基于s7-200plc自動門控制系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　開封大學</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計論文</b></p><p>　　基于S7-200 PLC 自動門控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　專 業(yè)：電氣自動化技術</p><p>　　班 級：11電子二班</p><p&g

2、t;<b>　　學生姓名：</b></p><p>　　學 號：2011061178</p><p><b>　　指導教師：邊疆</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，可編程控制器（以下簡稱PLC）不斷更新、發(fā)展，P

3、LC控制是自動控制中最常見控制方式之一，自動門就是自動控制應用的一典型例子，由于可編程控制器具有很好的處理自動門的開關控制及良好的穩(wěn)定性，而且可以很簡單的改變控制的方式，因此，自動門的生產商家很多都運用PLC來做門的控制器。目前自動門在日常生活中運用越來越廣泛。</p><p>　　關鍵詞：可編程控制器； S7-200； 自動門； 控制系統(tǒng) </p><p><b>

4、　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論2</b></p><p>　　1.1設計背景與意義2</p><p>　　1.2 自動門的組成3</p><p>　　第二章 總體設計5</p><p>　　2.1在自動門的功能需求分析5</p>

5、<p>　　2.2 自動門的控制要求5</p><p>　　2.3 自動門技術參數(shù)的確定6</p><p>　　2.4 自動門的機械傳動機構設計7</p><p>　　三、自動門控制系統(tǒng)的硬件設計8</p><p>　　3.1 PLC的選擇8</p><p>　　3.2驅動裝置的選型9</

6、p><p>　　3.3感應器件的選型9</p><p>　　3.4 行程開關(限位開關)的工作原理10</p><p>　　3.5傳動裝置11</p><p>　　3.6 自動門系統(tǒng)I/O分配表11</p><p>　　3.7自動門I/O接線電路12</p><p>　　3.8自動門控制

7、系統(tǒng)的主電路原理圖12</p><p>　　第四章 自動門的軟件系統(tǒng)14</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)流程設計14</p><p>　　4.2 PLC梯形圖概述15</p><p>　　4.2.1 梯形圖的設計16</p><p>　　4.2.2程序設計說明17</p><p&

8、gt;<b>　　第五章 總結18</b></p><p>　　參 考 文 獻19</p><p><b>　　附錄20</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1設計背景與意義</p><p>　　在超

9、級市場、公共建筑、銀行、醫(yī)院入口，經(jīng)常使用自動門控制系統(tǒng)。使用自動門，可以節(jié)約空調能源、降低噪音、防風、防塵，同時可以使出口顯得莊重高檔，因此應用非常廣泛。自動平移門最常見的形式是自動門及門內外的光電開關，當人走進自動門時，感應開關感應到人的存在，給控制器一個開門的信號，控制器通過驅動裝置將門打開，當人通過門之后，在將關閉。由于自動平移門在通電后可以實現(xiàn)無人管理，既方便又提高了建筑檔次，于是迅速在國內外建筑市場上得到了廣泛應用。<

10、/p><p>　　自動門在國外早就得到了普遍應用，在國內也逐漸得到了大家的認可，已經(jīng)迎來了自動門發(fā)展的黃金時期。</p><p>　　早期自動門控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制，造成安裝繁瑣、體積大、不穩(wěn)定、不易維修等缺點已被逐漸淘汰。</p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。他采用可以編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、

11、順序運算、計時、和算數(shù)運算等操作指令，并能通過數(shù)字式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕化工等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。因此運用PLC控制自動門具有較高的可靠性，維修方便等優(yōu)點。</p><p>　

12、　本課題的自動門設計運用PLC做控制器能大大提高自動門的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，對與整個自動門行業(yè)是一次技術革新，提高了自動門的使用率，因此，進行自動門的PLC控制系統(tǒng)的設計，可以推動自動門行業(yè)的發(fā)展，擴大PLC在自動門行業(yè)乃至整個自動化行業(yè)的應用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究價值。</p><p>　　1.2 自動門的組成</p><p><b>　　圖1.2.1</b><

