PLC的地铁自动门控制系统的设计(共40页)

1、 摘要 可编程序控制器通产简称为PLC，是近年来发展迅速的工业控制装置，已广泛应用于工业企业各个领域。随着人们生活水平的不断提高和科学技术的飞速发展，人们更加注重自动化和人性化的产品。自动门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，由于PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。本文是关于地铁自动门控制系统的设计，地铁自动门系统主要由可编程控制器（PLC）、感应器件、驱动装置和传动装置组成。由于地铁作为公共交通工具，特别强调其安

2、全可靠性。因此在此提出了一种以s7400可编程序控制器(PLC)为核心的自动门控制系统。该控制器是西门子s7系列产品中的高端产品，适合于大中型系统的控制，具有集自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动装置。它有可编程性，且编程灵活简单，有在恶劣环境下工作的高抗干扰能力 ，适应性力。等特点，在工业控制应用上越来越广泛。本文分析了地铁自动门控制系统在地铁运行过程中的过程原理，介绍了地铁自动门的硬件设计，PLC选型，驱动装置选型，感应器件的选型，系统软件设计，PLC梯形图设计，软件设计，程序调试 ，硬件接线等多方面内容。关键词：可编程控制器； S7-400； 自动门；地铁；梯形图；变频

3、控制 abstractProgrammable controller is typically referred to as PLC, is developing rapidly in recent years the industrial control equipment, has been widely used in industrial fields. With the continuous improvement of peoples living standard and the rapid development of science and technology, peopl

4、e pay more attention to automation and humanized products. Opto-mechatronics integration technology of automatic door is building equipment products, it gives a person the sense with kind and generous, creates an atmosphere of luxury at the same time, the new concept, spacious open appearance and hi

5、gh style design, is the nods eyeball pen of buildings, because the PLC control has high reliability, stability, convenient maintenance, as a result, the production of automatic doors many merchants use PLC to do the door controller.This article is about the design of underground automatic door contr

6、ol system, the automatic door system is mainly composed of programmable controller (PLC), induction device, driving device and driving unit. Because the subway as public transport, with particular emphasis on the safety and reliability. So in this paper presents a s7-400 programmable controller (PLC

7、) as the core of automatic door control system. The controller is the high-end product in Siemens s7 series products, suitable for large and medium-sized system control, has a set of automation technology, computer technology, communication technology integration of new industrial automatic equipmen

8、t. It has programmability, and flexible, simple programming work under bad environment of high anti-interference ability, adaptability. Wait for a characteristic, has been widely used in industrial control applications. Metro automatic door control system in metro are analyzed in this paper the proc

9、ess principle of the operation process, this paper introduces the hardware design of metro automatic doors, type selection of PLC, drives selection, sensor selection and system software design, PLC ladder diagram design, software design, program debugging, hardware connection and so on many aspects.

10、 前言5第1章 概述71.1 本课题研究的目的和意义7第2章 国内外自动门发展92.1 国内外自动门发展现状92.2毕业设计任务及要求10 2.2.1设计任务要求10 2.2.2本课题研究的内容10第3章 地铁自动门控制系统总体方案设计123.1系统设计的基本步骤123.2在地铁自动门的功能需求分析123.3地铁自动门的控制要求143.4 地铁自动控制系统具体构成143.5 自动门的机械传动机构设计15第4章PLC概述164.1 PLC的概念164.2 PLC的主要功能164.3 与其他控制系统的区别174.3.1 PLC与其它典型控制系统的区别174.3.2 与单片机控制系统的区别184.4

11、 S7-400系列PLC的组成与基本结构194.5 PLC的硬件系统194.6 PLC的工作原理22第5章 地铁自动门控制系统的硬件设计245.1 PLC的选择245.2驱动装置的选型265.3感应器件的选型275.4 直流电动机的选型285.4.1直流电动机的调速285.4.2直流电动机的优势285.5传动装置295.6 限位开关295.7自动门控制系统I/0地址分配表295.8自动们控制系统的原理图315.8.1主电路及供电线路31第6章 自动门控制系统软件的设计326.1 工作过程的分析326.2梯形图程序34 6.2.1梯形图的概述34 6.2.2 梯形图的设计35第7章 程序调试38

