毕业设计（论文）-基于PLC的自动门控制系统的设计.doc

毕业设计 题 目： 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 学生姓名 ： 学生学号 ： 所在院系 ： 机械与电气工程学院 专业名称 ： 电气工程及其自动化 届 别 ： 2015 届 指导教师 ： 职称（学位）： 助教 淮南师范学院教务处印制 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 目 录 前言.2 1 自动门控制系统的简介.2 1.1 自动门的介绍及应用现状 .2 1.2 自动门控制的意义 .3 1.3 本文研究的主要内容 .4 2 自动门控制系统的硬件设计.5 2.1 方案提出 .5 2.2 方案论证.6 2.4 PLC 的简介与选型 .6 2.4.1 PLC 的简介.6 2.4.2 PLC 的功能与特点.7 2.4.3 PLC 的分类与选型.7 2.4.4 PLC 的输入、输出端子的分配.8 2.4.5 PLC 的外部接线图.9 2.5 传感器的介绍与选择 .9 2.5.1 传感器的定义和分类.9 2.5.2 传感器的主要特性.9 2.5.3 传感器的选择.9 2.6 系统其他元器件的选择 .10 2.6.1 限位开关 .10 3 系统的控制要求和系统流程图.10 3.1 系统的控制要求 .10 3.2 系统总流程图 .11 4 系统的软件设计及编程.12 4.1 GX-Developer 编程软件相关介绍.12 4.2 本系统控制顺序功能图 .13 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 4.3 本系统的程序设计 .14 5 程序调试与实现.14 6 总结与展望.16 参考文献.16 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 0 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 学生：（指导老师：） （淮南师范学院机械与电气工程学院） 摘要：本设计是自动门控制系统，基于三菱 PLC 的 SFC 顺序功能图编程方式， 设计一种可以实现对自动门控制的系统。系统主要是利用行程开关控制 自动门运行的状态，传感器用来接收和发送人员进出信号，利用三菱 PLC 编程软件 GX-Developer 软件进行编程调试，实现自动门的运行及开 关门高低速切换。 关键词：SFC；顺序功能图；PLC 设计语言；自动门控制 Design of automatic door control system based on PLC Student: (Tutor: ) (College of mechanical and electrical engineering Huainan Normal University) Abstract: This design is the automatic door control system, which based on the Mitsubishi SFC PLC sequence function chart programming way, and design a kind of can realize to the automatic door control system. This system is mainly use travel switch to control the automatic door running state, the sensor is used to receive and send personnel in and out of the signal, the use of Mitsubishi PLC programming software GX developer software is programmed and debugged, automatic door switch operations and high speed switching. Keywords: SFC; sequential function chart; PLC programming language; automatic control 淮南师范学院 2015 届本科毕业论文 1 前言 人们越来越多的使用各种自动门，对自动门运行的正确使用要求我们必须 去了解它的工作原理，认识它的工作过程。