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原稿 基于 plc 自动门 控制系统 设计 任务书 机械 毕业论文 cad+ 程序

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1毕业设计（论文）2016 / 2017 学 年自动化 专业设计（论文）题目 基于 PLC 的自动门控制系统设计 学生姓名 XX 学号 XXXXX 起讫日期 2017.2.14-2016.6.4 设计地点 XX 大学 指导教师 XX 辅导教师 教研室主任 2摘 要伴随着自动控制理论的快速的发展，PLC 在工业领域的应用也得到了长足的发展。它是以不同厂家生产的硬件 PLC 为程序载体，进行数据采集和逻辑控制。利用光电传感器进行人员出入检测，台达变频器作为执行机构来控制门电机的前进与后退动作同时对电机进行调速，其合理性符合现实中实际应用。本文选择了西门子品牌控制系统，具体选用的是西门子公司的 CPU 224 作为系统的控制核心，进行了硬件选型搭配和软件设计。西门子 PLC 系统主要优点包括：可靠性、高性价比、高性能、开放性、可扩展性、实时性等。西门子 PLC 系统包括：开发系统和运行系统。首先对自动门系统发展的现状进行了分析和研究，然后介绍了 PLC 的原理，系统的硬件设计和软件设计。本文针对西门子 200 系列 PLC 及外围硬件， ，根据控制要求，编写了梯形图程序。基于上面的设计之后，对程序进行了仿真验证，达到了设计要求。本套PLC 控制系统较于其他控制系统具有三个突出的优点，一是实时性二是高可靠性，三是系统配置简单灵活。关键词 PLC；200 ；变频器3Abstract：With the rapid development of the theory of automatic control, the application of PLC in the field of industry has also been greatly developed. It is based on different manufacturers of hardware PLC as the program carrier for data acquisition and logic control.The use of photoelectric sensors for personnel access detection, delta inverter as an actuator to control the forward and backward movement of the door motor at the same time the speed of the motor, its rationality in line with the actual application. In this paper, the SIEMENS brand control system is chosen, and the SIEMENS CPU 224 is chosen as the core of the system. The main advantages of SIEMENS PLC system include: reliability, high cost performance, high performance, openness, scalability, real-time, etc.SIEMENS PLC system includes: development system and operating system. First of all, the development of automatic door system is analyzed and studied, and then the principle of PLC, hardware design and software design are introduced. In this paper, the SIEMENS 200 series PLC and peripheral hardware, according to the control requirements, the preparation of ladder diagram program.Based on the above design, the program is verified by simulation. This set of PLC control system has three outstanding advantages compared with other