基于S7-200PLC的商場平移式自動門設(shè)計含8張CAD圖
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基于S7-200PLC的商場平移式自動門設(shè)計
摘 要
伴隨著21世紀(jì)的到來，電子信息及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，各類電子產(chǎn)品爭相進(jìn)入大眾視野，方便甚至改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢？删幊炭刂破鳎ê喎QPLC）在人們不斷的研究中發(fā)展迅猛，以優(yōu)良的穩(wěn)定性和便于調(diào)試等優(yōu)點，逐步成為機(jī)械等領(lǐng)域在自動控制系統(tǒng)中的最常見的控制方式之一。自動門、紅綠燈、供給水等系統(tǒng)中均包含可編程控制器而且應(yīng)用越發(fā)廣泛。隨著人們對美觀、安全、穩(wěn)定等因素的提升，新型自動門走進(jìn)人們視野。在如今的大型商場等場所，越來越多的自動門被投入使用，提升了美觀性和穩(wěn)定性的同時，極大地方便了人們的生活。
市面上一般的自動門整體系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、信號傳感器、動力裝置、動力傳動裝置、自動門門體等部分構(gòu)成。在本設(shè)計中，通過對可編程控制器的不同類型和傳感器等方面進(jìn)行分析比較，選擇并做出一種較為合適的控制系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵詞：可編程控制器；平移式自動門；控制系統(tǒng)；傳感器
Abstract
with the arrival of the twenty-first Century, the electronic and information industry is booming, and all kinds of electronic products are competing into the public view, so as to facilitate or even change people's daily life. Programmable controller (PLC) is developing rapidly in the research of people. With the advantages of good stability and easy debugging, it has gradually become one of the most common control methods in the automatic control system in the field of machinery and other fields. Automatic doors, traffic lights, water supply and other systems contain programmable controllers and are widely used. With the improvement of beauty, safety, stability and other factors, new automatic doors have entered the field of vision. In today's large shopping mall and other places, more and more automatic doors are put into use, improving the beauty and stability at the same time, it is a great place for people's life.
The general automatic doors on the market are composed of programmable logic controller (PLC), signal sensor, power device, power transmission device and door main body. In this design, through the analysis and comparison of the different types and sensors of the programmable controller, we choose and make a more suitable control system scheme.
Key words: programmable controller; translational automatic door; control system; sensor
