課程設(shè)計，通過這次設(shè)計，將所學(xué)的東西融會貫通，系統(tǒng)的為畢業(yè)設(shè)計做一次練習(xí)。這此設(shè)計是以西門子 S7-200 為主要載體，結(jié)合與之相應(yīng)的 STEP7—Micro/WIN32 編程軟件和模擬仿真軟件來對自動門的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 自動門控制系統(tǒng)利用了西門子 S7-200 系列 PLC，對光電開關(guān)、限位開關(guān)、電動機(jī)正反轉(zhuǎn)等其他一些輸入/輸出進(jìn)行控制實現(xiàn)了門開關(guān)過程的自動化。 本控制系統(tǒng)的硬件組成有：西門子 S7-200（222）、門內(nèi)光電探測開關(guān) K1、門外光電探測開關(guān) K2、開門到位限位開關(guān) K3、關(guān)門到限位開關(guān) K4、開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1（使直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)）、關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM2（使直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)）直流電動機(jī)等相關(guān)部件。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求自動門控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下控制要求：當(dāng)有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關(guān) K1 或 K2 時，開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1 動作，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，到達(dá)開門限位開關(guān) K3 位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。自動門在開門位置停留 8 秒后，自動進(jìn)入關(guān)門過程，關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM2 被起動，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)門移動到關(guān)門限位開關(guān) K4 位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。在關(guān)門過程中，當(dāng)有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關(guān) K2或 K1 時，應(yīng)立即停止關(guān)門，并自動進(jìn)入開門程序。在門打開后的 8 秒等待時間內(nèi)，若有人員由外至內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關(guān) K2 或 K1 時，**重新開始等待 8 秒后，再自動進(jìn)入關(guān)門過程。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求結(jié)合本程序?qū)嶋H情況選用西門子 S7-200（222）做為該系統(tǒng)的控制核心。除滿足上述基本要求外，考慮到自動門使用中的一些實際情況特別在系統(tǒng)中添加了手動開關(guān)門功能和門禁功能。 1 第2章 PLC 概述 PLC 可編程序控制器：PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller 中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或過程。 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司的這種要求，研制成功了**上**臺可編程控制器，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，取得很好的效果。從此這項技術(shù)迅速發(fā)展起來。 可編程邏輯控制器（PLC）具有以下鮮明的特點(diǎn)： 1.系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，以開關(guān)量控制為其特長；也能進(jìn)行連續(xù)過程的 PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如 DDC 和 DCS 等，實現(xiàn)過程的綜合自動化。 2.使用方便，編程簡單，采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。 3.能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他各種機(jī)型。 2 第 3 章 自動門的介紹 3.1 自動門概述 自動門 英文名：automatic door。自動門從理論上理解應(yīng)該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。自動門是指：可以將人接近門的動作（或?qū)⒛撤N入門授權(quán)）識別為開門信號的控制單元，通過驅(qū)動系統(tǒng)將門開啟在人離開后再將門自動關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀(jì)年以后。二十年代后期，美國的超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，****自動門品牌多瑪在 1945 年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，新建大樓的正門也開始使用了。到了 1962 年，電氣式己開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設(shè)，自動門技術(shù)的領(lǐng)域每年都在增加。當(dāng)初，用供給建筑物用電源進(jìn)行電動機(jī)的速度控制很難，只好進(jìn)行油壓、空壓速度控制，轉(zhuǎn)換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟，直接控制電動機(jī)的電氣式自動門逐漸成為主流。例如：各種用可識別控制的自動專用門，如：感應(yīng)自動門紅外感應(yīng)微波感應(yīng)觸摸感應(yīng)腳踏感應(yīng)、刷卡自動門等。常用的自動門可分為推拉門、平開門、折疊門和旋轉(zhuǎn)門。 3.2 自動門的組成 以平移自動門感應(yīng)門為例來介紹自動門的組成如下： 1.