control systems. First, the real-time two is high reliability, and the other is the simple and flexible configuration of the system.Key words: PLC ； 200 ； delta inverter 4目录摘 要 .2第一章 绪论 .61.1 研究背景 .61.2 研究内容 .71.3 研究目的和意义 .8第二章 自动门控制系统总体方案设计 .92.1 在自动门的功能需求分析 .92.2 自动门的控制要求 .9第三章 PLC的原理分析 .103.1 PLC 的基本概念 .103.2 PLC 的基本结构 .103.3 PLC 的工作原理 .113.4 PLC 的特点 .13第四章硬件设计 .144.1 控制系统框图 .154.2 PLC 的选型 .154.3 变频调速系统 .184.3.1变频器的工作原理 .184.3.2变频调速基本原理 .194.4 变频器的选型 .1954.5 变频器的参数设置 .214.6 IO 点分配 .23I/O 分配表 .244.7 硬件电路设计 .24第五章 软件设计 .275.1 Step 7 简介 .275.2 PLC 运行系统程序主流程 .275.3 控制要求 .285.4 程序设计 .29第六章 仿真调试 .336.1 仿真与调试 .336.2 仿真软件 .346.3 仿真过程 .346.4 仿真结果 .366.5 本章小结 .38总结 .39致 谢 .40参 考 文 献 .42附录 1 电气原理图 .43附录 2程序清单 .456第一章 绪论1.1 研究背景在经济飞速发展的 21 世纪，高高耸立的大城市里的大楼、大宾馆、大酒店、银行、大商场、办公写字楼，自动门已经到处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走进自动门是感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过之后，再将门关上。由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。自动门在国外早已得到普遍的应用，在我国也以优异的性能逐步得到大家的认同，中国已迎来了自动们发展的黄金时期自动门性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是 PLC，它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。目前他在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。因此运用PLC 控制自动门具有较高的可靠性、维修方便等优点。由此看来，进行自动门的 PLC 控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大 PLC 在自动门行业乃至整个自动化行业的应用，具有一定的经济和理论研究价值。在 20 世纪 60 年代末期，随着汽车制造业的不断发展市场需求也在迅速增长，同时传统的汽车生产方式也在面临不断的被革新，汽车开始从品种单一大批量生产向品种多样少批量生产迈进，汽车不仅仅是传统的交通工具而是渐渐成为一种物质产品。在这些背景的驱使下美国通用汽车公司要对自己汽车生产线上的各种配套设施进行改进，包括控制电路和继电器。需要一种运行高效迅速同时具备多种功能的工业控制器，在这一系列的需求之下造就了可编程控制器。第一个可编程控制器也是在美国诞生，是由美国数字设备公司在 1969 年研制而成。同时也装配在了通用汽车公司的生产线上，并且运行成功，取得了非常好的经济效益。当时人们就把它叫做可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller)简称 PLC。可编程控制器这种新技术的出现，受到了很多国内外工程技术界的很大关注，都开始纷纷投入力量研究。第一个把 PLC 商品化的公司是美国歌德公司（GOULD)，时间是 1969 年。日本的第一个可编程控制器，是在引进美国技术的前提下在 1971 最终研制而成。同时在欧洲的德国和法国经过漫长的研究和探索最终分别在 1973 和 1974 研制出了各自的第一个可编程序控制器，德国的西门子公司（SIEMENS)在 1973 年成功的研制了属于欧洲的第一个可编程控制器。而我们国家经历了不断的学习和技术改造最终在 1977 年成功的应用到了工业当中。PLC 是一种电子系统运算数字是它的主要工作，也是一种工业控制器满足工业环境当中的各种设计需求。它具有执行逻辑运算和算数运算、定时和计数等指令操作的内部存储器，在由数字式输入输出和模拟式输入输出来对成百上千种机械生产过程进行控制。