12、7.1硬件线路连接38第八章 总结41第九章 参考文献43第十章 致谢44第十一章附录146 附录1 46 前言 自动门控制系统，在现当代社会是一个应用非常广泛的设备，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部分自动门控制系统正是我们这论文的主要研究讨论的课题。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控制装置是可编程控制器（以下简称PLC）,PLC是一种专门为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

13、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，维修方便等特点，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。由于用PLC控制自动

14、门具有故障频率低、可靠性高、维修方便等优点，而Siemens s7400系列PLC稳定，在各个行业中的运用非常普遍，本研究重点讨论使用s7400系列PLC来实现地铁自动门控制系统的设计与应用。随着经济的不断发展，城市的交通越来越拥挤，地铁已经在各大城市中相继出现，越来越多的深入到人们的生活当中，对自动地铁门的要求也越来越严格。本设计主要是介绍利用西门子S400为控制器实现地铁门的自动控制。具有较高的可靠性，维修方便等特点。第1章 概述1.1 本课题研究的目的和意义随着城市人口的的不断增加，城市的交通越来越拥挤，地铁已经在各大城市中相继出现，越来越多的深入到人们的生活当中，对自动地铁门的要求也越

15、来越严格。与此同时可编程控制在工程领域的应用愈来愈广泛，其具备的高可靠行和强抗干扰性都是地铁安全运行的保障。本设计主要是介绍利用西门子S400为控制器实现地铁门的自动控制。具有较高的可靠性，维修方便等特点。随着电子科技的不断发展,各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控制系统成为地铁、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。目前国内高速轨道客车主要采用气动自动门,主要应用于150km / h及以下速度级的轨道客车,200km / h及以上速度级轨道客车用的电动自动门完全依靠进口, 国内尚无成熟可靠的产品。外国高速轨道客车电动自动门技术比较成熟, 其产品通常是用可编程控制器和单片机作为系统的处

16、理器。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务, 本文研究基于西门子S400的地铁自动门的设计可以得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁门自动控制系统，对于保障地铁安全运行方面有着重要意义。首先是硬件系统的设计，以高稳定性为原则对各个传感装置、驱动装置、控制装置进行选取。接下来是对整个地铁运行时自动门控制过程的分析，分别列举出各种运行状况和安全要求，然后就是软件系统的设计，通过PLC编程语言梯形图，简单明了的设计出自动门的控制要求，并且要考虑到安全性和故障报警等方面的问题。基于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方

17、便等优点，现在很多工业控制的生产商都运用PLC来做控制器，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一，因此本次的课程设计，是对于自己一次很好地学习机会，也是对所学的知识的一次检验的机会，对以后从事专业方面知识的一个很好的储备，相信自己会做好的。第2章 国内外自动门发展2.1 国内外自动门发展现状在国外，进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经很成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现在 人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防尘、防风，同时可以使出入口显得很庄重高档，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

18、、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。在自动门控制系统设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。我国的自动门状况有如下几点：(1) 厂家多，规模小 56年来几年来， 自动门在国内得到了快速的发展。据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有50多家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。 (2) 专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专

19、业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。 (3) 高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。 (4) 产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。2.2毕业设计任务及要求2.2.1设计任务要求设计题目是基于PLC的地铁自动

20、门控制系统，根据题目要求，设计的控制系统的控制核心是PLC。主要实现的功能是是全自动化操作，不需要人为参与。要完成整体系统的设计、控制系统硬件设计和软件设计。2.2.2本课题研究的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. 地铁自动门类型的选择。 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和分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置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. 地铁自动门硬件系统的设计 本课题设计的地铁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

21、能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的s7-400型PLC。在地铁自动门的开关门速度控制上本设计以变频器作为调节器，运用变频器的三段速控制实现自动门的转速控制，为了解决在频率很低时出现不稳定的问题，驱动装置选用功率强大、稳定性好的自带减速装置的直流电动机，在对地铁检测的过程中用限位开关对地铁进站时的位置进行检测，在感应器方面运用了自动门专用的红外感应器和在工业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地铁自动门的安全性能和运行过程稳定的需要。3. 地铁自动门的

