PLC的自动门控制
PLC的自动门控制[20200128194501]
摘要
随着科学技术的发展，我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。其中自动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。
为了增强自动门运行的可靠性，提出了一种以S7-200可编程程序控制器（PLC）为核心的自动门控制系统。分析了该控制系统的工作原理，描述了系统的硬件组成，介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程,对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。结合PLC的运行特点,对控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础上,采用结构化的编程方法,给出了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结果表明,整个系统功能完善,性能可靠。
摘要 2
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能化PLC
一、引言 3
二、 PLC概述 3
（一） PLC定义 3
（二）PLC特点 4
（三）PLC基本结构 4
（四） PLC基本工作原理 5
三、自动门硬件组成 5
（一）人体感应探测器 5
（二）自动门运行位置检测 5
（三）步进电机驱动 5
（四）门运行障碍检测、报警 6
（五） PLC主机 6
四、软件设计 7
（一）程序设计理念 7
（二）主程序模块介绍 7
（三）子程序模块介绍 8
（四）自动门控制系统流程图 9
（五）自动门控制顺序功能图 10
（六）自动门控制PLC外部接线图 11
（七） 继电器接触控制图 12
（八） 自动门控制梯形图程序设计 13
（九）自动门控制程序设计 13
（十）系统调试与分析 14
五、总结 14
六、致谢 15
七、 参考文献 15
一、引言
自动门起源于20世纪30到40年代，当时主要用于军事仓库、重要工厂，为的是防火、防弹及开门方便。20世纪50年代后，自动门应用日渐广泛，形成批量生产。许多大型银行、宾馆、酒店、大厦为提高档次和服务水平，为了与高层次的建筑相匹配，竞相采用自动门，促进了自动门的迅速发扎。真正较大规模生产和应用时70年代以后的事。目前自动门的主要生产国是美国、德国、意大利、荷兰和日本等发达国家。自动门工程包括建筑物配套的自动旋转门、圆弧行自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、车库自动门、庭院自动门和自动挡车器的设计、制造和安装。自动门工程师综合性的边缘产业，它综合了建筑技术、电子控制、机械设计、和制造技术、计算机技术及建筑装饰技术。它将会有广阔的发展空间。
国内基于PLC的自动门现状：（1）厂家多，规模小5～6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。本课题所研究的自动门控制系统，主要通过PLC作为控制基础，加上对红外热释电传感器的应用，从而实现了门的“自动”功能，次设计拓展了PLC的应用层面，增加了实现自动门控制系统的选择性。
二、 PLC概述
（一） PLC定义
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的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
（二）PLC特点
PLC 作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，其有以下显著特点：①可靠性高，抗干扰能力强；②硬件配套齐全，功能完善，适用性强；③易学易用，深受工程技术人员欢迎；④安装方便，扩展灵活；⑤系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；⑥体积小，重量轻，能耗低；⑦与 DCS 相比，价格低。
（三）PLC基本结构
PLC基本组成如图一所示：
图一 PLC结构示意图
由上图可知，PLC由CPU模块、I/O模块、编程器、电源以及接口组成，其中CPU即中央处理器（central processing unit），是整个部件的核心部分，主要由运算器和控制器组成，用于接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信以及外设的某些功能。I/O模块即为输入/输出模块，是PLC与外界连接的接口。编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。编程器的作用是输入与编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。电源模块用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。
（四） PLC基本工作原理
PLC有两种工作状态，即运行状态（run）和停止状态（stop）。在运行状态中，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。是为了是PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环分为5个阶段：
开始 诊断 与编程器通信 读入程序 执行程序 输出结果 开始
三、自动门硬件组成
本设计自动门硬件主要由以下五部分组成：人体感应探测器、自动门运行位置检测器、步进电机驱动、门运行障碍检测、报警以及PLC主机。
（一）人体感应探测器
人体都有恒定的体温,一般在37°,发出波长为10μm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10μm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作用,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,驱动步进电机将门打开。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。
（二）自动门运行位置检测
本系统的关键是控制门的运行,为了达到更好的控制效果,PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理,所以在关键的位置上安装位置传感器,并把传感器信号传给PLC。为此设置了两个行程开关,一个用于检测门完全打开时的位置,叫开门极限开关,一个用于检测门完全关闭时的位置,叫关门极限开关。当门在运行过程中,接近最大位置时,限位开关的信号传给PLC,电机停止运转。门离限位开关较近时,电机低速运行,通过程序来控制。如何判别门离极限开关的距离呢?用一个霍尔传感器,来检测电机的转速,结合限位信号来判断门的位置。2个行程开关、1个霍尔传感器,占用PLC 3个输入点。
（三）步进电机驱动
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100% )的特点,广泛应用于各种开环控制。PLC对电机的控制有两种方式:一种是脉冲+方向控制;一种是正反向脉冲输出。这里采用第1种方法。PLC的高速脉冲输出(PTO)提供一个指定脉冲数目的方波输出(占空比为50% )。在加速和减速时输出脉冲的频率(或周期)线性变化,而在恒定频率段部分保持不变。一旦产生完指定数目的脉冲, PTO输出变为低电平,直到装载一个新的指定值时才产生脉冲。PTO输出占用一个PLC输出点,用于控制门体的位移和速度,由另一个输出点的信号控制门体运动的方向。这两个信号送给步进电机驱动器去驱动电机,以带动门体完成相应的运动。
摘要
