1课程设计目的 (1)

2课程设计题目和要求 (1)

3设计内容 (2)

3.1自动开关门工作方式以结构 (2)

3.1.1自动开关门的结构 (2)

3.1.2自动开关门工作方式 (2)

3.2PLC控制系统及其原理 (4)

3.2.1 PLC的选择及其介绍 (4)

3.3开关I/O模块 (8)

3.4输入模块 (8)

3.5输出模块 (9)

3.6电源模块 (9)

3.7CPU模块 (9)

3.8编程器模块 (11)

3.9限位开关的工作原理 (11)

3.10光电开关的工作原理 (11)

4 PLC编程及软件设计 (12)

4.1I/O分配 (12)

4.2I/O接线图 (12)

4.3自动开关门顺序功能图 (13)

5设计总结 (13)

参考书目 (14)附录 (15)1课程设计目的

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提升和完善。本文通过结合PLC控制系统的简介及各种普遍应用的自动门的特点，对由PLC作为控制系统的自动门的概况、主要分类、组成、原理、软硬件控制系统、PLC程序的编写等都进行了一定的介绍。并通过运用设计标准、规范、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、写有关的说明性材料，培养我们PLC设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质锻炼自己动手的能力。

2课程设计题目和要求

课程设计题目：自动开关控制门

课程设计要求：

（1）设计两个常开按钮，其中一个用来启动大门孔子系统另一个用于大门停止控制系统

（2）用超声波接收开关检测是否有车辆进入大门。当本单位车辆驶进大门时，车上发出特定编码的超声波，被门上的超声波接收器识别，输出逻辑“1”信号，则开启大门。

（3）用光电开关检测车辆是否进入大门，光电开关由发射头和接收头两部分组成，发射头发出特定频谱的红外光束，由接收头用于接收。当红外光束被车辆遮住时，接收头输出逻辑“1”；当红外光束未被车辆遮住时，接收头输出逻辑“0”。当光电开关检测到车辆已进入大门时，则关闭大门。

（4）门的上线装有限位开关SQ1，门的下线装限位开关SQ2。

（5）门的上下运动由电动机驱动，开门接触器KM1闭合时门打开，关门接触器KM2闭合时门关下。

3设计内容

3.1自动开关门工作方式以结构

3.1.1自动开关门的结构

自动门控制装置由门内光电探测开关、门外光电探测开关、开门到位限位开关、关门到限位开关、开门执行机构、关门执行机构、等部件组成。

3.1.2自动开关门工作方式

通过PLC控制系统作为处理器，来宏观整体自动门中各硬件设施协调工作，来完成自动打开和关闭大门。

它是自动感应门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作。再用感应探测器，它负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。在传递给电机进行门的开关。自动感应门门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。

控制结构图

采用一个超声开关和一个光电开关作为输入设备，输入控制信号送入PLC 机。

超声开关发射声波，当物体(如车辆)进入超声开关的作用范围时，超声开关便检测出物体反射的回波。

光电开关由两个元件组成：内光源和接收器。光源连续的发射光束，由接受器加以收。若车辆或其他物体遮断了光束，光电开关便检测到这一车辆或物体。作为对来自这两个输入信号的影响，PLC产生输出控制信号去驱动库门电动机，从而实现库门的开放和关闭。PLC还接收两个附加开关的信号一个检测门行程的上限，另一个检测门行程的下限。

自动感应门机组由以下部件组成。

(1)主控器是自动感应门的指挥中心，它通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时工作人员可通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

(2)感应探测器负责采集外部信号，当有移动物体进入它的工作范围时，它就给主控器一个脉冲信号。

(3)动力马达可提供开关门的主动力。

(4)自动感应门扇行进轨道用于约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。

(5)门扇吊具走轮系统用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。

(6)同步皮带(有的厂家使用三角皮带)用于传输马达动力，牵引自动感应门扇吊具走轮系统。

(7)下部导向系统是自动感应门门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后摆动。

3.2 PLC控制系统及其原理

3.2.1 PLC的选择及其介绍

（1）PLC选择对于本次自动门的设计所选PLC为西门子S7-200 CPU224，其要性能如下

主要性能：集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或 38路模拟量I/O点

其他性能：20K字节程序和数据存储空间，6个的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力

特点：本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU

尺寸：40×80×62mm

（2）PLC主要功能

1.开关逻辑和顺序控制

这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。

2. 模拟控制（A/D和D/A控制）

在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。

3. 定时/计数控制

PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。

4. 步进控制

PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。

5．运动控制

在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。

6. 数据处理

大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC 还可以进行浮点运算和函数运算。

7. 通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。（3）PLC工作原理

可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。

PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期（工作周期）主要分为以下几个阶段：

1.输入采样扫描阶段

这是第一个集中批处理过程，在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态（ON或OFF）均从输入映像寄存器中去读取，不管此时外部输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。2．执行用户程序扫描阶段

是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左至右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。