在设计可编程控制器和它的外围设备时要满足工7业环境的需求，要与整个工业系统形成一个整体，保证它的可靠性和延展性。可编程控制是一种将通讯技术、自动控制技术、计算机技术等这些技术结合于一身的控制系统，开始成为工业自动化最终重要也是最核心的组成部分。具有 1、抗干扰能力强、可靠性较高 2、通用性高、安装容易、维护方便 3、重量轻、体积小、能耗低 4、开发周期较短、成功率较高、配置灵活等优点。用户买到相应的 PLC 后，只要按照它的说明书当中的要求，对 PLC 进行程序编制和对接相应的线头，就能很顺利的进行使用。由于 PLC 的程序语言直观相对计算机程序语言容易理解，所以对用户后期的修改和调试也不需要专业的知识。可编程控制器 PLC 是现代自动化控制中最值得重视的先进技术，并且开始逐渐代替了结构复杂控制繁琐的传统继电器控制系统，在大到汽车和石油行业，小到食品加工和纺织行业等等很多行业进行应用。一个国家工业水平的高低在一定程度上也取决于 PLC 技术水平是否先进，应用领域是否广泛。总而言之，本课题主要介绍运用 PLC 为控制器的自动门控制系统的设计，所有产品的开发都要讲究实用本课题开发的产品对许多场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发还是使用者来说都是最好的。此系统的设计既满足了自动门的基本要求，还可以保证自动门的稳定性和可靠性。研究本课题意味着产品成本的下降，效益提高。因此是一个比较实用且经济的产品。1.2 研究内容本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。1. 自动门类型的选择。综合了自动门的简洁、简单的要求，在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。2. 自动门硬件系统的设计本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需要，故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的 CPU224 小型PLC。在自动门的驱动部分以变频器控制为核心，在传感器方面采用漫反射光电开关，传感器的开关量信号输入给 PLC 来实现 PLC 对自动门的控制。由于本课题的具体需要在硬件系统的设计过程中主要考虑自动门的经济实用、稳定的需要。3. 自动门的软件设计在本设计中选用了目前运用最多的 PLC 编程语言梯形图，梯形图能直观明了的设计出自动门的控制要求，并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题，梯形图的编写运用西门子自带的编程软件，此软件具有强大的诊断功能，能更快的查处故障原因，从而大大缩短了维修时间。81.3 研究目的和意义随着我们祖国的不断壮大，国民经济的飞速发展，我国已经到达了工业化和城市化的深入阶段，自动控制技术与计算机技术也取得了很大的创新和进步。随着城市化的速度加快，可利用的资源也开始慢慢减少，同时超级市场、公共建筑、银行、医院入口开始大量的出现，自动门开始逐渐成为城市楼宇必备装置。随着我国自动门行业的不断发展，已经开始与国际接轨，国产自动门的水平和质量也实现了重大突破。虽然这些进步跟国际上领先的自动门技术还有一定差距，但是这种差距也不算很大，甚至在慢慢缩小，因此在自动门技术方面还有很多问题值得探讨和研究。我们应该吸收国际上领先的自动门技术，并将其消化成为自己的技术，同时要符合我们的国情，还要结合我国的工业现状，然后在消化的基础上进行创新，提高我们国家的自动门水平，让我们自己生产的自动门更加满足各种情况下的需求，建立属于我们自己的品牌，这对促进我国工业发展，提高我国综合国力也是很有帮助的。由于可编程控制器结构相对简单、使用容易、稳定性高、功能多、扩展性强、成本低，所以 PLC 技术已经应用到了各行各业当中，成为最基本的控制器之一，也是工业生产环境当中的主力军。因此，本文通过西门子可编程控制器对自动门控制系统进行设计，希望通过本次设计，对自动门控制技术有更加深入的研究和探索。9第二章 自动门控制系统总体方案设计2.1在自动门的功能需求分析本设计面向高铁动车组上自动门的应用，需要有安全性和可靠性。根据自动门的具体要求，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步进电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。