13、;/p><p>　　由上圖可知，當感應器件檢測到人體或物體信號時將信號傳給PLC,PLC根據(jù)已經(jīng)采集的信號發(fā)出控制信號，是驅動裝置運行，通過傳動裝置帶動自動門的運行。</p><p>　　主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令、指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控制器調節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。</p><p>　　

14、感應探測器：負責采集外部信號，如同人們的眼睛，當有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號；</p><p>　　動力馬達：提供開門與關門的主動力，控制門扇加速與減速運行。</p><p>　　門扇行運軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。門扇吊具走輪系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。</p><p>

15、　　同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶）：用于傳輸馬達所產動力，牽引門扇吊具走輪系統(tǒng)。</p><p>　　下部導向系統(tǒng)：是門扇下部的導向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。</p><p><b>　　1.3方案一</b></p><p>　　用PLC控制回焊爐溫度，其控制實現(xiàn)過程是:首先溫度傳感器將加熱爐的溫度轉化為電壓信號，PLC主

16、控系統(tǒng)內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7-300PLC可識別的數(shù)字量，然后 PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經(jīng)過PID運算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個控制信號控制固態(tài)繼電器的輸出端導通與否從而使回焊爐開始加熱或停止加熱。既回焊爐溫度控制得到實現(xiàn)。其中PLC主控系統(tǒng)為回焊爐溫度控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。</p><p>　　1.4方案二 </p><

17、p>　　用單片機控制回焊爐溫度，其系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2所示。</p><p>　　單片機系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，AT89C51可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O口、中斷、定時及存放中間結果的RAM電路；前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大、A/D轉換等電路；由于回流焊爐內溫度變化是一個相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路；信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件、

18、降低硬件成本。</p><p>　　鍵盤設定：用于溫度設定，共三個按鍵。</p><p>　　數(shù)據(jù)采樣：將由傳感器及相關電路采集到的溫度轉為電壓信號，經(jīng)A/D轉換后，送入AT89C51相應接口中，換算成溫度值，用于控制和顯示。</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示：采用了共陰極數(shù)碼管LED進行顯示設置溫度與測量溫度。</p><p>　　繼電器/加熱

19、棒：通過三極管控制繼電器的開關來完成對加熱棒的控制。</p><p>　　圖2 控制器 設計總體框圖</p><p>　　經(jīng)比較，方案二相對方案一更為簡單，精確，所以選擇方案二為實驗對象。</p><p><b>　　第二章 總體設計</b></p><p>　　2.1在自動門的功能需求分析&l

20、t;/p><p>　　本設計面向商場入口的應用，需要有安全性和可靠性。根據(jù)商場中對自動門的具體要求，本課題所設計的自動門應由以下功能：</p><p>　?。?）開門和關門控制應有手動和自動方式</p><p>　　為了便于維護，自動門應具有手動和自動方式。當信號采集裝置檢測到有人接近門口且門未打開或者檢測到已無人接近門口且門未關閉，PLC動作輸出信號開控制點動機正轉或

21、者反轉來開門或者關門。</p><p><b>　　（2）緊急停止</b></p><p>　　當自動門出現(xiàn)夾人現(xiàn)象時，可閉合緊急停止開關，自動門自動進入開門過程。PLC控制和執(zhí)行元件構成是自動門控制系統(tǒng)的兩個重要組成。采用自動和手動控制方式，此種控制模式為自動門的主要控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自

22、動化控制。</p><p>　　自動門控制系統(tǒng)包含PLC控制和動作執(zhí)行元件構成。采用自動和手動點動控制方式，此種控制模式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統(tǒng)采用PLC為控制中心來控制傳動機構從而控制門的開和關實現(xiàn)門的自動化控制。</p><p>　　2.2 自動門的控制要求</p><p>　　經(jīng)分析設計任務，可知完成任務的實質就是控制電機的正反

