基于PLC的宾馆自动门控制系统设计课程设计说明书

基于PLC的宾馆自动门控制系统课程设计说明书 题 目: 宾馆自动门控制系统设计 专业班级: 自动化1103 姓 名: 学 号: 指导教师: 评语: 成绩: 指导老师签名: 日期: 1 目 录 1 系统概述 ........................................................... 3 1(1 研究背景和意义 ............................................... 3 1(2 设计的目的及意义 ............................................. 4 1(3 设计任务及 ............................................... 4 2 论证 ........................................................... 5 2(1 控制器方案选取 ............................................... 5 2(2 PLC概述 ..................................................... 5 2(3 控制过程设计 ................................................. 6 2(4 机械传动机构设计 ............................................. 7 3 硬件设计 ........................................................... 8 3.1系统的原理方框图 ............................................... 8 3.2 主电路 ......................................................... 9 3.3 I/O分配 ...................................................... 10 3.3 I/O接线图 .................................................... 11 3.4 元器件选型 .................................................... 11 4 软件设计 .......................................................... 13 4.1 主 ....................................................... 13 4.2 梯形 ......................................................... 15 5 系统调试 .......................................................... 16 设计心得 ............................................................. 17 参考文献 ............................................................. 18 2 1 系统概述 1(1 研究背景和意义 在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。 由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器(以下简称PLC)，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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟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。 本课题主要介绍运用PLC为控制器的宾馆自动门的开发和研究，所有产品的开发都要讲究实用，本课题开发的产品对许多的场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发商还有使用者来说，都是最好的。他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应用。因此本设计就是解决了这样一个问题，还可以保证自动门的稳定性。例如，某宾馆要求营业期间的门都运用自动门，这就需要自动门要有极高的稳定性，且对于宾馆来说成本不能太高。然而本课题意味着产品成本下降，效益提高。因此是一个比较适合此类场合运用且经济的产品。 3 1(2 设计的目的及意义 本文通过结合PLC控制系统的简介及各种普遍自动门的特点，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。 通过本设计掌握S7-200系列可编程控制器硬件电路的设计方法;熟练使用S7-200系列可编程控制器的编程软件，掌握可编程控制器软件程序的设计思路和梯形图的设计方法。 