2.2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时，开门执行机构动作，步机正转，到达开门限位开关位置时，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，关门执行机构被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关位置时，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。（5） 有人员被夹时，可以按下急停按钮实现紧急停车。（6） 系统出现故障时，可以自动切换到手动模式，按下开门按钮，15 秒后自动关门。10第三章 PLC的原理分析3.1 PLC的基本概念现代社会飞速发展，市场需求不断扩大产品的种类逐渐增多，在控制低成本的同时还得确保高质量，对于这些变化制造业要做出变革，那么控制生产线和生产设备的系统就得有非常高的灵活性，延展性和可靠性，可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）就是为了满足这些需求而诞生的，它是工业上通用的用微处理器作为核心的控制装置。PLC 是一种电子系统，通过数字运算来进行操作，几乎覆盖到了工业生产当中的每一个环节。它内部拥有存储器，用这个存储器来实现各种复杂的控制和逻辑运算，输入和输出的方式有两种分别是模拟量式和数字量式，从而对生产过程或者多种类型的机械进行控制。除了实现控制功能外，还能实现联机通信功能。本文研究的是西门子公司的 S7-200 系列 PLC。3.2 PLC的基本结构PLC 组成部分包括内部芯片 CPU，可编程装置和输入输出信号部分，除此之外还有一个执行特殊任务的部分。如图 3-1 所示。输入模块输出模块可 编 程 序 控 制器CPU模 块编 程 装 置接 触 器电 磁 阀指 示 灯电 源按 钮选 择 开 关限 位 开 关电 源图 3-1 PLC 控制系统示意图（1)CPU 模块11CPU 可以说是可编程控制器的大脑，控制中枢，主要是由存储器和微处理器（芯片）组成。它的作用就是不断采集信号，储存输入的程序和数据。除了采集和存储，还能智能识别语法错误，使用户能及时察觉改正，简单方便，刷新系统，执行用户程序，并且存放整个系统监控和管理的程序。（2）I/O 模块I/O 模块又可以称为输出模块和输入模块，是联系外界与系统内部的桥梁。输入模块又可以分为两大类，模拟量输入部分和开关量输入部分；模拟量输入可以获取送变装置得到的各种变化量、测速装置和电位控制器的电压与电流信号。开关量输入部分可以接受限位开关、选择开关、光电开关、压力继电器、按钮等开关量输入的信号。变频器、调节阀的控制需要模拟量输出模块来执行；电磁阀、数字显示器、接触器、报警装置等需要开关量输出模块来控制。（3)编程器编程器属于 PLC 的外围设备，也是非常重要的外围设备之一。如果用户想修改、编辑和检查程序，都需要编程器来完成，同时也可以对程序的执行进行监视。当然也可以通 PLC 与电脑的相连，可直接在电脑上的 STEP 7-Micro/WIN 软件操作编写。3.3 PLC的工作原理PLC 的工作方式属于串行工作方式，每一项任务需要通过执行程序来完成，就是说只能一步一步的来，每个时间段，只做一件事儿。所以可编程控制器分两种工作状态，分别是 RUN 模式和 STOP 模式，也称运行和停止模式。在 RUN 模式下执行程序，在 STOP 模式下对程序进行修改和编写，这种不停循环的工作方式叫做扫描工作方式，如图 3-2 所示。12图 3-2 扫描过程示意图PLC 的基本工作流程主要包括（1）读取输入：在这一阶段可编程控制器将顺次扫描所有外部数字量的输入 I/O 状态，这一阶段在系统的控制下进行。(2)执行用户程序：用户程序由指令所组成，这些指令按顺序排列在存储器当中，这一过程是一次扫描程序当中的指令，按顺序执行用户程序，并按要求进行逻辑运算，将算出的结果写入对应的映像寄存器中，所以程序的执行使得映像寄存器的内容也随之变化。(3)输出控制信号：当 CPU 完成用户程序的执行后，得到相应的运算结果，此时各输出点将接收到输出状态寄存器发出的控制信号，并按要求实现逻辑控制。可编程控制器的 CPU 操作模式，由 RUN 模式变成 STOP 模式的时候，数字量的输出将会置为输出表定义的状态，或者保持现状，默认设置为数字输出量清零。这些过程会不断的重复执行，执行所需的时间为扫描周期，一般为几十毫秒。为了提高可靠性，让控制信号及时接收，除了上述过程外，还会进行 CPU自诊断测试，通信处理等过程。完成诊断后没有故障，就会继续扫描，查看是否有通信请求，没有就继续相应的工作。通信处理后也会继续扫描，输入信息，执行程序，输出相应的控制信号，完成一个周期的扫描，在进行第二轮。PLC就是这样不断的重复循环，实现对设备的控制。3.4 PLC的特点1.