基于PLC的宾馆自动门控制系统课程设计说明书

1、电气控制与 PLC课程设计说明书题 目： 宾馆自动门控制系统设计专业班级： 自动化 1103姓 名：学 号：指导教师：评语：成绩：指导老师签名：日期：目录1 系统概述 31 1 研究背景和意义 312 设计的目的及意义 41 3 设计任务及要求 42 方案论证 521 控制器方案选取 52 2 PLC 概述 623 控制过程设计 724 机械传动机构设计 73 硬件设计 93.1 系统的原理方框图 93.2 主电路 103.3 I/O 分配 103.3 I/O 接线图 123.4 元器件选型 134 软件设计 164.1 主流程 164.2 梯形 185 系统调试 20设计心得 22参考文献

2、241 系统概述1 1 研究背景和意义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，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。当人通过门之后，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

3、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，造成安装烦琐、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 装置是可编程控制器（以下简称 PLC ），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

4、低等优点。本课题主要介绍运用 PLC 为控制器的宾馆自动门的开发和研究， 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有使用者来说，都是最好的。他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应 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。例如，某宾馆要求营业期间的门都运用自动门，这就需要自动门要有极高的稳定性，且对于宾馆来说成本不能太高。然而本课题意味着产品成本下降，效益提高。因此是一个 比较适合此类场合运用且经济的产品。1 2 设计的目的及意义本文通过结合 P

5、LC 控制系统的简介及各种普遍自动门的特点，对由 PLC 作为 控制系统的自动门的概况、主要分类、组成、原理、软硬件控制系统、 PLC 程序的 编写等都进行了一定的介绍。通过本设计掌握 S7-200 系列可编程控制器硬件电路的设计方法；熟练使用S7-200 系列可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和 梯形图的设计方法。1 3 设计任务及要求自动门控制装置由感应式开关、开门到位限位开关、关门到位限位开关、开门 关门执行机构（一台 250W 的直流电机拖动，正转开门、反转关门）组成，整体效 果如图 1.1 所示。图 1.1 宾馆自动门效果图具体要求如下：1 、当开门感应开关检

6、测到有人或物件要通过时， 开门机构开门， 当门到开门到位限位开关后，开门电机停止2 、自动门在开门位置停留 8 秒后，自动进入关门过程。3、在关门过程中，如果检测到有人或物件要通过，立刻进入开门过程。4 、在门打开后等待的 8 秒时间内，如果有人或物件要通过，必须重新开始等待 8 秒，才能进入关门过程，以便人员安全通过。2 方案论证2 1 控制器方案选取根据设计要求我想到了三种设计方案：方案一：普通开关电路控制电机普通的开关电路主要就是利用按钮开关，行程 开关以及时间继电器控制电机正反转，启停及延时动作。这种电路设计简单方便易 于控制，但是最大的缺点就是电路比较复杂且功耗较大，容易出现故障。所

7、以没有 采取这一方案。方案二：单片机控制电机正反转电路设计降低了成本，提升了工作的性能，可 以通过编程准确的控制电机的动作，而且是产品更小、更轻，能耗也降低了。 但是 单片在较恶劣的环境中容易受到干扰，严重影响了系统的稳定性，所以放弃了这一方案三： PLC 同样具有单片机的以上优点，在稳定性方面， PLC 还远远高于普 通单片机。另外对 PLC 也有了一些基本的了解，可以编写简单的程序，画出简单的 梯形图，所以最后决定选择了 PLC 控2 2 PLC 概述1 、可编程控制器，英文 Programmable Controller, 简称 PLC ，本课题中用 PLC 作为它的简称。 PLC 是用

8、于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但 基于电子计算机。它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为 一体，它通过运行储存在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信 息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控 制。 PLC 基于电子计算机，但并不等同于计算机。普通计算机进行入出信息交换 时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而 PLC 则要考虑信 息入出的可靠性、 实时性、以及信息的实际使用。 特别要考虑怎样适应于工业环境， 如便于安装便于门内外感应采集信号，便于维修和抗干扰等问题，入出信息变换及 可靠地物理实现，可

9、以说是 PLC 实现控制的两个基本点。 PLC 可以通过他的外设 或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电器控制装置多得多、强得多。PLC 有丰富的指令系统， 有各种各样的 I/O 接口、通信接口，有大容量的内存， 有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本功能：（1 ） 逻辑处理功能；（2 ） 数据运算功能；（3 ） 准确定时功能；（4 ） 高速计数功能；（5 ） 中断处理 （可以实现各种内外中断 ）功能；（6 ） 程序与数据存储功能；（7 ） 联网通信功能；8 ） 自检测、自诊断功能可以说，凡普通小型计算机能实现的功能， PLC 几乎都可以做到。像 PLC 这 样，集丰富功能于一身，是别的电控