1(3 设计任务及要求 自动门控制装置由感应式开关、开门到位限位开关、关门到位限位开关、开门关门执行机构(一台250W的直流电机拖动，正转开门、反转关门)组成，整体效果如图1.1所示。 XX宾馆 开门到位 250W32 限位开关 电机关门到位限位开关 正转开门 1欢迎光临 反转关门 感应式开关 图 1.1 宾馆自动门效果图 具体要求如下: 1、当开门感应开关检测到有人或物件要通过时，开门机构开门，当门到开门到位限位开关后，开门电机停止。 4 2、自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程。 3、在关门过程中，如果检测到有人或物件要通过，立刻进入开门过程。 4、在门打开后等待的8秒时间内，如果有人或物件要通过，必须重新开始等待8秒，才能进入关门过程，以便人员安全通过。 2 方案论证 2(1 控制器方案选取 根据设计要求我想到了三种设计方案: 方案一:普通开关电路控制电机普通的开关电路主要就是利用按钮开关，行程开关以及时间继电器控制电机正反转，启停及延时动作。这种电路设计简单方便易于控制，但是最大的缺点就是电路比较复杂且功耗较大，容易出现故障。所以没有 采取这一方案。 方案二:单片机控制电机正反转电路设计降低了成本，提升了工作的性能，可以通过编程准确的控制电机的动作，而且是产品更小、更轻，能耗也降低了。 但是单片在较恶劣的环境中容易受到干扰，严重影响了系统的稳定性，所以放弃了这一方案。 方案三:PLC同样具有单片机的以上优点，在稳定性方面，PLC还远远高于普通单片机。另外对PLC也有了一些基本的了解，可以编写简单的程序，画出简单的梯形图，所以最后决定选择了PLC控。 2(2 PLC概述 1、可编程控制器，英文Programmable Controller,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 5 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，因而具有以下基本功能: (1) 逻辑处理功能; (2) 数据运算功能; (3) 准确定时功能; (4) 高速计数功能; (5) 中断处理(可以实现各种内外中断)功能; (6) 程序与数据存储功能; (7) 联网通信功能; (8) 自检测、自诊断功能。 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。其主要特点有:?抗干扰能力强，可靠性能高;?控制系统结构简单，通用性强;?编程方便，易于使用;?功能强大，成本低;?设计、施工、调试的周期短;?维护方便。 2(3 控制过程设计 1、当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K2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K3位置时，电机停止运行。 6 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。 2(4 机械传动机构设计 在本课题设计的自动门针对人流较多的旅馆，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面: (1)自动门的传动主要包括安装版，轨道，门机，皮带，吊挂件等。 (2)所有的组件都为插入式元件，使得安装很简单。 (3)电机:驱动电机采用48V直流电动机，功率大，可调性强。 (4)导轨:水平双导轨结构，形式正悬挂，解决了侧摆得问题，从而确保了门扇的稳定性。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方便的特点。 (5)滑轮:采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。 (6)皮带:采用齿形皮带，齿形皮带的截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了使用寿命。 图2.1 机械传动 7 3 硬件设计 3.1 系统的原理方框图 本设计运用PLC控制调节直流电机运转来实现自动门运转的控制方式。根据宾馆对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应具有以下功能: 1(开门和关门控制应具有手动和自动方式 为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。手动和自动开门方式由手动自动转换开关来控制。当转换开关拨向手动位置时，门可以手动调节开或者关。当转换开关拨向自动位置时，手动开门失效，由感应器自动控制门的开关。 2(快要到达限位处自动减速功能 如果门在打开或者关闭的过程中一直是高速移动，那么在到达限位处会因为惯性而不能立即停止，时间久了会把门撞坏。为了防止发生这种速度过高不能立即停止的现象，设计了在即将到达限位开关处减速的功能。具体开关的布置如图3.1所示。 XX宾馆 开门到位250W32限位开关电机 关门到位限位开关 正转开门1欢迎光临反转关门 感应式开关 电机减速54 检测装置 关门减速开门减速 检测开关检测开关 图3.1 在系统中加入减速检测开关 3(防夹人功能 为了杜绝自动门的夹人事件，在门两侧安装防夹人红外感应器，以防止停留在门附近的人被门所夹住。 