在我们的现实工作生活中，自动门 是与我们的生产生活有着紧密联系的，我们在各种商场、酒店、大厦、写字楼 等娱乐办公场所都能大量见到。全面深刻的掌握并理解自动门的产生原理，更 加有助于我们安全、快捷、方便地使用它进出上述那些场所，从而更好地服务 我们的日常生活。 SFC顺序功能图是PLC程序设计语言之一，能简单方便的看到装置运行的 动作顺序，是测试多种装置性能的重要工具，广泛应用与各种领域，无论是在 现代化大生产中还是高校研究所的科学研究中，都或多或少的接触到SFC图， 所以SFC图具有广阔的应用前景167。 本次基于SFC的自动门控制系统的设计，以SFC状态转移图为核心，各部分 功能图为补充，使得在自动门的整个运作过程中，实现其自动快关门，并且能 控制自动门开关门的速度。该自动门是利用红外传感器检测是否有人靠近门， 然后再利用PLC进行控制。我们所用的编程和调试的工具是GX-Developer仿真 软件，此次方案可以确保设计要求得到满足。 1 自动门控制系统的简介 1.1 自动门的介绍及应用现状 如今，已进入了21世纪，安全和有效的理念越来越多的体现在各种自动化 设备中，自动门也不例外。能不能有效的防范各种未知的问题、有效的节约通 行的时间以及在遇到问题的时候对人群进行有效的疏散等问题成为自动门设计 的重要考虑，同时，是否符合建筑艺术的美感、是否能将门的设计与周围的建 筑环境进行有效的协调也是设计自动门时需要考虑的重要方面。现如今，自动 门之所以能在国内外的建筑市场上得到较大普及，毋庸置疑，一定是因为它有 着让人欣赏的种种优点：1）可以更好的节约资源、能源，具备一定的防风和防 尘的能力，并且在自动门的运行过程中所产生的噪音比较小；2）当我们对自动 门进行通电以后，便可以不需要有人在旁边看管，既方便快捷而且又有较高的 档次。所以，在很多大都市中的大厦、酒店、宾馆、银行、商场、写字楼等娱 乐办公场所，它成为一项人们热衷于装备的自动化装置。图1为某一商场的自动 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 2 平移门： 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 3 图 1 自动平移门 自动门是现代化场所必需的设施之一。我们生活中已经不可缺少自动门， 比如在去银行取钱的时候，我们进去或者出来所遇到的那个可以自动开门和关 门的就是最常见的自动平移门设施。 自动门装置一般由行程开关、驱动装置、传感器和蜂鸣器等组成，用来辨 别检测是否有人进出的信号并接收，然后送入处理中心进一步的信号处理的装 置是控制装置，根据检测到的信号要求来控制自动门的运动,根据检测信号判断， 决定自动门是该关门还是开门、是快速关门还是快速开门以及是慢速开门还是 慢速关门23。 1.2 自动门控制的意义 自动门能够自动开关门的这个功能，很大程度上节约了人力成本，并且能 提高效率。因为这些优点它成为众多场所必不可少的设备之一。 （1）可以一直持续地、不间断的工作。因为使用的工作方式是自动化作业， 自动门不会受到各种自然因素和人为手动控制的不便等方面的影响，可以长时 间的连续地运行,且其寿命很长。 （2）自动门的作业基本上已实现无人控制化。自动门控制系统设计的目的 之一就是为了在工作的过程中对人力的依赖，不会每个人来都要手动去开关门， 并提高工作的效率，因此自动门能减少人力的数量。自动门控制本身只需要靠 近门，由红外感应检测信号，然后由 PLC 控制门的开关，人只需要考虑系统的 维护、设备检修等。 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 4 1.3 本文研究的主要内容 1.3.1 对于自动门类型的选择 关于本课题所设计的自动门控制系统，我们将自动平移门作为主要的研究 对象。一般而言，既是自动门，顾名思义，一定具有自动开关门的功能，而且 自动门也可以根据不同的时间段使用不同的控制方式，此外，还必须配备一些 后备电源等辅助性的装置，可以在遇到停电等突发情况下启动后备电源，以此 来保证自动门的正常运行。因而，自动平移门不仅具有了自动门本身的方便、 简洁等特性，在效率和安全性等方面也能够很大程度上满足一些人流量较多的 场所。 1.3.2 自动门硬件系统的设计 在设计中所选用考虑到自动门对经济、实用和稳定性的需要，本课题的设 计所用的硬件系统装置包括控制器、感应器、开关门速度调节器以及驱动装置。 首先，关于控制器方面，我们选择三菱 FX 系列 PLC 作为自动门的智能控 制器，较其他控制器而言，三菱 FX 系列 PLC 的稳定性很好。 