10、制器所没有的，更是传统的继电器控制电路所 无法比拟的。丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业 的远程化、信息化、智能化创造了条件。现代化工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。 PLC 专为 工业控制应用而设计，一经出现就受到了广大工程人员的欢迎。其主要特点有： 抗干扰能力强，可靠性能高；控制系统结构简单，通用性强；编程方便，易于 使用；功能强大，成本低；设计、施工、调试的周期短；维护方便。2 3 控制过程设计1 、当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关 K1 时，开门执行机构 KM1 动作，电动机正转，到达开门限位开关 K2 位置时，电机停止运行。2

11、 、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 KM2 被 起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关 K3 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K1 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 K1 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。2 4 机械传动机构设计在本课题设计的自动门针对人流较多的旅馆，应对周围环境进行综合考虑，所 以在本课题的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版

12、，轨道，门机，皮带，吊挂件等。（2）所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。（3 ）电机：驱动电机采用 48V 直流电动机，功率大，可调性强。（4）导轨：水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆得问题，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，实现了维护方便的特点。（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，从而提高了使用寿命。图 2.1 机械传动3 硬件设计3.1 系统的原理方框图本设计运用 PLC 控制调节直流电

13、机运转来实现自动门运转的控制方式。 根据宾 馆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： 1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动自 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，由感应器自动控制门的开关。2快要到达限位处自动减速功能如果门在打开或者关闭的过程中一直是高速移动，那么在到达限位处会因为惯 性而不能立即停止，时间久了会把门撞坏。为了防止发生这种速度过高不能立即停 止的现象，设计了在即将到达限位开关处减速的功能。具体开关的布置如图 3.1 所 示

14、。图 3.1 在系统中加入减速检测开关3防夹人功能为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在 门附近的人被门所夹住。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开和关实现门的自动化控制。 系统的总体框图如下图 3.2 所示：图 3.2 系统的总体框图3.2 主电路该控制系统使用一台 250W 的直流电机进行拖动，使用两个接触器 KM1 和KM2 来控制电机正反转，使用一个接触器 KM3 来控制电机速度。直流电机

15、选择额 定电压为 48V 。主电路连接入下图 3.3 所示：LN48V 直流电源 + -FUKM1KM2RKM3图 3.3 主电路图3.3 I/O 分配I/O 分配表是编写 PLC 程序首先要做的前提条件， 也是现场接线和调试的重要依据。根据自动门的控制系统功能的要求，确定了 PLC 的 I/O 分配表，如下表 3.5所示：类型设备PLC 端子号输入端手动 / 自动切换开关X000门内感应探测器X001门外感应探测器X002开门限位开关X003关门限位开关X004开门减速开关X005关门减速开关X006防夹人传感器X007手动开门X010手动关门X011总启动X012总停止X013输出端工作指

16、示灯Y000正转开门 KM2Y001反转关门 KM3Y002调速接触器 KM4Y003表 3.4 I/O 分配表3.3 I/O 接线图PLC 外部端子 I/O 配置图是 I/O 分配表的直观表达，可以清楚的表示 PLC 的 外部端子的接线情况，如图 3.5 所示。总停止总启动手动关门手动开门防夹人感应器关门减速开关开门减速开关DC 48V工作指示灯关门限位开关CLPN2X正转接触器 KM1反转接触器 KM2开门限位开关门外人体感应器门内人体感应器手动自动切换开关串电阻调速 KM3图 3.5 I/O 口接线图3.4 元器件选型本 系统用到了 14 个输入口和 4 个输出口，所以我选择了三菱公司的

17、FN2N-32MR 型号的 PLC ， FN2N-32MR 拥有 32 个 I/O 口，其中 16 个输入口，16 个输出口，完全符合设计要求。三菱 FX2N-32MR 具有如下优点：最大范围地包容了标准特点、 程式执行更快、 全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能 模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 三菱 FX2N-32MR 包括 8K 步内置 RAM 寄存器，用一个寄存器盒可扩充到 16K 步 RAM 或 EEPROM 。丰 富的元件资源： 3072 点辅助继电器、 256 点计时器、 235 点计数器和 8000 点数 据寄存器、实时时

