自动门控制系统设计与实现Word文档格式.docx

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学生姓名：

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指导教师（职称）：

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

[摘要]自动门系统在我们的生产和生活中有着广泛的应用。

其主要的组成部分有可编程控制器、感应探测元件、动力系统等。

其工作原理是感应元件感应到的人体或物体时把感应信号传输到PLC，PLC再整合收到的各种信号作出判断，既而发出控制信号，使自动门动作。

本次设计按照控制要求最终实现了自动门的各种动作。

[关键词]可编程序控制器；

感应探测元件；

自动控制；

控制方式

AutomationSpecialtyLI-JUAN

Abstract:

Automaticdoorsystemhasbeenwidelyusedinourproductionandlife.Themaincomponentsincludeprogrammablecontrollers,sensorsdetectingelements,powersystemsandotheraccessories.ItsworkingprincipleissensedbythebodysensingelementorobjecttothesensorsignaltothePLC,thenPLCintegratevarioussignalsreceivedjudgmentsubsequentlyissueacontrolsignaltotheautomaticdooraction.Theultimaterealizationofthedesigninaccordancewiththecontrolrequirementsofthevariousactionsofautomaticdoors.

Keywords:

Programmablelogiccontroller;

inductiondetectingelement;

automaticcontrol;

controlmode

1引言

1.1选题目的与意义

随着世界经济和中国经济的不断发展，门的概念日益显现出来，现今社会门更加突出它的安全性，强调它的有效性，安全有效的通行、疏散，同时它的艺术的理念越来越突出，强调门与艺术的完美结合，我们要达到的目的就是门与其所在建筑以及周围自然环境的和谐。

自动门专业和规模的生产可以追溯到很久以前，在其不断进步的历史过程中，涌现出大批深受用户好评的专业制造商。

自动门的发展起源在欧美，经过多年的发展，现在已经形成了功能完善、做工精良的自动门系列。

在许多公共场所中，为了增添了高端、时尚的因素。

自动门得到广泛的应用。

自动门的发展可以解释为人类门的应用观念的继续，是人们依据不同需求对门的功能的提升和应用的完善。

因此我们对自动门的认知应从人们对门性能的要求开始。

门是所有建筑物必不可少的一部分，从最原始的功能来讲，门要具有隔离外部环境和方便通行这两种作用。

因此门应该更加可靠、密封。

随着自动门的大面积发展，人们对于门的作用也不断改变，人们的安全观念不断提升。

自动门不但能够改善出入口环境，而且能够保护人们的出行安全。

就我国现阶段来说，我国现在没有制定自动门的国家标准，使我国自动门性能、质量参差不齐。

自动门在通电后可以自动控制无需人工管理，同时又节约了大量空间资源，防风、防尘、降低噪音，既提高了建筑的档次，又方便了人们出行，这是由于这些特点自动门在近几年国内外的各种市场迅速发展并得到大范畴的应用。

在本次自动门设计中我们采用PLC做控制器可以增强自动门运行的稳定性和安全性，同时也大大地改善了自动门的使用效果。

自动门的PLC控制系统的设计具有很重要的现实意义，不但可以为自动门行业的发展提供技术支持，而且扩大了PLC在该行业甚至整个自动化行业的全面应用，因此该设计具有很大的经济价值和理论研究意义。