23、轉。要實現(xiàn)自動控制首先要具備一下功能部件：微波檢測開關，限位開關，超載要實現(xiàn)電機正保護開關。先確定電機與門扇軌道組成的系統(tǒng)，要實現(xiàn)電機正轉—開門，電機反轉—關門。</p><p>　　首先按下啟動按鈕，當傳感器檢測到能有人體通過信號時，開關上有電流通過，（光電檢測開關是脈沖觸發(fā)需對其自鎖）所以線圈上有電流通過，電動機正傳，帶動自動門執(zhí)行開門過程。</p><p>　　當門完全打開之后，使開

24、門限位開關由閉合到斷開，此時自動門停止，延時8秒。 若此時感應器重新檢測到有人體信號時，則在重新進行8秒延時。 </p><p>　　當8秒的延時完畢后，電動機反轉執(zhí)行關門過程。在關門過程中，傳感器重新檢測到人體信號時，此時中斷關門轉向開門過程。</p><p>　　2.3 自動門技術參數(shù)的確定</p><p>　　自動平移門安裝和調試的關鍵是提高精度，即導軌的平

25、直度和水平度，門體的兩個吊掛點所形成的直線與導軌的平行度和垂直度，最大限度地減少門體的靜態(tài)側擺。在自動門投入使用后，尤其是初期，應經(jīng)常調節(jié)門體，修正運行產生的誤差。</p><p>　　要嚴格限制門體重量，不能超過自動門的額定負重。通常在三個月最多一年內要對自動門進行全面的清理和調整。</p><p>　　公共場所的自動平移門因為使用頻率非常頻繁，而任何自動門的使用頻率和使用壽命都有限。例

26、如機場、大型超市和醫(yī)院外門的人員流量每天可達成千上萬人次，或者在特定時間段里集中通過大量人員，在這種情況下，要使用自動門就必須進行綜合考慮。例如增加門的數(shù)量，加大門扇寬度，增加關門延遲時間等。具體參數(shù)如表2.2所示。</p><p><b>　　表2.2</b></p><p>　　2.4 自動門的機械傳動機構設計</p><p>　　在本課題

27、設計的自動門針對人流較多的商場，應對周圍環(huán)境進行綜合考慮，所以在本課題的自動門機械傳動設計中考慮了以下幾個方面：</p><p>　　1．自動門的傳動主要包括安裝板，軌道，門機，皮帶，吊掛件等。</p><p>　　2．所有的組件都為插入式元件，使得安裝很簡便。</p><p>　　3．電機：驅動電機采用380V三相交流電機，功率大，可調性強。</p>

28、<p>　　4．導軌：水平雙導軌結構，形成正懸掛，解決了側擺的問題，從而確保了門扇的穩(wěn)定性。并配以雙側密封毛刷，形成密封式導軌，避免積塵對導軌及滑輪的磨損，實現(xiàn)了維護方面的特點。</p><p>　　5．滑輪：采用特殊的尼龍滑輪，強度高，耐磨性好，同時還有一定的減震效果。</p><p>　　6．皮帶：采用齒形皮帶, 齒形皮帶的齒形截面為曲線設計，增加了齒形的高度，提高了皮帶與

29、傳動齒輪的吻合度，從而提高了機械效率。皮帶底部采用尼龍加強，減少了齒距變形，提高了使用壽命。、</p><p>　　三、自動門控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　3.1 PLC的選擇</p><p>　　西門子S7-200系列PLC是西門子公司20世紀90年代推出的整體式小型可編程控制器，開始被稱為CPU21X，后被稱為CPU22X。其結構緊湊、功能強，具有很

30、高的性能價格比，在中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中應用廣泛。在此設計中我們選擇S7-200 CPU224，它具有14輸入/10輸出，I/O共計24點。存儲容量大，有7個擴展模塊，有內置時鐘，有更強的模擬量和高速計數(shù)處理能力。西門子S7-200 CPU224 如下圖</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　對于本次自動門的設計，所選PLC為西門子S7-200

31、 CPU224就能滿足要求，其性能如下表3-2：</p><p>　　表3-2 S7-200的參數(shù)表</p><p>　　3.2驅動裝置的選型</p><p>　　自動門的驅動器是自動門能否良好工作的保障。結合安全穩(wěn)定的考慮，在本設計中選用天津安全電機有限公司生產的型號為YSM100/112、W、S的3相380V交流電機，此電機噪音極小、調速性能好，即具備交流電動

