基于PLC的賓館自動門控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書

PAGEPAGEPAGE1 電氣控制與PLC課程設(shè)計說明書題目：賓館自動門控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級：自動化1103姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：評語：評語：成績：指導(dǎo)老師簽名：日期：PAGEPAGEPAGE3目錄TOC\o"1-3"\h\z\u201001系統(tǒng)概述 3293011．1研究背景和意義 322611．2設(shè)計的目的及意義 4318911．3設(shè)計任務(wù)及要求 411332方案論證 5277902．1控制器方案選取 5313082．2PLC概述 5284452．3控制過程設(shè)計 695272．4機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 7146453硬件設(shè)計 8160083.1系統(tǒng)的原理方框圖 8322773.2主電路 9221583.3I/O分配 10140083.3I/O接線圖 1132483.4元器件選型 12199224軟件設(shè)計 1435794.1主流程 1473674.2梯形 16135015系統(tǒng)調(diào)試 1718746設(shè)計心得 1814938參考文獻(xiàn) 19

1系統(tǒng)概述1．1研究背景和意義在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的中國，高樓聳立的大都市里的大廈、賓館、酒店、銀行、商場、寫字樓，自動門已經(jīng)是隨處可見。自動門的工作方式是通過自動門內(nèi)外兩側(cè)的感應(yīng)開關(guān)來感應(yīng)人的出入，當(dāng)人走近自動門時，感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)到人的存在，給控制器一個開門信號，控制器通過驅(qū)動裝置將門打開。當(dāng)人通過門之后，再將門關(guān)閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，不但能給我們帶來人員進(jìn)出方便、節(jié)約空調(diào)能源、防風(fēng)、防塵、降低噪音等好處，更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息。自動門在國外早已得到普遍應(yīng)用，在我國也以其優(yōu)異的性能逐步得到大家的認(rèn)同，中國已經(jīng)迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。自動門的性能優(yōu)劣主要取決于它的控制裝置，早期的自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝煩瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已逐漸被淘汰。目前自動門及其自動化行業(yè)最穩(wěn)定的控制裝置是可編程控制器（以下簡稱PLC），PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式和開關(guān)量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，功能完善，適用性強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。本課題主要介紹運(yùn)用PLC為控制器的賓館自動門的開發(fā)和研究，所有產(chǎn)品的開發(fā)都要講究實用，本課題開發(fā)的產(chǎn)品對許多的場合都能適用，而且能夠簡單化，不論對于產(chǎn)品開發(fā)商還有使用者來說，都是最好的。他們需要的是一個廉價的又是一個實用的產(chǎn)品。此系統(tǒng)的設(shè)計正好具備了這樣的一個要求，能夠在大多數(shù)的地方應(yīng)用。因此本設(shè)計就是解決了這樣一個問題，還可以保證自動門的穩(wěn)定性。例如，某賓館要求營業(yè)期間的門都運(yùn)用自動門，這就需要自動門要有極高的穩(wěn)定性，且對于賓館來說成本不能太高。然而本課題意味著產(chǎn)品成本下降，效益提高。因此是一個比較適合此類場合運(yùn)用且經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。1．2設(shè)計的目的及意義本文通過結(jié)合PLC控制系統(tǒng)的簡介及各種普遍自動門的特點，對由PLC作為控制系統(tǒng)的自動門的概況、主要分類、組成、原理、軟硬件控制系統(tǒng)、PLC程序的編寫等都進(jìn)行了一定的介紹。通過本設(shè)計掌握S7-200系列可編程控制器硬件電路的設(shè)計方法；熟練使用S7-200系列可編程控制器的編程軟件，掌握可編程控制器軟件程序的設(shè)計思路和梯形圖的設(shè)計方法。1．3設(shè)計任務(wù)及要求自動門控制裝置由感應(yīng)式開關(guān)、開門到位限位開關(guān)、關(guān)門到位限位開關(guān)、開門關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（一臺250W的直流電機(jī)拖動，正轉(zhuǎn)開門、反轉(zhuǎn)關(guān)門）組成，整體效果如圖1.1所示。圖1.1賓館自動門效果圖具體要求如下：1、當(dāng)開門感應(yīng)開關(guān)檢測到有人或物件要通過時，開門機(jī)構(gòu)開門，當(dāng)門到開門到位限位開關(guān)后，開門電機(jī)停止。2、自動門在開門位置停留8秒后，自動進(jìn)入關(guān)門過程。3、在關(guān)門過程中，如果檢測到有人或物件要通過，立刻進(jìn)入開門過程。在門打開后等待的8秒時間內(nèi)，如果有人或物件要通過，必須重新開始等待8秒，才能進(jìn)入關(guān)門過程，以便人員安全通過。2方案論證2．