基于PLC的自动门控制系统.doc

山东科技大学学士学位论文摘 要随着电子技术的发展，可编程控制器（以下简称PLC）不断更新、发展，PLC控制是自动控制中最常见的控制之一，自动门就是应用的一典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动关门的开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做们的控制器。目前自动门在日常生活中运用越来越广泛然。目前自动门在日常生活中运用越来越广泛。本文论述的自动门控制系统主要有以下几部分构成：可编程控制器（PLC）、信号采集装置、变频器、驱动装置、传动装置。可编程控制器选用德国西门子公司生产的S7-200小型PLC；信号采集装置选用上海顺安达门业装饰有限公司生产的微波自动门感应器；驱动装置采用天津安全电机有限公司生产的YmS100/112WS三相异步电动机，额定转矩为0.43N.m，额定转速为400r/min；传动装置采用皮来带动门的运动。本设计对于周围坏境的要求较低。本设计主要的工作原理是通过信号采集装置判定用无人经过并将信号转换成测量信号传到PLC，PLC根据开关信号的来控制电动机的开停，由传动装置带动门运动。关键词：PLC；驱动装置；感应器ABSTRACTWith the development of electronic technology, programmable logic controller (hereinafter referred to as PLC) continuously updated, development, PLC control is the control one of the most common control, automatic door is a typical example of the application, as a programmable controller is a good deal with self-closing of the switch control and good stability, but also very simple to change the control mode, therefore, the production of automatic doors Many businesses use to do their PLC controllers. At present the use of automatic doors in their daily lives more and more widelyAutomatic doors now more and more widely used in daily life. This paper discusses the automatic door control system has the following main components: programmable logic controller (PLC), signal acquisition device, inverter, drive, transmission device. Programmable controller products selected Siemens S7-200 mini PLC; signal acquisition device with Shanghai Shun An Da Door Decoration Co. Ltd production of microwave automatic door sensor; drive with safety Electric Co., Ltd. Tianjin production YmS100/112 W S three-phase induction motor, rated torque 0.43Nm, rated speed 400r/min; transmission installations in the door skin to stimulate the movement.Bad for the environment around the design requirements are lower. The design of major works by determined by the signal acquisition device and with no one read the signals into measurement signals to PLC, PLC to control under the switch signal of the open motor stops, the door movement driven by the transmission device Keywords：PLC；Drive；InductorII目 录摘 要IABSTRACTII1 概述11.1 国内外自动门发展现状11.2 本课题研究的内容31.3 本课题研究的目的和意义42 自动门控制系统总体方案设计62.1 自动门的功能需求分析62.2 系统设计的基本步骤72.3 自动门技术参数的确定92.4 自动门的机械传动机构设计103 自动门硬件系统的设计113.1 控制系统结构设计113.2 可编程控制器（PLC）的选型113.2.1 PLC概述113.2.2 PLC的产生背景133.2.3 PLC发展历史153.2.4 PLC的基本结构163.2.5 PLC的特点193.2.6 PLC的应用与发展趋势213.2.7 可编程控制器的选型223.3 驱动装置的选型253.4 感应开关的选择283.5 自动门系统I/O分配表303.6 控制系统的电气接线314 自动门控制系统软件的设计324.1 PLC梯形图概述324.2 梯形图编程环境334.3 程序流程图354.4 梯形图的设计365 系统调试376 结束语38参考文献39致谢40附录一41附录二41附录三42附录四431 概述1.1 国内外自动门发展现状在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼等，自动门已经是随处可见。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，当人走近自动门时，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，当人通过门后，再将门关闭。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应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。自动门的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装置是可编程控制器。PLC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设置。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和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。目前，PLC在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车。轻工业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。对自动门的PLC控制系统设计，可以推动自动门行业的发展，扩大PLC再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。本课题主要介绍应用PLC为控制器的自动化的开发和研究，所有产品的开发都要讲究实用，本课题开发的产品对许多的场合都能适用，而且能够简单化。不论对于产品开发商还是使用者来说，都是最好的。他们需要的是一个低廉又实用的产品，能够在大多数地方应用。因此本设计就是解决了这样一个问题，还可以保证自动门的稳定性。同时成本下降，效益提高。在国外，进入90年代以来，技术发展很快，技术已经相对成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现代人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以是出入口显得庄重高档，因此应用非常广泛。随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用自动门。但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。在自动门控制的设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型和轻型自动门。