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【摘要】  可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。本课程设计介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。用西门子公司S7-200系列的PLC，设计了一个简单平移自动门的自动门控制系统。该系统主要完成自动门的开、关控制及其出现故障时能实行手动控制。

【关键词】  自动门控制，可编程序控制器

目录

摘要.................................................................................. 

1   PLC的发展史....................................................................2

1.1  PLC的起源.................................................................2

1.2  PLC的诞生.................................................................2

1.3  PLC的特点、现状与发展.................................................2

1.4  PLC的功能................................................................3

2   PLC的组成和工作原理.......................................................5

2.1  PLC的组成................................................................5

2.2  工作原理...................................................................6

3   自动门基本介绍..............................................................8

3.1  组成部件...................................................................8

3.2  工作流程..................................................................8

3.3  自动门的分类.............................................................8

3.4  行程开关的工作原理....................................................10

4   I/O分配地址..................................................................11

5   运作原理图....................................................................12

5.1  方案说明.................................................................12

5.2  程序流程.................................................................12

5.3  继电器接触控制图......................................................13

5.4  PLC连线图...............................................................13

6   系统程序设计.................................................................14

6.1  梯形图...................................................................14

6.2  操作说明.................................................................15

7   总结............................................................................16

附录 程序语句表.................................................................17

1.1PLC的起源

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制人物。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

1.2PLC的诞生

1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功，这标志着PLC第一次进入人们的视野

·1969年，美国研制出世界第一台PDP-14

·1971年，日本研制出第一台DCS-8

·1973年，德国研制出第一台PLC

·1974年，中国研制出第一台PLC

1.3PLC的特点、现状与发展

1.3.1特点

体积小。可靠性高。编程方便，可在线更改程序。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。与DCS相比，价格低廉。安装、维修简单。

1.3.2 现状

当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流，80%以上的行业，80%以上的设备均可使用PLC。据统计，当今世界PLC生产厂家约有150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

1.3.3 发展史

第一代：1969年至1972年，代表产品有

·美国DEC公司的PDP-14/L

·日本立石电机公司的SCY-022

·日本北辰电机公司的HOSC-20

第二代：1973年至1975年，代表产品有

·美国GE公司的LOGISTROT

·德国SIEMENS（西门子）公司的SIMATIC S3、S4系列

·日本富士电机公司的SC系列

第三代：1976年至1983年，代表产品有

·美国GOULD公司的M84、484、584、684、884

·德国SIEMENS（西门子）公司的SIMATIC S5系列

·日本三菱公司的MELPLAC-50、550

：1983年至现在，代表产品有

·美国GOULD公司的A5900

·德国SIEMENS（西门子）公司的S7系列

1.3.4 发展趋势

PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量的控制领域，广泛的应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其他行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

    微型、小型PLC功能明显增强

    跟多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、微型PLC。三菱的FXOS14点，其尺寸仅为58mm×mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到院里工业控制的其他行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。

    集成化发展趋势增强

    由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯功能和网络化，尤其以PC为基的控制产品增长率最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人一机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

    向开放性转变

    PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构式封闭的而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，单各公司的组态、寻址、语言结构不一致，使各种PLC互不兼容。国际电工协会（IEC）在1992年颁布了IEC1131-3《可编程程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以PC为基、在WINDOWS平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。

1.4  PLC的功能

      数据采集与输出。控制功能。包括顺序控制、逻辑控制等。数据处理功能。一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便的对生产过程中的资料进行处理。用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理，控制生产过程。输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。通信、联网功能。某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或者由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足这些通信联网的要求。  人机界面功能。  编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

2  PLC的组成和工作原理

2.1  PLC的组成

2.1.1 PLC的基本结构

· CPU模块

· I/O模块

· 编程器

· 电源

· 接口

     2.1.2 CPU模块

        CPU即处理器(Central Processing Unit)，是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。

      2.1.3 I/O模块

         I/O模块，即输入/输出模块， 是PLC与外界连接的借口。

      ·输入模块：输入模块是用来接收和采集两种类型输入信号的模块，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等一系列开关的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等模拟量输入信号。

