自动门plc设计说明书.doc

机电工程学院
课程设计说明书

设计题目: 自动门控制系统设计

学生姓名：
学 号： 20094805
专业班级： 机制F09
指导教师：
2012年 12 月 08 日
内容摘要

在当今社会自动门的应用也越来越广泛。它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所使用，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。本课程设计的自动门控制系统是利用PLC为核心来控制实现的,其电路结构简单,程序运行可靠性高。PLC程序用梯形图语言设计完成,并采用模拟仿真软件测试PLC控制系统。本设计方案可靠性高在设计必要设计要求上又做了一定的功能加强，比如增加手动开关门功能，和禁止开关门功能使该自动门系统更加强大。
关键字：PLC；控制；自动门

目 录

引言 1
第1章 自动门的介绍 2
1.1自动门概述 2
1.2自动门的组成 2
1.3自动门行程开关及其工作原理 3
1.4自动门光电开关介绍 3
第2章 PLC概述 5
第3章 总体方案设计 6
第4章 PLC控制系统设计 7
4.1 系统主电路 7
4.2 控制流程图 7
4.3 控制系统硬件组成 9
4.4 确定I/O点数 9
4.5 PLC的选型 9
第5章 PLC控制程序设计 11
5.1 PLC程序设计 11
5.2 PLC模拟调试 13
结论 19
设计总结 20
致谢 21
参考文献 22

1
引 言
这次课程设计是毕业前最后一次课程设计，也是机电方向唯一的一次机电综合课程设计，通过这次设计，将所学的东西融会贯通，系统的为毕业设计做一次练习。这此设计是以西门子S7-200为主要载体，结合与之相应的STEP7—Micro/WIN32编程软件和模拟仿真软件来对自动门的控制系统进行设计。
自动门控制系统利用了西门子S7-200系列PLC，对光电开关、限位开关、电动机正反转等其他一些输入/输出进行控制,实现了门开关过程的自动化。
本控制系统的硬件组成有：西门子S7-200（222）、门内光电探测开关K1、门外光电探测开关K2、开门到位限位开关K3、关门到限位开关K4、开门执行机构KM1（使直流电动机正转）、关门执行机构KM2（使直流电动机反转）直流电动机等相关部件。
根据设计任务书的要求自动门控制系统应满足以下控制要求：当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2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。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K4位置时，电机停止运行。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，并自动进入开门程序。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K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程。
根据设计任务书要求结合本程序实际情况选用西门子S7-200（222）做为该系统的控制核心。除满足上述基本要求外，考虑到自动门使用中的一些实际情况特别在系统中添加了手动开关门功能和门禁功能。

第1章 自动门的介绍
1.1自动门概述
自动门 英文名：automatic door。自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门是指：可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。
自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门(红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应)、刷卡自动门等。常用的自动门可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门。
1.2自动门的组成
以平移自动门感应门为例来介绍自动门的组成如下：
1.主控制器：它是自动感应门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
2．感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。
3.动力马达：提供开门与关门的主动力，控制自动感应门门扇加速与减速运行。
4.自动感应门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其 按特定方向行进。
5.门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。
6.同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。
7.下部导向系统：是自动感应门门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
8.当自动感应门门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使自动感应门扇开启；自动感应门扇开启后由控制器作出判断，如需关自动感应门，通知马达作反向运动，关闭自动感应门扇。
1.3自动门行程开关及其工作原理
行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。
1.4自动门光电开关介绍
1.4.1.工作原理。
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
1.4.2．光电开关的分类及术语解释
1.光电开关分类
1）漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
2）镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。
3）对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。
4）槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。
5）光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
2．术语解释
1）检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。
2）回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。
3）响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。
4）输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。
5）检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。
6）输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。

第2章 PLC概述
PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。
可编程逻辑控制器（PLC）具有以下鲜明的特点： 　　
1.系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。 　　
2.使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 　　
3.能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。

第3章 总体方案设计
根据设计任务书要求结合实际情况确定系统总体方案为：脉冲信号由光电开关、限位开关产生的，信号输入到PLC，经过PLC的分配，然后去控制直流电动机去控制负载，从而使得自动门进行正常工作。如图3-1为自动门控制的总体设计的结构图。

信号脉冲

信号分配
负 载
直流电动机

图3-1 系统总体设计结构图

自动门控制系统中，PLC主要完成以下功能：
1．检测功能：
（1）检测门处于关闭状态时是否有人靠近或者离开：开门。
（2）检测门是否完全开开：停止开门。
（3）检测门保持打开状态时是否有人靠近或通过：继续保持开门状态。
（4）检测关门过程中是否有人靠近或通过：停止关门，执行开门。
2. 控制功能：
（1）控制开门、关门动作。
（2）控制保持门开状态时间8s。
（3）手动开关门及门禁功能。

