基于plc自动门控制系统的设计

毕业设计（论文）

题目基于PLC自动门控制系统的设计

学生姓名

指导教师

函授站（点）安徽工程大学本部

专业电气工程及其自动化

完成日期年5月10日

成人高等教育毕业设计（论文）任务书

基于PLC自动门控制系统的设计

摘要

20世纪推出CPU出来后，改变了我们的日常生活。让我们的生活变的快捷而简单了。自动门是随着人们对生活条件的不断追求、科技的不断发展一步步发展起来的高科技产品，因此，它具备了一般门所没有的优势：美观漂亮，而且使用管理起来更加的安全、方便、舒适，通电后可实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音、易清洁打扫，既方便又提高了建筑的档次。

早期的控制系统采用是继电器逻辑控制，通过按钮触发和复杂的接线方法来控制。造成安装繁琐、体积大、不稳定、故障时线路杂乱问题难以排查造成维修时间长等。技术的不断发展，目前的PLC里面的控制系统对于磁场的干扰有了良好的保护、稳定性能比较好、模块化的集成、后期修改编程维护起来也更简单。所以在商场、银行、医院等公共出入口，尤其是现在疫情时期，不必使用把手式推门，自动门能减少人与人之间的间接接触。PLC自动控制逻辑简单，一般电气人员容易操作，在各行业都有很大的使用范围。

关键词：PLC、伺服电机、自动门、微波传感器

目录

第一章绪论

1.1国内外自动门发展现状

1.2问题的提出

1.3本课题设计的主要目的和意义

1.4本课题设计的主要内容

1.自动门类型的选择

2.自动门控制系统的PLC设计

第二章可编程控制器（PLC）的基本知识

2.1PLC的产生

2.2PLC的定义

2.3PLC的特点

第三章自动门控制系统总体设计

3.1自动门控制过程和要求

3.2总体设计方案

3.3系统工作原理

3.4自动门的机械传动机构研究

第四章自动门控制系统硬件设计

4.1控制系统结构设计

4.2可编程控制器（PLC）的选型

1.输入输出（I/O）点数的估算

2.存储区容量的估算

3.控制功能的选择

4.机型的选择

5.对PLC响应时间的要求

4.3伺服电机的选型

4.4传感器的选型

4.5行程开关

4.6主要硬件选型清单

4.7基于PLC的硬件电路设计

1.I/O分配表

2.硬件接线图

3.主电路原理图

第五章系统软件设计

5.1梯形图的概述

5.2梯形图的设计方法和步骤

5.3自动门控制系统程序设计

第六章系统调试

6.1调试的主要内容

6.2调试结果分析

总结

致谢

参考文献

附页

绪论

国内外自动门发展现状

在国外，进入20世纪90年代以来，自动控制门技术发展迅猛，技术已经相对成熟，并取得了惊人的成就。可编程控制逻辑在自动化的中使用广泛，对环境要求不想电脑那么高。将可编程控制逻辑应用在生活中方便了日常生活，相比普通门的使用更简单、空间小、看起来整齐大方，在很多场合使用都合适。尤其在当下疫情时期减少人与人必要的接触，为此也做出很大的贡献。多方面领域的应用非常广泛。

现在我们国家的经济发展的越来越好了，人们对生活的要求也提高了很多；对于能够给生活带好便捷的产品要求也高了。自动门的技术对于现在的生活来说也算是锦上添花了。另外自动门的外观各方面适合很多的场合，也让它的推广范围更大了。

问题的提出

早期自动门控制的系统采用继电器逻辑转换控制，通过启动按钮触发和复杂的接线来安装控制；造成现场电气柜安装繁琐、体积大、不稳定、故障时因为线路杂乱问题往往难以排查造成维修时间长等。因此，如何运用智能控制器来取代继电器控制，已成为推进自动控制行业智能化发展所迫切需要解决的问题。

现在中国的经济发展脚步较快，城市里的大楼使用的很多，公司的前台、医院的大门、尤其现在的疫情如果使用自动门也会减少人与人之间的接触。自动门的控制原理是通过自动门内外两个微波感应开关来感应人的移动触发，当感应到信号时输入到PLC控制器输出一个电信号开门、关门信号，进而PLC控制驱动设备将门打开或关闭。