其次，关于感应器方面，我们选择的是红外线感应器和接近传感器，前者 是自动门常用的感应器，后者由于其具有精密的测量精度、较好的稳定性能以 及使用寿命较长等特点被广泛应用于工业自动化控制领域，自然自动门控制也 不会例外，然后，感应器会产生大量的开关量信号，PLC 利用这种传输过来的 信号对自动门进行控制。 然后，关于调节器方面， 由于要对自动门的开关门的速度进行控制，所以 我们选择的是开关门速度调节器，这种调节器能够进行三段速控制，因而可以 很好的实现对自动门转速的控制，以便使自动门在不同的位置以不同的速度移 动。 最后，关于驱动装置方面，我们都知道，一般的电动机，在频率处于较低 水平时，会产生各种不稳定等问题，所以驱动装置我们选用的是三相交流电机， 它不仅功率大、稳定性好，而且自带了减速装置。 1.3.3 自动门软件的设计 下面，我们需要对自动门的软件部分进行设计，在征求了指导老师的意见 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 5 下，我们将利用 PLC 的顺序功能流程图语言来（SFC）进行设计，一方面，利 用这种编程语言所编出的顺序功能流程图可以充分的对我们设计的自动门控制 系统加以展现，另一方面，对于整个系统的安全性，该编程语言也能做到充分 考虑，在遇到其他因素干扰时会对出现的问题进行故障警报等。考虑到能否适 应各种类型的三菱 PLC、能否快速的查找故障产生的原因减少维修所用的时间 等相关问题，我们利用三菱的 GX -Developer 编程软件进行顺序功能流程图的 编写。 2 自动门控制系统的硬件设计 2.1 方案提出 方案一：使用单片机作为控制单元，主要控制自动门的运行，可编程性和 可扩展性强，而且单片机对数据的处理能力要强，可以使自动门与商场组成大 的智能的控制系统3。如图 2 所示： 图 2 单片机控制系统 方案二：自动门运行中最重要的为控制部分，本方案中采用 SFC 做为编程 控制器。设备的动作顺序能非常直观地在 SFC 在程序中显示出来,SFC 编程相 对容易看明白，程序规律性较强是因为它是根据机械的运动顺序来编写的8。 如图 3 所示： 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 6 图 3 PLC(SFC)控制系统 2.2 方案论证 方案一中采用单片机，虽然单片机控制便宜，但是从检修角度讲用 SFC 更 方便。单片机要求要懂 C 语言，一般人即使会编程也不容易读明白，并且单片 机系统一般设置了密码，一点都看不到内容；SFC 是通用控制器，懂的人很多， 检修调试都方便，一般很快就能知道故障出在哪里，故障停机时间段。 方案二中利用 PLC（SFC），为了实现自动门运行的自动控制，本设计用 图形编程语言，在很大程度上提高了可靠性，而且控制系统构成简易，简化了 外部线路。SFC 编程可以达到各种复杂的控制系统要求，控制功能可以被方便 地增加或改变，能进行故障自动检测以及报警显示，系统运行安全性被提高， 而且容易检修，不需要复杂的互锁电路，更容易设计和维护系统，满足设计要 求，所以本文采用第二种方案。 2.3 自动门的功能需求分析 根据上述方案二，我们提出本课题所设计的自动门控制系统的功能需求， 其结构如图 4 所示： 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 7 图 4 自动门的功能需求 2.4 PLC 的简介与选型 2.4.1 PLC 的简介 可编程控制器，英文称 Programmable Logic Controller，简称 PLC。PLC 是 一种电控制器，主要用于各种工业现场当中，它会从流经它的输入电路的一些 信号得到的一些输入信息，转变成自己内部所需要的输出信号，然后再通过自 己的输出电路输出相关信息，利用自己已经储存的程序来实现对负载的控制。 PLC 是以电子计算机作为基础的，但是与一般的计算机不同的是，它对已 有的输入信号进行输出信号变换时不仅要考虑信息本身的元素，还要考虑当信 息输出以后，信息是否可靠、及时以及实际使用的情况，PLC 正是因为这种对 输入和输出信号的及时、可靠地转变，使得它在与外界交换信息的时候比其他 继电控制装置在功能上要多很多、强很多。