1控制器方案選取根據(jù)設(shè)計要求我想到了三種設(shè)計方案：方案一：普通開關(guān)電路控制電機(jī)普通的開關(guān)電路主要就是利用按鈕開關(guān)，行程開關(guān)以及時間繼電器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，啟停及延時動作。這種電路設(shè)計簡單方便易于控制，但是最大的缺點就是電路比較復(fù)雜且功耗較大，容易出現(xiàn)故障。所以沒有采取這一方案。方案二：單片機(jī)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計降低了成本，提升了工作的性能，可以通過編程準(zhǔn)確的控制電機(jī)的動作，而且是產(chǎn)品更小、更輕，能耗也降低了。但是單片在較惡劣的環(huán)境中容易受到干擾，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以放棄了這一方案。方案三：PLC同樣具有單片機(jī)的以上優(yōu)點，在穩(wěn)定性方面，PLC還遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通單片機(jī)。另外對PLC也有了一些基本的了解，可以編寫簡單的程序，畫出簡單的梯形圖，所以最后決定選擇了PLC控。2．2PLC概述1、可編程控制器，英文ProgrammableController,簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計算機(jī)。它以微處理器為核心，集自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為一體，它通過運(yùn)行儲存在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負(fù)載的控制。PLC基于電子計算機(jī)，但并不等同于計算機(jī)。普通計算機(jī)進(jìn)行入出信息交換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC則要考慮信息入出的可靠性、實時性、以及信息的實際使用。特別要考慮怎樣適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝便于門內(nèi)外感應(yīng)采集信號，便于維修和抗干擾等問題，入出信息變換及可靠地物理實現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本點。PLC可以通過他的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電器控制裝置多得多、強(qiáng)得多。PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本功能：邏輯處理功能；數(shù)據(jù)運(yùn)算功能；（3）準(zhǔn)確定時功能；（4）高速計數(shù)功能；（5）中斷處理(可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷)功能；（6）程序與數(shù)據(jù)存儲功能；（7）聯(lián)網(wǎng)通信功能；（8）自檢測、自診斷功能?？梢哉f，凡普通小型計算機(jī)能實現(xiàn)的功能，PLC幾乎都可以做到。像PLC這樣，集豐富功能于一身，是別的電控制器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電器控制電路所無法比擬的。豐富的功能為PLC的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化、智能化創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC專為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計，一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程人員的歡迎。其主要特點有：①抗干擾能力強(qiáng)，可靠性能高；②控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)；③編程方便，易于使用；④功能強(qiáng)大，成本低；⑤設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短；⑥維護(hù)方便。2．3控制過程設(shè)計1、當(dāng)有人由內(nèi)到外或由外到內(nèi)通過光電檢測開關(guān)K1時，開門執(zhí)行機(jī)構(gòu)KM1動作，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，到達(dá)開門限位開關(guān)K2位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。2、自動門在開門位置停留8秒后，自動進(jìn)入關(guān)門過程，關(guān)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)KM2被起動，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)門移動到關(guān)門限位開關(guān)K3位置時，電機(jī)停止運(yùn)行。3、在關(guān)門過程中，當(dāng)有人員由外到內(nèi)或由內(nèi)到外通過光電檢測開關(guān)K1時，應(yīng)立即停止關(guān)門，并自動進(jìn)入開門程序。在門打開后的8秒等待時間內(nèi)，若有人員由外至內(nèi)或由內(nèi)至外通過光電檢測開關(guān)K1時，必須重新開始等待8秒后，再自動進(jìn)入關(guān)門過程，以保證人員安全通過。2．4機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計在本課題設(shè)計的自動門針對人流較多的旅館，應(yīng)對周圍環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，所以在本課題的自動門機(jī)械傳動設(shè)計中考慮了以下幾個方面：自動門的傳動主要包括安裝版，軌道，門機(jī)，皮帶，吊掛件等。