编程简单易学可编程控制器使用最多的语言就是梯形图，梯形图的各种符号，表达方式等跟电路图有着很大相似之处，梯形图简单直观的表达方式让初学者更加容易接受和学习，如果是熟悉电路图的技术人员则能更加快速掌握使用方法，实现程序编制。2.功能性强，性价比高PLC 产品的功能非常完善，一台小型可编程控制器就有上千种编程元件，可以实现复杂控制，功能相当强大，PLC 控制系统和继电器控制系统，在能实现同样的功能下，PLC 控制系统性价比很高。同时还能通过联网通信，实现集中管理，分散控制。133.硬件配套齐全，已操作，适应性强为了用户的选择，PLC 产品有品种齐全的硬件装置，已经模块化、系列化、便准化，用户想实现什么样的功能都很容易操作。可编程控制器带负载的能力很强大，小型交流接触器，电磁阀都能直接驱动。编程器是 PLC 更改程序和输入程序的核心，中大型 PLC 的编程器有可以显示信息的屏幕，可以更加值观的显示程序的输入，更改程序的信息也能显示，操作方便。在确定了硬件配置之后，就可以修改程序跟快的适应工作需求。4.抗干扰能力强，可靠性高，维修方便传统继电器控制系统当中的时间继电器和中间继电器，在 PLC 当中可以直接用软件代替，只有外部的输入输出相关的硬件元件，所以 PLC 的接线就会大量减小，后期维修就会很方便，也更加节省时间，同时可靠性也会提高。由于编程语言的简单易懂，所以编程出现错误的概率也非常低，可编程控制器在软件和硬件部分都采取了抗干扰措施，抗干扰能力提升，在恶略的工作环境下也能正常工作，可靠性得到了保证，也是它主要特点。5.体积小，能耗低由于减少了大量的时间继电器和中间继电器，可编程控制器的体积也大为缩小，有的甚至只有几个继电器大小，安装起来也非常方便，使得开关柜的体积也缩小。由于 PLC 接线的减少，安装的工时也短，同时也费用也减少。第四章硬件设计PLC 控制系统的硬件平台的设计首先考虑到 PLC 的选型。首先选择整个系统的大核心CPU 模块，然后根据设计之前的估算，确输入输出点的数量，然后再去确定用什么类型的 Digital Input数字量输入模块、Digital Output数字量输出模块、Analog Input模拟量输入模块、Analog Output模拟量输出模块以及他们的点数、通道数量和模块数量。在分配完输入输出点之后，要确定外围传感器的选型。最后根据这些模块和传感器的型号参数选择容量足够大的电源模块，给这些模块和传感器进行基本的供电，保证他们安全稳定的工作。最后再绘制电气原理图，安装图、端子排布图、电器柜内部布局图、气动元器件接线图等等，给现场的电气安装人员提供指导，方14便电器柜的安装。最后自动或者人工手动生成元器件的清单，有的高级绘图软件能自动生成清单，这样出错率低，有些软件则需要人工去统计，费事且不准确，清单提供给相应的采购人员，进行元器件的前期采购工作。基本的元器件有按钮开关、对硬件系统要保护功能的保护电路的元器件、错误和运行状态指示灯、电机类的接触器、驱动气缸的电磁阀等等。绘制原理图一定要做到详细和完整，让接线人员一目了然，知道怎么接线，不存在模糊不清、模棱两可的地方。4.1控制系统框图4.2 PLC 的选型PLC 机型选择的基本原则是：在功能满足的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优化的机型。S7200 系列西门子 PLC 家族中的成员之一，在西门子工控领域中占有重要的地位。S7200 系列 PLC 体积小，价格低廉，软硬件功能强大，系统配置方便，它一推向市场就在各行各业得到了广泛的应用。而 S7200 系列的产品可以满足设计要求，因此本系统采用西门子 S7-200PLC。S7200 主机单元发展至今，经历了两代产品。第一代产品为 CPU21X 型，15包括 CPU212、CPU214、CPU215 和 CPU216，其中每种主机单元可以进行扩展。第二代产品为 CPU22X 型，包括 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和 CPU226XM，他们已经得到广泛的应用。（1）. CPU221 型主机单元具有 6 输入/4 输出共计 10 数字 I/O 点，无 I/O扩展能力。（2）. CPU222 型主机单元具有 8 输入/6 输出共计 14 数字 I/O 点，可以连接 2 个 I/O 扩展单元，最大扩展至 78 个数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O。（3）. CPU224 型主机单元具有 14 输入/10 输出共计 24 数字 I/O 点，可以连接 7 个 I/O 扩展单元，最大扩展至 168 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。（4）.CPU224XP 型主机单元具有与 CPU224 相比增加了 2 路输入/1 路输出共 3 路模拟量 I/O。