PLC自动门设计.docx
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PLC自动门设计.docx
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摘要
本设计是关于自动门控制系统的设计,自动门系统主要由可编程控制器(PLC)、感应器件、驱动装置和传动装置组成。
主要工作原理是感应器件将检测到的人体或物体信号传送到PLC,PLC再综合收到的自动门状态信号作出判断,而后发出控制信号,使驱动装置运行,在通过传动装置带动门的动作。
随着电子技术的发展,PLC不断的更新,PLC控制已成为自动控制中最常见的方式之一。
自动门就是自动控制应用的以典型例子,由于可编程控制器具有很好的处理自动门开关控制及良好的稳定性,而且可以很简单的改变控制的方式,因此,自动门的生产商家很多都运用PLC来做门的控制器。
目前自动门在日常生活中用越来越广泛。
PLC控制具有较高的可靠性、稳定性、维修方便等优点。
本文分四个部分来介绍其软、硬件结构、工作原理等,具体如下:
(1)介绍自动门的发展及现状。
(2)介绍自动门的总体设计,驱动装置选型,感应器件的选型。
(3)介绍了系统硬件件设计,PLC选型
(4)介绍程序调试,软件设计及梯形图
关键词:
自动门、PLC、感应器件、驱动装置
目录
第一章前言 3
第二章国内外自动门发展 4
2.1国内外自动门发展现状 4
2.2本课题研究的内容 4
2.3本课题研究的目的和意义 5
第三章自动门控制装置的总体方案设计 6
3.1在自动门的功能需求分析 6
3.2自动门的控制要求 6
3.3自动门控制系统构成 6
3.4PLC概述 7
3.5具体构成 7
第四章自动门控制系统的硬件设计及PLC的选择 8
第五章自动门控制装置框图与原理 10
5.1自动门控制装置原理框图 10
5.3自动感应门机的基本工作原理 11
5.4行程开关(限位开关)的工作原理 11
5.5光电开关的工作原理 12
第六章自动门控制装置系统程序 13
6.1继电器接触控制图 13
6.2.PLC控制输出输入接线 14
6.3.梯形图 14
6.5程序过程分析 15
6.6系统调试 16
设计体会 19
参考文献 20
第一章前言
随着生产力和科学技术的不断发展,人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制,不仅节约了人力资源,而且很大程度的提高了生产效率,又进一步的促进了生产力快速发展,并不断的丰富着人们的生活。
早期的自动控制系统是依靠继电-接触器来实现的,其特点是:
结构简单、价格低廉、抗干扰能力强,可以实现集中控制和远距离控制,但是其采用固定接线,通用性和灵活性差;又采用触点的开关动作,工作频率低,触点易损坏,可靠性差。
1969年,出现了可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),其特点是:
具备逻辑控制、定时、计数等功能,编程语言采用直观的梯形图语言,软件更改方便,通用性和灵活性好。
目前,可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展,与计算机技术相结合,形成工业控制机系统、分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem)、现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem) ,这将使PLC的功能更强,可靠性更高,使用
更方便,适用范围更广。
在超级市场、公共建筑、银行、医院等入口,经常使用自动门控制系统。
早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制,已逐渐被淘汰。
PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点,因而得到广泛的应用。
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。
本论文主要是对门的自动开、关控制而论。
自动门控制装置系统由检测元件红外传感器、继电器、可编程序控制器(PLC)、电动机组成。
它主要是利用热释电人体红外传感器检测,有无人到门口的信号,再把检测到的信号送入可编程序控制器(PLC)中,由可编程序控制器来对信号的处理,处理的最后结果用继电器输出,从而达到控制电动机的转动。
又由电动机带动门的开、关。
当电动机正转时,门自动打开;当电动机反转时,门自动关闭。
第二章国内外自动门发展
2.1国内外自动门发展现状
在国外,进入90年代以来,自动化技术发展很快,技术已经很成熟,并取得了惊人的成就,自动化技术是自动门的重要部分。
在现在人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防尘、防风,同时可以使出入口显得很庄重高档,因此应用非常广泛。
随着我国经济的飞速发展,自动门在人们的生活中的运用越来越广泛,自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、、医院、商店等,使用自动门。
但在国内,自动门的自主研发尚处于初级阶段。
在自动门控制系统设计中,稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。
由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动传动系统提出不同的要求,所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。
客流量的差异会对自动门的使用产生很大的影响,因此,自动门还可以分为一般自动门和频繁使用自动门。