目 錄
引 言 5
第一章 自動門方案的確定 6
1.1 國內(nèi)外自動門發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.2 本設(shè)計研究的內(nèi)容 6
1.2.1 自動門類型的選擇 6
1.2.2自動門硬件系統(tǒng)的設(shè)計 7
1.2.3 自動門軟件系統(tǒng)設(shè)計 7
1.3 本課題研究的目的和意義 7
第二章 自動門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計 8
2.1 平移式自動門系統(tǒng)的功能需求分析 8
2.2 平移式自動門系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定 8
2.3 平移式自動門系統(tǒng)中機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計 9
2.4 自動門硬件系統(tǒng)設(shè)計 10
2.4.1 平移式自動門系統(tǒng)的動力發(fā)生裝置 10
2.4.2 平移式自動門系統(tǒng)的傳動裝置 10
2.4.3 傳感器的選擇 11
第三章 平移式自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 12
3.1 可編程控制器（PLC）概述 12
3.2 硬件設(shè)計 13
3.2.1 確定安排PLC的輸入點和輸出點 13
3.2.2 可編程控制器的選型 14
3.3 軟件設(shè)計 16
3.3.1 設(shè)計控制流程圖 16
3.3.2 PLC控制系統(tǒng)梯形圖 17
3.3.4 系統(tǒng)調(diào)試及模擬仿真 19
結(jié)論 21
參考文獻(xiàn) 22
附錄 24
謝辭 29
引 言
當(dāng)今時代，電氣控制領(lǐng)域發(fā)展迅速，相關(guān)的控制器衍生產(chǎn)品品類繁多，品質(zhì)也參差不齊。作為應(yīng)用最普遍的自動門領(lǐng)域，隨著其在銀行、賓館、百貨商場等地的廣泛應(yīng)用，相關(guān)控制技術(shù)也發(fā)展得較為完善。當(dāng)行人靠近門體時，傳感器感應(yīng)到人體信號并發(fā)送指令給控制器，控制器控制電機(jī)運行，帶動傳動系統(tǒng)打開門體，達(dá)到保持時間時，控制器發(fā)送信號通過傳動裝置關(guān)閉門體。取代了傳統(tǒng)人力推拉的開關(guān)門方式，既節(jié)省了人力，又提升了整體的美觀度，向高端方向邁進(jìn)。如今的門，已不僅限于擁有隔絕場地內(nèi)外的功能，而是在此基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新、改革，形成具有更安全、低成本、簡潔美觀、便于調(diào)試等特性的新型多功能門體。
自動門發(fā)源于國外，在二十世紀(jì)30-40年代，以防彈、防火、便于開啟等為目的，自動門開始被應(yīng)用于一些軍事基地和重要的大型工廠。到了二十世紀(jì)50年代左右，隨著該項技術(shù)的發(fā)展，自動門開始被應(yīng)用于賓館、酒店和大型銀行等高端場所以便提升整體檔次和服務(wù)水準(zhǔn)。從此，越來越多的場所發(fā)現(xiàn)了這一商機(jī)，爭相采用自動門這一優(yōu)秀科技產(chǎn)品以至于在70年代左右，自動門開始了積極蓬勃的發(fā)展。美國、德國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家，逐步成為自動門領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。
我國在自動門行業(yè)領(lǐng)域相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚，在二十世紀(jì)80年代左右，在國際大形勢助推下，我國的自動門行業(yè)得以迅速發(fā)展，目前已形成一種獨立領(lǐng)域并朝著第一梯隊前進(jìn)。此外，信息時代開闊了大眾的視野，先進(jìn)且方便的自動門領(lǐng)域逐步走入大眾視野，不僅在沿海發(fā)達(dá)城市，現(xiàn)在在一些正在發(fā)展中的城市也逐步應(yīng)用了自動門，助推行業(yè)發(fā)展。
第一章 自動門方案的確定
1.1 國內(nèi)外自動門發(fā)展現(xiàn)狀
