基于PLC的自动门控制系统设计毕业论文

1、基于PLC的自动门控制系统设计 摘要：进入21世纪，科学技术持续进步，人们的生活水平也得到进一步的提升，智能化的发展愈加受到人们的喜欢。而门从传统的门到现在的自动门，中间经历了很长的发展历程。现在自动门已经成为评定建筑智能化的标准，它也正在朝着高度现代化方面发展。PLC作为控制器，以其受外界干扰小，普遍性高的特点，在各个行业被普遍运用。本次设计以S7-200PLC作为逻辑控制器，旨在给人们生活带来便捷、方便。设计采用STEP7编程软件进行程序的编写，最后用组态王进行画面的仿真调试。关键词：自动门；PLC；智能化Design of automatic door control system ba

2、sed on PLCAbstract: Entering the 21st century, continuous progress of science and technology, peoples living standards further improved, the development of intelligent people like. From traditional to present automatic doors in the Middle has gone through a long process of development. Automatic doo

3、r now has become an evaluation standard of intelligent building, it is also highly modern development. PLC controller, with its little outside interference, General characteristics of high, are widely used in various industries. S7-200PLC logic controllers of this design, aims to give peoples lives

4、easier, and more convenient. Design program using STEP7 programming software is written using kingview image simulation debugging.Keywords: automation; PLC; Intellectualization1绪论1.1课题背景及研究的意义在我国，从古至今，门作为人类文明的产物，都是以普通形式的门存在。而在150年前，伴随着社会的进步，愈来愈多的人追求方便快捷的生活，便捷方便的自动门悄然兴起。自动门起源于150年前的欧美地区，凭借其可靠性强、安全性好、

5、运行流畅等特点迅速在各大商场、酒店、机场、医院等范围蔓延开来，不仅装饰了建筑，也极大的改善人民的生活。自动门从理论来说就是普通门的提升，普通门的改善1。在较早的时候，主要以继电逻辑器做自动门的控制系统，由于其体积大，难安装和难维修，所以正在逐渐被裁减。随着现代社会的进步，环保、节约已经成为现代社会必不可少的谈论的话题，而在环保节约的同时，更要考虑现在生活快节奏带给人们生活的压力，而在各种人流密集场所使用便捷的自动门也是必不可少的。由于PLC所占的空间不大，功率能耗很小，所以控制器使用的是S7-200系列的PLC，可以在很大程度上节约能源。控制器采用PLC装置，大幅度增强了自动门的可靠性，也提高

6、了自动门的使用效率，节约成本，保护环境。在自动门行业中用PLC做控制器，致使自动化系统的设计飞速发展，同时使得PLC在自动化行业的应用中有很大的研究价值2。1.2自动门的现状及发展趋势我国引入自动门是在20世纪70年代，并迅速占领了各大酒店、超市、医院、银行等人流密集区域。它的出现既美化了环境，也节约了能源，同时也成为了衡量一个建筑物现代化水平的重要指标。我国自动门基本上是从国外进口的，其性能优良。自动门产品的功能多种多样，性能也比较可靠，但是在价格方面不占优势，比较昂贵，而且操作也比较复杂3。从中国目前的市场来看，自动门在经济水平较高的地区应用比较广泛，在内陆应用较少，但是自动门产品应用范围

7、依然在扩大，也逐渐走向内陆地区。现在自动门的控制器多采用可编程控制器（Programmable logic Controller）。它是逻辑控制器，用来执行各种运算，而这些运算都是在其内部进行执行的2。它具有操作性好、受外界影响小、维修改造容易、质量轻、所占空间小以及能量消耗低的优点，渐渐地在工业生产中运用较为普遍4。2.自动门整体系统的设计2.1 自动门功能分析本次设计主要面向各大商场、超市、酒店、医院等人流密集的公共场所，因此本次设计应该有安全方面和可靠方面的考虑，考虑各种因素，自动门应实现以下功能：（1）手动控制方式和自动控制方式应在自动门系统中凸显出来出于安全性和维护方面考虑，应该设置