1.2自动门发展情况

当今中国经济飞速发展，在一些大城市的购物中心、写字楼以及一些住宅小区自动门得到广泛应用。

自动门的工作方式相对简单，它主要是通过门上方的的感应探测器来感应人的进出，探测器就会感应到人的接近，给系统一个信号，这样控制器发出指令通过驱动装置使自动门打开。

在人通过自动门之后，内部的探测器感应并发出信号使自动门关闭。

自动门在接通电源后，可以实现自动控制，无需人员操作，即方便又快捷，给人们的出行带来了极大的便利、而且自动门还具有高效，快捷等优点。

由于它的自动性，当无人进出时门是关闭的防止了粉尘、雾霾等污染。

正是由于它的这些特点使自动门在现实生活中得到了广泛的应用和发展。

（1）国外自动门的发展现状

国外自动门的起步早、发展快。

上世纪90年代以来，随着自动化技术快速全面的的发展，在国外自动门技术已经相当成熟，取得了较高的成绩，这也使得自动门技术应用于各种场合。

自动化技术的发展是自动门系统的基础。

现实生活中自动门的应用不仅给人们的出行带来了便利而且节约了大量的空间能源，有效减少了噪音、粉尘等。

自动门也使出入口显得更加高档，出入也更加快捷。

因此自动门在国外应用于各种有需求的场合，并且发展迅速。

有良好的前景。

（2）国内自动门的发展现状

近些年我国经济快速稳定发展，国家对自动化产业的越加重视，我国自动门发展也取得了长足的进步。

自动门在日常生活中的运用越来越广泛，由于自动门的快捷性，自动门适合于各种公共场所。

由于起步较晚我国自动门的研制和发展都尚处于初级阶段，与国外相比还有较大差距。

在自动门设计系统设计中我们首先要保证的就是其安全性及其稳定性。

目前由于我国处于自动门研发的起步阶段，我国自动门的发展还有很长的路要走，在现阶段我国的自动门发展状况有以下特点：

（1） 

生产厂家众多但生产规模小。

据相关机构统计，在我国自动门生产厂家多大60多家，但在这些厂家中普遍存在的问题是生产规模小，自主研发能力跟不上时代发展。

产品的性能和质量不具备的进口产品竞争的实力。

（2） 

在自动门市场中高、低档次的市场分明。

国外进口产品凭借其良好的质量和品牌优势，占据了大部分的高端市场，国内厂家生产的产品虽然也具备完善的功能，但生产过程中的管理不严格和产品质量参差不齐，所以产品的档次不高，用户的数量不多，产品大多集中在低端市场。

（3） 

恶意竞争阻碍发展。

在我国自动门产品的应用大多数是开发商决定而不是用户决定，价格成为开发商首要考虑的因素，进一步加剧了国内市场竞争。

导致国内众多自动门生产厂家一味地比拼价格，忽略其他因素。

使国内产品的改进、发展和进步受到严重阻碍。

进一步加大了与国外产品的差距。

2系统的整体方案设计

本次设计是以PLC为核心的自动门控制系统，目的就是按照控制要求通过PLC的控制来达到最终的控制目的。

使自动门按照要求动作。

2.1自动门系统的功能需求 

本设计是针对各种场所入口的应用设计，应满足各种各样场所和环境的不同需求，其中首要考虑的因素就是自动门的安全性和可靠性，在此基础上满足其性能要求和技术要求，对于本次自动门系统的设计需要满足一定的功能需求。

根据整个系统的具体功能要求，所设计的自动门系统应实现以下功能：

（1）自动门主要动作实现要有手动和自动两种控制方式。

自动门系统之所以具有手动和自动两种控制方式是为了使自动门在检修和维护时更加方便。

当信号检测装置检测到有人接近门时自动门应该自动打开，当检测到无人时自动门应该自动关闭，这是自动门最基本的功能要求。

系统应具有紧急停止装置。

这是出于安全性的考虑， 

当自动门出现无法打开或者夹人等严重问题时，操作员可闭合紧急停止开关，停止自动门的当前动作状态。

避免出现伤人情况。

（3）PLC要求准确反映。

当信号检测装置检测到有人靠近自动门但自动门没有打开或者检测到已无人靠近自动门但是自动门未关闭时，PLC输出控制信号用来控制电动机正转或者反转使自动门打开或者关闭。

2.2自动门系统的控制要求

自动门系统只有达到一定的控制要求才可以在现实生活中得到应用，本次设计的初衷就是使自动门按照一定的控制要求在生活中得到应用，所以在本次设计中自动门系统应满足以下控制要求。

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。

自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行开关KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。

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，若有人员由外至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8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。

2.3自动门系统的组成及工作流程

在本次自动门系统设计中要完成控制要求，需要以PLC控制为中心，并要有其它设备辅助共同构建一个完整的系统体系才能够达到控制要求的目的，系统主要的构成设备有感应探测器、动力体系、行程开关等。

以下就是自动门系统的主要组成部分及其工作要求：

（1）控制器：

它是整个自动门系统的最主要部件，由PLC完成，首先编写程序并写入通过内部的CPU按照程序指令要求发出相应命令，指挥动力系统及其它各个系统共同动作，最终完成自动门的动作要求。

