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基于PLC自动门控制系统设计论文

PLC自动门控制系统

摘要

自动门在人们的日常生活中已经得到了广泛的应用，同时人们对其性能和安全等方面的要求也越来越高。

由于PLC的高稳定性和对环境较强的适应能力，使得PLC在自动门控制装置中的应用也日益广泛。

本文围绕自动门控制系统展开研究。

首先分析了国内外自动门发展的趋势和所采用的技术，然后对PLC系统作了简要说明。

并按照自动门控制装置的要求，设计了相应的梯形图文件，实现了自动门由检测到开启、计时等待、关闭的全过程。

本设计主要的工作原理是通过信号采集装置判定有无人经过并将信号转换成开关量信号传到PLC，PLC根据开关信号来控制变频器的开停和速度的变换，在由传动装置带动门运动

随着PLC不断的更新，PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一，由于可编程控制器可以很简单的改变控制方式。

并且，PLC具有较高的稳定性、可靠性、维修方便等优点。

还具有良好的处理自动门开关控制及良好的稳定性，因此，此设计以PLC为基础，以传感器为感应装置，电动机为动力单元，从而达到设计的要求。

关键词：

PLC可编程控制器自动门传感器设计原理工作原理

目录

PLC自动门控制系统1

摘要1

Abstract2

前言5

第一章自动门的概述6

1.1自动门简介6

1.2自动门的国内外发展现状6

1.3本课题研究的内容7

1.3.1自动门类型的选择7

1.3.2自动门硬件系统的设计7

1.3.3自动门的软件设计8

1.4本课题研究的背景和意义8

第二章PLC的概述10

2.1PLC的定义10

2.2PLC的产生背景10

2.3PLC控制系统简介12

2.4PLC的基本结构及原理12

2.5PLC的特点12

2.6PLC的选型原则13

第三章自动门控制系统的整体方案15

3.1设计流程15

3.2自动门的功能需求分析15

3.3自动门的控制要求15

3.4自动门技术参数16

3.5自动门具体构成16

第四章硬件设计18

4.1可编程控制器的选型18

4.2驱动装置的选型18

4.3感应器件的选型18

4.4行程开关（限位开关）的工作原理19

4.5传动装置19

第五章自动门控制系统软件的设计20

5.1PLC梯形图概述20

5.2自动门工作流程如下：

20

5.3自动门控制系统原理图21

5.4工作过程的分析22

5.5梯形图的设计23

自动门I/O地址分配表23

5.6过程分析23

总结25

谢辞26

参考文献27

前言

在经济与科技飞速发展的中国，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛,在一些正式的公共场合自动门已经随处可见。

自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当内外有人走近自动门时感应开关感应到有人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开,计时，在人通过之后，再将门关上。

由于自动门在通电后可以实现无人管理，给我们的日常生活带来很多的好处,比如进出方便、节约空调能源、还有利于人力资源的节省,更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息,也显示了一个国家的发展。

自动门最早应用在国外，目前在我国也以优异的性能逐步得到大家的认同，自动门在中国正走向发展的黄金时期。

控制装置性能决定自动门性能的优劣，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制,造成安装繁琐,不稳定，不易维修，体积大等缺点已经逐渐被淘汰。

目前自动门及其自动化行业最稳定的行业是PLC，它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、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。

目前它在机械制造、自动化、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。

运用PLC控制自动门具有较高的可靠性、稳定性，维修方便等优点。

由此看来，进行自动门的PLC控制系统设计,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，具有很好的发展前景。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只使用于高档酒店宾馆，自动平移门使用的最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门，目前市场上流行的平移型自动门一般是两开，这种门的特点是简单易控，维护方便。

本文所研究的对象就是自动平移门。

本课题主要介绍运用PLC为控制器的自动门控制系统的设计，本课题开发的产品对许多场合都能适用，并满足了自动门的基本要求，还可以保证自动门的稳定性。

研究本课题意味着产品成本的下降，效益提高，因此是一个比较实用且经济的产品。

第一章自动门的概述

1.1自动门简介

自动门英文名：

automaticdoor。

自动门从理论上理解应该是门概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行发展和完善。

自动门是指：

可以将人或物接近门的动作或某种入门授权，转换为开门信号，通过驱动系统将门开启，在人离开后在将门自动关闭，对门的开启和关闭的过程实现控制的系统。

在二十世纪年以后，自动门开始在建筑物上使用。

二十年代后期美国的超级市场的开放，受此影响，自动门开始被使用，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式已开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展,现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