8、手动开关门的方式。为了方便维修，应该有手动控制开关门的方式和自动控制开关门的方式。当信号采集装置检测到信号区域有人或物体时，PLC执行自动开门动作，当检测区域无人时，进行自动关门动作。（2）紧急停止自动门在工作中出现异常情况，停止按键被触动，自动门即停止工作，以防止意外情况的发生。2.2自动门控制要求（1）当人处于感应区内，装置感应到信号，电机进行正向转动，处于开门状态。开门限位开关被触碰到，则动作停止。（2）门开至最大后开始延时，10S后电机进行反向转动，处于关门状态，当门接触到关门的限位开关时，则动作停止。（3）关门动作时，感应装置再次感应到信号，应该马上终止关闭，并且马上开门。（4）再次

9、开门直到最大限度触碰开门限位开关，计时10S需从新开始，计时结束后进行关门。（5）自动门调至手动控制时，能够进行手动开门至最大限度，接触到开门的限位开关后停止动作。手动控制门关闭至最小状态直到接触负责门关闭的限位按钮，门终止运动。（6）自动门在工作中出现异常情况，停止按键被触动，自动门即停止工作，以防止意外情况的发生。2.3 自动门原理本设计的构成包括门体、感应器件、PLC、驱动电机、传动皮带。当人或物体处于感应区时，感应器件会产生相应的信号传递给PLC，通过程序来控制驱动装置动作，而自动门要想工作必须经驱动装置作用于传动装置，进而控制门的运行。自动门示意图如图1所示。图1 自动门示意图自动门

10、的原理组成如图2所示。图2 自动门原理图3自动门控制系统的硬件设计本次设计系统的硬件主要包括电机装置，它是做开关门的动力装置，来驱动门的运行；感应装置是传感器，感应来人信号，控制装置接收传感器的信号，由控制装置做逻辑控制；传动装置，是用来连接电机与自动门的装置，电机经过传动装置来控制自动门的开关；最重要的就是逻辑控制部分PLC，作为开光门的控制部分。这些器件及选型将在下面详细做介绍。3.1 PLC概述及选型3.1.1PLC概述由于自动智能化设备的不断升级，在工业生产领域不断提高，所以控制装置也不断升级，而PLC作为新型控制器的代表，在工业控制中占有举足轻重的位置5。PLC运用计算机进行系统内部

11、的运算，运用通信技术进行PLC与其他硬件或软件的通信，运用自动化技术来进行PLC与设备之间的自动控制。工业中运用PLC，增强了工业方面生产的自动化能力，它也成为评定自动化标准的主要指标。由于它的使用很是广泛，被誉为“蓝领计算机”6。PLC是在工业背景下产生的，它的产生带动了工业的飞速发展，其拥有几个很突出的特点78。如下。（1）很高的可靠性，不受外界影响要想完成对逻辑的顺序的控制和时序的控制，程序是必不可少的，以前的继电器硬件部分的线路被很大程度代替，机械触点的个数和连线的多少也极大的减削。从这一角度而言，显然PLC比继电接触器更可靠。PLC在抗外部影响方面，结构的设计方面、系统内部的电路集成

12、方面、系统的程序集成方面都考虑的比较全面。（2）有较强的灵活性，拥有良好的柔性的控制系统当在生产过程中，工艺进行调整改动时，仅仅改动PLC程序或者外围电路就能满足要求。（3）所占空间小、能量消耗不高PLC基本功能是完成逻辑管控，极大的减少继电器个数和定时器个数。与两三个继电器大小相差不多，所有很大程度上减少了能量的消耗。正是PLC这些优点，使得PLC广泛应用于各种场合。3.1.2 PLC的基本结构PLC在硬件方面有主机、负责内外交互的I/O扩展口、连接PLC的外部设备构成，具体如图3所示，总线连接是各部分连接的主要方式。主机的构成主要有中央处理器（CPU）、保存数据的存储器、PLC内部与外部连