所以说控制器是整个系统的指挥中心，是系统最主要的部分。

（2）感应探测器：

它的主要作用是采集外部信号，当该部件检测到有人或物进入其感应范围内，它就工作并向主控制器输送一个脉冲型号。

主控制器根据其输送的信号发出一系列的动作信号。

（3）动力系统：

其主要工作就是为自动门的各种动作要求提供有效的动力保障，在本设计中动力系统为直流电动机。

当然整个系统还需要其他的部件辅助完成，如行程开关等。

这些所有的设备相互作用共同构建了一个完整的自动门系统。

自动门各种动作的完成需要所有的组成部件共同工作协调完成。

自动门实物图如图1所示。

图1自动门实物图

自动门的工作是一个整体的动作，需要各个部件共同作用并按一定的流程才能够完成。

自动门的工作流程如图2所示。

图2自动门工作流程示意图

自动门系统的工作流程：

在自动门上方的感应探测器检测到有人或者物体接近时，将发出脉冲信号并将该脉冲信号输送给主控制器，主控制器做出相应的判断后将控制指令传输给动力系统使其运行，如需自动门开门，电动机正转，反之自动门关门时电动机反转。

3系统硬件设计

自动门系统的实现需要硬件与软件有机结合在一起才能更好的完成控制要求。

本次设计中我们主要用到的硬件设备有驱动装置即自动门的动力系统、感应检测装置以及行程开关。

3.1PLC简介与选型

随着时代和科技的不断进步，PLC也在不断发展，现在对它进行一个比较准确的定义还是比较困难的。

美国电气制造商协会（NEMA）经过多年的研究和调查工作，在1980年向大众宣布正式将可编程序的控制器命名为PC（Programmable 

Controller），为了和个人计算机PC（Personal 

Computer）相互区分，人们常常将可编程控制器简称为PLC[1]。

人们发明微处理器之后，并很快将它应用到可编程逻辑控制器中，使可编程逻辑控制器的运算功能、数据传输等功能都得到了有效的增强，使其成为了具有计算机控制特征的工业装置。

可编程逻辑控制器是时代的产物是微机技术和继电器控制技术相统一的产物。

后来个人计算机产业在科学技术的进步中不断迅速发展。

人们突出可编程控制器的各种功能特点及其广泛的应用，并且为了今后的推广方便所以才将可编程逻辑控制器命名为PLC[2]。

进去20 

世纪70年代后期，对可编程逻辑控制器来说是一个崭新的发展阶段即实际应用发展阶段，计算机技术的不断进步并与可编程控制器相互融合，使可编程控制器的功能产生了质的飞跃。

运算速度更加快速、体积更加微小、工业抗干扰性更强、PID等先进功能的应用使其在现代工业中的地位越来越重要。

在上世纪80年代初，可编程逻辑控制器进入了广泛发展时期，其在欧美等国家中得到了广泛应用。

随着时代的不断发展世界上应用和生产可编程控制器的国家不断增加。

这些也预示着可编程控制器进入稳定的进步阶段。

进入20世纪80年代，世界科技进入飞速发展时期，相应的可编程逻辑控制器也进去了历史发展时期。

在这断时间中，随着科技的进步PLC的功能发生了翻天覆地的变化。

现在使用的可编程控制器的构造有很多种，但其根本组成结构是一致的，以微处理器为核心，其所有功能的实现不仅需要各个硬件的作用，而且需要其软件的方面支持，我们可以把可编程控制器看成一种新型的先进的工业控制计算机[3]。

PLC是利用编程的存储器，然后根据程序执行相关的逻辑，数学运算、通信连接、定时器定时和计数器计数，通过自身CPU强大的运算能力进行逻辑，代数，位等的运算，并通过数字或模拟输入和输出的控制设备。

逻辑电路采用软件设计，由用户编写的程序体现了用户需要控制的特定的输入和输出的关系。

PLC结构如图3所示[4]。

图3PLC基本组成部件示意图

PLC由中央处理器,存储器,输入输出接口,编程器等组成。

中央处理器是PLC的最主要部分,其主要的作用是接收输入的程序或者信号并对其储存。

并且扫描当前的输入状态,对用户所定义的程序进行执行,并作出判断。

存储器的作用是存放用户程序和数据。

输入接口采集工作现场各种开关的当前信号状态,将其转变为PLC可以识别的标准逻辑电平。

输出接口是用来输出电平信号来完成控制，使控制对象按照程序要求进行一系列的动作。

编程器是个体用户对所需程序进行编写,修改,调试,检测和监视。

同时还可以显示PLC当前的各种工作状态。

PLC的工作方式是“顺序扫描，不断循环”。

也就是在PLC工作时，CPU依据个体用户编写完成并存储在用户存储器中的程序，按指令的步序号作周期性循环扫描，如在该程序中无跳转指令，则从用户第一条指令开始按照顺序逐次执行用户程序，直到该程序结束。