32、機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電動機線性機械特性、調速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等諸多優(yōu)點。</p><p><b>　　圖3.3</b></p><p>　　3.3感應器件的選型</p><p>　　目前自動門行業(yè)運用的感應器件主要有微波感應器、紅外感應器等。微波感應器，又稱微波雷達，對物體的移動進行反應，因而反應速度

33、快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，微波感應器是以微波多普勒原理為基礎，平面型天線昨感應系統(tǒng)，以微處理器作控制。整機關鍵元器件均為進口器件，方案設計選擇器件均確保了產品可靠性。</p><p><b>　　微波感應器的特點：</b></p><p>　　微波感應器是以10.525GHz微波頻率發(fā)射、接收。其探測方式具體如下優(yōu)點：</p><p&

34、gt;<b>　?。?）非接觸探測。</b></p><p>　　（2）不受溫度、濕度、噪音。</p><p>　　結合本課題的實際需要在設計自動門的人員檢測上運用上海順安達門業(yè)裝飾有限公司的微波自動門感應器WB-3004，其規(guī)格如下： </p><p>　　表3-4 感應器的參數(shù)表</p><p>　　3.4 行程開

35、關(限位開關)的工作原理</p><p>　　行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。滾輪式行程開關又分為單滾輪自動復

36、位和雙滾輪(羊角式)非自動復位式，雙滾輪行移開關具有兩個穩(wěn)態(tài)位置，有“記憶”作用，在某些情況下可以簡化線路</p><p><b>　　3.5傳動裝置</b></p><p>　　本控制系統(tǒng)所用到的傳動裝置具體包括如下：</p><p>　　自動門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向進行。</p>&

37、lt;p>　　自動門扇吊具走論系統(tǒng)：用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。</p><p>　　同步皮帶：用于傳輸電機所產動力，牽引自動門吊具走論系統(tǒng)。</p><p>　　傳動結構如圖2.3所示。其中馬達皮帶輪直徑為5cm,皮帶滑輪內徑為13.5cm,外徑為28.5cm。</p><p><b>　　圖3.5</b></

38、p><p>　　3.6 自動門系統(tǒng)I/O分配表</p><p>　　I/O分配表是編寫PLC程序首先要做的前提條件，也是現(xiàn)場接線和調試的重要依據(jù)。根據(jù)自動門的控制系統(tǒng)的要求，確定了PLC的I/O分配表，在表5.1中列出。</p><p>　　表5-1自動門I/O地址分配表</p><p><b>　　表5.1</b><

39、/p><p>　　3.7自動門I/O接線電路</p><p><b>　　圖5.2</b></p><p>　　3.8自動門控制系統(tǒng)的主電路原理圖</p><p><b>　　圖5.3</b></p><p>　　第四章 自動門的軟件系統(tǒng)</p><p>

40、;　　4.1 控制系統(tǒng)流程設計</p><p>　　當門扇要完成一次開門與關門，其工作流程如圖所示：</p><p>　　圖5.4 </p><p><b>　　框圖說明如下:</b></p&g

41、t;<p>　?。?）當有人有內到外或由外到內通過光電檢測開關KA1或KA2時，開門執(zhí)行機構KM1動作，電動機正轉，到達開門限位開關SQ1位置時，電機停止運行。</p><p>　?。?）自動門在開門位置停留8s后，自動進入關門過程，關門執(zhí)行機構KM2被啟動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關SQ2位置時，電機停止運行。</p><p>　?。?）在關門過程中，當有人員由外到

42、內或由內到外通過光電檢測開關KA2或KA1時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。</p><p>　　（4）在門打開后的8s等待時間內，若有人員由外到內或由內至外通過光電檢測開關K2或K1時，必須重新開始等待8s后，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。</p><p>　　4.2 PLC梯形圖概述</p><p>　　梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語

43、言，它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術發(fā)展而來的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應用。</p><p>　　梯形圖程序設計語言的特點是：</p><p>　　1. 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；</p><p>　　2. 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習；&