13、接的电路、连接外部设备的接口、提供电能的电源9。其内部结构如图3所示。图3 PLC内部结构图1.中央处理单元（CPU） PLC的主要部分就是CPU，而构成CPU的是集成芯片，它也是PLC运算中心和控制中心10。它功能包括以下几部分：（1）场状态是由输入/输出通道读入的；（2）用户和系统的程序都是通过CPU来执行的；（3）各种运算都是通过CPU来执行的；（4）CPU可以协调内部工作，控制外部通讯；2.存储器在PLC中，存储器是用来保存程序数据，它包括了用户数据单元，它是由只能读数据的ROM和既能读有能写的RAM构成。（1）只读存储器（ROM）在应用时仅仅可以读取数据，这样的叫做ROM，它只能读数

14、据，不能写数据，在断电后数据不会消失10。（2）随机读写存储器（RAM）在应用时不仅能读数据，也能写数据，这样的叫做RAM，当它断电后其内容不会保存。3.I/O模块PLC是一种专门用于工业生产的控制器，是由其CPU进行控制，通过I/O模块与外部软硬件联系，可以说I/O模块起到了桥梁的作用。采集输入端传送的信息是由输入模块来完成的，输入端传送的信息分为两大类，分别是以开关信号为代表的开关量和模拟信号为代表的模拟量。输入模块的另一个作用就是信号的转换。而PLC实现对设备的控制是通过输出端传出的信号来完成的，输出信号是程序在PLC中处理后所得到的信号11。因为与I/O模块相连的是生产过程中的信号，因

15、此就要求它能够有很好的信号适应力、抗干扰力和高的可靠性。所以输入模块电路就要有电平转换、光电分离和阻容滤波、去抖动和浪涌保护；输出模块要有光电隔离和阻容滤波、输出保护等电路与之相对应。4.外部设备及接口编程器和图形终端是最常用的PLC的外部设备，其接口一般有通用接口和专用接口两种。通用接口即标准接口，如RS-232、RS-422或RS-485等。PLC生产商有自己的标准接口，这种接口就是专用的接口。5.电源电源在各种系统中都起着不可替代的作用，它给PLC内部供电，才能使的PLC正常工作。多数小型微型的PLC和部分中型的PLC的电源还同时向外提供隔离直流电源12。开关电源目前作为它的主要选型，它

16、的特点是输入电压的界限比较宽、重量轻、体积小、受外界影响小。3.1.3 PLC选型S7-200的PLC由于其所占空间较小，被广泛应用检测，监测以及各种控制的场所。这种PLC的优点在于其无论是在独立系统还是组网运行的系统中，都能方便高效的运行，S7-200型PLC要比其他PLC性价比高很多。其CPU有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型，而且它们的中央处理器都是32位的，不同的CPU会有不同的参参数，本次系统选用的是S7-200系列的CPU222型号。它本身有8个输入点来配置数字量，6个点来配置输出量，RS485通信口1个，2个可以扩展的口，并可以进行连接，存储空间6K字

17、节等。3.2 电动机的选择自动门能够正常运行主要靠驱动装置，驱动装置选用直流无刷电机，直流电机的特点如下：（1）直流电机在材料方面选用的是永磁材料，使得转子的尺寸减小，从而使其惯性比较低，相应速度更加快速，转矩惯量比得以提升。（2）因为直流电机转子消耗为0，所以电机的效率大大提升，功率密度也大幅度提高。（3）直流电机转子发热也为0，所以转子不用采取降温措施。（4）交流电机机械特性曲线为非线性，不方便操作控制。无刷直流电机的工作原理是把非简单的磁场定向控制转换为离散状态的转子位置控制，不需要变换相对坐标，在调速方面，使得范围更加宽广，在控制方面，使得性能更优13。它的机械特性为线性，同时它的启动