例如：

各种用可识别控制的自动专用门，如:

感应自动门（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。

1.2自动门的国内外发展现状

在国外,进入90年代以来，自动化技术已经很成熟，技术发展很快，并取得了惊人的成就，自动门是自动化技术的典型代表。

在现在人们生活中自动门可以节约空调能源、防尘、防风、降低噪音、同时可以使出入口显得很庄重高档，因此应用非常广泛。

随着我国经济和科技水平的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适用于各种大型公共场所。

但在国内，自动门的自主研发技术尚不成熟。

在自动门控制系统设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。

自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器，当人走进门时，感应器感应到人的存在，给PLC控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。

当人通过之后，再将门关上。

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的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

自动门的控制方法有很多，从控制器的不同来说，有继电器控制，即通过按钮和复杂的接线安装来控制；还有智能控制器控制，即通过运行现代自动化设备来控制，它具有稳定性高，安全等优点，因此被很多生产厂商所运用。

由于继电器逻辑控制的自动门系统存在许多缺陷而逐步被智能控制器的自动门所淘汰。

在智能控制器的选择制主要有体积小、安装方便等特点，目前有许多厂家采用此种方式生产自动门，PLC控制的特点是稳定型高、维护方便，目前许多大型商场的自动门都是有这种方式来控制的。

1.3本课题研究的内容

综合了自动门的实用、简洁、便捷、简单、的要求，在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能和分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全和稳定性的要求。

本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。

1.3.1自动门类型的选择

由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。

客流量的差异会对自动门的使用产生很大的影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和频繁使用自动门。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等

综合了自动门的实用，简洁、便捷、简单的要求，在本课题中主要研究自动平移门，本课题设计的自动平移门具有手动和自动开门功能和分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。

1.3.2自动门硬件系统的设计

为满足日常的需要本课题设计的自动门要求有很高的稳定性，故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的CPU224小型PLC。

驱动装置选用稳定性较好、功率强大、自带减速装置的三相交流电机，在感应器运用自动门专用的微波雷达感应器和在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性能好的接近传感器，运用感应器件感应到的开关量信号输入给PLC，再由来PLC实现对自动门的控制。

本课题的具体需求在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动门的稳定、经济实用、方便、安全的需要。

1.3.3自动门的软件设计

在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图，梯形图能直观明了的设计出自动门的控制要求，并能更好的实现安全性和故障报警等问题，梯形图的编写运用西门子编程软件，此软件具有强大的诊断功能，能更快的查处故障原因，从而大大缩短了维修时间。

1.4本课题研究的背景和意义

21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：

有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与周围建筑的风格的整体的协调与和谐。

在大中型公共场所，自动门为这些建筑增添了时尚，高贵的姿彩。

自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的进一步提升和完善。

所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。

作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。

因此门体本身应牢固、密封。

自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常宠大，一般只用于有需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门。

由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。

同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。

自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。

当人通过门之后，再将门关闭。

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的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

自动门的开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。

微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。

红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。

缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员进入的场所。

本文拟使用微波雷达传感器设计一个自动门控制器系统

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，对于整个自动门行业是一次技术的革新，提高了自动门的使用率，因此，进行自动门的PLC控制系统设计，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

第二章PLC的概述

2.1PLC的定义

国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）于1987年颁布了可编程控制器的标准及其定义：

“可编程控制器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、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。

可编程控制器及其有关的外围设备都应该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。

”

定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”它也是一种计算机，它是专业在工业环境下应用而设计的工业计算机。

这种工业计算机采用“面向用户指令”，因此编程方便。

它能完成逻辑运算，顺序运算，定时，计数和算数运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统”联成一体，易于“扩充”。

2.2PLC的产生背景

可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。

机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该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。

在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。

这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点，尤其是对生产工艺多变的系统适应性较差。

1968年，美国通用汽车公司（GM）根据市场形势与生产发展的需要，为了完成“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。

第2年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台PLC，将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上，并取得了极大的成功。