所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡單。（3）電機(jī)：驅(qū)動電機(jī)采用48V直流電動機(jī)，功率大，可調(diào)性強(qiáng)。（4）導(dǎo)軌：水平雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，形式正懸掛，解決了側(cè)擺得問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側(cè)密封毛刷，形成密封式導(dǎo)軌，避免積塵對導(dǎo)軌及滑輪的磨損，實現(xiàn)了維護(hù)方便的特點。（5）滑輪：采用特殊的尼龍滑輪，強(qiáng)度高，耐磨性好，同時還有一定的減震效果。（6）皮帶：采用齒形皮帶，齒形皮帶的截面為曲線設(shè)計，增加了齒形的高度，提高了皮帶與傳動齒輪的吻合度，從而提高了使用壽命。圖2.1機(jī)械傳動3硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的原理方框圖本設(shè)計運(yùn)用PLC控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來實現(xiàn)自動門運(yùn)轉(zhuǎn)的控制方式。根據(jù)賓館對自動門的具體要求，本課題所設(shè)計的自動門應(yīng)具有以下功能：1．開門和關(guān)門控制應(yīng)具有手動和自動方式為了便于維護(hù)，自動門應(yīng)具有手動和自動方式。手動和自動開門方式由手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向手動位置時，門可以手動調(diào)節(jié)開或者關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向自動位置時，手動開門失效，由感應(yīng)器自動控制門的開關(guān)。2．快要到達(dá)限位處自動減速功能如果門在打開或者關(guān)閉的過程中一直是高速移動，那么在到達(dá)限位處會因為慣性而不能立即停止，時間久了會把門撞壞。為了防止發(fā)生這種速度過高不能立即停止的現(xiàn)象，設(shè)計了在即將到達(dá)限位開關(guān)處減速的功能。具體開關(guān)的布置如圖3.1所示。圖3.1在系統(tǒng)中加入減速檢測開關(guān)3．防夾人功能為了杜絕自動門的夾人事件，在門兩側(cè)安裝防夾人紅外感應(yīng)器，以防止停留在門附近的人被門所夾住。自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和動作執(zhí)行元件構(gòu)成。采用自動和手動點動控制方式，此種控制模式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設(shè)計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機(jī)構(gòu)從而控制門的開和關(guān)實現(xiàn)門的自動化控制。系統(tǒng)的總體框圖如下圖3.2所示：圖3.2系統(tǒng)的總體框圖3.2主電路該控制系統(tǒng)使用一臺250W的直流電機(jī)進(jìn)行拖動，使用兩個接觸器KM1和KM2來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使用一個接觸器KM3來控制電機(jī)速度。直流電機(jī)選擇額定電壓為48V。主電路連接入下圖3.3所示：圖3.3主電路圖3.3I/O分配I/O分配表是編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是現(xiàn)場接線和調(diào)試的重要依據(jù)。根據(jù)自動門的控制系統(tǒng)功能的要求，確定了PLC的I/O分配表，如下表3.5所示：類型設(shè)備PLC端子號輸入端手動/自動切換開關(guān)X000門內(nèi)感應(yīng)探測器X001門外感應(yīng)探測器X002開門限位開關(guān)X003關(guān)門限位開關(guān)X004開門減速開關(guān)X005關(guān)門減速開關(guān)X006防夾人傳感器X007手動開門X010手動關(guān)門X011總啟動X012總停止X013輸出端工作指示燈Y000正轉(zhuǎn)開門KM2Y001反轉(zhuǎn)關(guān)門KM3Y002調(diào)速接觸器KM4Y003表3.4I/O分配表3.3I/O接線圖PLC外部端子I/O配置圖是I/O分配表的直觀表達(dá)，可以清楚的表示PLC的外部端子的接線情況，如圖3.5所示。圖3.5I/O口接線圖3.4元器件選型本系統(tǒng)用到了14個輸入口和4個輸出口，所以我選擇了三菱公司的FN2N-32MR型號的PLC，F(xiàn)N2N-32MR擁有32個I/O口，其中16個輸入口，16個輸出口，完全符合設(shè)計要求。三菱FX2N-32MR具有如下優(yōu)點：最大范圍地包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。三菱FX2N-32MR包括8K步內(nèi)置RAM寄存器，用一個寄存器盒可擴(kuò)充到16K步RAM或EEPROM。豐富的元件資源：3072點輔助繼電器、256點計時器、235點計數(shù)器和8000點數(shù)據(jù)寄存器、實時時鐘、使用標(biāo)準(zhǔn)型號實時時鐘滿足時間靈敏度應(yīng)用要求。人體都有恒定的體溫，一般在37°，發(fā)出波長為10微米左右的紅外線。熱釋電元件探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的，對波長為10微米左右的紅外輻射非常敏感，在接收到人體紅外輻射時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生信號。被動式紅外探頭，其傳感器包含兩個反向相串聯(lián)的熱釋電元件，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的用，使其產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人進(jìn)入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射被熱釋電元件接收，由于兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，因而產(chǎn)生相應(yīng)的信號。