早期自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、故障时由于线路杂乱问题难以排查造成维修时间长等缺点慢慢被现有的可编程控制逻辑所取代。

PLC的开发背景是为工业制作更为简单，运用二进制一步一步的执行下去。

它将程序编写到储存器里面，在存储器里面就像人的思维逻辑一样，有加减法运算，执行的顺序等，可以一步一步的向下走，每执行一个动作需要几种甚至几十种条件来满足，这些条件就像人门出门需要带各种生活用品一样，可能有些东西觉得很鸡肋，但是少了又会觉得不舒服。有些条件是为了更好的执行下去，有些是考虑到安全因素。因为它是一种芯片集成的控制板，所以体积也比较小、重量也小不像以前使用各种继电器来设计的电路复杂。所以在很多的场合使用很便捷，出现故障时只需要一根网线、一台电脑就可以查找问题；在实际应用中它不容易损坏，不像继电器动作频繁容易损坏。而且问题的查找也不需要太多的使劲按，就按照逻辑看是什么条件没有满足就可以查到问题点。

因为它是一种模拟的电路，所以不会像继电器那样有磨损，以前一个电柜可能需要上百个继电器来转换控制电路；使用PLC只需要一台就解决问题，电柜内部看起来也更简单。在现在的工厂里面几乎都是PLC控制。尤其是环境差一点的地方电脑使用不了。所以在现代化的工厂都是PLC，就是因为它的各方面性价比很高。

本课题设计的主要内容

根据自动门的控制要求，针对以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。

自动门类型的选择

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高低速功能。

自动门控制系统的PLC设计

这次课题我选用了小型的PLC，因为所使用的I/O点比较少。在自动门的开关门速度控制上本设计以伺服控制器和PLC结合来控制，运用伺服电机控制实现自动门的移动速度，在感应器方面我们选择了自动门专用微波雷达感应器；工业控制中有些机械位置要求碰撞产品电信号的输入。我选择了具有检测精度高、寿命长、稳定性好的行程开关，运用感应器触发的开关量信号输入给PLC来实现PLC对自动门的控制。

可编程控制器（PLC）的基本知识

PLC的产生

20世纪中期，工业控制方面用各种继电器组合成复杂的控制电路来实现逻辑控制。系统存在设备体积大，调试维护工作量大，应用的范围小、使用不方便，容易损坏、功能简单，完成做不到今天的工业自动化控制所需要的高度。

年，美国通用汽车制造公司根据通用汽车的要求首先研制成功第一套可编程控制器，称之为“可编程序逻辑控制器”（PLC--Programmablelogiccontroller），并在通用汽车公司的自动装置线上使用成功，从而开创了工业控制的新局面。

PLC的定义

可编程控制器一直在发展中，至今尚未对其下最后的定义，我们可以总结出：它是在工业制作为基础的条件下应运而生的，在存储区内部实现逻辑运算、数字运算以及各种模拟电路来控制现场的硬件，其实相对于之前的继电器控制柜来说。它就是把所有的继电器集中在PLC模块中。“我们可以看出它是应用编写控制逻辑的方式来实现动作逻辑上的一种控制。

PLC的特点

编程简单，容易掌握

在现实的使用过程中最多的就是梯形图，它不像西门子里面的SCL和STL语言那么难学，梯形图就像电气图纸一样，看起来很简单，思路也很清晰。每一步到哪里，需要哪些条件满足。熟悉电路图的人很快就能学会了，还不用懂太多的英语。不想其他语言都是英语各种调用。

功能强，性价比高

PLC内部模块里面有很多硬件所具备的功能，而且不像真实硬件那样每选用一个都需要繁琐的时间去选型。

硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC现在各个品牌做的都很标准，在选用PLC的时候也有专业的售后人员为人们去解释怎么应用，同时不像以前各种电器件需要问不同的厂家，现在只需要专业的售后人员就可以解答所有的问题。

可靠性强，抗干扰能力强

以前的工业控制需要很多的继电器控制，而且在现实的使用中还需要熟悉怎么接线、怎么去查找问题，电器件也容易损坏。现在的PLC使用专业的技术解决了干扰的问题，让它应用范围更多。

5、系统的设计、安装、调试及维护工作量小

现在使用PLC接线也少了，也减少了故障的次数。在出现问题的时候也更容易解决。之前继电器太多查找起来也很难，在众多的线路中一根根排查。现在的PLC做的已经很成熟，使用起来也很方便了。