客流量的差异会对自动门的使用产生很大影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和频繁使用自动门。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庞大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用的最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门，目前市场上流行的平移型自动门一般是两开，这种门的特点是简单易控，维护方便。自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当人走进自动门时，感应器感应到人的存在，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。自动门的控制方法很多，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来控制；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，自动门的主控装置有微电脑控制器控制和可编程控制器控制，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自动门都是由这种方式来控制。1.2 本课题研究的内容本设计将在以下几方面对自动门的控制系统进行研究和论证。1.自动门的类型选择。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门平移门，、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的本课题设计的自动门平移门具有手动和自动开门功能且能以高效率、高安全性的要求安全运行。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PLC。在自动门的开关门速度控制上本设计以PLC作为调节器，驱动装置选用功率强大、稳定性较好的自带减速装置的三相交流电机，在感应器运用自动门专用的微波雷达感应器和在工业自动化控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性好的接近传感器，运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现对自动化的控制。由于本课题的具体要求，在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动门的经济实用，稳定的需要。3.自动门软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图。梯形图的编程能直观明了的设计出自动门控制的要求，并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题，且具有强大的诊断功能，能更快的查处故障的原因，从而大大缩短了维修时间。1.3 本课题研究的目的和意义在超级市场、公共建筑、银行、医院入口，经常使用自动门控制系统。使用自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风防尘，同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用非常广泛。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加光电感应器开关，当人走近自动门时，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。自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也逐步得到大家的认同，已经迎来了自动门发展的黄金时期。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。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子装置。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和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，系统的设计，建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等优点。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业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，维护方便等特点。本课题的自动门运用PLC作控制器能大大提高自动门的稳定性和经济性，对于整个自动门行业是一次技术的革新，提高了自动门的使用率，因此，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。552 自动门控制系统总体方案设计2.1 自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需要有安全和可靠性，在设计的时候改进了自动门的友好性，结构如图2.1所示：微波探测器图2.1 自动门结构图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具有以下功能：开门和关门控制应具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并且门未关闭，PLC动作输出信号来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动点动控制方式，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打开和关闭实现门的自动化控制。2.2 系统设计的基本步骤在自动门控制设计与调试过程中最主要的是先列出设计的主要步骤流程图，如图所示2.2。在自动门控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：1.深入了解和分析自动门的工艺条件和控制要求。2.确定I/O设备。根据知道你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，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图2.2 设计调试步骤图自动门整体测试开始分析控制要求确定I/O点数PLC硬件系统配置分配I/O点数绘制流程图设计安装线路安装使用现场施工连线编制技术文件满足要求？修改程序设计梯形图程序写入PLC软件测试测试正常？NNYY2.3 自动门技术参数的确定自动门平移门安装和调试的关键是提高精度，即导轨的平直度和水平度，门体的两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应常调试门体，修正运行产生的误差。要严格显示门体重量，不能超过自动门的额定负重。通常在三个月最多一年内要求对自动门进行全面的清理和调试。公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型超市和医院门外的人员流量每天可达上千万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行中和考虑。例如增加们的数量，家大门扇的宽度，增加关门延迟时间等。具体参数列表如表2.1所示。表2.1 自动门具体参数单扇开启宽度（mm）1250mm（最宽）单扇门的最大承重(kg)1120kg高度（mm）2500mm最快开/关门速度（cm/s）60cm/s常速开/关门速度（cm/s）32.5cm/s减速开/关门速度（cm/s）20cm/s开启保持时间（s）8s可编程控制器（PLC）电源220V AC，50-60Hz驱动器电源380V AC，50Hz驱动器输出额定功率120w2.4 自动门的机械传动机构设计在本设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：1.自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等2.所有的组件都未插入式元件，使得安装很简便3.电机：驱动电机采用380V三相交流电机，功率大，可调性强4.导轨：水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性，并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点5.