      ·输出模块：输出接口是用来连接被控制对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。

      2.1.4 编程器

         编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部分。编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。

           编程器一般有有两种类型：简易编程器和图形编程器。简易编程器体积小，便宜，合适小型PLC，但是需要联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，有液晶显示（LCD）和阴极射线式（CRT）两种，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程。不但操作方便、功能强大，还可与打印机、绘图仪等设备相连。但是价格较高，不适用于小型PLC。

           随着PLC联网功能的增强，出现了第三种编程方式，即计算机辅助编程。由于计算机操作简易，编程量和工作效率远比前两种编程器要高。因此，越来越多的用户更愿意采取这种编程方式。

      2.1.5 电源模块

   PLC内部配有开关式稳定电源的电源模块，用来将外部宫殿电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流断电源。

2.2  工作原理 

    PLC有两种工作状态，运行状态（RUN）和停止状态（STOP）。在运行状态中，

PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断的重复执行，直到PLC停机或者切换停止工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段：

开始→诊断→与编程器通信→读入程序→执行程序→输出结果→开始

PLC这种周而复始的循环工作方式被称为“扫描工作方式” 。在工作状态下，这种工作方式所需要的时间被称为“扫描周期” 。其典型值为1-100ms。 

3 自动门基本介绍

3.1  组成部件

   主控制器：它是自动门的指挥中心，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；同时可以通过主控制器调节自动门的开启速度、幅度等参数。

    感应探测器：负责采集外部信号，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给予主控制器一个脉冲型号。

    动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

    门扇行进轨道：约束门扇行走的吊具走轮系统，使其按特定的方向行进。

    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。

    同步皮带：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。

    下部导向系统：是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。

3.2  工作流程

    当门扇要完成要完成一次开门与关门时，其工作流程如下：

    感应探测器探测到有人接近时，将脉冲信号传给主控制器，主控制器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器做出判断。如需关门，则马达反向运动，关闭门扇。

3.3  自动门的分类

    自动门通常可分为：平移自动门（如图3-1）、圆弧自动门（如图3-2）、折叠自动门（如图3-3）、旋转自动门（如图3-4）等。

图 3-1 平移自动门

图 3-2 圆弧自动门

图 3-3 折叠自动门

图 3-4 旋转自动门

3.4  行程开关的工作原理

    行程限位开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中，将行程限位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，行程限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程限位开关时一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，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，还利用行程限位开关来控制开关桥门的速度、自动开关门的限位，电梯的上、下限位保护。行程限位开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。

4 I/O地址的分配

输入/输出信号的名称、代码及地址编号

5.1  方案说明

    由于自动门种类繁多，本设计主要针对平移自动门的PLC自动控制。

    需要功能部件：光电检测开关，限位开关，超载保护开关，直流电机。

当有人接近自动门，通过光电检测开关时，开关上有电流通过，由于开门限位开关常闭，线圈得电，电机正转。当门扇到达限定位置时，线圈失电，电机停止运作。

自动门门扇到达限定位置时，启动延时定时器。8秒后，自动进入关门过程，电机反转。当门扇移动到关门限定位置时，开关常开，线圈失电，电机自动停止运作。

在关门过程中，如有人接近自动门时，应立即停止关门程序，并自动进入开门程序。

在门扇打开后的8秒等待时间内，如有人接近自动门，必须重新开始延时等待8秒，再自动进入关门程序，以保证可以安全通过自动门。

考虑到自动门在出现故障和维修的时间段内，自动控制系统失效，故必须增加手动开关门开关。

5.2  程序流程

开    始

若K1、K2有信号

开    门

K3 打开  电机停止

延时8s若K1、K2有信号 开门 再延时8s

关    门

若K1、K2有信号

K4打开 电机停止

结    束

5.3  继电器接触控制图    

图 6-1 继电器接触控制图

5.4  PLC接线图

图 6-2 PLC接线图

6 系统程序设计

6.1  梯形图

6.2  操作说明

    1、首先按下启动按钮，I0.7闭合，若外检测开关或内检测开关有信号时I0.1或I0.2闭合。由于开门限位开关I0.3是长闭的，所以Q0.0线圈得电。当Q0.0线圈通电时Q0.0闭合，此时电机正转带动自动门门扇打开，执行开门过程。

