程 设 计 报 告
自动门控制装置
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2011/1/9
摘要
本课题设计了一种以S7-200可编程控制器（PLC）为核心的自动
门控制系统。分析了该控制系统的工作原理和设计步骤，描述了控制系统的硬件组成，以及控制系统的控制流程图、接线图，并对PLC的选型及I/O点的确定进行了说明。现系统已成功通过硬件和软件调试。
关键词:自动门控制系统、PLC、S7-200
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目录
第一章 绪论--------------------------------------------------------------4 第二章 设计任务--------------------------------------------------------5 第三章 PLC的介绍----------------------------------------------------6 第四章 功能器件的基本工作原理----------------------------------11 第五章 第六章
方案确定-------------------------------------------------------14 总结-------------------------------------------------------------20 3
第一章 绪论
随着计算机、网络、通信技术的发展，各种方便生活的自动控制系统逐步进入了人们的生活。可编程控制器（PLC）是专门为工业自动控制而设计的一种控制装置，在工业自动化领域中得到了广泛的应用，其特点是抗干扰能力强，可靠性高，体积小，设计、使用和维护方便等。为了适应市场的需要，PLC厂商都相继退出了具有网络通信能力的PLC及相关产品。由于用PLC控制自动门具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，而西门子 S7-200系列的PLC性价比高，在各个行业中的运用非常普遍，本研究重点讨论使用S7-200系列PLC来实现自动门控制系统的设计和应用。由于直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机超载能力较强，热动和制动转矩较大，所以执行机构使用直流电动机。
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第二章 设计任务
2.1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。
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，电动机正传，到达开关限位开关 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。
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，应立即停止关门，并自动进入开门程序。
4） 在门打开后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。
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第三章 PLC的介绍
3.1 PLC的基本概念
可编程逻辑控制器PLC （Programmable logic Controller），一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 3.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
b. 中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场
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各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块
如计数、定位等功能模块 。 f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
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3.3 PLC的工作原理 一. 扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(二) 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是
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否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 3.4 PLC的特点
1）可靠性高。PLC的MTBF一般在40000~50000 h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。
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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、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。
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第四章 功能器件的基本工作原理
4.1行程开关（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。 4.2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速的遮挡或反射，由同步回路选通 电路，从而检测物体有无得。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：
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（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 电开关时首选的检测模式。
② 镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器与一体，光 电开关发射器发生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。
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（2）术语①检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开 关动作时测得的基本位置（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。
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第五章 方案确定
5.1方案说明
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，电动机停止运行。
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，当门移动到开门限位开关时，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，若有人员有外至内或由
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。
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5.2 PLC控制系统的I/O地址分配表：
I0.0 门外光检测电开关 I0.1 门内光电检测电开关 I0.2 开门限位开关 I0.3 关门限位开关
I0.4 手动开门 I0.5 手动关门
Q0.1 电机正转 Q0.2 电机反转
5.3 PLC控制输出输入接线
K1 K2 K3 K4
I0.0 I0.1 I0.2I0.3 S7-200 Q0.1 KM1 Q0.2 KM2 手动开门 手动关门
I0.4 I0.5 DC 24V COM COM AC 220V
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5.4 流程图
开始K1 K2有信号？NY开门K3打开全开状态延时8秒K1 K1有信号？N关门YYK1 K2有信号？NK4打开全关状态结束
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5.5梯形图
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5.6 指令表 网络 1 LD I0.0 O I0.1 = M0.0 网络 2 LD M0.0 O M0.1 A I0.6 AN I0.2 AN M0.2 = M0.1 = Q0.1 网络 3
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LD I0.2 O M0.4 AN I0.0 AN I0.1 O I0.4 AN M0.2 TON T37, = M0.4 网络 4 LD T37 O M0.2 A I0.6 AN I0.3 AN I0.0 AN I0.1 O I0.5 AN M0.1 = M0.2 = Q0.2
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第六章 总结
为了加强智能的培养，更好的使理论与实践相结合，真正做到
增长知识与发展能力的统一，我们选择了本次课程设计，它培养了我们在电力电子技术方面的实践能力和科学作风，培养了我们综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过本次课程设计我们初步掌握了工程实践方法和组织实践的基本技能，逐渐熟悉了开展科学实践的程序和方法。
1初步掌握了一般电气控制技术、PLC应用技术和设计的基本方法
2培养了一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。 3固了常用电子仪器的正确使用方法。
4通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树了立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风；
参考文献
(1) (2) (3)
漆汉宏.PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社.2006. 俞国亮.PLC原理与应用.北京：清华大学出版社.2005
王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社.2008.
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