二十世紀(jì)90年代以來，自動化技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)日趨成熟，取得了不凡的成就。自動化技術(shù)時自動門等類型產(chǎn)品的重要內(nèi)容，在應(yīng)用方面，自動門擁有節(jié)能、防塵防風(fēng)、降噪等突出優(yōu)點，從視覺直觀上顯得高檔而莊重，在國外很多場所均已廣泛應(yīng)用。到現(xiàn)在，更加智能化、集成化的自動門正在研發(fā)和應(yīng)用階段。但是由于我國自動化產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，在自動門自主研發(fā)方面目前還處于初級階段，擁有很大的發(fā)展空間。
1.2 本設(shè)計研究的內(nèi)容
本次設(shè)計通過對國內(nèi)外自動門行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行分析，對自動門控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要從自動門類型選擇、自動門硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計幾個方面進(jìn)行，以此為基礎(chǔ)，做出自動門系統(tǒng)設(shè)計的程序流程圖、順序功能圖及控制梯形圖等并進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化。
1.2.1 自動門類型的選擇
目前市面上的自動門類型大概有自動平移門、自動旋轉(zhuǎn)門、自動折疊門、自動圓弧門等。自動折疊門主要用于車庫等地，開啟方便又具有良好的隔絕性能。自動圓弧門和旋轉(zhuǎn)門雖然美觀性很高，但是其造價高、重量很大，需要較大的空間，具有場地局限性。同時，近年來旋轉(zhuǎn)門夾人事件屢屢發(fā)生，因此在安全性和可通過性等方面均有待改良。在市面的應(yīng)用中并不常見。因此在本次設(shè)計中，主要選擇平移式自動門進(jìn)行研究。因其具有穩(wěn)定性較好、結(jié)構(gòu)簡潔、工程簡易、便于調(diào)試、維修和保養(yǎng)等優(yōu)點，是一種高智能的自動門類型，能夠滿足高效率高安全性同時又低消耗的要求，近年來廣泛應(yīng)用于人流眾多的場所如商場、銀行、醫(yī)院等人流密集、流動性強(qiáng)的場所。
1.2.2自動門硬件系統(tǒng)的設(shè)計
自動門的硬件系統(tǒng)主要由門體、傳感器、電動機(jī)、動力及傳動系統(tǒng)、以及可編程控制器等方面組成。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先由傳感器收集感應(yīng)信號并傳遞給PLC控制器。經(jīng)過控制器發(fā)出指令，由電機(jī)帶動同步帶運轉(zhuǎn)，帶動上滑輪吊具系統(tǒng)，牽引活動門體開合。同時應(yīng)配備安全光線和后備電源等輔助裝置確保自動門安全平穩(wěn)地運行。在門體開合的極限位置分別放置了一個限位擋塊，在觸碰時即時將信號傳遞給主控制系統(tǒng)，停止自動門體繼續(xù)運行。在門體下側(cè)位置安裝無框門止擺器，防止門體前后擺動。電機(jī)選用直流電機(jī)，雖然造價較高，但考慮到其優(yōu)良的調(diào)速能力和穩(wěn)定性能，在商場的應(yīng)用方面會更適合。傳動系統(tǒng)采用齒形同步帶，傳動穩(wěn)定不打滑同時噪音比較小。在可編程控制器方面，本設(shè)計中采用的時德國西門子公司研發(fā)的S7-200系列PLC，此類可編程控制器結(jié)構(gòu)較為簡單、綜合性能較好所以應(yīng)用較為廣泛。感應(yīng)器選擇市面上較為普遍的紅外線感應(yīng)器，安全性較高、性能穩(wěn)定。
1.2.3 自動門軟件系統(tǒng)設(shè)計
在本設(shè)計中，運用PLC編程語言梯形圖表達(dá)控制系統(tǒng)。此種方式直觀明確，能夠精準(zhǔn)表達(dá)出自動門系統(tǒng)的控制需求，方便后續(xù)功能調(diào)試。軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個方面：控制系統(tǒng)程序模塊、I/O分配表、系統(tǒng)梯形圖、故障診斷模塊和報警輸出模塊等。設(shè)計結(jié)束后，應(yīng)用仿真軟件對該程序進(jìn)行仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)問題，找出引起故障的原因并進(jìn)行修正及調(diào)試，大大縮短后續(xù)維護(hù)所需的時間。
