基于plc的车库自动门控制技术设计毕业论文
常州机电职业技术学院毕业论文
基于PLC的车库自动门控制
系部：机械工程系
专业：机电一体化技术
题目：基于PLC车库自动门控制系统设计
摘要
虽着科学技术的不断发展，人们对车库的需求量日益增长。现在拥有汽车的人越来越多，对好的车库门的需求也在不断增大。智能车库的应用也越来越广泛，停车场管理控制系统在建筑中是不可缺少的，同时也是建筑物智能化的重要指标。随着计算机控制技术的发展，停车场管理控制系统的功能及软硬件设施也伴随其发展而不断改进。本次课程设计主要阐述车库自动门的设计思想与程序编制，应用PLC自动控制技术实现自动控制车库门的打开或关闭。当车接近门时，通过驱动程序将门打开，离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制系统。此系统对车库的管理有很大的帮助、对疏导交通流量、提高道路通行能力有明显的效果，有很大的实用价值人们对车库的需求量日益增长。智能车库将是信息社会最重要的基础设施之一，停车场管理控制系统则是现代建筑中不可或缺的一部分。随着计算机控制技术的发展，停车场管理控制系统的功能及软硬件设施也伴随其发展而不断改进。自动门系统已开始于大型公司、科研所、政府机关等单位。为增强自动门运行的可靠性，本设计提出一种FX232MRplc与变频器控制的自动门控制系统，设计中采用两个感应探测器、一些开关及传感器作为此系统的输入设备，变频器作为调节门体速度，并分析了该控制系统的工作原理及系统的硬件组成，分析人体感应探测，自动门运行位置检测，门运行故障检测等控制电路的工作过程，正确PLC的选型、变频器的选型及自动门控制等方面进行详尽阐述。I/O结合PLC运行特点，对控制系统工作流程进行合理的优化。在此基础上给出控制系统软件的流程图。顺序功能图外部端子接线图以及PLC控制梯形图。
关键词：自动门可编程序控制器梯形图变频控制
ABSTRACT
Title：Design of Automatic Door Control System Based plc ABS TRACT Abstract：
With the continuous development of science and technology, and now more and more people own cars, the garage door good demand is also growing. Application of intelligent garage is more and more widely, parking management system is indispensable in the building, also the important intelligent building. With the development of computer control technology, the parking lot management control system software and hardware facilities are also associated with its development and continuous improvement. Design and program design of this course focuses on the application of PLC automatic garage door, automatic control technology to realize the automatic garage door open or closed. When the car close to the door, opened the door to leave by the driver, and then the door automatically closed, and the control system to the process of opening and closing the implementation. Management of the garage in this system is of great help, has obvious effect on the traffic flow, to improve traffic capacity, is of great practical value. automatic door system has been applied to large companies research institutes government, agencies and other units are highly confidential. To enhance the reliability of automatic door operation, this design presents a FX2-32MR programmable logic controller and the inverter control automatic door control system, the design uses two sensor prods, some switches and sensors as the system input device, the dive door is used to adjust the speed, and analyzes the working principle of the control system hardware components and system, analysis of the human body decoction sensors automatic door operation position detection the door
operation position detection the door obstacle detection and other control circuit to run the working process ,the selection of the plc inverter selection I/O point of action to identify and automatic door and other aspect of the process in detail. With plc operating characteristics of the control system ware reasonable workflow optimization, on this basic given the process control system software design flow sequential control terminal wiring diagram and plc lead and so on.