然后再重新返回最开始的指令，进行新的扫描[3]。

根据以上PLC工作流程的描述，可以知道PLC在它工作时有如下几个特性[5]：

（1）PLC的工作方式是集中采集、集中输出，采用这样的工作方式可以大大减少外部的干扰。

（2）PLC是循环扫描的工作过程，扫描的时间长短由程序长度、执行速度等多种因素决定。

（3）由于PLC采用集中采集、集中输出的工作方式，所以造成了输出响应有一定的滞后现象。

PLC的产生是现代化工业发展的产物，对于PLC来说最基本的就是要满足现代化工业控制的不同需求。

因此它具有以下几点特征[4]：

（1）安全可靠、工作稳定性好、抗干扰能力强。

它取代了传统继电器控制系统的的硬件线路，有效的减少了机械接触点和硬件线路。

在抗干扰能力方面，PLC都是掩蔽在导磁能力强的材料中同时其内部主要的电路之间都有光电耦合器进行隔离，这些措施大大增加了它的抗干扰能力。

（2）编写程序简单、易于实现、维修方便。

梯形图语言其表现形式与继电器电路的原理图有很大的相似之处，使用户能够很快掌握其编程语言并运用到实际工程中。

PLC本身的功能就具有完善的故障诊断，其本身也是采用模块化结构，使维修人员快速和准确地找到出现问题的模块，并及时的更换出问题的模块或者对其进行其它处理，所以其维修相当方便。

（3）面积小、作用强。

PLC的控制是由软件来实现的，大量减少了继电器、定时器的应用，同时也提供了大量的软触点来代替传统电路中的硬触点。

这些特点不但增加了PLC的功能同时也缩小了它本身的体积，减少了其自身能耗。

同时也更有利于其在控制过程中发挥作用。

首先我们需要对PLC进行选型，这是本次设计的基础，只有选型之后才能在此基础上进行软件设计。

关于PLC型号的选择。

工艺流程的实际需要和控制要求是选型的主要根据。

因此在工业设计中对工程设计选型和计算时，应该对该工艺过程的特点和控制要求进行详细的理论分析和工程计算，进而确定该系统控制任务，确定所要进行的每一步操作和外部负载的动作要求，根据系统的控制要求，及其它设备所需的技术参数确定PLC所要完成的功能、所需的外部设备等，最后选择性价比较高的PLC类型，并按照控制要求设计控制系统。

在本次设计中根据控制要求系统不需要扩展单元，所以关于PLC型号的选择我们可以使用应用比较广泛的西门子系列,按照最终的功能实现，考虑到经济及其他因素我们选择PLC型号为CPU315-2DP的S7-300系列PLC[6]。

3.2驱动装置的设计

驱动装置即自动门的动力系统是自动门是否能够完成要求动作的根本保障，本次设计中我们选择使用直流无刷电机作为自动门的驱动装置。

直流无刷电动机有以下特点完全满足本次设计需要，首先直流无刷电机功率高，工作时基本没有噪音，而且其调速性能良好，针对本次自动门系统直流无刷电机具有交流电动机的显著特点其结构简单、工作可靠、并且维护维修方便，另外直流无刷电机功也拥有直流电动机的特点，它具有良好的线性机械特性、调速性能好、启动时转矩较大、运行工作效率高。

该设计中使用直流无刷电机功作为驱动装置是最佳的选择。

在实际的生产中大部分的直流电动机的电枢绕组都是在电动机的转子上，定子和电动机的外壳固定在一起，用来产生一个固定不动的磁场。

要想使直流电动机旋转起来，就必须要通过电动机中间的结构来不停地改变绕组中流过电流的方向，这也就是电刷和换向器的作用，在这种情况下两个磁场的方向一直都是相互垂直的，产生一个恒定的转矩使电动机不断动作。

无刷直流电动机与传统直流电动机有很大的区别，它去掉了电刷等换向设施，将电枢移到定子，而转子则用永磁体制成，其结构设计完全与普通直流电动机相反。

就算这样改变结构电动机仍然是不会旋转的。

为了保证电动机的正常工作，则需要给定子上的各相绕组连续地换相通电，这样定子绕组产生的磁场与转子永磁磁场会存在一定的空间角度，这样就会产生足够大的转矩推动转子不断旋转。