1.3 本課題研究的目的和意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、電子產(chǎn)業(yè)逐步被大眾所發(fā)現(xiàn)并重視。近年來，電子控制產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，越來越多的生活產(chǎn)品與電子設(shè)備相結(jié)合，提升了現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)越性，方便了民眾生活。在國外，自動門已逐步發(fā)展成為人們普遍認(rèn)同并應(yīng)用的產(chǎn)品在很多建筑物中，隨處可見各種類型的自動門的身影。在我國，自動門行業(yè)起步較晚，很多細(xì)節(jié)設(shè)備發(fā)展不完善，但是由于我國改革開放政策的不斷實行，與國外工程行業(yè)交互往來日趨頻繁，我國的自動門控制領(lǐng)域也得到了積極發(fā)展，安全、低價格的自動門類型不斷被創(chuàng)造。同時為了匹配我國蓬勃向上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，很多高檔場所都采取自動門取代先前的手動推拉門。近年來，隨著自動門相關(guān)產(chǎn)品價格降低，很多中小企業(yè)、酒店等場所均采用了自動門。
在眾多自動門產(chǎn)品類型中、最常見的是平移式自動門，此類門體節(jié)約空間而且成本較低、較穩(wěn)定。當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到有人或物體存在時會給控制系統(tǒng)發(fā)送開門信號，通過動力裝置和傳動裝置將門體打開。同管理當(dāng)人或物體通過感應(yīng)器時，感應(yīng)器將關(guān)門信號發(fā)送給控制系統(tǒng)將門關(guān)閉。此種方式極大的方便了人流通過、同時提高建筑物檔次。
在早期市面上投入使用的自動門控制系統(tǒng)大多采用單片機(jī)以及繼電器邏輯控制，即通過復(fù)雜的按鈕和接線方式來控制系統(tǒng)運行。相比之下，這種方式具有安裝繁瑣、維修不易、體積偏大等諸多缺陷，在目前生產(chǎn)環(huán)境下已逐步被穩(wěn)定性高、安全性好的PLC控制系統(tǒng)所取代。
第二章 自動門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計
2.1 平移式自動門系統(tǒng)的功能需求分析
門體最基本的作用就是用于隔絕建筑物的內(nèi)外空間，起到保護(hù)、隔離等作用。從古代到現(xiàn)代，從石門到木門到推拉玻璃門再到如今的自動門，人類實現(xiàn)了門體的一次次創(chuàng)造和革新，不斷減小體積、方便安裝、利于維護(hù)和保養(yǎng)，最重要的是滿足了人類對產(chǎn)品的發(fā)展需求。隨著人口的增多，門體逐步從一扇到兩扇，寬度不斷增大，可通過性逐步提升?，F(xiàn)如今，對于商場、醫(yī)院等人流相對密集的場所，人們的需求已不僅僅滿足于過去的推拉門時代。因此，更高檔、美觀、大氣的自動么走進(jìn)設(shè)計者的視野。其低成本、易維護(hù)等的優(yōu)良特性，成為各執(zhí)行者首選的門體類型。
2.2 平移式自動門系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的確定
在平移式自動門的安裝及調(diào)試方面，最關(guān)鍵的步驟是提高包括導(dǎo)軌的水平度和平直度、門體上方的吊掛位置之間形成的直線與運動導(dǎo)軌之間的平行度和垂直度的精度，。保證這些精度后，能夠極大限度地減少門體的運行誤差、降低故障風(fēng)險。在已經(jīng)投入使用的自動門中，也應(yīng)該及時調(diào)節(jié)各部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，修正運行誤差。此外，自動門門體的重量要與導(dǎo)軌部件的承重能力相匹配，不應(yīng)超出額定承重量，防止出現(xiàn)故障。為此，每年應(yīng)該對自動門整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面清理和維護(hù)保養(yǎng)。
由于在公共場合中，自動平移門使用頻率非常高，相反，市面上的自動門在使用頻率和使用壽命方面均有一定限度。所以在進(jìn)行自動門設(shè)計時就應(yīng)該綜合考慮諸多現(xiàn)實因素對門體的影響。在人流量可能達(dá)到上萬次的場所如機(jī)場、百貨大樓、醫(yī)院等場所，在自動門設(shè)計過程中可以采取增加門體個數(shù)、加大門扇寬度、調(diào)整門扇開合時間等方式，達(dá)到理論和實踐相結(jié)合的目的。在本設(shè)計中，門體大小是經(jīng)過參考資料和現(xiàn)實中對餐館和醫(yī)院等場所的實例參觀綜合考量得到的，其基本參數(shù)如表2-1所示：
表2-1. 自動門基本參數(shù)表
材料
12mm厚的鋼化玻璃
密度
ρ=2.5g/cm3
活動門扇高度
1850mm
活動門扇寬度
1000mm
固定玻璃寬度
1000mm
工作壽命
