基于的自动门控制系统设计

学号2014215945
《电气控制与PLC》
课程设计
（2014级本科）
学院：物理与机电工程学院
专业：电气工程及其自动化
作者姓名：张林
指导教师：盛海龙职称：工程师
完成日期：2017 年 6 月25 日
课程设计任务书
目录
第1章分析评估及控制任务 (5)
1.1课题的分析评估 (5)
1.2课题的控制任务 (5)
1.2.1课题内容： (5)
1.2.2控制要求： (6)
第2章PLC的选型 (7)
2.1 PLC容量的选择 (7)
2.2 PLC及外设型号的选择 (7)
第3章功能器件的基本工作原理 (10)
3.1 自动感应门机的基本工作原理 (10)
3.2 自动门的分类 (10)
3.3 限位开关的工作原理 (11)
3.4 光电开关介绍 (11)
第4章I/O地址分配 (13)
第5章电气原理图 (14)
5.1 方案说明 (14)
5.2 程序流程图 (15)
5.3 继电器接触控制图 (16)
5.4 plc控制输出输入接线 (17)
第6章系统程序设计 (18)
6.1 梯形图 (18)
6.2 语句表 (19)
6.3 过程分析 (20)
第7章总结 (21)
参考文献 (22)
第1章分析评估及控制任务
1.1课题的分析评估
随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业领域的所有任务。

但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC，单片机，DCS或IPC）来完成该任务最合适，比如仪器及仪表装置，家电的控制器就要用单片机来做；大型的过程控制系统大部分要用DCS来完成。

而PLC最合适的控制对象是：工业环境较差，而对安全性，可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业制动控制系统或装置。

其实，现在的可编程控制器不仅处理开关亮，而且对模拟量的处理能力也很强。

所以在很多情况下，也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控制器，来完成复杂的工业控制任务。

控制对象及控制装置（选定为PLC）确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。

一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。

另外，如紧急情况停车的环节，对主要控制对象还要加上手动控制功能，这就需要在设计电气系统原理图与编程时统一考虑。

1.2课题的控制任务
1.2.1课题内容：
1．自动门控制装置的硬件组成：
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，关门到位限位开关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）等部件组成。

1.2.2控制要求：
（1）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。

（2）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被启动，电动机反转，当门移动到开门限位开关K4位置时，电机停止运行。

（3）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。

（4）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，在自动进入关门过程，以保证人员的安全通过。

第2章PLC的选型
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成了最重要的事情，一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。

2.1 PLC容量的选择
对PLC容量的选择问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O 点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。

I/O点的性质主要指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是用晶体管或是可控硅型。

控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器，电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。

因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。

所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。

这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。

所以要尽可能选择先同等级的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲数出，就可以定下选用多少点和I/O 是什么类型的PLC了。

根据本课程设计的题目及要求可知门内光电探测开关K1，门外光电探测开关K2,开门到位限位开关K3,关门到位限位开关K4,都是输入触点，所以该系统共有开关量输入点4个。

另外，该系统还有开门执行机构KM1，(使直流电动机正转)，关门执行机构KM2（使直流电动机反转），短接启动电阻接触器KM3等都是输出触点，所以该系统共有开关量输出点3个。

又根据课题要求可知PLC选用输入电源为24VDC，输出电源也是24VDC,选择输出口器件类型为Relay即继电器的PLC。

2.2 PLC及外设型号的选择
对于PLC及外设型号的选择问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要
知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。

如对PLC与PLC，PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通讯要求；或对PLC的计算速度，用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。

这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。

（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似，质量相当，I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。

在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因素。

（3）个人喜好方面有些工程技术人员对某些品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。

另外，甚至一些政治因素或个人情感有时也会成为选择的理由。

PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。

如模拟量单元，显示设定单元，位置控制单元或热电偶单元等。

表2-1 输入/输出信号的名称、代码及地址编号
对于本课设来说不需要扩展单元与模拟量单元，据上表可知选择PLC可以选择我们所熟悉的西门子系列PLC,根据以上的分析可知我们可以选择主机型号为CPU224/DC/DC/Relay的S7-200系列PLC，它是14输入10输出的CPU。

第3章功能器件的基本工作原理
3.1 自动感应门机的基本工作原理
首先，平移式自动感应门机组由以下部件组成：（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。

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
3.2 自动门的分类
图3-1 双重平移自动门图3-2 弧形自动门
图3-3 双扇平移自动门
3.3 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。

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。

3.4 光电开关介绍
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。

2）、光电开关的分类及术语解释
（1）、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4章I/O地址分配
输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。

对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图，装配图，让装配人员根据线路图和安装控制柜。

分配输出点地址时，要注意负载类型的问题。

在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。

控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表3-1
表4-1 输入/输出信号的名称、代码及地址编号
第5章电气原理图
系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。

硬件系统设计主要包括PLC 及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。

软件系统设计主要指编制PLC控制程序。

选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。

电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。

控制电路中包括PLC的I/O 接线和自动部分、手动部分的详细连接等，有时还要在电气原理图中标上期间代码或另外配上安装图、端子接线图等，以方便控制柜的安装。

电器元器件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯和电磁阀等。

在程序设计时，除I/O地址列表外，有时还要把在程序中用到的中间继电器（M）、定时器(T)，计数器（C）和存储单元(V)以及它们的作用或功能列写出来，以便编写程序和阅读程序。