自动门控制系统包含PLC控制和动作执行元件构成。采用自动和手动点动控制 8 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。系统的总体框图如下图3.2所示: 门内外开关门防夹人 感应器限位开关传感器 FX2N PLC 250W直流电机 图3.2 系统的总体框图 3.2 主电路 该控制系统使用一台250W的直流电机进行拖动，使用两个接触器KM1和KM2来LN 控制电机正反转，使用一个接触器KM3来控制电机速度。直流电机选择额定电压为 48V48V。主电路连接入下图3.3所示: 直流电源 + - FU KM1KM2 R MKM3 图3.3 主电路图 9 3.3 I/O分配 I/O分配表是编写PLC程序首先要做的前提条件，也是现场接线和调试的重要依据。根据自动门的控制系统功能的要求，确定了PLC的I/O分配表，如下表3.5 所示: 类型 设备 PLC端子号 手动/自动切换开关 X000 门内感应探测器 X001 门外感应探测器 X002 开门限位开关 X003 关门限位开关 X004 开门减速开关 X005 输入端 关门减速开关 X006 防夹人传感器 X007 手动开门 X010 手动关门 X011 总启动 X012 总停止 X013 工作指示灯 Y000 正转开门KM2 Y001 输出端 反转关门KM3 Y002 调速接触器KM4 Y003 表3.4 I/O分配表 10 3.3 I/O接线图 PLC外部端子I/O配置图是I/O分配表的直观表达，可以清楚的表示PLC的外部端子的接线情况，如图3.5所示。 COM总停止 X13COM总启动 DC 48V X12手动关门 工作指示灯 X11手动开门 Y00 X10 防夹人感应器 X07正转接触器KM1关门减速开关 X06Y01 开门减速开关 X05 关门限位开关 反转接触器KM2 X04-32MR PLC开门限位开关Y02 X03 2N门外人体感应器 X02串电阻调速KM3门内人体感应器 FXX01Y03 手动自动切换开关 X00 图3.5 I/O口接线图 3.4 元器件选型 本系统用到了14个输入口和4个输出口，所以我选择了三菱公司的FN2N-32MR型号的PLC，FN2N-32MR拥有32个I/O口，其中16个输入口，16个输出 11 口，完全符合设计要求。 三菱FX2N-32MR具有如下优点:最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱FX2N-32MR包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到16K步RAM或EEPROM。丰富的元件资源:3072点辅助继电器、256点计时器、235点计数器和8000点数据寄存器、实时时钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。 人体都有恒定的体温，一般在37?，发出波长为10微米左右的红外线。热释电元件探头是以探测人体辐射为目标的，对波长为10微米左右的红外辐射非常敏感，在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。被动式红外探头，其传感器包含两个反向相串联的热释电元件，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人进入探测区域内，人体红外辐射被热释电元件接收，由于两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，因而产生相应的信号。 人体感应探测电路由被动红外探头、放大电路及电子开关电路组成，安装在自动门两侧。当有人靠近自动门时，身体辐射出的红外线被热释电红外传感器接收下来并将其转换成信号，经检测放大电路放大处理后输出给电子开关电路。电子开关信号输入到PLC输入继电器中，PLC根据收到的信号，驱动电机将门打开。 人力感应器选用松下NAC83900人体微波传感器。人体感应探测器需要2个，分别用来感应门内外的来人情况，占用PLC两个输入点。 限位开关又称行程开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。 限位开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机械运动到某一运动位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转化为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。综合各个方面因素，行程开关采用欧姆龙公司的WLNJ-Q。 12 直流电机我选择则的是北京时代超群科技有限公司生产的60BL120-430型号无刷直流电机，其额定电压为48V，额定功率为250W，额定转速3000rmp，额定扭矩7.5kg.cm，通过变速器减速后，转速和扭矩可以达到设计要求，低压的工作电源也可保证安全性。通过电机功率得出结果，接触器选用，CN-5K台安交流接触器，其额定电流7A，可以满足设计要求。 