5年（每年假設(shè)工作360天，每天12小時）
自動門使用環(huán)境
-20℃——+50℃
開/關(guān)門速度
0.5m/s
開啟保持時間
15S（程序中可調(diào)）
電機(jī)輸出功率
120W
2.3 平移式自動門系統(tǒng)中機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計
在本設(shè)計中，主要針對于商場的自動門進(jìn)行分析研究，在設(shè)計時對實際環(huán)境進(jìn)行了一定的綜合構(gòu)思，在機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)中主要對以下方面進(jìn)行分析研究：
（1） 主要的傳動機(jī)構(gòu)有軌道、齒形皮帶、電機(jī)、門體連接架等。
（2） 所有零件均可通過建議安裝后直接投入使用、降低對安裝人員要求。
（3） 電機(jī)：采用市面上廣泛應(yīng)用的直流無刷電機(jī)，安全穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)性良好。
（4） 導(dǎo)軌：要求一定的水平程度和剛度，確保門扇正常開合。在連接處配以密封毛刷、避免灰塵等雜物對導(dǎo)軌和滑輪等關(guān)鍵部件的磨損，便于維護(hù)。
（5） 齒形皮帶：以普通皮帶不同，齒形皮帶傳動等穩(wěn)定，機(jī)械效率更高，使用壽命更長。
2.4 自動門硬件系統(tǒng)設(shè)計
2.4.1 平移式自動門系統(tǒng)的動力發(fā)生裝置
電機(jī)：提供自動門運動的動力。選擇類型大體分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大、維修費用低、具有良好的調(diào)速性能、啟動特性好、受到電磁干擾的影響小、相對于交流電機(jī)來說更為環(huán)保。但是制造成本較昂貴。適用于許多調(diào)速性能較高的場合。在一些航模、小車等產(chǎn)品上應(yīng)用較多。交流電機(jī)制造費用較低廉、后期維護(hù)成本也較低，但其啟動性能及調(diào)速性能均較差、效率低、污染也比較大。異步電機(jī)主要被當(dāng)作電動機(jī)來使用，是目前應(yīng)用最廣泛的一種電動機(jī)：工廠、交通工具、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等一些日常生活常見的設(shè)備，都應(yīng)用了異步電動機(jī)。由于自動門產(chǎn)品空間有限、需要較低的維修費用，所以最終選擇直流電機(jī)作為本設(shè)計的動力元件。在市面現(xiàn)有的自動門中，有方形電機(jī)和圓形電機(jī)之分，裝有圓形電機(jī)的機(jī)器，吊具系統(tǒng)不能從電機(jī)下面走過，從而導(dǎo)致某些較小尺寸的自動門無法開到最大位置，而裝有方形電機(jī)的自動門的吊具系統(tǒng)可以從電機(jī)下面走過。達(dá)到最大開合位置。同時，相比于圓形電機(jī)來講，方形點擊的拉力較大，安裝方便、壽命更長。
電機(jī)型號的選擇：、
門重m=ρV=
開門速度v=0.3m/s
加速時間=0.5s
開門加速度a=(v-0)/t=0.6m/s
開門拉力F=1.5ma=1.5×110×0.6=99N
拉力做功W=FS=99×1=99J
勻速開門時間
總時間t=3s
功率P=W/t=99/3=33w
因此選擇直流無刷電機(jī)型號為57BL55S06-230TF0，額定電壓24V額定功率60W，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，額定轉(zhuǎn)矩0.8Nm，額定電流3.2A
2.4.2 平移式自動門系統(tǒng)的傳動裝置
行進(jìn)導(dǎo)軌：約束門扇吊具系統(tǒng)，放置電機(jī)和控制器等原件。參考現(xiàn)有自動門產(chǎn)品及相關(guān)資料得知，其材料大多為鋁合金材料，具有成本低廉、壽命長、不易變形等特點。良好的導(dǎo)軌質(zhì)量是自動門扇穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。
同步帶：傳遞電機(jī)動力，通過牽引吊具系統(tǒng)帶動門扇運行同步帶是以鋼絲繩和玻璃纖維為主，外覆橡膠或其他有機(jī)材料的環(huán)形帶。帶的內(nèi)周制成齒形，方便與齒形帶輪結(jié)合。在傳動系統(tǒng)中，傳動比較為準(zhǔn)確、對軸的作用力較小、結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨性能好、抗老化性能好。在速度小于50m/s的場合應(yīng)用廣泛。
門扇吊具系統(tǒng)：時連接同步帶和自動門活動門扇的重要組件，用于吊掛門扇，在同步帶的牽引下按照軌道帶動活動門扇運行。因此應(yīng)具有堅固、穩(wěn)定的突出特性。