Key words： Automatic Doors, Control Programming, Ladder, Dive
目录
1 绪论 (5)
2 PLC的介绍及选择 (6)
2.1 PLC的简介 (6)
2.2 PLC的主要功能及优越性 (8)
2.2.1 PLC的主要功能 (8)
2.2.2 PLC的优越性 (9)
2.2.3 PLC的特点： (9)
2.3 PLC的组成与基本结构 (11)
2.4 PLC的工作原理 (11)
2.5 PLC的选型 (12)
2.6 课题任务 (15)
2.7 本章小结 (15)
3 车库自动门控制系统的设计 (16)
3.1 车库自动门电气控制系统的平面图及说明 (16)
3.2 车库自动门控制系统的控制要求 (17)
3.3 控制程序的编制及硬件接线图 (18)
3.3.1 主电路图如图3-2所示 (18)
3.3.2 PLC硬件接线图如图3-3所示 (18)
3.3.3 PLC机型的选择 (19)
3.4 车库自动门控制系统的软件设计 (19)
3.4.1 I/O口及定时器/计数器说明 (19)
3.4.2 分段系统梯形图及说明 (21)
4 系统使用注意事项 (25)
5 车库自动门维修全程指南 (25)
6 系统设计调试 (26)
参考文献 (28)
致谢 (29)
附录 1 (30)
附录 2 (31)
1 绪论
随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步的促进了生产力的快速发展，并不断的丰富着人们的生活。
近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大，城市人口相对密集，无论是私家车辆还是公交车辆都不能真正满足正常的停放，车库车位的需求更大。因此车辆停放成为市民最关注的问题。
在超级市场、公共建筑、银行、别墅车库门，经常使用自动门控制系统。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），其特点是：具备逻辑控制、定时、计数、等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。
PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。所以在停车场智能管理领域，相应的也出现了PLC停车场智能管理的概念，即含有高科技的智能系统，与普通的停车系统不同的是，它能以PLC技术为基础来解决停车难的问题，直接为目标安全、迅速地到达目的地。停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出,车辆进入时给与司机准确的车
位数量与具体位置,车辆进入车库后,记录车辆总量;车辆离开车库时,减少车辆数量。车辆进出指示可完全由PLC进行中央控制处理,停车场空位指示可利用价格便宜的数码管显示。因此，在大力加强车辆停放智能管理的建设方面，尤其在实现快捷、便利、安全这一点上拥有很大的发展空间和潜力。
目前自动车库一般有如下缺点:
(1)目前大型的停车库对所有者来讲难于维护,对于车主停车来讲也有诸多不便,例如,车主不知道何时停的车,也不知道是否能找到合适的车位并且会花费很多不必要的时间来寻找空车位。
(2)目前大多数使用的车库都需要较高的维护成本和劳动力成本,并且这些管理人员需要时时在现场操作管理。
(3)目前较大型车库有的采用多层模式,需要利用电梯进行移位处理,控制
比较复杂,布局也不太合理。
为此，本文对家用车库智能控制管理上引入了PLC技术，对车库门进行了一个关于PLC为主的系统设计。提供一种布局简洁,适用广泛,让用户能够在最短时间找到停车位,并且在成本最低的条件下让用户得到高效便利的服务。
本车库门所实现的功能：
（1）紧急断电控制功能；
（2）身份识别控制功能；
（3）入库照明开启控制功能；
（4）手动开关门控制功能；
（5）入库开关门控制功能
（6）出库开关门控制功能；
（7）防盗报警及关门控制功能；
（8）下降遇阻力反弹再关门控制功能；
（9）车库内起火控制功能；
（10）车库外起火控制功能；
（11）远程遥控开闭车库门控制功能；
（12）来车又走控制功能；
（13）出入车库温馨提示控制功能。
2 PLC的介绍及选择
可编程控制器（Programmable Controller 简称PLC）。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的控制系统。可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。由于PLC在自动化控制中的种种优势，因此被广泛的引用于自动门系统中。
2.1 PLC的简介
二十世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制领域。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中得到广泛的应用。当时的工业控制，主要还是以继电—接触器组成控制系统。
1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计
和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。
1969年，美国数字设备公司（GEC）首先成功研制出第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制领域的新局面。接着，美国MODICON（莫迪康）公司也开发出可编程序控制器084（贝德福德的第84个项目）。
1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller）。
进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。
至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。使PLC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。
由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会（NEMA）经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC（Programmable Controller），但为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，常将可编程控制器简称为PLC，并给PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入∕输出接口，以位运
算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制器或产生过程的自动化控制装置。
1982年，国际电工委员会（International Electrical Committee，IEC）颁布了PLC标准草案第一稿，1985年提交了第二稿，并在1987年的3稿中对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序控制器的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、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，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照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。”