图 5 为 PLC 硬件结构图： 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 8 编程器 其他外设 外设 接口 输入 部件 微处理器CPU 电源部件 I/O 扩展 接口 输出 部件 I/O 扩展 单元 系统程序 用户程序 存储器 驱动受 控元件 基本单元 接收现场信号 A B 图 5 PLC 硬件结构图 2.4.2 PLC 的功能与特点 （1）功能简介 开关逻辑和顺序控制功能；模拟控制功能；定时/计时控制功能；步进控制 功能；运动控制功能；数据处理功能；通信联网功能915。 （2）PLC 的特点 编程简单，易于使用；PLC 非常稳定，受到外界坏境的影响很小。比较的 可靠，结构又简单，方便通用。功能补缺；设计、施工和调试的时间循环短； 耗能特别低、体积非常小、重量很轻、维护操作也方便1012。 2.4.3 PLC 的分类与选型 PLC 有各种分类，包括三菱、西门子、海为等，用来生产套装大、中、小 均有配套且现在用得比较多的主要是西门子和三菱，PLC 的输入和输出点数在 不同控制系统中要求不同，经过搜集和查找发现 FX 系列和西门子系列的 I/O 点 数均为 48 点，经过对比价格、性能和使用场合来看，本文比较适合选择 FX- PLC1117。 根据本次系统设计的目的我所选的是 FX2N48MT，综合一共 48 点 24 点输入，DC24V，继电器输出为 24 点；尺寸（mm）：182 x 90 x 87 ，其 他 PLC 的性能、价格都不及它，而且符合本次设计的要求、实现本次设计的目 的，实现起来很方便，快捷。使用三菱 PLC FX2N-48MT 时，如果什么也不加 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 9 总共可输入的指令有 8000 步，如果加有存储卡盒，则总共可输入的指令有 16000 步13。 这次的选型是按照最优的方案来选的，不仅为了实现本论文的研究目的， 而且实现了经济适用的目标，不会造成过多的浪费，功能也基本实现了，满足 这次设计的要求。其实物如图 6 实物图所示： 图 6 FX2N-48MT 实物图 FX2N系列是 FX 系列先进的一款，它包容标准的特点，运行程序变得更快， 和一个完整的通信功能，适用于世界各地的生产。在本系统中需要 19 个输入信 号，9 个输出信号，因此选 FX2N-48MR 型 PLC 作为本系统的主控单元1416。 2.4.4 PLC 的输入、输出端子的分配 根据此次系统对输入、输出节点的具体要求，对本次系统中 PLC 的输入、 输出端子进行分配。表 1 是电梯的输入、输出端子分配表。 表表 1 1 I/OI/O 分配表分配表 序号名称输入点序号名称输出点 0 红外感应传感器X0 5 高速开门Y0 1 限位开关 1X1 6 低速开门Y1 2 限位开关 2X2 7 高速关门Y2 3 限位开关 3X3 8 低速关门Y3 4 限位开关 4X4 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 10 2.4.5 PLC 的外部接线图 根据上述 I/O 分配表，画出 PLC 外部接线图，如图 7 所示： PLC KA1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 X0 X1 X2 X3 X4 COM L N Y0 Y1 Y2 Y3 COM0 高速开门 低速开门 高速关门 低速关门 220v 图 7 PLC 外部接线图 2.5 传感器的介绍与选择 2.5.1 传感器的定义和分类 所谓传感器（Transducer/Sensor），其实一种是物理量变化转变为电信号器 件，它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按照一 定的规律变换成电信号或者其他所需要的信息输出，以满足信息的传输、处理、 储存、显示、记录和控制等要求。它最主要是用于检测环境的物理变化，提供 准确的信息为有效地控制系统的动作，它通常是把物理变化转换成为电信号， 然后经过模数转换的过程，送入控制中心18。 2.5.2 传感器的主要特性 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化和网络 化。它是实现自动检测和自动控制的重要环节。 传感器的动态特性是指当改变传感器的输入变量时，其输出量的变化特性， 随着传感器在现代工作生产中的应用，其动态特性被广泛用于代表一些输入标 量的响应20。 2.5.3 传感器的选择 根据本设计的要求，需要对是否有人进入进行检测，因此需要能检测到是 否有人的传感器。