22、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地铁自动门的控制要求，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。4. 地铁运行过程分析在地铁运行过程中，当地铁靠站时，触动行程开关，开始自动门开启过程，经过延时，电机正传开始开门，通过行程检测，达到最大位置，然后进入延时，经过一段时间电机反转，开始关门，其中通过传感器检测关门过程中是否有人进入，同时考虑出现夹人状况的紧急处理。第三章 地铁自动门控制系统总体方案设计3.1系统设计的基本步骤在地铁自动门控制

23、系统的设计过程中主要要考虑以下几点：(1) 深入了解和分析地铁运行过程中的工艺条件和控制要求。(2) 确定I/O设备。根据自动门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点数，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) 设计地铁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，这是整个地铁自动门系统设计的核心工作。（6）连接硬件电路，画出主电路和控制电路，并在组态软件中进行演示。3

24、.2在地铁自动门的功能需求分析本设计是地铁自动门入口的应用设计，需要有安全和可靠性，在设计的时候改 良了自动门的友好性，结构如图2-1所示：图2-1 自动门结构示意图根据入口处对地铁自动门的具体要求，本设计所设计的自动门应具有以下功能：（1） 开门和关门控制应有手动和自动方式为了便于维护，地铁自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到地铁靠站后，开启动作过程，首先进行延时，PLC动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。（2） 紧急停止 当地铁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。（3）蜂鸣器和闪光的提示功能 当地铁自动门开启和关闭时，PLC输出信号

25、给蜂鸣器和闪光，以提醒来往行人注意。 地铁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。首先通过信号 采集装置判断门前是否有人，若有人则将信号转换为开关量信号传送到PLC，PLC根据开关信号来控制变频器的开停和速度的变换，最后由传动装置带动门运动。3.3地铁自动门的控制要求（1）当地铁靠站后，行程开关动作，整个自动控制系统开始启动，通过延时开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。（2）自动门在

26、开门位置停留40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K4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K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入电机停转程序。（4） 当出现夹人状况是可以手动打开地铁自动门。3.4 地铁自动控制系统具体构成自动门系统的具体组成如下图： 由上图可知，当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC,PLC根据已经采集的信号发出控制信号，是驱动装置运行，通过传动装置带动自动门的运行。 地铁自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动电动控制方式，此种控制方式为目前

27、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。3.5 自动门的机械传动机构设计 在本课题设计的地铁自动门针对人流较多的地铁站，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.地铁自动门的传动主要包括安装版，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64V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

28、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。第4章PLC概述4.1 PLC的概念可编程控制器（plc）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发而来的，是一种数字运算操作的电子系统。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算数运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1

29、980年正式将可编程序控制器命名为PC（Programmable Controller），但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制器或产生过程的自动化控制装置。1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系

30、统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序控制器的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、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，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，都应按照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。”上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。4.2 PLC的主要功能1.开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场

31、合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。2.模拟控制（A/D和D/A控制）在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。3.定时/计数控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4步进控制PLC为用户提供了一定数量的位

32、移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。5.运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。6.数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。7.通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。 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

33、。其主要特点有:(1) 可靠性高(2) 控制功能强(3) 组成灵活(4) 操作方便4.3 与其他控制系统的区别4.3.1 PLC与其它典型控制系统的区别 继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点。是设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。 a.控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想在改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4-8对触点，因此灵活性和扩展性很差，而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式储存在

34、内存中，要改变控制逻辑，只需要改变程序即可，因此灵活性和扩展性很好。 b.工作方式电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时处于受控制状态，它属于并行方式。而PLC得控制逻辑中，各内部期间都处于周期性扫描过程中，各种逻辑、数值输出地结果都是按照在程序中的前后顺序计算出来的，它属于串行方式。PLC有微型计算机的许多特点，但他的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。而PLC则采用不断循环的顺序扫描的工作方式。每次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条的执行用户程序知道用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。PLC就是这样周而复始的重复

35、上述循环扫描的，这种工作方式是在系统的控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。PLC是一种工业控制计算机，所以他的工作原理是建立在计算机的工作原理基础上的，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是CPU是分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序一次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入输出的响应是有滞后的。 c.控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点开闭动作一般几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问