自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等,其中平开门用的场合较少,旋转门由于昂贵而且非常庞大,一般只使用余高档酒店宾馆,自动平移门使用的最广泛,大家一般所说的自动门、感应门就是指自动平移门,目前市场上流行的平移型自动门一般是两开,这种门的特点是简单易控,维护方便。
自动平移门最常见的形式是自动门内外两侧加感应器,当人走进门时,感应器感应到人的存在,给控制器一个开门信号,控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过之后,再将门关上。
由于自动平移门在通电后可以实现无人管理,既方便又提高了建筑的档次,于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。
自动门的控制方法有很多,从控制器的不同来说,有继电器控制,即通过按钮和复杂的接线安装来控制;智能控制器控制,即通过运行现代自动化设备来控制,它具有稳定性高,安全等优点,因此被很多生产厂商所运用。
由于继电器逻辑控制的自动门系统存在许多缺陷而逐步被智能控制器的自动门所淘汰。
在智能控制器的选折上,自动门的主控制器有微电脑控制器控制和可编程控制器(PLC)控制,微电脑控制主要有体积小、安装方便等特点,目前有许多厂家采用此种方式生产自动门,PLC控制的特点是稳定型高、维护方便,目前许多大型商场的自动门都是有这种方式来控制的。
2.2本课题研究的内容
本设计将在以下几个方面对自动门的控制系统进行研究和论证。
(1)自动门类型的选择。
综合了自动门的简洁、简单的要求,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分时间段控制功能以及配备安全防夹人光线、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多的场所的高效率、高安全性的要求。
(2)自动门硬件系统的设计
本课题设计的自动门要求有很高的稳定性来满足日常的需要,故在本设计中所选用的智能控制器为稳定性良好的德国西门子公司生产的CPU224小型PLC。
在自动门的开关门速度控制上本设计以变频器作为调节器,运用变频器的三段速控制实现自动门的转速控制,为了解决在频率很低时出现不稳定的问题,驱动装置选用功率强大、稳定性好的自带减速装置的直流电动机,在感应器方面运用了自动门专用的微波雷达感应器和在工业控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳定性好的接近传感器,运用感应器的开关量信号输入给PLC来实现PLC对自动门的控制。
由于本课题的具体需要在硬件系统的设计过程中主要考虑自动门的经济实用、稳定的需要。
(3)自动门的软件设计
在本设计中选用了目前运用最多的PLC编程语言梯形图,梯形图能直观明了的设计出自动门的控制要求,并能更好的考虑到安全性和故障报警等问题,梯形图的编写运用西门子自带的编程软件,此软件具有强大的诊断功能,能更快的查处故障原因,从而大大缩短了维修时间
2.3本课题研究的目的和意义
在超级市场、公共建筑、银行、医院入口,经常使用自动门控制系统。
使用自动门,可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘,同时可以使出口显得庄重高档,因此应用非常广泛。
自动平移门最常见的形式是自动门及门内外的光电开关,当人走进自动门时,感应开关感应到人的存在,给控制器一个开门的信号,控制器通过驱动装置将门打开,当人通过门之后,在将关闭。
由于自动平移门在通电后可以实现无人管理,既方便又提高了建筑档次,于是迅速在国内外建筑市场上得到了广泛应用。
自动门在国外早就得到了普遍应用,在国内也逐渐得到了大家的认可,已经迎来了自动门发展的黄金时期。
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、不易维修等缺点已被逐渐淘汰。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
他采用可以编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、和算数运算等操作指令,并能通过数字式和开关量的逻辑控制的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有可靠性高,抗干扰能力强,功能完善,适用性强,系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造,体积小,重量轻,能耗低等优点。
目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻化工等领域的应用都得到了长足的发展。
因此运用PLC控制自动门具有较高的可靠性,维修方便等优点。
本课题的自动门设计运用PLC做控制器能大大提高自动门的稳定性和经济性,对与整个自动门行业是一次技术革新,提高了自动门的使用率,因此,进行自动门的PLC控制系统的设计,可以推动自动门行业的发展,扩大PLC在自动门行业乃至整个自动化行业的应用,具有一定的经济和理论研究价值。
第三章自动门控制装置的总体方案设计
3.1在自动门的功能需求分析
本设计面向商场入口的应用,需要有安全性和可靠性。
根据商场中对自动门的具体要求,本课题所设计的自动门应由以下功能:
(1)开门和关门控制应有手动和自动方式
为了便于维护,自动门应具有手动和自动方式。
当信号采集装置检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭,PLC动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。
(2)紧急停止
当自动门出现夹人现象时,可闭合紧急停止开关,自动门自动进入开门过程。
自动门控制系统包含PLC控制和执行元件构成。
采用自动和手动控制方式,此种控制模式为目前大多自动门的控制方式。
本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。