2、门扇完全打开时，使开门限位开关I0.3打开，Q0.0线圈失电.电机停止运作。

3、当门扇停止移动时，由于开门限位开关的常闭变成常开，故使常开闭合。进行8s的延时，若此时外检测开关或内检测开关I0.1或I0.2有信号，则使T37重新延时8s。

4、当8s的延时完毕后，T37线圈得电，关门限位开关关闭，所以使Q0.1通电并自锁，电机反转，执行关门过程。

5、在关门过程中，若外检测开关或内检测开关I0.1、I0.2有信号又使Q0.0通电，由于在关门过程中Q0.0常闭，此时打开，并中断关门过程，转向开门过程。

6、在此控制过程中，为了保证其安全性和正常运作，设置过载保护。

7、考虑到自动门若出现故障时，自动控制系统失效，所以设置手动开关门开关。

7 总结

    毕业设计是检测学生毕业前对一门知识的所学所以所用，并提出分析，发现问题，解决问题能力的一项能力测试，是对以后实际工作的培训。开始我先认真对论题进行了分析，考虑到要求及条件。在与同学的讨论交流，和查阅并分析借鉴了诸多资料。如《可编程序控制》、《电机拖动》等教科书，以及另外的资料书和百度百科。终于完成了这次设计。

    回顾这次“自动门控制系统的PLC设计”论题，令我感触颇多。在短短的时间里，付出了不少的时间和精力，努力的查找资料、利用CAD绘制电路图。虽然感觉任务很沉，同时也接触到了书上所没有提及到的知识。虽然经验不足，但是在努力的情况下还是完成了这次毕业设计。在此过程中，发觉了自身思维不够集中等缺点。

    在这段时间里，让我体会到了PLC这门课程与现实生活中的诸多事物已然挂钩，同时也明白了理论必须经过实践的道理。在实际生活中，很多东西都是理论所不具备的，但又是通过理论而得出的结论与行动。知道了如何来分析得来的知识。

    在此，感谢这门课程的任课教师，傅老师，同时也感谢其他课程的老师，给予了我们这么多堂精彩的授课，给学生们带来了丰富的理论知识。

附录 程序语句表

LD     I0.1

O      I0.2

O      Q0.0

AN     Q0.2

O      I1.0

AN     I0.7

AN     I0.3

=      Q0.0

LD     I0.3

AN     I0.1

AN     I0.2

TON    T37, 80

LD     T37

O      Q0.1

AN     Q0.0

AN     Q0.2

A      I0.7

AN     I0.4

O      I1.1

=      Q0.1

LD     I0.5

O      I0.6

O      Q0.2

A      I0.7

=      Q0.2

参考文献

[1]  电气控制与PLC原理及应用      李道霖主编        电子工业出版社          2004.8

[2]  可编程控制器应用技术           赵春生主编        人民邮电出版社          2008.9

[3]  深入浅出西门子S7-200PLC（第二版）               北京航空航天大学出版社  2005.3

[4]  电力拖动控制线路与技能训练 （第三版）            中国劳动社会保障出版社  2008.2

[5]  可编程控制器原理及应用[M]      吴中俊  黄永红    北京机械工业出版社      2004

[6]  电器与PLC控制技术[M]          张万忠  刘明芹    北京化学工业出版社      2003

[7]  PLC应运开发案例精选 (第二版)  高钦和            北京人民电邮出版社       2008

[8]  电器与可编程控制器应用技术[M]  邓则名  程良伦    北京机械工业出版社      1997

[9]  可编程序控制器及应用           林小峰            北京高等教育出社[M]     1991

[10] 可编程序控制器教程             温照方            北京北京理工大学出版社  2002

[11] 逻辑与可编程控制系统           汪道辉            北京机械工业出版[M]     2001

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