44、lt;/p><p>　　3. 與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是：梯形圖中的能流（Power Flow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此應用時需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區(qū)別對待；</p><p>　　梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開

45、關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。</p><p>　　4.2.1 梯形圖的設計</p><p>　　設計梯形圖的基本方法和步驟：</p><p>　　（1）首先根據(jù)工藝過程控制要求，畫出控制流程圖，力求表達清晰、準確。必要時可以把控制系統(tǒng)分解成幾個相對獨立的部分，盡量簡化，利于編程</p><p>　　(2)將所

46、有的輸入信號（按鍵，行程限位開關，壓力開關，壓力、速度、時間等傳感器）和輸出控制對象（接觸器、電磁閥、電動機、指示燈等）分別列出，按被采用的PLC型號內部邏輯元件編號范圍，對I/O端子做出相應的分配和安排。</p><p>　　（3）根據(jù)控制流程圖，有規(guī)律的分配和利用PLC內部有關的邏輯元件（如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等）構成相應的基本回路。</p><p>　?。?）以梯形圖的形式來描

47、述控制要求，繪制梯形圖要遵循編程原則。</p><p>　?。?）編寫程序清單時，必須按梯形圖的邏輯行和邏輯單元的編排順序（由上而下，從左到右）依次進行。 </p><p>　　本系統(tǒng)的程序軟件采用西門子公司設計開發(fā)的STEP7的編程軟件進行程序設計。在設計過程中應遵循以下編程規(guī)則：</p><p>　　每個繼電器的線圈和他的觸點均用同一個編號，每個元件的觸點使用

48、時沒有數(shù)量限制。</p><p>　　梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。</p><p>　　線圈不能直接接在左邊的母線上。</p><p>　　在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，他很容易引起誤操作，應避免。</p><p>　　在梯形圖中沒有真實的電流流動，為了便于分析PLC的周期

49、掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有電流流動，這個電流只能在梯形圖中單向流動—即從左向右流動，層次的改變只能從上向下流動。</p><p>　　無論選用何種PLC機型，所使用的軟件編號（即地址）必須在該機型的有效范圍以內。</p><p>　　根據(jù)以上規(guī)則和PLC的編程方法和思路編寫了本課題設計的自動門控制系統(tǒng)的梯形圖程序，具體程序如下：</p><p>&

50、lt;b>　　圖5.5</b></p><p>　　4.2.2程序設計說明</p><p>　　當門內或門外有人走過來，進入感應區(qū)域時，I0.1或I0.2閉合得電，電機正轉，帶動自動門開啟，使人安全進出。</p><p><b>　　第五章 總結</b></p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，我從一知半

51、解到最后逐漸弄懂，在學習于動手實踐中得到了科學啟示，人生感悟。通過這種開放式的畢業(yè)設計，我不僅學到了知識，更重要的是學會了一種新的學習方法，學會了如何利用現(xiàn)有的資源（圖書館資料和網(wǎng)絡資源），為我終身的繼續(xù)學習，創(chuàng)造條件，雖然這次學習時間并不長，但對自主學習的要求提高了，通過這樣的學習形式，提高了我的學習能力。同時要謝謝我的畢業(yè)設計指導老師，如果不是老師在畢業(yè)設計中的輔導與幫助，我的畢業(yè)設計就不可能順利完成。</p><

52、;p>　　本設計基本上達到了設計目的，利用PLC實現(xiàn)了對電動機的簡單控制，通過合理的設備選型和軟件設計，提高了電動機運行的可靠性。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　(1) 李道霖 電氣控制與PLC原理及應用.2版.北京：電子工業(yè)出版設，2009</p><p>　　(2) 廖常初 S7-200P

53、LC編程及應用.北京：機械出版社，2007</p><p>　　(3) 陳艷紅 傳感器與檢測技術.南京：南京大學出版社，2010</p><p>　　(4) 許曉峰 電機及拖動.3版.北京：高等教育出版社，2007</p><p>　　(5) 張桂朋 電氣控制及PLC.北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　(6) 梁強.