6、体积小、重量轻、功耗低

以前使用继电器的时候占的空间也很多，现在的PLC大概也就以前几个继电器那么大。而且看起来也没那么繁琐了。

3.1自动门控制过程和要求

自动门控制过程和要求，具体如下：

1.当有人走外面进来的时候或者走出去的时候，微波雷达传感器感应到有人，PLC控制电动机正转开门，到达程序设定的位置，反馈一个到位信号门停止运行。

2.程序在等待8秒后传感器没有再次触发，程序驱动电机关门，当检测到门到达关门的位置后；PLC收到反馈来的信号后门停止。

3.在执行关门的程序的时候，如果两个传感器中任意一个被触发，那程序就会发出一个开门的信号，这个信号是优先于关门信号的。

4.设计门扇的移动速度为高速和低速两个速度，开门和关门启动时为高速运行，门扇即将到位时进入低速运行，到达限位位置时电动机停止运行。

5.在程序执行关门的动作时如果触发了微波传感器，只要信号满足0.5S，然后执行相反动作。

6.使用2个行程开关，分别为开门和关门的限位到位开关。

3.2总体设计方案

自动门控制系统的设计框图如图3.2.1所示：

图3.2.1控制系统结构图

由图3.2.1可知，当PLC内部程序条件满足时。就会执行相应的开门或者关门的动作，通过内部程序输出电信号来控制硬件的运转。

3.3系统工作原理

PLC控制的自动感应门是由以下部件控制：（1）主控制器：就像人的大脑一样，通过收集各种条件，然后经过运算后发出各种指令。如控制门的开关动作。（2）感应探测器：就像人的眼睛，将看到的信息经过电器件处理后反馈给CPU处理；（3）马达：运动部件，就像人的双腿。将CPU发来的指令转换动作执行。（4）行进轨道：像是定制好的路线，如果不按照路线走就会脱离目的地。（5）门扇吊具走轮系统：用于门扇的固定，减少前进的摩擦力。（6）同步皮带：将电机旋转的力转移到门滑轮上。（7）下部导向系统：用来约束门扇的位置，保证前进的轨迹不变。自动感应门的过程：当检测到有人在感应位置时，传感器将采集的信号处理后输入到PLC内部，收到信号后PLC自动触发内部逻辑，检测是否满足执行条件，在条件满足的情况。输出执行给伺服电机，得到信号后，PLC内部伺服控制块通过脉冲信号给伺服控制器；伺服控制器控制电机的运转位置，当到达指定位置时反馈完成信号执行低速运转然后达到最终的位置；反馈给PLC后设置时间内感应器没有再次触发信号，PLC发出指令给伺服控制器，然后电机执行动作关门。

3.4自动门的机械传动机构研究

在本课题设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：

驱动部件包含有：轨道、同步带、电机、点挂件等

所有的组件都为插入式元件，是的安装很简便。

电机：驱动电机采用伺服电机，调速性能好。

导轨：上下都有轨道，保证门运行过程中的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。

滑轮：使用高强度的塑料滑轮，噪声小，承受力大，减轻门重量。

皮带：使用同步带，在传送过程中保证传送的精度。而且不会大声抖动现象。

传动结构如图3.4.1所示。其中马达皮带轮直径为5CM.皮带滑轮内径13.5，外径为28.5cm。皮带宽12mm、厚度5mm。

图3.4.1传动结构图

4.1控制系统结构设计

使用伺服控制器控制伺服电机实现自动门的运转主要是：伺服电机运行平稳、运行过程噪声小、调试方便等。在后期的维护过程中不用使用太多备件。

4.2可编程控制器（PLC）的选型

在选择PLC的时候，首先根据适用性选择。然后就是工程设计选型，主要有工艺流程要求。根据产品的特性去选择相应的电器件，先确定硬件的I/O点数、是否存在模拟量的输入或者输出、需要保存数据的大小、硬件的串口等，然后根据这些来选择PLC的型号。