滑轮：采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果6.皮带:采用齿形皮带，齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率，皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命7.传动结构如图2.3所示，其中马达皮带轮直径为5cm，皮带滑轮内径为13.5cm，外径为28.5cm图2.3 机械传动3 自动门硬件系统的设计3.1 控制系统结构设计本设计运用PLC调节交流电机运转实现自动门运转的运转方式。采用PLC电路，结构简单，控制方便、可靠性高，交流电机具有效率高、维护成本低的特点，交流电机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、结构简单、维护方便、易于冷却和寿命长的优点。控制系统结构图如图3.1所示：图3.1 控制结构图PLC自 动 门感应器件驱动装置传动装置3.2 可编程控制器（PLC）的选型3.2.1 PLC概述可编程控制器（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。”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的产生背景可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。l987年国际电工技术委员会（International Electro technical Commission，IEC）颁布的PLC标准草案对PLC做了如下定义：“PLC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。PLC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。在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制作为主导地位的。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点，尤其是对生产工艺多变的系统适应性较差。1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，为了完成“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。第2年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台PLC，将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上，并取得了极大的成功。此后随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的不断进步，PLC也迅速发展起来。PLC初创阶段的代表产品有MODICON公司的084、AB公司的PDQI-l、DEC的PDP-14和日立公司的SCY-022等。该时期PLC产品的主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、逻辑运算、定时和计数等。它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，在IO接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求，它的控制功能比较简单。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。而通用汽车公司（GM）公司为了适应生产工艺不断更新的需求，从用户角度提出了新一代控制器应具备的10项指标：(1)编程方便可现场修改程序(2)维修方便采用模块化结构(3)可靠性高于继电器控制装置(4)体积小于继电器控制组装置(5)具有数据通信功能数据可直接送入计算机管理(6)成本可与继电器控制系统竞争(7)输入可为市电(8)输出可为市电容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等(9)易于扩展且扩展时原系统改变最小(10)用户存储器大于4KB根据这10项指标，美国数字设备公司(DEC 公司)于1969年研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上使用成功，可编程控制器自此诞生。气候美国的莫迪康（MODICON）公司也推车了084控制器；1971年，日本推出了DSC-8控制器；1973年，西欧各国的可编程控制系也相继研制成功；我国于1974年开始研制可编程控制器，并于1977年开始工业应用。3.2.3 PLC发展历史自第一台可编程控制器问世以来，可编程控制器的发展与计算机技术、自动控制技术、半导体技术及通信技术等高新技术的发展是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给可编程控制器带来功能和特性的新变化，使得可编程控制器技术的与飞速发展。目前，可编程控制器以实现从“单片机控制自动化生产线控制自动化全厂生产自动化”的三级解决方案，成为工业自动化的核心控制设备。回顾可编程控制器的发展历程，大致可划分为4个阶段。(1)从1969年到20世纪70年代中期这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和技术运算其中央处理器由中小规模数字集成电路组成存储器为此信存储器，控制功能比较简单。典型产品有莫迪康公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQ2等。由于这些产品主要完成逻辑运算功能，因此，被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。(2)20世纪70年代中期到80年代初期这一阶段可编程控制器的CPU采用微车力气，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。可编程控制器的名称碎屑为PC，但为了于个人计算机的名称缩写PC相区别，通常还把可编程控制器简称为PLC。(3)20世纪80年代初期到90年代初期这一阶段由于16位，32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比搞的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统，在功能上，PLC具有了数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，PLC已成为构成生产过程自动控制系统的主要设备。在此期间，国际电工委员会颁布了PLC标准，似的PLC向标准化发展。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-2系列、PLC-3系列，西门子公司的SYMATIC S5系列等。(4)20世纪90年代至今这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、设备冗余方面都有了长足的进步，成为了一种功能强大的、成熟的控制系统。同时，通信从各厂家的自称系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制网、设备网络和现场总线、管理层的以太网等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可靠、完善。同时，还捉不采用了符合IEC61131-3标准的程序设计语言，增加了高级编程语言等，似的各种生产数据采集和信息系统管理的视线变得容易、直接。这是，PLC已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程系统。典型产品有罗克韦尔自动化公司的PLC-5系列、Control-Logix系列，西门子公司的SYMATIC S7系统，莫迪康公司的Quantum系列等。3.2.4 PLC的基本结构PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图3.2所示：图3.2 PLC结构的基本框图CPU模块：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O范本或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。I/O模块：输入模块和输出模块简称I/O模块，它们是系统的眼耳、手脚，是联系外部设备和CPU模块的桥梁。输出模块是用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮。选择开关、数字拨号码开关、限位开关、光电开关、压力继电器等的开关量的信号：模拟量输入模块用来接收一些如电位器电压信号、测速发电机和各种连续变从器提供的连续变化的模拟量电流电压信号；开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示器和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行设备。编程器：编程器用来生成用户程序，并用它来进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。电源：PLC一般使用AC 220V和DC 24V电源，内部的开关电源为各模块提供不同的直流电源，本系统PLC使用AC 240V电源。可编程控制器主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成。PLC硬件结构图见图3.2所示：图3.3 PLC硬件结构图3.2.5 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。(1)可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。(2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4)安装方便，扩展灵活PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。(5)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(6)体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积小所以容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.2.6 PLC的应用与发展趋势目前，PLC已成为工业控制的标准设备，广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、汽车、采矿、水泥、机械制造、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等行业。概括起来主要有以下几个方面：(1)开关逻辑和顺序逻辑(2)模拟量控制(3)运动控制(4)数据处理(5)通信与联网从第一台PLC问世至今，其发展经历了实用化阶段、成熟阶段和加速发展阶段。PLC主要在以下几个方面得到了不断发展：(1)小型PLC产品性能提高、结构不断优化(2)大型PLC功能不断完善(3)强化联网通信能力(4)I/0模块分散化、智能化(5)编程语言标准化(6)控制算法不断增加(7)迅速与其他工业产品整合(8)进一步向开放型发展伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。在21世纪，PLC将会有更大的发展空间3.2.7 可编程控制器的选型在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是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需要的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、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。1.输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据系统的输入输出点数，增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。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，根据估算的方法故本设计的I/O点数输入为10点，输出10点。2.存储容量的估算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使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定的估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外在按次数的25%考虑余量。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特性的选择。根据该自动门控制的需要，组要介绍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，大多数场合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和编程器公用一个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对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的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，编程器把在线编程的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行，这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语序表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准，同时还应支持多种语言编程形式，如C，Basics等，以满足特殊控制场合的特殊要求。(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时内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断时外诊断。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。4.机型的选择(1)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，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PLC的I/O点数固定，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，因此用户较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。(2)经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应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，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。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，结合经济型的考虑因此选择整体型PLC。综合以上因素，本设计采用德国西门子公司生产的S7-200小型PLC来实现整个控制系统的控制。该PLC具有以下优点：集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连续7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，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。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU，体型较小只有408062mm。3.3 驱动装置的选型目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。三相异步电动机的工作原理：三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。下面分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：每分钟转数。根据此式知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、变频法。以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性可很方便地改变三相电动机的旋转方向。定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。为此称三相电动机为异步电动机。单相交流电动机的旋转原理：单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，