在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：
（1）有些PLC使用梯形图编程不是很方便（例如书写不便），则可用语句表编程，但梯形图总比语句表直观。

（2）经验丰富的人员可以用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。

（3）如果是清晰的单顺序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好是用功能图来设计程序。

5.1 方案说明
由于自动门的分类很多，本次实验不能一一进行讨论，最后决定主要对平
移自动门进行设计实现plc的自动控制。

自动门的硬件组成部分在前已经叙述，现不再赘述。

下面主要对控制部件进行讨论。

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
动控制首先要具备以下功能部件：光电检测开关，限位开关，超载保护开关，直流电机。

现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。

1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关时，开关上有电流通过（光电检测开关是脉冲触发须对其自锁）由于开门限位开关常闭，所以线圈上有电通过，电动机正转，到达开门限位开关位置时，电机停止运行。

2）当自动门到开门限位开关位置时启动延时定时器8秒后，自动进入关门过程，电动机反转，当门移动到关门限位开关时，电机停止运行。

3）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，应立即停止关门，并自动进入开门程序。

4）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时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制从在一定的问题，最后决定加增手动开门和关门开关。

开始
5.2 程序流程图
若K1，K2有
开门
K3 打开停止
延时8s
若K1，K2
关门
若K1，K2有
信号
K4 打开停止
结束
5.3 继电器接触控制图
图5-1 继电器接触控制图
5.4 plc控制输出输入接线
图5-2 plc控制输出输入接线5.5控制面板按钮设计
第6章系统程序设计6.1 梯形图
6.2 语句表
6.3 过程分析
1、首先按下启动按钮使I0.7闭合，若外检测开关或内检测开关有信号时I0.1或I0.2闭合。

由于开门限位开关I0.3是长闭的，所以Q0.0线圈通电，有原理分析可知光电检测开关的触发方式是脉冲触发所以需要自锁。

当Q0.0线圈通电时Q0.0闭合，此时电动机正转带动自动门扇移动，执行开门过程。

2、当门扇完全打开时，使开门限位开关I0.3打开，Q0.0线圈断电.电动机停止转动。

3、当门扇停止移动时，由于开门限位开关的长闭变成长开，故使长开闭合。

进行8秒的延时，若此时外检测开关或内检测开关I0.1或I0.2有信号，则使T37重新延时。

4、当8秒的延时完毕后T37线圈通电，关门限位开关关闭，所以使Q0.1
通电并自锁，电机反转执行关门过程。

5、在关门过程中，若外检测开关或内检测开关I0.1,I0.2有信号又使Q0.0通电，由于在关门过程中Q0.0长闭，此时打开并中断关门过程，转向开门过程。

6、在此控制过程中，为了保证其安全性设置过载保护和紧急停车。

7、考虑到主动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开门和手动关门。

第7章总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。

我开始先认真审题，考虑设计系统的要求及条件，复习有关课程内容，如《电器与plc控制技术》、《西门子plc课程设计指导书》等，之后多方收集相关资料并截选，再与同学交流、请教老师。

回顾起此次西门子plc课程设计，令我仍感慨颇多。

三个多星期的时间里，付出了不少时间和精力，努力地查找资料、绘制电路图等，但学到了很多很多东西。

同时，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的思维能力和实际应用能力。

在设计的过程中常遇到问题，可以说是困难重重，第一次做此类设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新巩固。

通过本次课程设计，我在盛老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，这对我今后进一步学习这方面的知识有极大的帮助。

在此，忠心感谢肖老师的指导和同学的帮助。

三周的时间说长不长，说短也不短，在这三周里让我学会了本课程在实际生活中的用途，学会了同学之间的互助团结，学会了怎样克服困难。

在此，再次感谢我的指导老师盛老师。

参考文献
[1] 电气控制与PLC原理及应用李道霖主编电子工业出版社2004.8
[2] 可编程控制器应用技术赵春生主编人民邮电出版社2008.9
[3] 深入浅出西门子S7-200PLC（第二版）北京航空航天大学出版社 2005.3
[4] 电力拖动控制线路与技能训练（第三版）中国劳动社会保障出版社 2008.2
[5] 可编程控制器原理及应用[M] 吴中俊黄永红北京机械工业出版社 2004
[6] 电器与PLC控制技术[M] 张万忠刘明芹北京化学工业出版社 2003
[7] PLC应运开发案例精选 (第二版) 高钦和北京人民电邮出版社 2008
[8] 电器与可编程控制器应用技术[M] 邓则名程良伦北京机械工业
出版社 1997
[9] 可编程序控制器及应用林小峰北京高等教育
出社[M] 1991
[10] 可编程序控制器教程温照方北京北京理工
大学出版社 2002
[11] 逻辑与可编程控制系统汪道辉北京机械工业
出版[M] 2001
[12]电气与PLC控制技术及应用张晓峰高等教育出版社2013.
电气控制与PLC课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。