输入输出（I/O）点数的估算

根据项目需要运用的硬件来计算I/O点，在确定硬件的点数后。再适当的预留20%左右的点数；主要考虑后期的改造或者I/O点的损坏更换等问题。

存储区容量的估算

项目开展之前没办法估算一个准确的数值，通常只是一个大概的数据。根据项目计划中所预计的数据使用量来确定一个大概的数据。正常工业的选型中根据所要计算的I/O数据放大10倍左右差不多就可以了。自动门的储存量应用很小，SMARTST20已经能远远满足我们的需求。梯形图根据程序的大概逻辑可以计算大概不会超过30个程序段。

控制功能的选择

选择内包含有：逻辑运算、控制功能、程序编写、诊断和程序速度处理等特性进行选择。

根据本课题所设计的门控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。

控制功能

PLC的控制功能就像人的思维逻辑一样，每一个动作都是需要各种条件的；有的时候简单的指令。有些是复杂的运算功能，内部运算有很多的计算公式，在使用起来也是非常的方便。还有就是很多的外部条件不像简单的输入输出。需要通过采集电压或电流来计算处理的数据，这种叫做模拟量的输入，需要单独的模块。一般的设备主要还是以I/O点为主。

编程功能

离线编程方式：离线编程就是PLC和编程器共同使用一个CPU，在正常工作中需要与现场设备进行通讯，如果使用编程器就无法与现场设备通讯，离线编程成本低。这种方法在使用过程中很不方便，在工作中无法对程序进行实时监控。

在线编程方式：PLC和编程器有各自的CPU,一个负责现场的设备控制，同时PC和另外一个CPU通讯。在程序编写完成以后下载，在下一个扫面周期内传送只现场设备的CPU。在工厂内部设备程序出现故障时排查方便，可实现在线监控问题点以及数据处理情况。鉴于自动门使用要求高，所以我选用可在线编辑查看的S7SMART来实现对门的控制。

诊断功能

一般情况下出现问题主要是现场硬件损坏，通过设备的接线图排查来解决问题；有些时候硬件上比较复杂或者不好判断的时候使用软件的功能来确定故障点，因为硬件是给PLC反馈信号的，通过逻辑在什么位置需要反馈信号，如果没有就需要检查硬件，程序内部问题一般是在设备前期的时候出现的概率比较大，一个稳定的设备基本不会出现问题。

现场人员需要对PLC有一个清楚的认知，在后期的维护过程中才好去判断问题，知道它的逻辑思维是什么。

机型的选择

PLC的类型

现有的类型为整体式和模块化的，模块化的方便更换，整体式的一般是小型的比较常见。

整体型PLC输入输出点数是定好的；模块型主要是中型以上的项目使用，按照现场的要求增加数字量和模拟量的输入输出模块，后期使用比较方便。

经济性的考虑

PLC在选用过程中以功能满足为前提，考虑后期会不会增加项目；考虑性能、价格等方面

在大型设备中考虑使用工作站的情况要考虑到PLC最多可以增加多少模块，模块的增加是有限制的，不是随意增加的。同时价格是和点数有直接关系的。在估算选用的时候要考虑清楚。本课题我们选用整体式的就能满足需求。

对PLC响应时间的要求

正常情况下，PLC的响应时间基本上能满足控制要求。。PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间下小于扫描周期的输入信号，当有此类信号输入时需要选用扫描速度高的PLC或快速响应模块和中断输入模块。

综合以上因素，根据本课题的设计需要的I/O点数为输入8个点、输出4个点。所以采用德国SIEMENSSMART系列的CPUST20来控制整个系统，此型号有12个输入点、8个输出点。SIEMENSSMART系列可与变频器或伺服驱动器进行通信，程序上传下载使用网线方便快捷、支持多台PLC之间以太网通信。

4.3伺服电机的选型

伺服电机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为伺服电机能无极调速，机械传动机构比较简单。因此，对调速性能方面要求高的设备，基本使用伺服电机。

1.伺服电机相对于异步电动机有以下的优势：

1、伺服系统，通过PLC脉冲输出点发送给伺服控制来控制伺服电机的转动角度，每一个脉冲旋转一个角度。我们选用的SMART通过Q点发出脉冲来发出信号，一秒钟发出0个脉冲。伺服电机接收到信号之后开始运转，在伺服电机上有编码器同时反馈信号，显示电机的位置，通过发出和反馈信号来精准的控制电机运转。伺服控制器我们选用松下A6系列MBDLN25SE；电机型号为MSMF-L1U2M。