电动机也就正常工作了。

3.3感应器件的设计

感应装置是自动门系统中必不可少的一部分，其工作性能是否良好直接影响到所在自动门系统的安全性和稳定性，依据系统不同的功能需求和感应装置自身的特性其应用在各种各样的自动门控制系统中，结合本设计的具体情况和控制要求我们选用光电检测开关作为自动门系统的感应器件[7]。

光电检测开关是一种应用广泛的传感器，它能够以输出电流变化的形式来反映其发射端和接收端之间光强的微弱变化从而达到检测物体的目的。

在光电开关中两个反馈电路之间有良好的保护措施，使两个回路不会相互干扰所以它得到广泛推广应用在各种各样的场合。

由于物对光具有遮挡或反射的作用，光电开关正是利用物对光的遮挡或反射这一物理现象对物体进行检测，将光信号转变为电流信号从而检测其前方是否有物体存在。

当然被检测物体不仅只有金属，还有其它一切可以对光反射和遮挡的物体。

在光电开关的发射器上它将电流信号转变为光信号发出，在前方一定范围内形成检测区域。

在光电开关的接收器上将接收到的光信号转换为电流信号并作出判断从而达到检测的目的[8]。

3.4行程开关的工作原理

行程开关又叫限位开关，是一种应用广泛的位置开关。

其原理就是利用物体机械运动的触碰使其触头动作，从而达到接通或者关断控制电路的目的，最终实现整个系统的控制要求。

一般情况下，行程开关应用在限定物体机械运动方位的场合中，这样物体运动到指定位置后自动停止运动或者反向运动甚至进行变速运动等。

在现代的电气控制系统中，行程开关的作用是不容忽视的，它主要实现定位操作和检测当前工作位置的状态。

主要目的是有效的控制机械设备的动作行程及对设备进行限位保护。

实际生产生活中，在应用行程开关时，首先要将其安装在先前制定好的位置，只有这样才能使机械运动的物体在指定位置触碰到行程开关，这样行程开关内部的触点运动，进而实现控制电路的转换。

我们可以把行程开关理解为是一种依据运动部件的动作范围而实现电路切换的电器，它的工作原理与按钮有许多相似之处。

因此在实际应用中我们要多加注意其功能。

行程开关在各类机械加工设备及其它机械的行程控制中得到广泛的应用。

当机械部件运动到某一特定方位时，正是这样的机械运动才使行程开关将机械运动信号转变为电信号，从而实现对运动机械的限位控制，限制它的动作范围。

以此更加有效的保护了运动机械电路。

3.5硬件电路设计

PLC硬件接线图也是整个自动门控制系统中必不可少的一个环节，正确的硬件接线图将PLC与外部硬件有机的结合在一起，同时工程人员也可以根据硬件接线图连接线路，达到工程控制的目的[12]。

PLC硬件接线如图4所示。

图4PLC硬件接线图

4系统软件设计

正如上文所说自动门系统的实现需要硬件与软件有机结合在一起才能更好的完成控制要求。

本次设计中系统的软件设计也是本次重中之重。

主要包括系统的工作过程分析，I/O口分配以及程序编写及仿真[9]。

系统的过程分析我们可以用程序流程图进行解释，I/O口分配以及程序编写都可以在STEP7软件中进行，最后的仿真我们需要按照设计的控制要求进行一一仿真。

这样不但可以检测程序编写是否有逻辑上的错误，另外还可以检验程序可否满足控制要求。

4.1STEP7简介

STEP7是一种编程软件，它主要是对西门子系列工控产品进行程序编写、调试和修改，是SIMATIC工业软件的一部分[10]。

其在PLC工业控制中得到大量的应用。

我们本次设计的大部分工作都需要在本软件中进行。

STEP7具有以下功能：

硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的相关帮助。

STEP7操作界面如图5所示。

图5STEP7操作界面示意图

4.2硬件组态

硬件组态就是将你需要的所有PLC模块，包括电源，CPU，开关量输入、输出、模拟量输入、输出，通讯模块等进行配置，然后给每个模块分配物理地址。

这样就可以方便编程，自己根据需要使用。

在该设计中，PLC自动门系统设计前期，我们应该依据系统的控制要求以及系统输入输出的特性来确定其硬件的配置。

在此次自动门系统综合设计中我们对PLC的型号有一定的要求，考虑到经济及其他因素我们选择PLC型号为CPU315-2DP的S7-300系列PLC。

所以在硬件组态的搭建方面我们要在STEP7软件中的S7-300站点进行[11]。

此次设计所需的硬件组态如图6所示。

图6PLC硬件组态示意图

4.3I/O口分配

对本次系统设计而言