主控制器：它是自動感應(yīng)門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮馬達(dá)或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調(diào)節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。 2．感應(yīng)探測器：負(fù)責(zé)采集外部信號，如同人們的眼睛，當(dāng)有移動的物體進(jìn)入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號。 3.動力馬達(dá)：提供開門與關(guān)門的主動力，控制自動感應(yīng)門門扇加速與減速運(yùn)行。 4.自動感應(yīng)門扇行進(jìn)軌道：就象火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其 按特定方向行進(jìn)。 5.門扇吊具走輪系統(tǒng):用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運(yùn)行。 6.同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶）：用于傳輸馬達(dá)所產(chǎn)動力，牽引自動感應(yīng)門扇吊具走輪系統(tǒng)。 7.下部導(dǎo)向系統(tǒng)：是自動感應(yīng)門門扇下部的導(dǎo)向與定位裝置，防止門扇在運(yùn)行時出現(xiàn)前后門體擺動。 8.當(dāng)自動感應(yīng)門門扇要完成一次開門與關(guān)門，其工作流程如下： 感應(yīng)探測器探測到有人進(jìn)入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達(dá)運(yùn)行，同時監(jiān)控馬達(dá) 3轉(zhuǎn)數(shù)，以便通知馬達(dá)在一定時候加力和進(jìn)入慢行運(yùn)行。馬達(dá)擁有一定運(yùn)行電流后做正向運(yùn)行，將動力傳給同步帶，再由同步帶將動力傳給吊具系統(tǒng)使自動感應(yīng)門扇開啟；自動感應(yīng)門扇開啟后由控制器作出判斷，如需關(guān)自動感應(yīng)門，通知馬達(dá)作反向運(yùn)動，關(guān)閉自動感應(yīng)門扇。 3.3 自動門行程開關(guān)的工作原理 行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實際中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于機(jī)械運(yùn)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。 3.4 自動門光電開關(guān)介紹 3.4.1.工作原理。 光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。 3.4.2．光電開關(guān)的分類及術(shù)語解釋 1.光電開關(guān)分類 1）漫反射式光電開關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是**的檢測模式。 2）鏡反射式光電開關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。 3）對射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是*可靠的檢測裝置。 4）槽式光電開關(guān)：它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的 U 字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于 U 型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過 U 型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān) 4就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運(yùn)動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體使用**可靠。 5）光纖式光電開關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠(yuǎn)的被檢測物體進(jìn)行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。 2．術(shù)語解釋 1）檢測距離：是指檢測體按一定方式移動，當(dāng)開關(guān)動作時測得的基準(zhǔn)位置（光電開關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測面的空間距離。額定動作距離指接近開關(guān)動作距離的標(biāo)稱值。 2）回差距離：動作距離與復(fù)位距離之間的**值。 3）響應(yīng)頻率：在規(guī)定的 1s 的時間間隔內(nèi)，允許光電開關(guān)動作循環(huán)的次數(shù)。 4）輸出狀態(tài)：分常開和常閉。當(dāng)無檢測物體時，常開型的光電開關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測到物體時，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 5）檢測方式：根據(jù)光電開關(guān)在檢測物體時發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等。 6）輸出形式：分 NPN 二線、NPN 三線、NPN 四線、PNP 二線、PNP 三線、PNP四線、AC 二線、AC 五線（自帶繼電器），及直流 NPN/PNP/常開/常閉多功能等幾種常用的輸出形式。 5 第 4 章 總體方案設(shè)計 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求結(jié)合實際情況確定系統(tǒng)總體方案為：脈沖信號由光電開關(guān)、限位開關(guān)產(chǎn)生的，信號輸入到 PLC，經(jīng)過 PLC 的分配，然后去控制直流電動機(jī)去控制負(fù)載，從而使得自動門進(jìn)行正常工作。如圖 2-1 為自動門控制的總體設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖 信 信 直 負(fù) 號 號 流 脈 分 電 載 沖 配 動 機(jī) 圖 2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 自動門控制系統(tǒng)中，PLC 主要完成以下功能： 1．檢測功能： （1）檢測門處于關(guān)閉狀態(tài)時是否有人靠近或者離開：開門。 （2）檢測門是否完全開開：停止開門。 （3）檢測門保持打開狀態(tài)時是否有人靠近或通過：繼續(xù)保持開門狀態(tài)。 （4）檢測關(guān)門過程中是否有人靠近或通過：停止關(guān)門，執(zhí)行開門。 2. 控制功能： （1）控制開門、關(guān)門動作。 （2）控制保持門開狀態(tài)時間 8s。 （3）手動開關(guān)門及門禁功能。 6 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 5.1 系統(tǒng)主電路 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，自動門控制系統(tǒng)的主電路需要實現(xiàn)門的開關(guān)。主電路需要的元器件有：直流電動機(jī)、組合開關(guān)、接觸器、熔斷器、熱繼電器。 各元器件功能為：電動機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動門實現(xiàn)開關(guān)動作，組合開關(guān)為電源引入，采用熔斷器用作短路保護(hù)，用接觸器作為欠壓和零壓保護(hù)，用熱繼電器作為過載保護(hù)。電路如圖 3-1。 圖 3-1 主電路圖 5.2 控制流程圖 根據(jù)設(shè)計要求控制過程應(yīng)為： 打開門禁開關(guān) QS。當(dāng)有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關(guān) K1 或 K2 或者按下開門按 SB0 時，開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1 動作，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。到達(dá)開門限位開關(guān) K3 位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。自動門在開門位置停留 8 秒后或有人按下關(guān)門按鈕 SB1，自動進(jìn)入關(guān)門過程，關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM2 被起動，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)門移動到關(guān)門限位開關(guān) K4 位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。在關(guān)門過程中，當(dāng)有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關(guān) K2或 K1 時，應(yīng)立即停止關(guān)門，并自動進(jìn)入開門程序。在門打開后的 8 秒等待時間內(nèi)。若有人員由外至內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關(guān) K2 或 K1 時，**重新開始等待 8 秒后，再自動進(jìn)入關(guān)門過程。若把門禁開關(guān) QS0 關(guān)閉則門不能打開。 根據(jù)控制要求設(shè)計控制系統(tǒng)流程圖，如圖 2-2。 7 開始 打開開關(guān) 否 手動開門 K1K2 是否有信號？ 是 開門 否 是否到 K3 限位開關(guān)？ 是 停止開門 保持開門 8 秒、K1K2 否手動關(guān)門 是否有信號？ 是 關(guān)門 是 K2 K1、 是否有信號？ 否 關(guān)門 否 是否到 K4 限位開關(guān)？ 是 停止 圖 5.1 自動門控制系統(tǒng)流程 8 5.3 控制系統(tǒng)硬件組成 自動門控制裝置由門內(nèi)光電探測開關(guān) K1、門外光電探測開關(guān) K2、開門到位限位開關(guān) K3、關(guān)門到限位開關(guān) K4、開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1（使電動機(jī)正轉(zhuǎn)）、關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)KM2（使電動機(jī)反轉(zhuǎn)）、門禁開關(guān) QS0、手動開門開關(guān) SB0、手動關(guān)門開關(guān) SB1 等部件組成。 5.4 確定 I/O 點(diǎn)數(shù) 在該控制系統(tǒng)中，輸入信號有：門外光檢測電開關(guān) K1 信號、門內(nèi)光檢測電開關(guān) K2信號、開門限位電開關(guān) K3 信號、關(guān)門限位電開關(guān) K4 信號、啟停按鈕 QS0 信號、手動開門 SB0 信號；手動關(guān)門 SB1 信號。輸出信號有：開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1 信號、關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM2 信號。 5.5 PLC 的選型 目前國內(nèi)應(yīng)用較廣的 PLC 有三菱、西門子等。綜合經(jīng)濟(jì)、**、有效等因素本設(shè)計選用西門子 PLC。 經(jīng)分析該 PLC 控制系統(tǒng)需要 7 個輸入，兩個輸出。由該控制系統(tǒng)控制規(guī)模不大，控制程序比較簡單綜合控制規(guī)模、內(nèi)存大小、功能要求、價格等因素確定選用西門子S7-200（222）。 根據(jù)西門子S7-200（222）的模塊及 I/O 接口組成確定該控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)的分配及地址編碼，如表 3-1 所示。 根據(jù) I/O 點(diǎn)的分配及地址編碼表及 S7-200（222）的特點(diǎn)做出該控制系統(tǒng)的 I/O 接線圖，如圖 3-2 所示。 表 3-1 I/O 點(diǎn)的分配及地址編碼表 控制信號 名稱 I/O 點(diǎn)地址編碼 門外光檢測電開關(guān) K1 I0.0 門內(nèi)光檢測電開關(guān) K2 I0.1 開門限位電開關(guān) K3 I0.2 輸入 關(guān)門限位電開關(guān) K4 I0.3 啟停按鈕 QS0 I0.4 手動開門 SB0 I0.5 手動關(guān)門 SB1 I0.6 開門執(zhí)行機(jī)構(gòu) KM1 Q0.0 輸出 關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu) 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 圖 3-1 自動門 PLC 的 I/O 接線圖 10 第 6 章 PLC 控制程序設(shè)計 PLC 程序常用的設(shè)計方法主要有經(jīng)驗設(shè)計法、繼電器控制電路轉(zhuǎn)化為梯形圖法、邏輯設(shè)計法、順序控制設(shè)計法等。由于本控制程序比較簡單，所以在設(shè)計時選擇了經(jīng)驗設(shè)計法。在設(shè)計過程中使用了 STEP7—Micro/WIN32 編程軟件和模擬仿真軟件S7-200sim3.0 來完成程序的設(shè)計。程序梯形圖如下圖 6-1 所示。 圖 6-1 程序梯形圖 11 圖 6-1 程序梯形圖（續(xù) 1）用 STEP7—Micro/WIN32 將梯形圖程序轉(zhuǎn)換成語句表如圖 6-2 所示。 圖 6-2 程序語句表 12圖 6-2 程序語句表（續(xù) 1） 13