3.2自动门的控制要求
(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,电动机正转,到达开门限位开关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)在门打开后的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。
3.3自动门控制系统构成
自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。
采用自动和手动电动控制方式,此种控制方式为目前大多自动门的控制方式。
本课题所设计的自动门控制系统采用PLC为控制中心来控制传动机构从而控制门的开和关实现门的自动化控制。
自动门控制装置硬件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、关门到位限位开关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。
光电探测开关为无光导通,有光断开。
3.4PLC概述
可编程控制器,英文ProgrammableController,简称PLC,本课题中用PLC作为它的简称。
PLC是用于工业现场的电控制器。
它源于继电器控制技术,但基于电子计算机。
它以微处理器为核心,集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体,它通过运行储存在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息,变换为所要求的输出信息,进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机,但并不等同于计算机。
普通计算机进行入出信息交换时,大多只考虑信息本身,信息入出的物理过程一般不考虑的。
而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性、以及信息的实际使用。
特别要考虑怎样适应于工业环境,如便于安装便于门内外感应采集信号,便于维修和抗干扰等问题,入出信息变换及可靠地物理实现,可以说是PLC实现控制的两个基本点。
PLC可以通过他的外设或通信接口与外界交换信息。
其功能要比继电器控制装置多得多、强得多。
PLC有丰富的指令系统,有各种各样的I/O接口、通信接口,有大容量的内存,有可靠的自身监控系统可以说,凡普通小型计算机能实现的功能,PLC几乎都可以做到。
像PLC这样,集丰富功能于一身,是别的电控制器所没有的,更是传统的继电器控制电路所无法比拟的。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能,同时,也为自动门行业的远程化、信息化、智能化创造了条件。
现代化工业生产过程是复杂多样的,它们对控制的要求也各不相同。
PLC专为工业控制应用而设计,一经出现就受到了广大工程人员的欢迎。
3.5具体构成
自动门系统的具体组成如下图:
由上图可知,当感应器件检测到人体或物体信号时将信号传给PLC,PLC根据已经采集的信号发出控制信号,是驱动装置运行,通过传动装置带动自动门的运行。
第四章自动门控制系统的硬件设计及
PLC的选择
在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此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要的操作和动作,然后根据控制要求,估计输入输出点数、所需存储器的容量、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,在增加10%到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。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入12点,输出12点。
(2)存储器容量的选择
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实用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器的容量。
设计阶段,由于用户程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,须在程序调试之后才知道。
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代替,存储器内存容量的估算没有固定的形式,许多文献资料中给出了不同的公式,大体上都是按数字量I/O点数的10到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),另外再按次数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储索要储存的程序,这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
(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性能的选择。
本课题所设计的自动门控制系统的要求,主要包含以下几种功能。
a控制功能,b编程功能,c诊断功能
(4)机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块两类型型,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/0点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/0卡件或插卡,因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
选择PLC时,应考虑性能价格比。