（5）. CPU226 型主机单元具有 24 输入/16 输出共计 40 个数字 I/O 点，可以连接的 I/O 扩展单元，最大扩展至 248 个数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。PLC 机型选择的基本原则是：在功能满足的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优化的机型。根据控制要求及输入/输出点数可知中型控制系统即可满足控制需要。因此本系统采用西门子 S7-200 PLC。S7-200 是一种模块化的小型可编程控制器，结构紧凑，简易方便，性能价格比高。其主要组成部分，有导轨（RACK） ，中央处理单元 CPU 模块、信号模块（SM）等。1 CPU 模块由于本系统需要的点数不多，且工艺简单，因此选择性比价比较高的 S7224CPU 模块，而其强大的通讯功能使应用十分方便要，更能适应以后的网络升级需要。兼容可插 50KB 存储卡能实现项目的移植功能。需要说明的是，有时根据需要可以设置 CPU 自带的 I/O 点为低电平有效，在此运用的是一般常用的高电平有效。本系统采用的 CPU 模块为 CPU-224，详细参数如表 4-1 所示：16表 4-1本论文采用的是 CUP224。它具有 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。2 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。174.3变频调速系统4.3.1变频器的工作原理 变频器的工作原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一个频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制变频） ，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流器，逆变部分为 IGBT 三项桥式逆变器，且输出为PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。OMU d / 2U d / 2O ABC控 制 电 路1 23451 整 流 部 分 2 滤 波 部 分 3 逆 变 部 分4 控 制 部 分 5 负 载图 4-2 变频器基本电路图它由 4 个主要部分组成，分别是：1整流部分，把工频电源通过整流器变换为直流电源。 2滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电。3逆变部分，把直流电又转换成电压、频率可调的三相交流电，逆变器在固定的时间里有规则的导通、关断六个功率开关器件，按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的 PWM 波，或者正弦脉宽调制 SPWM 波，4控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号，这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等，可以输出正弦电流。184.3.2变频调速基本原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，三相异步电动机的转速公式为：n=n1(1-s)=60f(1-s)/p （3-1）式中n-电机的转速，r/minn1-同步转速，r/minp-电机磁极对数s-电机转差率，%f-频率，Hz由公式（3-1）可知变频调速是通过改变电动机定子电源频率达到改变电动机转速的目的。由于交-直-交变频器的调速范围宽、精度高，一般启动加速度可以控制在00.05m/ ，所以使用变频器驱动门电机可以实现输送机的“S”曲线启动和2s制动，调节各电机间的机械特性接近，避免电机过载而烧毁，使门电机安全可靠运行。4.4 变频器的选型门电机我们选择 0.75KW 的三相异步电机，因为电机涉及到调试，所以这这次毕业设计，我选择用变频器控制门电机的速度调节，主要考虑到当门关到位之前，和门开到位之前，门电机的速度不能太快，速度过快会对自动门的机械结构会有冲击，长时间这样运行下去，势必会影响自动门的正常使用。控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约 5O 多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表中参数供选用时参考。