18、转矩相对较大，在运行方面效率也比较高。它经常被应用在各种要求高的场合14。综合以上的分析，直流电机比交流电机在效率和控制性能方面有很大优势，在节能和环保方便也做了充分的考虑，使用者的成本很可以大大降低，所以本次选用的电机是亚坦公司的直流无刷电机，型号是45BLDC，其名牌参数如表1：表1电机参数3.3 传感器的选择当前本行业系统中，传感器应用最为广泛的是微波传感器和红外传感器。微波感应器能够针对运动的东西做出判断，其能很快做出判断，比较适合于运动的人或物体靠近。如果人和物体一旦静止，就不能做出反应，为保护门机，自动门关闭。而红外感应器具有一定的扫描范围，只要该范围内有人或物体，就会感应到并发出

19、信号，此感应器比较适合运用在低速运动甚至静止的人或物体上，适合检测速度低的物体。各种因素，本课题选择微波感应器作为感应装置，其可以对移动的物体做出反应。它的原理基础是多普勒原理，感应系统是用平面天线做成，控制方面则用微处理器组成，构成了微波传感器。其特点为：微波感应器是以10.525GHz微波频率发射、接收，探测方式也有非接触探测、不受温度、湿度、噪音等优点15。本次设计采用的感应装置如下表2所示。表2感应器选型3.4其他部分的设计本控制系统所用到的传动装置有控制门扇走向的导轨，吊具走轮、同步皮带。两扇门体的导轨如同火车轨道，用来控制门的走向。自动门门扇的悬挂靠吊具系统，用动力推动门运动。同步

20、皮带是起牵引作用。3.5 自动门的I/O地址分配表自动门的控制器采用S7-200,CPU222的PLC做控制器，其数字量输入点8个分别为I0.0-I0.7，数字量输出点6个分别为Q0.0-Q0.5，输入点I0.0作为手动按钮，I0.1作为自动按钮，I0.2作为开门限位，I0.3作为关门限位，I0.4作为来人检测，I0.5作为手动开门，I0.6作为手动关门，I0.7作为停止按钮。输出点只用到了两个，Q0.0作为开门，Q0.1作为关门，线圈M0.0作为组态的停止，M0.1作为开门标志，M0.2作为延时等待，M0.3作为关门标志，M0.4作为组态的感应，M0.5作为组态的开门限位，M0.6作为组态的

21、关门限位。M0.7作为自动标志，M1.0作为组态的开门，M1.1作为组态关门标志，M1.2作为手动标志。具体如表3，表4，表5所示。 表3输入端分配表表4输出端分配表表5继电器作用4.系统的程序设计4.1编程软件的介绍STEP 7-Micro/WIN是西门子PLC专用的程序编辑工具，它支持在Windows上使用，使用方面比较容易，极大方便了用户，能够解决复杂的自动化任务，它可以在IL、LAD、FBD三种语言之间随意切换。在使用这个软件时，要对PLC类型和通讯方式进行配置，软件界面分为以下几部分，如图4所示。图4 STEP 7-Micro/WIN界面图从图中可以看出，此软件的编程界面是由多组网络

22、组成的，所以编程时可以按照网络进行编程，这也使得编程变得简单易懂，且有问题时容易快速找到问题的所在，快速修改。此软件的主要功能有一下几部分：（1）在离线状态可以编写程序，也可以导入程序，并编辑修改程序。在计算机未与PLC连接的状态下也可以完成基本功能。（2）在联机状态下，可以对PLC进行操作，比如可以将PLC存储器中的数据读入电脑，可以供用户查看，编辑。也可以将电脑中的程序写入PLC中。（3）在编写程序时，就可以检验程序的对错，可以提前解决编程出现的问题。经过检查后的梯形图，会在有问题的地方自动填充波浪线，且为红色。程序经过语法检查后，在有问题的地方会有提示。（4）可以管理用户的文档，加密用户