下部導(dǎo)向系統(tǒng)：保證活動門扇按照固定的軌跡運動，增加平穩(wěn)性，防止活動門扇出現(xiàn)前后擺動的現(xiàn)象。在本次設(shè)計中采用無框門止擺器。
2.4.3 傳感器的選擇
傳感器的主要功能是起到采集外部信號，對控制系統(tǒng)發(fā)出指令，達(dá)到控制門體移動的作用。市面常見的傳感器類型有人體感應(yīng)探測器、位置傳感器、微波感應(yīng)器、接近傳感器、霍爾傳感器、紅外線傳感器等類型。其中應(yīng)用最廣泛的是微波感應(yīng)器和紅外感應(yīng)器。
微波傳感器的原理是給出產(chǎn)生移動的物體的信號，其特點是反應(yīng)速度快，適用于正常行走速度的場所，但如果有人員在門體附近靜止時，自動門會自動執(zhí)行關(guān)門指令，有產(chǎn)生意外的風(fēng)險。
紅外傳感器應(yīng)用范圍較廣，其原理是通過對物體溫度的識別，檢測紅外線，判斷物體的存在。當(dāng)人或物體處在掃描范圍內(nèi)時，傳感器即時做出反應(yīng)，控制門的開啟和閉合。但是紅外線傳感器與微波傳感器相比，反應(yīng)時間較長。
近年來，大型商場、醫(yī)院等場所，自動門夾人事件時有發(fā)生。雖然平移式自動門發(fā)生此類案件的概率較小，但是也應(yīng)做好萬全的預(yù)防措施。特此再本設(shè)計中，在門體兩側(cè)加裝了防夾光線，在自動門關(guān)門過程中，若防夾光線產(chǎn)生信號，則自動門立即重復(fù)開啟，防止夾人事件的發(fā)生。
由于本設(shè)計的主要研究場所是商場，具有人流密集、通過速度較慢、對穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)型要求較高，所以最終選擇紅外傳感器作為感應(yīng)元件，紅外傳感器可以檢測人體所發(fā)出的8~13微米的紅外線來控制門的開啟或關(guān)閉。
自動門傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示：
圖2-1. 自動門傳動結(jié)構(gòu)示意圖
接通電源后電機(jī)開始運轉(zhuǎn)，通過蝸輪蝸桿減速箱帶動帶輪運轉(zhuǎn)。與帶輪相接觸的齒形同步帶同步運轉(zhuǎn)，帶動吊架左右平移。吊架牽引門體連接架進(jìn)行平移運動，帶動活動門扇打開和關(guān)閉。
第三章 平移式自動門控制系統(tǒng)設(shè)計
至此，門體硬件設(shè)計已基本完成，可以根據(jù)設(shè)計出的功能要求進(jìn)行控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計?？删幊炭刂破鞯脑O(shè)計任務(wù)主要分為硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計兩部分。
3.1 可編程控制器（PLC）概述
可編程控制器是一種順應(yīng)現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反應(yīng)，能夠生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、高質(zhì)量且低成本的產(chǎn)品。為了滿足這一生產(chǎn)需求，生產(chǎn)加工設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)則需要非常高的可靠度和靈活度，為此，可編程控制器（Programmable Logic Controller,簡稱PLC）應(yīng)運而生，成為以微處理器為基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置?？删幊炭刂破髟诠I(yè)現(xiàn)場用途廣泛，通過編程人員存儲在內(nèi)存中的程序把輸入信息經(jīng)過一系列邏輯運算轉(zhuǎn)化成特定的輸出信息，通過輸出電路控制輸出端執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對負(fù)載的控制?？紤]到工業(yè)環(huán)境存在的各種不定性因素，要求可編程控制器的信息傳遞要具有實時性和可靠性，在硬件方面還應(yīng)便于安裝、維護(hù)以及良好的抗干擾能力?？删幊炭刂破髂軌蛲ㄟ^外部通信接口實現(xiàn)信息交互，在功能上比單片機(jī)和繼電器控制裝置更簡單，功能更強(qiáng)大。