此后随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的不断进步，PLC也迅速发展起来。

PLC初创阶段的代表产品有MODICON公司的084、AB公司的PDQIl、DEC的PDP．14和日立公司的SCY．022等。

该时期PLC产品的主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、逻辑运算、定时和计数等。

它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，在I／O接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求，它的控制功能比较简单。

在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。

20世纪20年代起，人们把各种继电器，定时器，接触器及触电按一定的逻辑关系连接起来，组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电器接触控制系统，由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广。

在工业领域控制中一直占主导地位。

但是继电接触器控制系统有明显的缺点：

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难以实现交复杂的的控制，特别是由于它是靠硬件连线逻辑构成的系统

接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统从新配置。

为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是;

（1）编程方便，可现场修改程序

（2）维修方便，采用插件式结构

（3）可靠性高于继电器控制装置

（4）体积小于继电器控制盘

（5）数据可直接送入管理计算机

（6）成本可与继电器控制盘竞争

（7）输入可以是交流150V以上

（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等

（9）扩展时原装系统改变最小

（10）用户存储器至少能扩展到4KB

十项指针的核心要求是采用软布线（编程）方程代替继电器控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。

2.3PLC控制系统简介

可编程控制器，英文ProgrammableController,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。

PLC是用于工业现场的电控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，它通过运行储存在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统。

可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎都可以做到。

像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控制器所没有的，更是传统的继电器控制电路所无法比拟的。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化、智能化创造了条件。

现代化工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。

PLC专为工业控制应用而设计，由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

2.4PLC的基本结构及原理

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都个不相同但都一微处理器为核心用微工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大至相同，硬件结构与微机相似，主要包括中央处理单元CPU存储器RAM和ROM，输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部识别接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。

PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，他们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。

2.5PLC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。

具体特点如下:

（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

2.6PLC的选型原则

当某一个任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。

再PLC系统设计时，首先应确定控制方案，一方面工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

因此工程设计选型和估算时应该详细分析工艺过程的特点，控制要求，明确控制任务和范围，确定需要的操作和动作，然后根据控制要求估计输入输出点数，确定PLC的功能外部设备等内存有多大。

第一个问题，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，以及输出量是用继电器还是晶体管或可控硅型。

控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器,电磁阀，又有24V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的实际点数，因为PLC的输出点一般是几个一组公用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。

所以一旦他们是交流220V的负载使用。

则直流24V的负载智能使用其他的输出端了。

这样有可能造成输出点浪费，增加成本。

所以要尽可能选择相同等级和种类的负载。

第二个问题，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，就要知道所发用的PLC是否有能力控制任务。

如PLC的计算速度。

用户程序容量等有特殊要求。

该选择包括运算功能，控制功能，通信功能，编辑功能，诊断功能和处理速度等性能的选择。

根据本课题所设计的自动门控制系统的要求主要有一下几种功能的选择：

a.控制功能

b.编辑功能

c.诊断功能

d.机型的选择

e.对PLC响应时间的要求

（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，PLC价格却相差很大在使用PLC较多情况下，这样的差价是必须考虑的因素。

综合以上因素，本课题的设计采用智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个自动系统的控制。

第三章自动门控制系统的整体方案

3.1设计流程

1.深入了解和分析自动门的控制要求和控制部件。

2.确定I/O设备。

根据自动门控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。

3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

5.设计自动门系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动门系统设计的核心工作。

6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7.自动门系统的整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试种发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

3.2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。

手动和自动开门方式由手自动转换开关来控制。

当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。

当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门且门未关闭，PLC动作输出信号给变频器来控制电机的正转或者反转来实现开门或者关门。

（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。

3.3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。

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，传感器重新检测到人体信号时，此时中断关门转向开门过程。

考虑到自动门若出现故障或维修的时候，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。

3.4自动门技术参数

表3-1自动门技术参数

单扇门的最大承重（kg）

1x120kg

单扇开启最大宽度（mm）

1250mm

高度（mm）

2500mm

开/关门速度（cm/s）

32.5cm/s

开启保持时间（s）

8S

可编程控制器（PLC）电源

220VAC,50-60Hz

驱动器电源

380VAC,50Hz

驱动器输出额定功率

120W

3.5自动门具体构成

自动门系统的具体组成如下图：

图3