23、的文档16。（5）可以设置PLC的工作方式、参数、运行监控等16。4.2程序设计流程首先要对PLC进行上电工作，进入初始化状态，其后才能进入正常工作。进入工作模式后，有是否手动的判断，判断为是后，进入手动控制状态，可以开门关门以及停止。判断为否时，进入自动状态，再进行有无来人的信号检测。若没有来人信号，则门不动作，若有信号传入，则执行开门动作至最大，并且启动延时，延时时间到后关门并继续判断有无来人信号。若有则又返回开门至大，循环。若没有，则关门至结束。自动门再次进入判断手自动模式，循环。流程图如图5所示。图5 程序设计流程图4.3程序设计梯形图1.手动与自动开关门动作的选择如图6所示。图6 手

24、自动选择图2.当传感器感应到来人信号时，来人光电I0.4接通，因为门一直处于关闭状态， I0.3闭合，其作用是关门限位。又由于处于自动方式，即自动标识M0.7是接通的，则自动门打开，即开门标志接通，如图7所示。图7 开门动作程序图3.当处于自动时，自动标识M0.7接通，开门标识M0.1也接通，触碰到开门限位I0.2，启动延时10S,如图8所示。图8 延时程序图4.自动门处于自动状态时，自动标志M0.7接通，关门标志M0.3也处于接通状态，而开门线圈处于未得电状态，这里使用了常闭触点，在未得电时处于闭合状态，组态关门限位同理处于闭合状态，关门限位同理，则Q0.1启动，作用是实现门的关闭。程序如图

25、9所示。图9 关门程序图5.在关门时，自动标志处于接通状态，关门标志处于接通状态，而在关门的过程中要判断是否有来人，即用来人光电M0.4检测，若有人来，即执行来门动作，若无人进入感应区域，则关门到底。程序如图10所示。图10 关门判断来人程序图5.系统的画面组态设计5.1组态王软件简介组态王（King View）是面向企业级的画面制作系统、数据库管理系统和HMI/SCADA（Human Machine Interface/Supervision Control And Data Acquisition）为主线，使用比较普遍的工业控制组态软件17。本次使用King View6.53版本做画面的设

26、计及动画的连接。其功能介绍如下： （1）工程管理器：用来新建工程、管理工程、修改已经建好的工程。（2）工程浏览器：在软件内是不可或缺的成分，它在这个软件中是集成的，并且是一套开发环境，通过该部分可以看到工程组成。（3）运行系统：是针对用户的终端界面，可以动态监控系统的运行。组态王软件的主要功能如图11所示。图11 组态功能图5.2组态画面建立5.2.1创建工程创建一个组态王工程，选择新建工程，输入保存路径及工程名称，就可以完成。如图12所示。图12 创建工程5.2.2定义硬件设备及添加工程变量1.在组态王中，逻辑设备有以下几种19：（1）DDE设备：指Windows程序，其作用是与组态王实现数

27、据的交互。（2）板卡类设备：它是在组态王内部的板卡类型的驱动18。（3）串口类设备：它是在组态王内部的串口类型的驱动18。（4）人机界面卡：指在组态上呈现的动态画面，它可以连接计算机和设备，并进行通信。（5）网络模块：指组态王和网络之间的通信模块。此次用到的为串口类设备。 建好工程后，选COM口，然后新建，可以筛选PLC类型，本次课题选用如图所示的PLC。选择好后PLC就可以定义变量，如图13所示。图13 添加硬件设备2.对设备进行选择后可以定义变量，在工程浏览器目录中，定义变量。进入工程浏览器目录，进行变量的定义。在弹出的变量框中可以修改变量名、变量类型等属性。本次设计所使用的变量类型有内存

28、离散和内存整型两种，如图13所示。定义的各种变量如图14所示图13 定义变量图14 各种变量5.2.3制作监控画面及定义动画连接进入开发系统，进行系统画面的开发，利用工具箱中的工具中图库中的图及各种按钮来进行画面设计，在画面设计完成后，其为静态画面，要将制作的画面与变量之间建立关系才能实现动态画面，这就是属性配置及动画连接。可以选择控制方式，实现开门关门的功能。5.2.4编写命令语言在组态王画面启动时，会运行程序，在组态王画面关闭时也要用程序来控制，而这个运行的程序就是来控制画面的命令语言20。在工程浏览器界面用函数进行程序的编写。此次编写的命令语言如下图15所示。图15 命令语言编写6.系统