控制系统中各元器件的选型总表如下表3.6所示: 产品元件 型号 厂家 数量 单价 PLC FX2N-32MR 三菱 1 1300 直流电机 60BL120-430 时代超群 1 430 直流接触器 CN-5K 台安 3 90 行程开关 WLNJ-Q 欧姆龙 4 50 人体感应器 NAC83900 松下 2 180 表3.6 各元器件选型 4 软件设计 4.1 主流程 本系统除了完成在门内、外有人通过时可以自动开门以及等待人走完之后要自动关门的基本要求外，总重要的就是保证人员的安全和自动门的稳定性。所以程序中要加入防夹人子程序来防止自动门在运作过程中意外夹到人，此外根据加速标志位的信号来对门实施及时的加速减速来减小惯性带来的影响，从而可以保证系统的稳定性。 总体来说，本系统是一个较为复杂的过程，需要对其程序流程仔细和详细推敲，从而制定出最终的程序流程图(如图4。1所示)。 13 开始 Y手动自动还是手动,开门按钮按下, 门完全自动N打开N是否有人,关门按钮按下,N YY 门完全关闭N 位于开门限位处, Y断开KM3低速启动 计时8S 闭合KM2正转低速开门断开KM3低速启动 N到达高速段, Y闭合KM2反转低速关门 闭合KM3高速开门 N到达高速段, NY到达低速段, Y闭合KM3高速关门 断开KM3低速运行 N到达低速段, NY到达开门限位, Y断开KM3低速运行 电机停止 N到达关门限位, Y 电机停止 结束 图4.1 流程图 14 4.2 梯形 根据程序流程图，在GX-developer写出系统的梯形图，经过反复测试、修改之 后，确定出如图 4.2所示的梯形图。 图4.2 梯形图 15 5 系统调试 (1)按图3-3连接线路，接通电源 (2)将在“GX-developer”开发平台编写好的软件下载到PLC中。 (3)运行过程实验，按启动按钮，自动开/关门 。 现象一: 当按下按钮X01(门内人体感应器)或X02(门外人体感应器)时，Y01(电机正转接触器器)有输出。 当按下按钮X05(开门减速开关)时，Y03(串电阻接触器)有输出。 当按下按钮X03(开门限位开关)时，Y01(电机正转接触器器)停止。 现象二: 当电动机M停止转动时，计时器计时8秒进行延时。按下按钮X01(门内人体感应器)或X02(门外人体感应器)时，则计时器重新计时8秒。 现象三: 当8秒延时完毕后，Y02(电机反转接触器器)有输出。 在反转过程中，若按下按钮X01(门内人体感应器)或X02(门外人体感应器)，Y01(电机正转接触器器)有输出，Y02(电机反转接触器器)停止。 当按下按钮X06(关门减速开关)时，Y03(串电阻接触器)有输出。 当按下按钮X04(关门限位开关)时，Y02(电机反转接触器器)停止。 通过以上的模拟调试现象可以大概判断出系统的工作基本可以满足预期效果，但也有需要修改的地方。在实际的环境中，仍有很多需要注意的环节，比如各个传感器的安装位置、系统电源等等。 16 设计心得 经过两周的时间，通过查阅了相关各个方面的资料以及在老师的耐心指导下，终于完成了宾馆自动门控制系统设计的课程设计。 本设计研究了PLC的自动门控制系统的设计原理与实现方法，包括硬件设计与软件设计，将PLC应用到自动门控制系统中，充分发挥PLC高可靠性和抗干扰性特点，外部接线简单、灵活，维修方便。采用了双元件型红外线光电感应器防止夹人(或物)的情况出现。传感器灵敏可靠，不受环境因素的干扰，具有较高的适用性。 部分的容量及其实际的技术参数，但在实际应用中还应结合实际情况，考虑各 供电电源的设计、系统接地问题、电缆设计与铺设、PLC输出端保护等问题，已使系统达到安全可靠的工作，所以要想用于实际中，必须得通过现场调试。这就又给我们提出了更高层次的问题，毕竟一个较好的和较完善的应用软件不是在短时间内就可以完成它的需要，要不断的完善和发展，需要我们做大量的工作和时间的检验。现在的系统还没有达到真正的智能化，还需要增加很多新的功能和先进的科学技术，才能达到真正意义上的智能化控制。 通过本次自动门控制系统的设计，我才发现我所学的东西的肤浅，知识面的不牢固，在选择方案的时候，产生模棱两可的情况。经常是边设计边复习学习过的课本知识。这些使我知道“纸上谈兵”是绝对不行，只有通过实践，自己亲自动手试一试，才能发现自己知识的缺陷，才能更好的与所学的知识相结合。 在课程设计中我们每个人都能学到很多，有很大的收获。做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在以后的学习、工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。 17 参 考 文 献 [1] 任胜杰主编.《电气控制与PLC系统》.机械工业出版社.2013年 [2] 魏学业主编.《传感器与检测技术》.人民邮电出版社.2012年 [3] 唐介主编.《电机与拖动》.高等教育出版社，2007年 [4] 高鸿斌等主编.《PLC分析与设计应用》.电子工业出版社.2004年 三菱公司编.《三菱FX系列可编程控制器编程手册》. 2000年 18 a系数 非标准化系数 标准系数 模型 B 标准 误差 试用版 t Sig. 1 (常量) 1.482 .637 2.326 .022 PEP .166 .148 .106 .145 1.394 PR .509 .107 .456 4.758 .000 PRS .269 -.112 .101 -.075 -1.109 PAS .231 .111 .208 2.074 .040 内部资料， 请勿外传～ 19 [5] 20