基于S7-200PLC自动门控制系统的设计.doc

1、1开封大学毕业设计论文基于S7200PLC自动门控制系统的设计专业电气自动化技术班级11电子二班学生姓名学号2011061178指导教师边疆2摘要随着电子技术的发展，可编程控制器（以下简称PLC）不断更新、发展，PLC控制是自动控制中最常见控制方式之一，自动门就是自动控制应用的一典型例子，由于可编程控制器具有很好的处理自动门的开关控制及良好的稳定性，而且可以很简单的改变控制的方式，因此，自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。目前自动门在日常生活中运用越来越广泛。关键词可编程控制器；S7200；自动门；控制系统1目录第一章绪论211设计背景与意义212自动门的组成3第二章总体设计521

2、在自动门的功能需求分析522自动门的控制要求523自动门技术参数的确定624自动门的机械传动机构设计7三、自动门控制系统的硬件设计831PLC的选择832驱动装置的选型933感应器件的选型934行程开关限位开关的工作原理1035传动装置1136自动门系统I/O分配表1137自动门I/O接线电路1238自动门控制系统的主电路原理图12第四章自动门的软件系统1441控制系统流程设计1442PLC梯形图概述15421梯形图的设计16422程序设计说明17第五章总结18参考文献19附录202第一章绪论11设计背景与意义在超级市场、公共建筑、银行、医院入口，经常使用自动门控制系统。使用自动门，可以节约空

3、调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出口显得庄重高档，因此应用非常广泛。自动平移门最常见的形式是自动门及门内外的光电开关，当人走进自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门的信号，控制器通过驱动装置将门打开，当人通过门之后，在将关闭。由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到了广泛应用。自动门在国外早就得到了普遍应用，在国内也逐渐得到了大家的认可，已经迎来了自动门发展的黄金时期。早期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、不易维修等缺点已被逐渐淘汰。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

4、子装置。他采用可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、和算数运算等操作指令，并能通过数字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、轻化工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，维修方便等优点。本课题的自动门设计运用PLC做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济性，对与整个自动门行业是一次技术革新，提高了自动门的使用率，因此，进行自动门

5、的PLC控制系统的设计，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。312自动门的组成图121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。主控制器它是自动门的指挥中心，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；同时人们通过主控制器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。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；动力马达提供开门与关门的主动力，控

6、制门扇加速与减速运行。门扇行运轨道就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。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。同步皮带（有的厂家使用三角皮带）用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。下部导向系统是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。13方案一用PLC控制回焊炉温度，其控制实现过程是首先温度传感器将加热炉的温4度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号

7、控制固态继电器的输出端导通与否从而使回焊炉开始加热或停止加热。既回焊炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为回焊炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。14方案二用单片机控制回焊炉温度，其系统是一个简单的单回路控制系统，总体框图如图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心，AT89C51可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路；前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路；由于回流焊炉内温度变化是一个相对缓慢的过程，因此前向通道中没有使用采样保持电路；信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。键盘设定用于温度设定，共三个按键。数据采样将由

8、传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，经A/D转换后，送入AT89C51相应接口中，换算成温度值，用于控制和显示。数据显示采用了共阴极数码管LED进行显示设置温度与测量温度。继电器/加热棒通过三极管控制继电器的开关来完成对加热棒的控制。图2控制器设计总体框图经比较，方案二相对方案一更为简单，精确，所以选择方案二为实验对象。5第二章总体设计21在自动门的功能需求分析本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能（1）开门和关门控制应有手动和自动方式为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到有人接近门口且门未打

9、开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，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。PLC控制和执行元件构成是自动门控制系统的两个重要组成。采用自动和手动控制方式，此种控制模式为自动门的主要控制方式。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。自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动点动控制方式，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

10、动化控制。22自动门的控制要求经分析设计任务，可知完成任务的实质就是控制电机的正反转。要实现自动控制首先要具备一下功能部件微波检测开关，限位开关，超载要实现电机正保护开关。先确定电机与门扇轨道组成的系统，要实现电机正转开门，电机反转关门。首先按下启动按钮，当传感器检测到能有人体通过信号时，开关上有电流通过，（光电检测开关是脉冲触发需对其自锁）所以线圈上有电流通过，电动机正传，带动自动门执行开门过程。6当门完全打开之后，使开门限位开关由闭合到断开，此时自动门停止，延时8秒。若此时感应器重新检测到有人体信号时，则在重新进行8秒延时。当8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

11、新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。23自动门技术参数的确定自动平移门安装和调试的关键是提高精度，即导轨的平直度和水平度，门体的两个吊挂点所形成的直线与导轨的平行度和垂直度，最大限度地减少门体的静态侧摆。在自动门投入使用后，尤其是初期，应经常调节门体，修正运行产生的误差。要严格限制门体重量，不能超过自动门的额定负重。通常在三个月最多一年内要对自动门进行全面的清理和调整。公共场所的自动平移门因为使用频率非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有限。例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合

12、考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。具体参数如表22所示。单扇开启宽度（MM）1250MM（最宽）单扇门的最大承重（KG）1X120KG高度（MM）2500MM开启保持时间（S）8S（程序中可调）可编程控制器（PLC）电源220VAC,5060HZ驱动器电源380VAC,50HZ驱动器输出额定功率120W表22724自动门的机械传动机构设计在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，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自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。2所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。3电机驱动电机采

13、用380V三相交流电机，功率大，可调性强。4导轨水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，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，实现了维护方面的特点。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,齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。、8三、自动门控制系统的硬件设计31PLC的选择西门子S7200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，开始被称为CPU21X，