29、的仿真及分析6.1程序仿真及分析6.1.1程序仿真1、手动状态仿真由表1可知，当处于手动状态时，I0.0处于接通状态， I0.5被触碰到，自动门打开，即在西门子PLC仿真中Q0.0灯亮。如图16所示。图16 手动开门当开门到最大限度时，会触发I0.2即开门限位，随即开门停止，如图17所示图17 触碰到开门限位触碰到开关I0.6后，门关闭，即Q0.1亮，如图18所示。图18 手动关门当门关闭到底，触碰到I0.3时，门动作终止，即Q0.1灭，如图19所示。图19 触碰到关门限位2.自动状态仿真打开自动状态开关I0.1，进入自动状态，在门关闭的状态时，I0.3是有电的，按下I0.4感应到来人信号，系

30、统就会进入门的打开状态，如图20所示。图20 检测来人信号当开门至最大限度时，碰到I0.2，自动门停止开门，随即进入定时模式，10S后执行关门动作，如图21所示。图21 延时10S关闭在执行开门的过程中，检测到有人进入，即I0.4再次闭合，会进入开门模式，并开门至最大，触碰到开门限位开关I0.2，并重新计时后关门，如图22所示。图22 关门过程中有来人信号若关门过程中没有检测到来人信号，则自动门一直关门到结束，接触到限位开关即终止工作，如图23所示。图23 关门无来人6.1.2程序仿真分析程序仿真时，要先在仿真软件中选择PLC的CPU型号，然后将程序载入PLC中，它是通过输入端I0.0-I0.

31、7来控制自动门实现各种动作功能，控制输出端Q0.0-Q0.1灯显示，即自动门开关门。仿真时要注意各种状态下开关限位开关的状态，此次仿真有两种控制方式，手动和自动。手动状态的仿真实现了用手控制开关门，而自动状态则实现了来人信号的检测、开门、延时、关门等一系列的动作。自动状态下的仿真较为复杂，各限位开关的状态容易出错，所以在仿真过程中要细心，要仔细，尽量减少错误的发生。此次仿真自动门的各种需求均已实现。6.2组态王画面仿真及分析6.2.1画面仿真1、手动状态将组态王调制系统运行界面，将手自动开关调制手动挡，按下开门开关，可以实现开门至最大状态，如图24所示。图24 组态王手动开门按下手动控制台的关

32、门开关，门关闭，如图25所示。图25 组态王手动关门2、自动状态将开关调制自动状态，自动控制台的指示灯变为绿色，手动控制台的指示灯变为红色，按下来人检测信号按钮，可以实现自动门的开门，如图26所示。图26 组态王自动开门当自动门开门至最大时，延时10S门关闭，关门指示灯变为绿色。如图27所示。图27 组态王延时关闭6.2.2画面仿真分析组态王画面系统也做了手动和自动两种控制方式，当开关调制手动控制时，即为手动控制方式，点击手动控制台的开门或关门实现了自动门的状态的改变。当调制自动状态时，有来人信号检测、开门、延时、关门等一系列的动作，在画面中这些动作都一一实现了，利用组态制作的画面，使其显示的更加清晰。这次仿真通过动态画面，展示了要实现的需求。7总结与体会本次设计采用S7-200PLC做控制系统，根据人流的动作可以实现自动门的动作。在PLC中输出端只用到了Q0.0和Q0.1，两个输出口即可满足所有需求，极大节约了成本。系统中由传感器来检测是否有人，并将信号传送至PLC来进行门的动作，此动作都是由程序来进行控制的。同时系统也设置了紧急停止的操作方式，防止意外的发生。在本次的设计中，系统所有的需求全部实现。但是系统也有不足之处，在节能环保方面考虑不周，在自动门的开关速度以及开光方式上考