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基于PLC的自动门控制装置设计--课程设计

西门子PLC课程设计

专业：xxx

班级：xxx

姓名：xxx

学号：xx

设计题目：自动门控制装置

设计报告格式20分设计内容60分10

分

总计

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封面3 页

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过

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分

析

系

统

控

制

要

求

I/O

分配

设

备

选

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电气原理图系

统

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序

设

计

动

手

实

践

能

力

总

印

象

评

分

主

电

路

控

制

电

路

外围

接线

图

2008年12月

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第1章分析评估及控制任务 (2)

1.1课题的分析评估 (2)

1.2 课题的控制任务 (2)

1.2.1 课题内容 (2)

1.2.2 控制要求 (2)

第2章 plc的发展史 (4)

2.1 plc的起源 (4)

2.2 plc的功能 (4)

2.3 plc的主要特点 (4)

2.4 plc的联网与通信 (5)

第3章 plc的选型 (6)

3.1 plc容量的选择 (6)

3.2 plc及外设型号的选择 (6)

第4章功能器件的基本工作原理 (8)

4.1自动感应门机的基本工作原理 (8)

4.2自动门的分类 (8)

4.3 限位开关的工作原理 (9)

4.4光电开关介绍 (10)

第5章 I/O地址分配 (11)

第6章电气原理图 (12)

6.1 方案说明 (12)

6.2 程序流程图 (13)

6.3 继电器接触控制图 (14)

6.4 plc控制输出输入接线 (14)

第7章系统程序设计 (15)

7.1 梯形图 (15)

7.2 过程分析 (17)

第8章总结 (18)

参考文献 (19)

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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

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立即停止关门，并自动进入关门程序。

（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。

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第二章 plc的发展史

2.1 PLC的起源

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就

开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪

60年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随

着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加

工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC

从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、

程控等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各

种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，

不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作

及编程。

2.2 PLC的功能

1、数据采集与输出。

2、控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

3、数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

4、输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

5、通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文文件转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC 构成"集中管理、分散控制"的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

6、支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

2.3 PLC的主要特点

1)、可靠性高。PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10~20万h，且均有完善的自诊断功能。2)、结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。3)、功能强大。4)、编程方便。控制具有极大灵活性。5)、适应工业环境。适应高温、

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振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。6)、安装、维修简单7)、与DCS相比，价格低。8)、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。

2.4 PLC的联网与通信

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其它智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成"集中管理、分散控制"的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子Profibus、A-B ControlNet及DeviceNet、莫迪康Modbus等等。但其构成的"集中管理、分散控制"分布式控制方式是十分类似的。如ROCKWELL（A-B）推出了"全方位自动化"的理念，推荐三层网络结构，即1）设备层（DeviceNet为代表）；2）控制层（ControlNet为代表）；3）管理层（EtheNet）。

1)、与DCS的差别。集散系统DCS从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能，满足快速大量数据处理要求。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。PLC在自身发展同时，也在吸收DCS系统的优点。PLC在过程控制的发展将是与现场总线技术结合，发展向下拓展功能，开放总线。

2)、市场占有率

1987年世界PLC的销售额为25亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。进入90

年代以来，世界PLC的年平均销售额在55亿美元以上，其中我国约占1%。当前，PLC

在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世

界潮流。图1为PLC产品、PID调节装置、DCS系统、个人计算机等销售额（美元）的对比，图2为市场增长率的对比。

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第3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。

3.1 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。

3.2 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

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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。

名称代码地址编号

输入信号

门内光电探测开关K1 I0.2

门外光电探测开关K2 I0.1

开门到位限位开关K3 I0.3

关门到位限位开关K4 I0.4

输出信号

开门执行机构KM1 Q0.0

关门执行机构KM2 Q0.1 短接启动电阻接触器KM3 Q0.2

表3-1 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CPU221/DC/DC/Relay的S7-200系列PLC。

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第四章功能器件的基本工作原理

4.1 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

4.2 自动门的分类

图4-1 弧形自动门

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图4-2 双重平移自动门

图4-3 双扇平移自动门

4.3 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。

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4.4 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。⑦指向角。

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第5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

名称代码地址编号

输入信号

门内光电探测开关K1 I0.2

门外光电探测开关K2 I0.1

开门到位限位开关K3 I0.3

关门到位限位开关K4 I0.4

输出信号

开门执行机构KM0 Q0.0

关门执行机构KM1 Q0.1 短接启动电阻接触器KM2 Q0.2

表5-1 输入/输出信号的名称、代码及地址编号

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第6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。

6.1 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

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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。

6.2 程序流程图

6.3 继电器接触控制图开始

若K1，K2有信号

开门

K3 打开停止

延时8s

若K1，K2有信

关门

若K1，K2有信号K4 打开停止

结束

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KM0KM0KM1KM1

SB1SB2KM1

SB10

SB3KT KM 1

SB11

SB5SB6KM2

SB7KM0

KM2

SB7

SB4

KM2

KM1

KT SB1SB2

KM2

SB7

SB3

KM0

图6-1 继电器接触控制图

6.4 plc 控制输出输入接线

图6-2 plc 控制输出输入接线