基于PLC控制的自动门控制系统的设计-毕业论文

20XX届本科生毕业设计基于PLC控制的自动门控制系统的设计PAGEPAGE17目录1绪论 11.1本课题研究的目的和意义 11.2PLC的优点 11.3本课题研究的内容 22自动门电气控制系统 32.1电气控制系统主电路图 32.2电气控制系统分析 42.2.1控制逻辑 42.2.2工作方式 42.3电气控制系统存在问题 43PLC控制系统的硬件设计 63.1PLC的选择 63.2自动门控制系统I/0地址分配表 83.3PLC外围接线 84PLC控制系统软件的设计 104.1程序思路 104.2梯形图的设计 105程序调试 135.1联机模拟调试 136结论 14参考文献 15致谢 161绪论1.1本课题研究的目的和意义进入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。使用中自动门的控制方法较多，但在实际中相当多的自动门系统一般采用继电器逻辑控制，这种控制方式故障率高、可靠性低、维修不方便等缺点。而在自动门控制系统的研究设计中，稳定、安全可靠及人性化是首先考虑的因素。因此，找到一种具有可靠性高、使用和维护方便的控制方法用于自动门的控制是目前值得研究的课题[1]。1.2PLC的优点PLC技术自1969发展到现在之所以被广泛应用到各类控制系统中，是应为它具有独特的优势，其具体优点表现在以下几个方面：（1）可靠性高可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一[2]。（2）控制功能强一台小型可编程序控制器内有成百上千可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。（3）用户使用方便可编程序控制器产品已经标准化、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。可编程序控制器的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化[3]。（4）编程方便、简单梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单、易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（5）设计、安装、调试周期短可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期[4]。（6）易于实现机电一体化可编程序控制器体积小、重量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。目前以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置已成为典型。基于以上论述，本文把PLC技术应用到了自动门控制系统中。1.3本课题研究的内容以自动感应门为研究对象，设计PLC外部硬件电路和软件程序，使控制系统更加智能化、人性化。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自动门电气控制系统2.1电气控制系统主电路图FU1+FU1+—QSQSKM2KM1KM2KM1FU2FU2M一M一图2-1电气控制系统主电路图如图2-1，FU1、FU2为两个熔断器，KM1为开门接触器，KM2为关门接触器。2.2电气控制系统分析2.2.1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控制逻辑。2.2.2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。当人从屋外进入屋内时屋外光电开关动作，进而KM1动作，自动门将会执行开门动作，一段时间后，KM2动作，自动门将执行关门动作。当人从屋内到屋外时屋内光电开关动作，进而KM1动作，自动门将会执行开门动作，一段时间后，KM2动作，自动门将执行关门动作。2.3电气控制系统存在问题继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，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。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的控制逻辑中，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[8]。PLC就是这样周而复始的重复上述循环扫描的，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[5]。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。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PLC现抖动问题；而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[6]。3PLC控制系统的硬件设计3.1PLC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，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[7]。（1）I/O点数的选择I/O点数应考虑适当的余量，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[8]。(3)PLC输出方式的选择PLC输出方式有继电器输出(R)、晶闸管输出(S)和晶体管输出(T)三种方式。继电器输出(R)的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。晶闸管输出(S)和晶体管输出(T)的价格较继电器输出的贵，对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出(S)或晶体管输出(T)，它们属于无触点元件。但晶闸管输出(S)只能用于交流负载，而晶体管输出(T)只能用于直流负载。因而考虑实际情况本设计选用继电器输出(R)[9]。