在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的。

3.输出刷新扫描阶段

这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。

在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期，重新执行输入采样，周而复始。

（4）PLC在自动门中的应用

通过PLC控制系统作为处理器，来宏观整体自动门中各硬件设施协调工作，来完成自动打开和关闭大门。

使用红外感应器或微波发射器来感应外界的物体，当有人进如了感应范围之后，感应器通过感应到人的到来，会产生一个信号，通过PLC的模拟/数字输入部分输入PLC。玻璃门的打开或关闭由电机控制来完成，目前少数由交流变频电机或无刷直流电机来实现。但更多的使用步进电机来实现。步进电机作为可靠性好，控制简单，价格低廉的动力装置已经被广泛的应用于自动门。以PIC为控制器，统一控制传感器、步进电机，通过机械直线运动单元驱动玻璃门的PLC自动门控制系统。

步进电机与机械直线运动单元连接，建立一个直线运动轴，“零点”、“终点”分别为玻璃门全开、全闭时的位置。如果无人进出，玻璃门关闭。传感器一旦给PIC信号，PLC通过定位控制单元立刻控制步进电机中断当前运动，回零位。开始速度逐渐提高，在即将闭合时，速度逐渐减为零。而当门在关闭的过程时，一旦有人通过，应立即停止动作，转入开门过程。PIC 通过定位控制单元进行速度调节非常方便。一旦无人进出，传感器无信号发出，PIC 控制步进电机中断当前运动，向终点运动，速度控制如前。

（5）PLC的选型

为了能够更好的选型, 工程设计选型和估算时, 应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所需的操作和动作,然后根据控制要求,估

算输入输出点数,所需存储器容量,确定 PLC 的功能,外部设备特性等,最后选

择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统

①输入输出(I/O)点数的估算

I/O 点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%～20%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据.实际订货时,还需根据

制造厂商 PLC 的产品特点,对输入输出点数进行圆整。

②存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小, 因此程序容量小于存储器容

量. . 为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代. 存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式, 大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～15 倍,加上模拟 I/O 点数的 100 倍,以

此数为内存的总字数(16 位为一个字),另外再按此数的 25%考虑余量。

③控制功能的选择

该选择包括运算功能,控制功能,通信功能,编程功能,诊断功能和处理速度

等特性的选择。

3.3开关I/O模块

输入模块和输出模块简称I/O模块，它们是系统的眼耳、手脚。是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输出模块用来接受和采集输入信号。开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨号码开关、限位开关、光电开关、压力继电器等的开关量信号；模拟量输入模块用来接受一些如电位器电压信号、测速发电机和各种连续器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V,24V,48V 和交流110V,220V等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V输入模块的允许电压为0—70V，高压电压为70—256V，频率为47—63HZ。

各I/O点的通断状态用发光二极管或其他元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模板。开关量I/O模块可能4，8，16，32，点。

3.4输入模块

本设计采用直流输入模块，图为直流输入电路的一种形式 (只画出一路输入电路) 当图1 中外部线路的开关闭合时, .PLC 内部光耦的发光二极管点亮,光敏三极管饱和导通,该导通信号再传送给处理器,从而 CPU 认为该路有信号输入;外界开关断开时,光耦中的发光二极管熄灭,光敏三极管截止, CPU 认为该路没有信号.

直流输入模块

3.5输出模块

输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载），双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载，输出电流的典型值为0.5—2A，负载电源由外部现场提供。

输出电流的额定值为负载的性质有关，但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯，额定负载的电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。

输出模块内可能设置有熔断器，并在磨快面板上用发光二极管显示熔断器的状态。某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。

3.6电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

3.7 CPU模块

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此着控制规模。

CPU模块：CPU模块主要由微处理器CPU芯片和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地收集输入信号、执行用户程序、刷新系统的输出。存储器用来储存程序和数据。

基本结构

3.8编程器模块

编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可变程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态

编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来可编程程序控制器也可以运行。一般只在程序输入，调试阶段和检修时使用，一台编程可供多台可编程序控制器公用。

3.9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，当安装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、自动开关的限位，轿厢的上下限位的保护

3.10光电开关的工作原理

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束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。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。

4 PLC编程及软件设计

4.1I/O分配

PLC I/O分配表

Y1-KM1开门电机、Y2-KM2关门电机。

4.2 I/O接线图

I/O接线图4.3自动开关门顺序功能图

5设计总结

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问的能力，在设计过程中，我也遇到了不少情况，但都通过我的努力和老师的帮助顺利完成了我的设计。不仅让我重新复习课上学的知识还通过查资料了解课外的知识。比如一些芯片的功能，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。

这次设计还培养了我分析问题的能力，对自己以前所学知识的巩固和今后的学习研究起了很大的作用。加深对PLC课程的理解，和与我们专业相关的软件使用提高，以及PLC在自动门中作为控制系统的优势，通过介绍PLC的简单应用，结合作为自动门控制程序对PLC在自动门中的应用做了较为详尽的介绍。以PLC作为自动控制系统，具有很多其他控制所没有的优点，可靠性高，耐用等。并了解到PLC在自动门中程序的编写，梯形图的应用，明白了PLC控制自动门工作的原理，了解了未来自动门控制的发展方向等。对于我们今后的学校工作都有很大的帮助。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论。

参考书目

[1] 范永胜、王岷. 电气控制与PLC应用[M]. 北京：中国电力出版社，2007

[2] 程周. 电气控制与PLC原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2003

[3] 廖常初. PLC编程与应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2007

[4] 赵永江．楼宇的门禁、监控及车库管理系统[M]．北京：中国，电力出版社，2005．附录

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