14、后被称为CPU22X。其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。在此设计中我们选择S7200CPU224，它具有14输入/10输出，I/O共计24点。存储容量大，有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。西门子S7200CPU224如下图图31对于本次自动门的设计，所选PLC为西门子S7200CPU224就能满足要求，其性能如下表32表32S7200的参数表主要性能集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点9其他性能20K字节程序和

15、数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHZ），2个100KHZ的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议，MPI通讯协议和自由方式通讯能力特点本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等32驱动装置的选型自动门的驱动器是自动门能否良好工作的保障。结合安全稳定的考虑，在本设计中选用天津安全电机有限公司生产的型号为YSM100/112、W、S的3相380V交流电机，此电机噪音极小、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，又具备直流电动机线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、

16、运行效率高等诸多优点。图3333感应器件的选型目前自动门行业运用的感应器件主要有微波感应器、红外感应器等。微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，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，平面型天线昨感应系统，以微处理器作控制。整机关键元器件均为进口器件，方案设计选择器件均确保了产品可靠性。10微波感应器的特点微波感应器是以10525GHZ微波频率发射、接收。其探测方式具体如下优点（1）非接触探测。（2）不受温度、湿度、噪音。结合本课题的实际需要在设计自动门的人员检测上运用上海顺安达门业装饰有限公司的微波自动门感应器WB3004，其规格如下

17、表34感应器的参数表型号WB3004供电电压AC/DC12VAC/DC24V工作频率50HZ60HZ感应探头工作频率10525GHZ900G1200GHZ工作指示方式LED感应时间/延时时间REALTIME/05SEC感应范围40MWX30MD静态功耗工作功耗200MW/12V550MW/12V探头可调角度40160工作温度范围2560相对湿度095安装方式WALL34行程开关限位开关的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

18、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。滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮羊角式非自动复位式，双滚轮行移开关具有两个稳态位置，有“记忆”作用，在某些情况下可以简化线路1135传动装置本控制系统所用到的传动装置具体包括如下自动门扇行进轨道就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向进行。自动门扇吊具走论系统用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。同步皮带用于传输电机所产动力，牵引自动门吊具走论系统。传动结构如图23所示。其中马达皮带轮直径为5CM,皮带滑轮内径为135CM,外

19、径为285CM。图3536自动门系统I/O分配表I/O分配表是编写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。根据自动门的控制系统的要求，确定了PLC的I/O分配表，在表51中列出。表51自动门I/O地址分配表PLC原件作用I01门外光检测电开关12I02门内光检测电开关I03开门限位电开关I04关门限位电开关I05过载保护开关I06紧急停车开关I07启动停止I1O手动开门I11手动关门表5137自动门I/O接线电路图5238自动门控制系统的主电路原理图13图5314开始是否选择手动KA1、KA2是否有信号开门（KM1通电，电机正转）门碰到行程开关后停止（门全开状态）延时8S（

20、通过可调延时器实现）等待是否有人通过关门（KM2通电，驱动电机反转）关门时是否有人通过门碰到行程开关后停止（门全关状态）结束NYNYYNNY按下按钮按下按钮门打开到底门关闭到底第四章自动门的软件系统41控制系统流程设计当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如图所示图5415框图说明如下（1）当有人有内到外或由外到内通过光电检测开关KA1或KA2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关SQ1位置时，电机停止运行。（2）自动门在开门位置停留8S后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被启动，电动机反转，当门移动到关门限位开关SQ2位置时，电机停止运行。（3）在关门过程中，当有人员由

21、外到内或由内到外通过光电检测开关KA2或KA1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。（4）在门打开后的8S等待时间内，若有人员由外到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8S后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。42PLC梯形图概述梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎，并得到广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是1与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；2与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习；3与原有

22、的继电器逻辑控制技术的不同点是梯形图中的能流（POWERFLOW）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。16421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

23、，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。本系统的程序软件采用西门子公司设计开发的STEP7的编程软件进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编程规则每个继电器的线圈和他的触点均用同一

24、个编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。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）。线圈不能直接接在左边的母线上。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。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。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。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17图55422程

25、序设计说明当门内或门外有人走过来，进入感应区域时，I01或I02闭合得电，电机正转，带动自动门开启，使人安全进出。18第五章总结通过这次毕业设计，我从一知半解到最后逐渐弄懂，在学习于动手实践中得到了科学启示，人生感悟。通过这种开放式的毕业设计，我不仅学到了知识，更重要的是学会了一种新的学习方法，学会了如何利用现有的资源（图书馆资料和网络资源），为我终身的继续学习，创造条件，虽然这次学习时间并不长，但对自主学习的要求提高了，通过这样的学习形式，提高了我的学习能力。同时要谢谢我的毕业设计指导老师，如果不是老师在毕业设计中的辅导与帮助，我的毕业设计就不可能顺利完成。本设计基本上达到了设计目的，利用PLC实现了对电动机的简单控制，通过合理的设备选型和软件设计，提高了电动机运行的可靠性。19参考文献1李道霖电气控制与PLC原理及应用2版北京电子工业出版设，20092廖常初S7200PLC编程及应用北京机械出版社，20073陈艳红传感器与检测技术南京南京大学出版社，20104许晓峰电机及拖动3版北京高等教育出版社，20075张桂朋电气控制及PLC北京机械工业出版社，20076梁强西门子PLC控制系统设计及应用北京中国电力出版社，201120附录1硬件接线图2程序21