上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。
2.2 PLC的主要功能及优越性
2.2.1 PLC的主要功能
（1）开关逻辑和顺序控制
这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。
（2）模拟控制（A/D和D/A控制）
在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。
（3）定时/计数控制
PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。
（4）步进控制
PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。
（5）运动控制
在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。
（6）数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC 还可以进行浮点运算和函数运算。
（7）通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
2.2.2 PLC的优越性
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、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照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。
2.2.3 PLC的特点：
PLC作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特点。
(1)可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
(2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已
经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)安装方便，扩展灵活
PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。
(5)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
(6)体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3 PLC的组成与基本结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
PLC的硬件系统由主机系统（如图2-1）、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
图2-1 PLC硬件主机系统图
2.4 PLC的工作原理
可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。
PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地集中采样、集中输出的方式来完成。一个扫描周期（工作周期）主要成分为以下几个阶段：
（1）输入采样扫描阶段
这是第一个集中批处理过程，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一
个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。
（2）执行用户程序扫描阶段
这是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。
在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而变化的。
（3）输出刷新扫描阶段
这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。
2.5 PLC的选型
PLC目前主要的品牌有：美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等。
本设计中采用三菱公司的FX型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
FX的特征:
1体积小, 尺寸: 160×80×62mm由于其紧凑的设计,FX可以适合于任何机器控制环境。
2 易于使用: 通过STEP7- Micro/Dos软件可以非常方便地为FX编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286 的微机,要求MS-DOS5.0以上。
3 灵活多用: FX的输入/输出点可以支持各个领域的设备,如: 光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等。
PLC 三菱FX的特征如图2-2所示
图2-2 PLC三菱FX的特征
1 中央处理器(CPU):是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制,此次选择CPU224作为本设计的主机。
2 输入和输出(I/O):是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制执行机构。
3 编程口:用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器如图2-2所示。
表2-1 FX系列PLC CPU选型型号表
CPU系
列号
产品图片描述选型型号
CPU221 DC/DC/DC；6点输入
/4点输出
6ES7
211-0AA23-0XB0 AC/DC/继电器；6点
输入/4点输出
6ES7
211-0BA23-0XB0
CPU222 DC/DC/DC；8点输入
/6点输出
6ES7
212-1AB23-0XB0 AC/DC/继电器；8点
输入/6点输出
6ES7
212-1BB23-0XB0
CPU224 DC/DC/DC；14点输入
/10点输出
6ES7
214-1AD23-0XB0 AC/DC/继电器；14点
输入/10点输出
6ES7
214-1BD23-0XB0
CPU224X P DC/DC/DC；14点输入
/10点输出；2输入/1
输出共3个模拟量
I/O点
6ES7
214-2AD23-0XB0
AC/DC/继电器；14点
输入/10点输出；2
输入/1输出共3个模
拟量I/O点
6ES7
214-2BD23-0XB0
CPU226 DC/DC/DC；24点输入
/16点晶体管输出
6ES7
216-2AD23-0XB0 AC/DC/继电器；24点
输入/16点输出
6ES7
216-2BD23-0XB0
CPU226X M DC/DC/DC；24点输入
/16点晶体管输出
6ES7
216-2AF22-0XB0 AC/DC/继电器；24点
输入/16点输出
6ES7
216-2BF22-0XB0
在本控制系统中，需通过继电器来控制220V的电机，结合系统实际需要及系统的可扩展性和方便性，选择增加EM223CN DC/RELAY晶体管拓展模块。