(4)机型的选择PLC按结构分为整体型和模块两类型，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，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。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[10]。点当数增加到数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对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[10]。(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[11]。综合以上因素，本课题的设计采三菱FX2N-48MR系列来实现整个系统的控制。3.2自动门控制系统I/0地址分配表I/O分配表示是编写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。表3-1I/0地址分配表输入点输出点XO屋外光电开关SB1Y0开门接触器KM1X1屋内光电开关SB2Y1关门接触器KM2X2开门到位开关SQ1X3关门到位开关SQ2如表3-1所示，SB1、SB2是屋内外光电开关，SQ1、SQ2是开关门到位开关，KM1、KM2是开关门接触器3.3PLC外围接图下图为基于PLC的自动门控制系统的外围接线图。KM1SB1X0Y0KM1SB1X0Y0X1FX2NX2Y1X3COMCOM0SB2SB2KM2SQ1KM2SQ1SQ2SQ224V24V图3-2PLC外围接线图如图3-2所示：KM1为开门接触器，KM2为关门接触器，SB1、SB2是光电开关，有感应器感应到有人时会自动闭合，SQ1、SQ2是开关门到位开关，检测开关门是否到位。4PLC控制系统软件的设计4.1程序思路根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按下面运行，工作流程如下：（1）首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体信号时，电动机正传，带动自动门执行开门过程。（2）当门完全打开之后，使开门限位开关打开，此时自动门停止，进行10秒延时。若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行10秒延时。（3）当10秒的延时完毕后，电动机反转执行关门过程。在关门过程中，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程[12]。4.2梯形图的设计设计梯形图的基本方法和步骤：（1）首先根据工艺过程控制要求，画出控制流程图，力求表达清晰、准确。必要时可以把控制系统分解成几个相对独立的部分，尽量简化，利于编程。（2）将所有的输入信号（按键，行程限位开关，压力开关，压力、速度、时间等传感器）和输出控制对象（接触器、电磁阀、电动机、指示灯等）分别列出，按被采用的PLC型号内部逻辑元件编号范围，对I/O端子做出相应的分配和安排。（3）根据控制流程图，有规律的分配和利用PLC内部有关的逻辑元件（如辅助继电器、定时器、计数器等）构成相应的基本回路。（4）以梯形图的形式来描述控制要求，绘制梯形图要遵循编程原则。（5）编写程序清单时，必须按梯形图的逻辑行和逻辑单元的编排顺序（由上而下，从左到右）依次进行[13]。本系统的程序软件采用三菱公司设计开发FX2N系列,选择他的梯形图语言进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编程规则：（1）每个继电器的线圈和他的触点均用同一个编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。（2）梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有触点）。（3）线圈不能直接接在左边的母线上。（4）在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，他很容易引起误操作，应避免。（5）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有电流流动，这个电流只能在梯形图中单向流动—即从左向右流动，层次的改变只能从上向下流动。（6）无论选用何种PLC机型，所使用的软件编号（即地址）必须在该机型的有效范围以内[15]。根据以上规则和PLC的编程方法和思路编写了本课题设计的自动门控制系统的梯形图程序，具体程序如下：图4-1梯形图5程序调试5.1联机模拟调试首先在PLC试验台上连接好本试验中要用到的输入/输出接口，然后连接计算机与PLC设备之间的通讯线，连接好之后各自都接通电源。接着在计算机中打开编程软件，输入该自动售货机的相关梯形图，然后进行保存、综合、编译、调试、修改等过程确定无误后，下载至PLC中，最后进行硬件调试，在PLC的操作台上进行，一边调试一边观察试验台，看是否可以按我们事先预计的效果运行。现象=1\*CHINESENUM3一：当按下按钮SB1或SB2时，电动机M正转；现象二：当电动机M停止转动时，计时器计时10秒进行延时。若此时再次按下按钮SB1或SB2，则计时器重新计时10秒。现象三：当10秒延时完毕后，电动机M进行反转；在反转过程中若按下按钮SB1或SB2，则电动机M进行正转。

6结论本文研究了基于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。不仅在理论上论证了该系统实施的可行性，而且在实验中进行了模拟调试。虽说调试后本系统的整体设计能够达到实际要求，但在实际应用中还应结合实际情况，考虑各部分的容量及其技术参数，供电电源的设计、系统接地问题、电缆设计与铺设、PLC输出保护等问题，已使系统达到安全可靠的工作，所以要想交付用户使用，必须得通过现场调试。这就又给我们提出了更高层次的问题，毕竟一个较好的和较完善的应用软件不是在短时间内就可以完成的它需要不断的完善和发展，需要我们做大量的工作和时间的检验。现在的系统还没有达到真正的智能化，还需要正增加很多新的功能和先进的科学技术，才能达到真正意义上的智能化控制。参考文献1黎虎,游有鹏.基于PLC和变频器的直线电机驱动门控制系统.电机技术,2008,4:22~232刘四妹.PLC技术在自动门控制系统中的应用.电工技术,2009,11:32~333王改堂,王孟效.PLC在自动门中的应用.科技资讯,2006,