控制方式 U/f=C 控制电压空间矢量控制 矢量控制 直接转矩控制反馈装置 不带 PG带 PG 或 PID调节器 不要 不带 PG带 PG 或编码器19速比 I 150%200%静态速度精度/%（0.20.3）（0.20.3） 0.2 0.2 0.02 0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精传动、转矩控制负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载故选择 U/f=C 控制，对于连续运转的变频器必须同时满足以下 3 个计算公式：(1)满足负载输出：PcnPm (3.1)(2)满足电动机容量：Pcn3KUeIe cos 10-3 (3.2)(3)满足电动机电流：IcnKIe (3.3)式中 Pcn 为变频器容量（单位 kW），PM-负载要求的电动机轴输出功率（单位 kW）， Ue 为电动机额定电压（单位 V）， Ie 为电动机额定电流（单位A）， 为电动机效率（通常约为 085），cos 为电动机功率因数（通常约为075），k 是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常 K 约为 10511）。将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为 0.75KW 故取 0.75KW.这里我选择了，台达公司生产的 VFD-M 系列的 0.75KW 的变频器。具体实物如 4-1 所示。图 4-1 台达变频器实物照片根据台达变频器选型说明20我选择 VFD007M21A ，变频器的输入电压为 220V，考虑到民用的便捷性，毕竟民用的三相电还是较少的，用常见的 220V 电压单相输入。4.5 变频器的参数设置参数 P00 此参数可设定交流电机驱动器主频率的來源。 出厂默认是 00，这里我们更改为 04，由外部输入控制。参数 P01，出厂默认是 00，这里我们更改为 01，键盘 STOP 有效。参数 P03，出厂默认是 60HZ，这里我们更改为 50HZ。这里的加减速时间设定，我们设定加速时间为 1S，减速时间也为 1S。21在本次设计中，我们设置 2 段速，只要对 P17 和 P18 的参数进行设置即可。我们选择出厂默认值 00这这里，我们把 P40 设置为 06，即 M3 对应着多段速指令一；P40 设置为 07，即 M3 对应着多段速指令二。22当 Mx1-GND 和 Mx2-GND 同时为 1 的时候，当前运行频率为 STEP3;当只有Mx1-GND 那么，当前运行频率为 STEP1；4.6 IO点分配I/O 点数是 PLC 的一项重要指标。合理选择 I/O 点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。PLC 的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上 20%30%的备用量。 该系统有 13 个数字输入点 6 个数字输出点，具体的输入输出见表 4-2. 23I/O 分配表根据系统设计控制要求，对 I/O 口进行分配，输入地址分配表如表 4-1 所示：表 4-1 输入地址分配表输入地址 对应外部设备I0.0 急停I0.1 启动按钮I0.2 停止按钮I0.3 手自动切换开关I0.4 门内光电探测开关I0.5 门外光电探测开关I0.6 开门到位接近开关I0.7 开门减速接近开关I1.0 关门减速接近开关I1.1 关门到位接近开关I1.2 手动开门I1.3 手动关门I1.4 变频器故障反馈输出地址分配表如表 4-2 所示：表 4-2 输出地址分配表 1输出地址 对应外部设备Q0.0 变频器正转信号Q0.1 变频器反转信号Q0.2 变频器高速信号Q0.3 变频器低速信号Q0.4 报警指示Q0.5 运行指示Q0.6 备用Q0.7 备用Q1.0 备用Q1.1 备用4.7硬件电路设计在主电路中 QF1-QF2 为空开，起到短路保护。在控制回路中，FU1-FU2 为熔断器，当负载回路电流过大时，会断开，起到保护控制回路作用；V1 为开关24电源，是把交流 220V 的电压转换为直流 24V； 主电路和控制回路设计如图 4-3：图 4-3 主电路和控制电路PLC 外部接线图设计输入输出部分如图 4-4 所示25图 4-4PLC 输入输出接线图变频器接线图如图 4-5 所示图 4-5 台达变频器接线图第五章 软件设计5.1 Step 7 简介STEP7 编程软件是由德国西门子公司设计的专门用于他们自己公司西门子26系列工控产品的一门软件系统，主要包含 5 大块功能，分别是硬件组态、软件编程、模拟仿真、实时监控以及参数设置的功能，STEP7 系列的编程软件是德国工控领域的领导者西门子公司集成工业软件 SIMATIC 中的一个重要组成部分。