随着科学技术的发展，我们的生活发生了巨大的变化。一个智能化、自动化的社会已经开始呈现于我们的眼前，这为我们提供了非常多的便利。其中自动门就是自动化进程中的一个典型代表，此设计就是运用所学的知识，结合实际需要而进行研究的。
为了增强自动门运行的可靠性，提出了一种以S7-200可编程程序控制器（PLC）为核心的自动门控制系统。分析了该控制系统的工作原理，描述了系统的硬件组成，介绍了人体感应探测、自动门运行位置检测、门运行障碍检测等控制电路的工作过程,对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。结合PLC的运行特点,对控制系统的工作流程作了合理的优化。在此基础上,采用结构化的编程方法,给出了主程序模块、开门子程序模块、关门子程序模块的程序流程图。系统已通过硬件和软件调试,在实际中获得了应用。应用结果表明,整个系统功能完善,性能可靠。
摘要 2
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能化PLC
一、引言 3
二、 PLC概述 3
（一） PLC定义 3
（二）PLC特点 4
（三）PLC基本结构 4
（四） PLC基本工作原理 5
三、自动门硬件组成 5
（一）人体感应探测器 5
（二）自动门运行位置检测 5
（三）步进电机驱动 5
（四）门运行障碍检测、报警 6
（五） PLC主机 6
四、软件设计 7
（一）程序设计理念 7
（二）主程序模块介绍 7
（三）子程序模块介绍 8
（四）自动门控制系统流程图 9
（五）自动门控制顺序功能图 10
（六）自动门控制PLC外部接线图 11
（七） 继电器接触控制图 12
（八） 自动门控制梯形图程序设计 13
（九）自动门控制程序设计 13
（十）系统调试与分析 14
五、总结 14
六、致谢 15
七、 参考文献 15
一、引言
自动门起源于20世纪30到40年代，当时主要用于军事仓库、重要工厂，为的是防火、防弹及开门方便。20世纪50年代后，自动门应用日渐广泛，形成批量生产。许多大型银行、宾馆、酒店、大厦为提高档次和服务水平，为了与高层次的建筑相匹配，竞相采用自动门，促进了自动门的迅速发扎。真正较大规模生产和应用时70年代以后的事。目前自动门的主要生产国是美国、德国、意大利、荷兰和日本等发达国家。自动门工程包括建筑物配套的自动旋转门、圆弧行自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、车库自动门、庭院自动门和自动挡车器的设计、制造和安装。自动门工程师综合性的边缘产业，它综合了建筑技术、电子控制、机械设计、和制造技术、计算机技术及建筑装饰技术。它将会有广阔的发展空间。
国内基于PLC的自动门现状：（1）厂家多，规模小5～6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。本课题所研究的自动门控制系统，主要通过PLC作为控制基础，加上对红外热释电传感器的应用，从而实现了门的“自动”功能，次设计拓展了PLC的应用层面，增加了实现自动门控制系统的选择性。
二、 PLC概述
（一） PLC定义
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的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按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。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
（二）PLC特点
PLC 作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，其有以下显著特点：①可靠性高，抗干扰能力强；②硬件配套齐全，功能完善，适用性强；③易学易用，深受工程技术人员欢迎；④安装方便，扩展灵活；⑤系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；⑥体积小，重量轻，能耗低；⑦与 DCS 相比，价格低。
（三）PLC基本结构
PLC基本组成如图一所示：
图一 PLC结构示意图
由上图可知，PLC由CPU模块、I/O模块、编程器、电源以及接口组成，其中CPU即中央处理器（central processing unit），是整个部件的核心部分，主要由运算器和控制器组成，用于接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信以及外设的某些功能。I/O模块即为输入/输出模块，是PLC与外界连接的接口。编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。编程器的作用是输入与编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。电源模块用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。
（四） PLC基本工作原理
PLC有两种工作状态，即运行状态（run）和停止状态（stop）。在运行状态中，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。是为了是PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环分为5个阶段：
开始 诊断 与编程器通信 读入程序 执行程序 输出结果 开始
三、自动门硬件组成
本设计自动门硬件主要由以下五部分组成：人体感应探测器、自动门运行位置检测器、步进电机驱动、门运行障碍检测、报警以及PLC主机。
（一）人体感应探测器
人体都有恒定的体温,一般在37°,发出波长为10μm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10μm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作用,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,驱动步进电机将门打开。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。
（二）自动门运行位置检测
本系统的关键是控制门的运行,为了达到更好的控制效果,PLC必须时刻知道门所处的位置从而做出相应的处理,所以在关键的位置上安装位置传感器,并把传感器信号传给PLC。为此设置了两个行程开关,一个用于检测门完全打开时的位置,叫开门极限开关,一个用于检测门完全关闭时的位置,叫关门极限开关。当门在运行过程中,接近最大位置时,限位开关的信号传给PLC,电机停止运转。门离限位开关较近时,电机低速运行,通过程序来控制。如何判别门离极限开关的距离呢?用一个霍尔传感器,来检测电机的转速,结合限位信号来判断门的位置。2个行程开关、1个霍尔传感器,占用PLC 3个输入点。
（三）步进电机驱动
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100% )的特点,广泛应用于各种开环控制。PLC对电机的控制有两种方式:一种是脉冲+方向控制;一种是正反向脉冲输出。这里采用第1种方法。PLC的高速脉冲输出(PTO)提供一个指定脉冲数目的方波输出(占空比为50% )。在加速和减速时输出脉冲的频率(或周期)线性变化,而在恒定频率段部分保持不变。一旦产生完指定数目的脉冲, PTO输出变为低电平,直到装载一个新的指定值时才产生脉冲。PTO输出占用一个PLC输出点,用于控制门体的位移和速度,由另一个输出点的信号控制门体运动的方向。这两个信号送给步进电机驱动器去驱动电机,以带动门体完成相应的运动。
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