36、题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。4.3.2 与单片机控制系统的区别 a.本质区别 单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制系统是基于板级或模块级的系统。其实PLC本身就是一个单片机系统，他是已经开发好的单片机产品。开发单片机控制系统属于底层开发，而设计PLC控制系统是在产品的单片机控制系统上进行二次开发。 b.使用场合单片机控制系统适合于家电产品、智能化的仪器仪表、玩具和批量生产的控制器产品等场合使用；而PLC控制系统适合在单片机电气控制系统、工业控制领域的制造业自动化和过程中使用。c.使

37、用过程设计开发一个单片机控制系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需要的电子元件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰等大量工作需要专门的开发装置和低级编辑语言控制程序，进行系统联调；而PLC不必操心内部的计算机系统是否可靠和他们的抗干扰能力，软件设计使用工业编程语言，相对来说比较简单。进行系统调试时，因为有好的工程工具帮助，所以非常容易。4.4 S7-400系列PLC的组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，

38、具有更适应于工业环境的抗干扰性能。S7-400可编程控制系统有主机（基本单元）、I/O扩展单元、功能单元（模块）和外部设备等组成。S7-400PLC主机（基本单元）的结构形式为整体式结构。4.5 PLC的硬件系统从硬件来看，PLC主要由CPU，存储器，I/O接口，电源，编程器等组成。图二 PLC硬件的基本结构（1）CPU板CPU板PLC的核心部件，它包括：微处理器CPU、存储器（ROM、RAM）、并行接口（PIO）、串行接口（SIO）及时钟控制电路等。CPU板是PLC的运算、控制中心，用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；PLC内部配有程序存储器和数据存储器（ROM，RAM），分

39、别用于存储系统程序和用户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于CUP与各接口电路之间的信息交换。时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。（2）输入/输出电路输入电路通常有两种形式；直流输入和交流输入电路。输入电路的作用是接收现现场输入设备送来的控制信号，并经光电耦合器隔离后转换成PLC内部的标准电平信号，然后由CPU读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。输出电路的作用是将PLC的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控制被控制对象工作。输出电路共有三种形式：一种是继电器形式，它是通过控制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶体管输出型，它是通过

40、光电耦合器使输出开关晶体管通断，进而控制输出设备；第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。（3）存储器扩展接口存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。常用的扩展卡盒有三种：一种是COMS开型ROM卡盒，它需要用锂电池后备，以防止断电时丢失程序及数据；另一种是EPROM卡盒，这种卡盒需要用专门写入器将调试好的用户程序或数据写入EPROM中，擦写时需要用紫外线擦除器；第三种是EEPROM卡盒，是电可擦除存储器，它的写入和擦写只需专用编程器。（4）I/O扩展接口I/O扩展接口与CPU之间是以总线方式连接的，因此它可以连接开总量的I/O扩展单元及扩展块，

41、使I/O点数规模在配置更加灵活。同时也可以配接如模拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块，使PLC的功能大大增强。（5）编程器及其接口编程器用于程序及数据的输入、编辑、调试和检测。当PLC在正常运时，一般不需要编程器，因此编程器设计为独立的部件。为了能对PLC进行编程及调试，在PLC上专门设有一个编程接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程器。编程器的对PLC的编程。（6）电源PLC一般使用220V的交流电源，电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器，存储器等电子电路工作所需的直流电源，使PLC能正常工作。种类很多，常见的有便携式手持程器、专用智能编程器和通过计算机和专用接口实现(7

42、)可编程控制任何一个控制系统要完成目的控制功能，必须通过一定的控制程序来实现的。通常控制序可分两大类：固定布线程序和可编程序。（1）固定布线程序传统的继电器控制系统和电子器件系统中，要实现各种控制功能，其控制程序是由种电气元件通过一定的联接方式-布线而成，输入设备如按钮开关、限位开关、传感器等，用以向控制系统送入信号。输出设备如接触器、电磁阀等用以控制被控制对象的动作。其输入对输出的控制是通过接线来实现，接线工作结束后，控制程序也被确定下来，若要改变控制程序，则必须改变接线方式重新布线，对于一个复杂的系统，是非常困难的。（2）可编程序控制可编程序控制控制系统中完成一定的控制，只通过专用的编程器