此套系统的开放性好，在恶劣环境下的可靠性高，集成度很高所以功能异常强大，另外它易于开发，容易学会。它具有下面这些常用的版本：Step7 Basic 主要是针对西门子公司最新研发和推出的 S7-1200 系列的PLC。Step7S7-300/400 的编程软件，编程方式仅局限于 LAD，STL，FBD。Step7 ProFessional内部包含有 Step7，并含有 Graph,HiGraph,SCL 以及模拟器 PLCSIM。Step7 Microwin西门子 S7-200 的编程软件。Step7 Microwin 系列软件已经成为德国西门子当前在工业自动化控制领域应用最广、接受程度最高、性能最完善的开发软件。Step7 Microwin 支持 3 种符合 IEC61131-3 标准的 PLC 编程语言，他们是FBD、STL 和梯形图，用户可以对不同的块选择不同编程语言，根据现场的实际控制要求来选择高效实用的编程语言，灵活性很大。5.2 PLC运行系统程序主流程PLC 是以不断循环扫描的方式进行工作的，只要 PLC 进入 RUN 模式，PLC 就会不断循环的扫描和执行，PLC 在每一次循环中都是采集所有的数字和模拟量输入信号。它的运行过程共分为三个基本阶段：PLC 输入扫描阶段、PLC 用户程序执行阶段、PLC 的输出刷新阶段。1.PLC 输入采样阶段，在这个阶段 PLC 逐个扫描每个输入端口，就像人的大脑，对身体上的器官采集到的信号进行搜集，输入映像区存储好每一次由传感器采集到的信号信号状态，改变上次输入映像区中的原有的各种状态。当每一次的扫描阶段结束后无论外界输入输出端口的信号如何变化，都要等到下一次循环，CPOU 重新读取外部输入端口的信号后，寄存器中的信号才会被刷新。这是因为输入映像区由于内部电路的设计，它是与外界隔离的，在同一次循环中，不论外面端口如何变化，输入映像区中的信号状态都不会变化，272.PLC 程序执行阶段，PLC 的大脑将所有的输入信号采样完毕后，放在输入映像寄存器中只有，系统进入 PLC 用户程序执行阶段。系统根据对程序进行先上后下，先左后右的原则进行程序的扫描和程序的控制输出。系统对用户编写的程序指令，逐条逐条的进行解析，然后根据软件编好的原则进行输出控制，执行相应的输出动作，这些动作不是直接输出到机械等控制器件，是每一次循环都集中存放在输出映像寄存器中，然后按照动作顺序集体输出。同时，相应的算术运算和逻辑判断也是会得到执行。3.PLC 输出刷新阶段，在这个阶段，CPU 将步骤（2）中的输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，然后再给到输出端子，驱动外围的机械机构等，实现控制的响应。从上面的分析中可以得出来以下结论，PLC 是以循环周期的扫描方式执行以上的步骤，首先完成输入端口信号的采集，然后执行用户编写的控制程序，最后输出到输出控制端口，实现机械动作的控制。这一章的章节只要是对程序执行部分进行加工，编写出合格的软件程序，下载到硬件上面，使得软件在输入刷新阶段能采集到需要的信号，在输出刷新阶段能驱动起重器需要的元器件。5.3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时，开门执行机构动作，步机正转，到达开门限位开关位置时，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，关门执行机构被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关位置时，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。5 有人员被夹时，可以按下急停按钮实现紧急停车。6 系统出现故障时，可以自动切换到手动模式，按下开门按钮，15 秒后自动关门。285.4程序设计主程序：子程序：变频器控制变频器正转（开门）变频器反转（关门）变频器低速信号29手动前进减速标志位(前进就是开门）自动前进减速标志位手动后退减速标志位(后退就是关门）自动后退减速标志位变频器高速信号30子程序：自动运行当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关时,自动门打开当自动门到开门限位开关位置时启动延时定时器 8 秒后，自动进入关门过程在门打开后的 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。31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，应立即停止关门，并自动进入开门程序。32第六章 仿真调试6.1仿真与调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