考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出比较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
点当数增加到一数值后,相应的存储器容量相应增加,因此,点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。
本课题所设计的自动门属于小型控制系统,结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。
(5)对PLC响应时间的要求
对于多数场合,PLC的相应时间基本上能满足控制要求。
响应时间包括输入滤波时间,输出滤波时间和扫描周期。
PLC的工作方式决定了他不能接受频率过高或持续时间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,本课题的设计采用德国西门子公司生产的CPU224小型PLC来实现整个系统的控制。
PLC主机选定后,如果控制系统需要,则相应的配套模块也就选定了。
如模拟量单元,显示设定单元,位置控制单元或热电偶单元等。
名称
代码
地址编号
输
入
信
号
门内光电探测开关
K1
I0.2
门外光电探测开关
K2
I0.1
开门到位限位开关
K3
I0.3
关门到位限位开关
K4
I0.4
输
出
信
号
开门执行机构
KM1
Q0.0
关门执行机构
KM2
Q0.1
短接启动电阻接触器
KM3
Q0.2
表4-1输入/输出信号的名称、代码及地址编号
对于本课设来说不需要扩展单元与模拟量单元,据上表可知选择PLC可以选择我们所熟悉的西门子系列PLC,根据以上的分析可知我们可以选择主机型号为CPU321/DC/DC/Relay的S7-300系列PLC。
第五章自动门控制装置框图与原理
5.1自动门控制装置原理框图
5.2自动门控制装置系统的工作原理
(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,电动机正转,到达开门限位开关K3位置时,电动机停止运行。
(2)自动门在开门位置停留8s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)在门打开后的8s等待时间内,若有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时,必须重新开始等待8s后,再自动进入关门过程,以保证人员安全通过。
(5)开门与关门不可同时进行。
5.3自动感应门机的基本工作原理
(1)主控制器:
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;同时人们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,如同人们的眼睛,当有移动的物体进入它的工作范围时,它就给主控器一个脉冲信号;
(3)动力马达:
提供开门与关门的主动力,控制自动感应门扇加速与减速运行。
(4)自动感应门扇行进轨道:
就像火车的铁轨,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:
用于传输马达所产动力,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门体摆动。
当自动感应门门扇要完成一次开门与关门,其工作流程如下:
感应探测器探测到有人进入时,将脉冲信号传给主控器,主控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自动感应门扇开启;自动感应门扇开启后由控制器作出判断,如需关自动感应门,通知马达作反向运动,关闭自动感应门。
5.4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、自动开关的限位,轿厢的上、下限位保护。
5.5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。
第六章自动门控制装置系统程序
6.1继电器接触控制图
6.2.PLC控制输出输入接线
6.3.梯形图
14/20
门内光检测点开关关门限位点开关紧急停车开关手动开门
X001门外光检测点开关X002
X003开门限位点开关X004
X005过载保护开关X006
X007停止开关X010
X011手动关门
6.4程序指令如下
LDX001
ORX002
ORY000
ANIY002
ANDX007
ORX010
ANIX003
OUTY000
LDX003
ANIX001
ANIX002
OUTT0
LDT0
ORY001
ANIY000
ANIY002
ANDX007
ORX010
ANIX004
OUTY001
LDX005
ORX006
ORY002
ANDX007
OUTY002
END
6.5程序过程分析
1首先按下启动按钮x007闭合,若外检测开关或内检测开关有信号时x001或者x002闭合。
由于开门限位x003是长闭的,所以y000线圈通电,有原理分析可知光电检测开关的触发方式是脉冲触发所以需要自锁。
当y000线圈通电时y000合,此时电动机正转带动自动门扇移动,执行开门过程。
2,当门扇完全打开时,使开门限位开关x003打开,y000线圈断电,电动机停止转动。
3.当门扇停止移动时,由于开门限位开关的长闭变成长开,故使长开闭合。
进行8秒的延时,若此时外检测开门或内检测开门x001或x002有信号,则使t0重新延时。
4当8秒的延时完毕后t0线圈通电,关门限位开关关闭,所以使y001通电并自锁,电机反转执行关门过程。
5. 在关门过程中,若外检测开关或者内检测开关x001,x002有信号又使y000
通电,由于在关门过程中y000长闭,此时打开并中断关门过程,转向开门过程。
6.
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