人體感應(yīng)探測電路由被動紅外探頭、放大電路及電子開關(guān)電路組成，安裝在自動門兩側(cè)。當(dāng)有人靠近自動門時，身體輻射出的紅外線被熱釋電紅外傳感器接收下來并將其轉(zhuǎn)換成信號，經(jīng)檢測放大電路放大處理后輸出給電子開關(guān)電路。電子開關(guān)信號輸入到PLC輸入繼電器中，PLC根據(jù)收到的信號，驅(qū)動電機(jī)將門打開。人力感應(yīng)器選用松下NAC83900人體微波傳感器。人體感應(yīng)探測器需要2個，分別用來感應(yīng)門內(nèi)外的來人情況，占用PLC兩個輸入點。限位開關(guān)又稱行程開關(guān)，是一種利用生產(chǎn)機(jī)械某些運(yùn)動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。限位開關(guān)廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床、起重機(jī)械以及輕工機(jī)械的行程控制。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動到某一運(yùn)動位置時，行程開關(guān)通過機(jī)械可動部分的動作，將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為電信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產(chǎn)機(jī)械給以必要的保護(hù)。綜合各個方面因素，行程開關(guān)采用歐姆龍公司的WLNJ-Q。直流電機(jī)我選擇則的是北京時代超群科技有限公司生產(chǎn)的60BL120-430型號無刷直流電機(jī)，其額定電壓為48V，額定功率為250W，額定轉(zhuǎn)速3000rmp，額定扭矩7.5kg.cm，通過變速器減速后，轉(zhuǎn)速和扭矩可以達(dá)到設(shè)計要求，低壓的工作電源也可保證安全性。通過電機(jī)功率得出結(jié)果，接觸器選用，CN-5K臺安交流接觸器，其額定電流7A，可以滿足設(shè)計要求?？刂葡到y(tǒng)中各元器件的選型總表如下表3.6所示：產(chǎn)品元件型號廠家數(shù)量單價PLCFX2N-32MR三菱11300直流電機(jī)60BL120-430時代超群1430直流接觸器CN-5K臺安390行程開關(guān)WLNJ-Q歐姆龍450人體感應(yīng)器NAC83900松下2180表3.6各元器件選型4軟件設(shè)計4.1主流程本系統(tǒng)除了完成在門內(nèi)、外有人通過時可以自動開門以及等待人走完之后要自動關(guān)門的基本要求外，總重要的就是保證人員的安全和自動門的穩(wěn)定性。所以程序中要加入防夾人子程序來防止自動門在運(yùn)作過程中意外夾到人，此外根據(jù)加速標(biāo)志位的信號來對門實施及時的加速減速來減小慣性帶來的影響，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？傮w來說，本系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的過程，需要對其程序流程仔細(xì)分析和詳細(xì)推敲，從而制定出最終的程序流程圖（如圖4。1所示）。圖4.1流程圖4.2梯形根據(jù)程序流程圖，在GX-developer寫出系統(tǒng)的梯形圖，經(jīng)過反復(fù)測試、修改之后，確定出如圖4.2所示的梯形圖。圖4.2梯形圖

5系統(tǒng)調(diào)試(1)按圖3-3連接線路，接通電源(2)將在“GX-developer”開發(fā)平臺編寫好的軟件下載到PLC中。(3)運(yùn)行過程實驗，按啟動按鈕，自動開/關(guān)門。現(xiàn)象一：當(dāng)按下按鈕X01（門內(nèi)人體感應(yīng)器）或X02（門外人體感應(yīng)器）時，Y01（電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器器）有輸出。當(dāng)按下按鈕X05（開門減速開關(guān)）時，Y03（串電阻接觸器）有輸出。當(dāng)按下按鈕X03（開門限位開關(guān)）時，Y01（電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器器）停止?，F(xiàn)象二：當(dāng)電動機(jī)M停止轉(zhuǎn)動時，計時器計時8秒進(jìn)行延時。按下按鈕X01（門內(nèi)人體感應(yīng)器）或X02（門外人體感應(yīng)器）時，則計時器重新計時8秒。現(xiàn)象三：當(dāng)8秒延時完畢后，Y02（電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器器）有輸出。在反轉(zhuǎn)過程中，若按下按鈕X01（門內(nèi)人體感應(yīng)器）或X02（門外人體感應(yīng)器），Y01（電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器器）有輸出，Y02（電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器器）停止。當(dāng)按下按鈕X06（關(guān)門減速開關(guān)）時，Y03（串電阻接觸器）有輸出。當(dāng)按下按鈕X04（關(guān)門限位開關(guān)）時，Y02（電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器器）停止。通過以上的模擬調(diào)試現(xiàn)象可以大概判斷出系統(tǒng)的工作基本可以滿足預(yù)期效果，但也有需要修改的地方。在實際的環(huán)境中，仍有很多需要注意的環(huán)節(jié)，比如各個傳感器的安裝位置、系統(tǒng)電源等等。

設(shè)計心得經(jīng)過兩周的時間，通過查閱了相關(guān)各個方面的資料以及在老師的耐心指導(dǎo)