2、伺服电机属于无刷电机，有同步电机和异步电机，运动控制中一般都用同步电机，功率大，试用起来比较方便。惯量大。转动速度可以精准的控制、运行平稳。所以适合使用来做自动门，。

3、伺服电机的内部转子是永磁铁，不会丢失磁性。通过伺服控制器将单相电改为三相，同时在转动过程中通过编码器来反馈动作的位置。

综上所述，伺服电机具有更大的功率密度（铁芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，后期调试方便简单，便于后期维护。所以本课题设计中我选用了伺服电机作为自动门的驱动。

4.4传感器的选型

目前自动门行业运用的检测器件有微波传感器、红外传感器等。微波感应器，还有人叫微波雷达，对物体的移动进行反馈电信号，因而在条件满足时反应速度快，适用于行走速度正常的公共场所。项目中选用国产久卜型号M-GD产品。

微波感应器的特点：

微波感应器是以10.GHz微波频率发射、接受。其探测方式具体如下优点：

非接触探测

不受温度、湿度、噪声影响。

微波感应器，通过对移动的人体进行检测，只要检测范围就会反馈信号给PLC。

根据不同的功能和性能运用在各种不停场合的控制系统中，是自动化系统的关键部位，其性能直接影响自动门系统的安全及稳定，如在高档酒店、写字楼，可以选择高灵敏的感应器；在人行道边上的银行、商店等地方因为经常有人路过如选择灵敏度高的感应器会浪费能源，所以要选择感应范围小的感应器。

4.5行程开关

行程开关，位置开关的一种，项目中选用品牌SIEMENS型号ALS1-P11/F1。通过机械撞击来触发分断控制电路，电路接通后反馈信号给CPU。

行程开关主要是做终端保护，我们选用行程开关也是起到一个保护作用，产品价格低而且稳定性高。

4.6主要硬件选型清单

主要备件在表4.6.1中

表4.6.1主要备件清单

4.7基于PLC的硬件电路设计

I/O分配表

自动门点注释在表4.7.1中可以查看：

表4.7.1自动门I/O地址

2.硬件接线图

根据I/O分配表，确定PLC的硬件接线图，如图4.7.2所示：

图4.7.2自动门接线图

3.主电路原理图

伺服电机控制如图4.7.3所示：

图4.7.3伺服电机控制接线图

系统软件设计

梯形图的概述

PLC在在工业环境的背景下开发出来的，主要使用还是工厂的电气技术人员，PLC的编程语言有SCL、STL以及我们使用做多的梯形图。梯形图编程简单直观，看着就像电气图纸一样，所以电气人员很快就可以学会。

梯形图就是使用很多的符号来表示各种继电器、计时器等。通过与、或、非以基础行程逻辑控制。梯形图左边是输出结果的条件，在与门中任何一个条件不满足都每办法实现最终的结果；或门就是加入有两个条件中的任何一个满足都实现结果；非门是将条件取反，条件满足时信号断开。所以梯形图看着很简单，用图形来展示逻辑功能，让电气人员看着简单，所有的逻辑都能直观的显示出来。工厂的编程语言中还是以梯形图为主，有些客户在指定技术协议的时候也会要求设备厂家使用简单易学的梯形图，就是为方便后面的调试维护。

梯形图程序语言设计的特点：

与电气原理图操作相对应，具有直观性和对应性；

与原有继电器逻辑控制技术一致，易于掌握和学习；

与原有继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的信号满足都是来源于硬件，所有的输出也是需要靠硬件来实现；里面的能流不是实际意义的电流。所有的继电器、定时器也只是模拟出来的。

梯形图使用最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言梯形图与控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别使用于开关量逻辑控制。梯形图被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

首先根据工艺部门过程控制要求，输出过程流程图。要求思路表达清晰，这样编程人员才能很好的理解具体的要求。

将所有的输入信号（按键、行程限位开关、速度、时间等传感器）和输出控制对象（伺服电机、指示灯等）分别列出，按被采用的PLC型号内部逻辑元件编号范围，对I/O端子做出相应的分配和安排。

根据控制流程图，分配内部的继电器、定时器、计数器等。定时器的单位不同选择时需要注意。

用梯形图来编写程序，满足工艺的流程以及相