第4章 PLC控制系统设计
4.1 系统主电路
根据设计任务书要求，自动门控制系统的主电路需要实现门的开关。主电路需要的元器件有：直流电动机、组合开关、接触器、熔断器、热继电器。
各元器件功能为：电动机正反转带动门实现开关动作，组合开关为电源引入，采用熔断器用作短路保护，用接触器作为欠压和零压保护，用热继电器作为过载保护。电路如图4-1所示。

图4-1主电路图

4.2 控制流程图
根据设计要求控制过程应为：
打开门禁开关QS。当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2或者按下开门按SB0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。自动门在开门位置停留8秒后或有人按下关门按钮SB1，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。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，并自动进入开门程序。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K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程。若把门禁开关QS0关闭则门不能打开。
根据控制要求设计控制系统流程图，如图4-2所示。
开始
K1K2是否有信号？
开门
是否到K3限位开关？

开关
保持开门8秒、K1K2是否有信号？
K1、K2是否有信号？
关门
关门
停止开门
停止

打开开关
手动开门
手动关门
是否到K4限位开关？

开关

否

是

否

是

否

是

是

否

否

是

图4-2自动门控制系统流程
4.3 控制系统硬件组成
自动门控制装置由门内光电探测开关 K1、门外光电探测开关 K2、开门到位限位开关 K3、关门到限位开关 K4、开门执行机构 KM1（使电动机正转）、关门执行机构KM2（使电动机反转）、门禁开关 QS0、手动开门开关SB0、手动关门开关SB1等部件组成。
4.4 确定I/O点数
在该控制系统中，输入信号有：门外光检测电开关K1信号、门内光检测电开关K2信号、开门限位电开关K3信号、关门限位电开关K4信号、启停按钮QS0信号、手动开门SB0信号；手动关门SB1信号。输出信号有：开门执行机构KM1信号、关门执行机构KM2信号。
4.5 PLC的选型
目前国内应用较广的PLC有三菱、西门子等。综合经济、安全、高效等因素本设计选用西门子PLC。
经分析该PLC控制系统需要7个输入，两个输出。由该控制系统控制规模不大，控制程序比较简单综合控制规模、内存大小、功能要求、价格等因素确定选用西门子S7-200（222）。
根据西门子S7-200（222）的模块及I/O接口组成确定该控制系统的I/O点的分配及地址编码，如表4-1所示。
表4-1 I/O点的分配及地址编码表
控制信号
名称
I/O点地址编码
输入
门外光检测电开关K1
I0.0
门内光检测电开关K2
I0.1
开门限位电开关K3
I0.2
关门限位电开关K4
I0.3
启停按钮QS0
I0.4
手动开门SB0
I0.5
手动关门SB1
I0.6
输出
开门执行机构KM1
Q0.0
关门执行机构KM2
Q0.1

根据I/O点的分配及地址编码表及S7-200（222）的特点做出该控制系统的PLCI/O外部接线图，如图4-3所示。

1M

图4-3自动门PLC的I/O接线图

第5章 PLC控制程序设计
5.1 PLC程序设计
PLC程序常用的设计方法主要有经验设计法、继电器控制电路转化为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。由于本控制程序比较简单，所以在设计时选择了经验设计法。在设计过程中使用了STEP7—Micro/WIN32编程软件并使用模拟仿真软件S7-200sim3.0调试程序初步验证程序。程序梯形图如下图5-1所示。

图5-1程序梯形图

图5-1程序梯形图（续1）

用STEP7—Micro/WIN32将梯形图程序转换成语句表如图5-2所示。

图5-2程序语句表

图5-2程序语句表（续1）

5.2 PLC模拟调试
S7-200sim3.0是西班牙PLC爱好者编写的一个PLC模拟仿真软件。该软件支持所有型号的S7-200系列PLC。使用S7-200sim3.0可以模拟仿真大多数PLC程序大大简化了PLC程序调试步骤，缩短了程序调试时间。
S7-200sim3.0调试方法如下 ：
1.将在Step 7 MicroWin中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；
2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”，然后选择CPU 222；
3.点“程序”-“载入程序”；
4.选择Step 7 MicroWin的版本；
5.将先前导出的AWL文件打开；
6.点“PLC”-“运行”，开始调试程序。
本程序的调试过程如下:
1.载入程序打开运行监视将PLC状态调为“run”。如图5-3所示。