18、钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。人体都有恒定的体温，一般在 37 ，发出波长为 10 微米左右的红外线。热释 电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为 10 微米左右的红外辐射非常敏 感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测 处理后就能产生信号。被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元 件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的用，使其产生热释电效应相互抵 消，于是探测器无信号输出。一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件 接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产 生相应的信号。人体感应探测

19、电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自 动门两侧。当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下 来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。电子开关 信号输入到 PLC 输入继电器中， PLC 根据收到的信号，驱动电机将门打开。人力感应器选用松下 NAC83900 人体微波传感器。 人体感应探测器需要 2 个， 分别用来感应门内外的来人情况，占用 PLC 两个输入点。限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制 命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自 动控制器件。限位开关广泛应用于

20、各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机 械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为 电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以 必要的保护。综合各个方面因素，行程开关采用欧姆龙公司的 WLNJ-Q 。直流电机我选择则的是北京时代超群科技有限公司生产的 60BL120-430 型号 无刷直流电机，其额定电压为 48V ，额定功率为 250W ，额定转速 3000rmp ，额 定扭矩 7.5kg.cm ，通过变速器减速后，转速和扭矩可以达到设计要求，低压的工 作电源也可保证安全性。通过电机功率得出结果，接触器选用， CN-5K

21、 台安交流接 触器，其额定电流 7A ，可以满足设计要求。控制系统中各元器件的选型总表如下表 3.6 所示：产品元件型号厂家数量单价PLCFX2N-32MR三菱11300直流电机60BL120-430时代超群1430直流接触器CN-5K台安390行程开关WLNJ-Q欧姆龙450人体感应器NAC83900松下2180表 3.6 各元器件选型4 软件设计4.1 主流程本系统除了完成在门内、外有人通过时可以自动开门以及等待人走完之后要自 动关门的基本要求外，总重要的就是保证人员的安全和自动门的稳定性。所以程序 中要加入防夹人子程序来防止自动门在运作过程中意外夹到人，此外根据加速标志 位的信号来对门实

22、施及时的加速减速来减小惯性带来的影响，从而可以保证系统的 稳定性。总体来说，本系统是一个较为复杂的过程，需要对其程序流程仔细分析和详细 推敲，从而制定出最终的程序流程图（如图 4。 1 所示）。开始自动还是手动？自动N是否有人？ N手动Y开门按钮按下？ Y打开关门按钮按下？结束图 4.1 流程图4.2 梯形根据程序流程图，在 GX-developer 写出系统的梯形图，经过反复测试、修改 之后，确定出如图 4.2 所示的梯形图。图 4.2 梯形图5 系统调试（1）按图 3-3 连接线路，接通电源（2）将在“ GX-developer ”开发平台编写好的软件下载到 PLC 中。（3）运行过程实验

23、，按启动按钮，自动开 / 关门 。现象一：当按下按钮 X01 （门内人体感应器）或 X02 （门外人体感应器）时， Y01（电 机正转接触器器）有输出。当按下按钮 X05 （开门减速开关）时， Y03 （串电阻接触器）有输出。当按下按钮 X03 （开门限位开关）时， Y01 （电机正转接触器器）停止。现象二：当电动机 M 停止转动时，计时器计时 8 秒进行延时。按下按钮 X01 （门内人 体感应器）或 X02 （门外人体感应器）时，则计时器重新计时 8 秒。现象三：当8 秒延时完毕后， Y02 （电机反转接触器器）有输出。 在反转过程中，若按下按钮 X01（门内人体感应器）或 X02（门外人体

24、感应器），Y01 （电机正转接触器器）有输出， Y02 （电机反转接触器器）停止。当按下按钮 X06 （关门减速开关）时， Y03 （串电阻接触器）有输出。当按下按钮 X04 （关门限位开关）时， Y02 （电机反转接触器器）停止通过以上的模拟调试现象可以大概判断出系统的工作基本可以满足预期效果，但也有需要修改的地方。在实际的环境中，仍有很多需要注意的环节，比如各个传感器的安装位置、系统电源等等。设计心得经过两周的时间，通过查阅了相关各个方面的资料以及在老师的耐心指导下， 终于完成了宾馆自动门控制系统设计的课程设计。本设计研究了 PLC 的自动门控制系统的设计原理与实现方法， 包括硬件设计与 软件设计，将 PLC 应用到自动门控制系统中，充分发挥 PLC 高可靠性和抗干扰性 特点，外部接线简单、灵活，维修方便。