43、，用程序语言进行编程，写入可编程控制的程序的存储器中，然后由可编程序控制器来完成各种操作。在可编程系统中，若要改变控制程序，只用编程器改写程序存储器中的某些程序语句，不必要重新布线，由于控制被控对象的动作是控制程序语言来表达的，故又称为软件程序。4.6 PLC的工作原理可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。S7-400CPU连续执行用户任务的循环序列成为扫描。PLC的一个机器扫描周期是指用户程序运行一次所经历的时间。Plc运行状态按输入采样、程序执行。输出刷新等步骤，周而复始地循环扫描工作，1.输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理过程，PLC按顺

44、序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。2.执行用户程序扫描阶段是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序

45、进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而变化的。3.输出刷新扫描阶段这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，

46、将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。 第5章 地铁自动门控制系统的硬件设计5.1 PLC的选择在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，估计输入输出点数、所需存储器的容量、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

47、余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加10%到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课题的I/O点数为输入12点，输出12点。（2） 存储器容量的选择存储器容量是可编程序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实用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器的容量。设计阶段，由于用户程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，须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估算，通常采用存储器容量的估算来代替，存储器内存容量的估算没有固定的形式，许多文献资料中

48、给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10到15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），另外再按次数的25%考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。（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性能的选择。根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。a 控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常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

49、速度和节省存储器容量。 b编程功能离线编程方式：PLC和编程器共用一个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，编程器把在线编制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变成语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种

50、图形化语言和语言表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 c诊断功能 PLC的诊断功能爆孔硬件和软键的诊断。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是内诊断，通过软键对PLC的CPU玉外部输入输出等部件信息叫唤功能进行诊断是外诊断。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 a.PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块两类型型，按

51、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/0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/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 b经济的考虑 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，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增

52、加对PLC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。本课题所设计的自动门属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。 （5）对PLC响应时间的要求对于多数场合，PLC的相应时间基本上能满足控制要求。响应时间包括输入滤波时间，输出滤波时间和扫描周期。PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。综合以上因素，本课题的设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。 5.2驱动装置的选型 自动门的

53、驱动装置是自动门能否良好工作的保障，在本设计中是运用直流无刷电机。直流无刷电动机功率密度高，噪音极小，调速性能好，即具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机的线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高等诸多优点。是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择。本设计选用亚坦电机控制有限公司生产的45BLDC系列直流无刷电机，电机直径45，额定转数4000转，额定转矩0.036N.m，功率15W-100W，额定电压24V DC。 5.3感应器件的选型 目前，自动门行业运用的感应器件主要由微波感应器、红外线感应器等。（1）微波感应器，又称微波雷达，对物体

54、的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所。微波感应器是以微波多普勒原理为基础，平面型天线作感应系统，以微处理器作控制。微波感应器的特点：是以10.525GHz微波频率发射、接收。其探测方式具体有以下优点：非接触探测和不受温度、湿度、噪音影响。（2）红外感应器，是对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应，另外，红外感应器的反应速度比微波感应器慢。根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中，感应器是自动门系统的重要部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，结合本设计要求，选用上海安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器W

55、B-3004，其规格如下表4-2：型号WB-3004供电电压AC/DC12VAC/DC24V工作频率50Hz60Hz感应探头工作频率10.525GHz(9.00GHz12.00GHz)工作指示方式LED感应时间/延时时间REAL-TIME/0.5SEC感应范围4.0M(W)X3.0M(D)静态功耗：工作功耗：200Mw/12V550Mw/12V探头可调角度40160工作温度范围-25+60相对湿度095安装方式WALL表4-2 感应器的参数表5.4 直流电动机的选型5.4.1直流电动机的调速并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的

56、优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。由直流电动机的转速公式： n=（U-IaRa）/KE 可知，Ra、和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。5.4.2直流电动机的优势 因为直流电动机在调方面很简单，相对于异步电动机来说又有以下的优势：（1） 由于采用高性能永磁材料，无刷直流电机的转子尺寸得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。 （2） 由于没用转子损耗（转子使用永磁材料），也无需定子励磁电流分量（应用新理论），所以无刷直