图5-3程序调试图

2.打开门禁开关I0.4如图5-4所示。

图5-4程序调试图

3.门内或门外光电感应开关（K1/K2）检测到有人。如图5-5所示。

如图5-5程序调试图

4.门打开到最大位置碰到开门限位开关K2。如图5-6所示。

图5-6程序调试图
5.门保持打开状态八秒。如图5-7所示。

图5-7程序调试图

6.门保持打开状态过程中光电开关K1/K2检测有人重新开始八秒待。如图5-8所示。

图5-8程序调试图
7.门保持打开状态八秒后自动关门。如图5-9所示。

图5-9程序调试图

8.关门过程中若光电开关K1/K2检测到有人则停止关门，执行开门。如图5-10所示。

图5-10程序调试图
9.关门过程中当门到达关门限位开关K4，停止关门。如图5-11所示。

图5-11程序调试图

结 论
本自动门的PLC控制系统可以满足课题所规定的设计要求：当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2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。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K4位置时，电机停止运行。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，并自动进入开门程序。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K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程。
该控制系统的突出优点是，增加了手动开关门功能和门禁功能。可实现手动开关门。并且在开启门禁功能后无论是光电感应开关还是手动开关都无法打开自动门。优化了程序设计，增强了自动门的功能。可满足大多数用户的需求。由于本控制系统才有PLC控制所以可根据用户需求做进一步个性化方案设计。
虽然我在课题要求上做了一些优化设计，但作为第一次做PLC控制系统的我来说经验还是远远不足。程序设计还不太完美，一些想法不能转化成设计。由于本次课程设计时间有限，进一步的完善设计，优化方案只能在以后学习中慢慢完成。比如增加自动门开关时的速度控制、停电或突然断电时的解决方案等。

设计总结
这次机电传动与控制课程设计是毕业设计前的最后一次课程设计，也是机电方向唯一一次综合课程设计，通过这次课程设计系统的综合了自己在机械、电气、控制等方面的所学，并且在使用Word、Auto cad、STEP7—Micro/WIN32、S7-200sim3.0等软件的过程中进一步学习和掌握了这些软件及基本用法。
通过这次实践，我对机电传动与控制这门课程有了更深层次的理解。为了高质量的完成这次课程设计，我认真的复习了课本，并在图书馆、网上查阅了大量资料。对电动机结构、类型与工作原理以及继电器—接触器控制和PLC控制这些内容进行了全面系统的学习。掌握了一些常用的继电器—接触器控制电路，更深层次的了解了PLC的循环扫描工作方式。PLC在现代自动化控制领域中所占的比重越来越大，这次的设计过程与经验为自己以后独立进行相似自动化控制工程提供了依据，也将帮助自己在以后的设计过程中少走弯路。
在课程设计过程中我曾一度想走捷径结果做出来的东西乱七八糟、毫无章法最终事倍功半得不偿失。最终我静下心来认认真真一步一步按照课题要求和指导书分析课题、确定方案、设计程序、调试程序……我才发现原来按照要求一步步来做就是最大的捷径。
机电传动控制是一门极其重要的课程，它综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，尤其是PLC技术越来越受人们广泛应用。因此学会运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助。在此次设计中，我遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处：
1.原先对机电控制学习不够深入对一些基本知识掌握不牢固、重点知识掌握不到位。
2.理论联系实际能力不足。
3.在方案设计选择时对方案全面把握不足。
最后通过本次课程设计，使我了解了机电控制技术特别是PLC技术在工业应用和工业生产中的重要地位。我会在今后的学习中多思考多实践一定要把这门课程学好。

致谢
首先，我要感谢我的指导老师王宗才老师。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中
其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次课程设计就不会如此的顺利进行。
此次课程设计历时两周，是我大学学习中最后一次课程设计也是唯一的一次机电综合课程设计。对于机电方向的我尤为重要。正如用王老师所说这次课程设计相当于毕业设计前的一次演练，在课程设计中要认真对待没一个细节，为毕业设计打下坚实的基础。我此次的课题是自动门控制程序设计。虽说这个设计题目相对简单，但是当我真的开始着手时，还是困难重重。 俗话说的好，“磨刀不误砍柴工”，当每次遇到不懂的问题时，我都会第一时间记在本子上面，然后等答疑的时候问王老师，王老师对于我提出来的问题都耐心讲解，一一解答，还给我提出很多的指导，让我受益匪浅。从课题的选择到设计的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导，他真正起到了“传道授业解惑疑”的作用，让人油然而生敬佩。
除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习。在此谨向王宗才老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在课程设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计说明书的顺利完成，师长、同学给我诸多帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢机电工程学院和我的母校河南工业大学对我的栽培。

参考文献
[1] 王宗才.机电传动与控制.北京：电子工业出版社，2011.6
[2] 邓星钟.机电传动控制.武汉：华中科技大学出版社，2007
[3] 周宏甫.机电传动控制.北京：化学工业出版社，2006
[4] 张 扬.S7-200 PLC原理与应用系统设计.北京：机械工业出版社，2007
[5] 罗宇航.流行PLC实用程序及设计.西安：电子科技大学出版社，2006.12
[6] 柴瑞娟，陈海霞.西门子编程技术及应用.北京：机械工业出版社，2006.8
22