本系统选择的是红外线传感器，将红外传感器安装在自动门 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 11 内外的上方，当有人走近自动门时，红外传感器就会检测到信号，以此信号来 进行下一步的控制，它具有不用接触、精度特别、反应很快等优点4。图 8 红 外传感器的实物图。 图 8 红外线传感器 2.6 系统其他元器件的选择 2.6.1 限位开关 限位开关，一般又称之为行程开关，既可以在一些如固定架、门框等相对 静止的物体上进行装配，也可以在一些如行车、门等运动的物体上进行安装， 当有人或其他物体向静物慢慢接近时，其连杆驱动开关的接点就会断开已经闭 合的接点或者使断开的接点闭合，由开关接点开、合状态的改变去控制电路和 电机，而且它是一种被普遍适用的低电流电器，生产机械运动部件的碰撞被用 来驱动行程开关触头的动作，要达到控制电路的目的就要实现接通或者断开行 程开关，这类开关能使运动的设备根据特定的位置以及行程自动终止、反向运 动、改变速度和自动来回运动等17。 3 系统的控制要求和系统流程图 3.1 系统的控制要求 检测人体的红外传感器接在 X0 端口，Y0 为高速开门输出端、Y1 为低速 开门输出端、Y2 为高速关门输出端、Y3 为低速关门输出端；当检测到有人接 近自动门时，此时 X0 为 ON，在电动机的驱使下开始高速开门，当自动门碰到 X1 限位开关时，就会转为低速开门；当自动门碰到 X2 限位开关时，电动机便 停止转动，此时开始计时，如果在 2 秒内没有人再接近自动门，则开始高速关 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 12 门；当自动门碰到 X3 限位开关时，电动机驱使转为低速关门；当自动门碰到 X4 限位开关时，此时电动机就会停止转动；在电动机整个关门的过程中，如果 有人此时接近自动门，则停止关门状态，计时 0.5 秒后自动门自动切换到高速 开门。 3.2 系统总流程图 本课题所设计的自动门控制系统的整体运行流程图如图 9 所示： 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 13 开始 感应器检测 门口是否有人 快速开门 慢速开门 开到最后 开始计时 检测是否有人 检测是否有人 快速关门 否 是 慢速关门 检测是否有人 门关闭 是 否 是 否 是 否 结束运行 图 9 系统流程图 4 系统的软件设计及编程 4.1 GX-Developer 编程软件相关介绍 为了实现自动门控制系统的功能，根据上述内容，我们要利用指令表语言 程序进行程序设计，在这里我们需要借助一款语言编程软件GX- 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 14 Developer 7.0 编程软件。GX-Developer 7.0 是一款比较通用的由日本三菱公司开 发的编程软件，它能够对很多内容进行编程，不仅包括 FX 系列 PLC 梯形图、 指令表、SFC，还包括 Q 系列、QnA 系列、A 系列（包括运动控制 CPU）、等 他可以将我们需要编辑的程序转变成两种格式的文档，即 GPPQ、GPPA 格式， 如果我们选用的是 FX 系列时，它还能将我们需要编辑的程序转变成更多格式 的文档，包括 FXGP（DOS）、FXGP（WIN）格式，这样便能更好的帮助我们 将上述格式的文件与 FX-GP/WIN-C 软件的文件进行互换。该编程软件还能够 对其他软件中的一些用来说明的文字和数字等信息通过计算机的基本操作进行 编辑，比如将 Excel、Word 等软件里面的一些内容，通过复制、粘贴等简单操 作将这些内容导入到我们编辑的程序中，使这款软件软件的使用以及对程序的 编辑更加方便和简单。 此次系统程序的编写就是运用了指令进行的设计。如图 10 所示： 图 10 GX-Developer7.0编程窗口 在利用 GX-Developer 7.0 编程软件进行梯形图的编写时，有一些编程规则 必须需要我们去遵守： （1）对于每个元件的触点在使用的时候不需要考虑数量，因为在数量上没 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 15 有任何限制，但是相互要注意的是，我们使用的每个触点和它对应的继电器的 线圈必须使用同一编号，否则会影响功能的实现。 （2）在编辑梯形图时，每一行应该都是从最左边开始，而线圈应该是接在 最右端的，并且在线圈的最右端是不允许再有触点的。 （3）在一个程序中，如果同一编号的线圈被两次使用了，我们称为双线圈 输出，这是非常不好的，因为当我们不注意时，非常容易引起一些错误操作， 所以应该避免这种情况的发生。 （4）在梯形图中，其实是不会像现实的电路一样存在正常的电流流动的， 但是我们要研究 PLC 的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，所以一般会假定在 梯形图中存在这种“真实的电流”的流动，不过这个所谓“真实的电流”在梯 形图中只能进行单方向的流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。 （5）最后一点，不管我们选择哪一种型号的 PLC，我们所使用的软件编号 （即地址）一定是要在这种型号 PLC 的有效范围之内的。 4.2 本系统控制顺序功能图 根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，其顺序功能图如图 11 所示： 图 11 顺序功能图 4.3 本系统的程序设计 根据顺序功能图，就用 GX-Developer 可以编写出相对应的 SFC 指令表，完 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 16 成程序。具体 SFC 指令表见附录。 5 程序调试与实现 利用上述 SFC 指令表，在 GX-Developer 界面点击梯形图逻辑启动，就会 进行 PLC 写入，完成后便可进行程序的调试。 （1）强制开启 X0，则输出为 Y0，即当有人走近自动门时，传感器 X0 接 收信号，此时 PLC 会控制门快速打开。调试过程如图 12： 图 12 自动门高速开门 （2）强制开启 X1，则输出为 Y1，也即当自动门碰到限位开关 X1 时，电 动机转为低速运转，自动门慢速开门。调试过程如图 13： 图 13 自动门慢速开门 （3）强制开启 T0，输出为 Y2，也即当自动门开到最后时，碰到限位开关 X2，计时 2 秒，若无人接近，自动门启动高速关门。调试过程如图 14： 淮南师范学院 2015 届本科毕业设计 17 图 14 自动门高速关门 （4）当自动门在限位开关 X1 和 X3 之间关门的过程中，若 X0 检测到有 人接近，则自动门停止关门，延时 0.5 秒后高速开门；若 X0 未检测到有人接近， 则到 X3 时，输出 Y3，也即开启慢速关门。调试过程如图 15： 图 15 自动门慢速关门 （5）当自动门到限位开关 X3 时，若无人靠近，则自动门关闭，结束运行。 调试过程如图 16： 图 16 自动门关闭 基于 PLC 的自动门控制系统的设计 18 6 总结与展望 综全文所述，对基于 PLC 的自动门控制系统进行控制，可以实现各种环境 下不停的、持续的开关门动作，大大的节约了时间、能源，减少成本和效率。 在设计自动门控制系统前我阅读了大量的资料，咨询了相关专业课的老师， 不但了解了自动门控制系统的发展史、应用现状以及未来前景，还学习了三菱 PLC 等相关知识，巩固了我的专业知识，使我在以后的工作中能够更加熟练运 用。 在未来的发展中，自动门技术将实现更智能的控制方式，更低的人力及更 高的安全性，降低产品的生产成本。 参考文献： 1 齐从谦.王士兰等.PLC 技术及应用M.北京机械工业出版社，2000 年： 8488. 2 袁任光.可编程控制器应用技术与实例M.华南理工大学出版社，1996 年: 4045. 3 陈金华.可编程控制器应用技术M.电子工业出版社，1995 年:122130. 4 李树雄.可编程控制器原理及应用教程M.北京航空航天大学出版社，2003 年:5455. 5 邱光源等.电路基础M.高等教育出版社，1998 年 101110. 6 钟肇新、范建东等.可编程控制器原理及应用M.华南理工大学出版社， 2008 年:180185. 7 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.高等教育出版社，2006 年： 220222. 8 康华光.电子技术基础（数字部分）M.高等教育出版社，2006 年： 340354. 9 吴大正.信号与系统M.中国矿业大学出版社，2003 年：120122. 10 谭浩强.C 语言原理M.清华大学出版社，1998 年：4447. 11 刘国永.陈杰平.单片机控制步进电机系统设计 J .安徽: 安徽技术师范学院 学报. 12 何立民.MCS251 系列单片机应用系统设计M.人名邮电出版社，1993 年： 淮南师范学院 2