可編程控制器有豐富的指令系統(tǒng)，有各種I/O接口、通信接口，不同容量的內(nèi)存以及反饋系統(tǒng)。隨著電子控制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因其具有編程方法易于掌握、性價比高、體積小能耗低、應(yīng)用范圍廣、功能強(qiáng)大、使用及維護(hù)方便等特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械制造設(shè)備和生產(chǎn)加工過程的自動控制系統(tǒng)中。此外，可編程控制器在民營和家庭自動化相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用中也得到不同程度的發(fā)展。目前，可編程控制器領(lǐng)域依舊在發(fā)展階段，功能不斷加強(qiáng)，開放度不斷提高，可開發(fā)性更加廣泛，不但在單機(jī)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，在很多大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有相當(dāng)重要的地位為自動門領(lǐng)域的遠(yuǎn)程化、智能化以及信息化創(chuàng)造了有利條件。
根據(jù)本設(shè)計需求，設(shè)計控制系統(tǒng)步驟圖如下圖3-1所示：
圖3-1. 控制系統(tǒng)步驟圖
3.2 硬件設(shè)計
硬件設(shè)計是可編程控制器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括I/O分布和可編程控制器的選擇等方面。
3.2.1 確定安排PLC的輸入點和輸出點
在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)過程中，要選擇與所需功能相匹配的可編程控制器類型。PLC的規(guī)模主要取決于目標(biāo)設(shè)備對于可編程控制器輸入點和輸出點的需求值和控制過程的容易度。首先估算出設(shè)備所需的輸入以及輸出點數(shù)，以此估算用戶的存儲容量。在估算過程中，可以把所需的信號源全部列舉出來，分析輸入輸出點的信號類型。在實際安裝、調(diào)試和綜合應(yīng)用中，通常會出現(xiàn)一些考慮范圍之外的突發(fā)狀況，此時可根據(jù)實際情況的要求增加輸入和輸出信號。即按照估算數(shù)增加百分之15到20的點數(shù)，以備調(diào)整和擴(kuò)充應(yīng)用。
基于此原則，設(shè)計出的I/O分配表設(shè)計如下表3-1所示：
表3-1. I/O分配表
輸入設(shè)備
編號
輸出設(shè)備
編號
門外側(cè)紅外線探測器 SB1
I0.0
電機(jī)正轉(zhuǎn)，自動開門 KM1
Q0.0
門內(nèi)側(cè)紅外線探測器 SB2
I0.1
電機(jī)反轉(zhuǎn)，自動關(guān)門 KM2
Q0.1
開門到位限位開關(guān) SB3
I0.2
手動開門 KM3
Q0.2
關(guān)門到位限位開關(guān) SB4
I0.3
手動關(guān)門 KM4
Q0.3
啟動開關(guān)
I1.0
自動門停止 KM5
Q0.4
自動開關(guān) SB5
I0.4
手動開關(guān) SB6
I0.5
手動開門開關(guān) SB7
I0.6
手動關(guān)門開關(guān) SB8
I0.7
緊急停車開關(guān)
I1.1
3.2.2 可編程控制器的選型
當(dāng)今市場環(huán)境中的可編程控制器產(chǎn)品種類繁多、價格、功能和使用條件也多有差別。一般機(jī)械設(shè)備的自動控制系統(tǒng)，多用于簡單的邏輯和順序控制，所以選擇具有邏輯運算、定時器、計數(shù)器等基本功能的微小型可編程控制器即可滿足要求。目前市面上選用范圍最廣泛的可編程控制器的廠商當(dāng)屬日本的三菱公司和德國的西門子公司。日本三菱公司的產(chǎn)品優(yōu)勢在于離散控制和運動控制，其指令涵蓋內(nèi)容較多，擁有專用的定位指令在控制步進(jìn)和伺服的方面比較容易。同時在對于某些比較復(fù)雜的動作控制上，三菱也是更加擅長。德國西門子公司的產(chǎn)品更擅長過程控制和通信控制。其模擬量模塊程序簡單、成本較低。所以通常要根據(jù)具體生產(chǎn)需求和現(xiàn)場環(huán)境的的不同選擇合適的可編程控制器。在本設(shè)計中，要求對自動門門體的運動過程有一定的控制功能，所以相比之下選擇德國西門子公司的可編程控制器產(chǎn)品。
德國西門子公司具有品類眾多的可編程控制器相關(guān)產(chǎn)品。包括小型PLC：S7-200、S7-1200等以及模塊式大中型PLC如：S7-300、S7-400等。WinAC是在個人計算機(jī)上實現(xiàn)可編程控制器功能的“軟PLC”。
在本設(shè)計中，選用小型PLC即可滿足設(shè)計需求，由此選擇S7-200系列。S7-200系列有6中CPU模塊，最多可以擴(kuò)展7個擴(kuò)展模塊，最多有24kb程序存儲空間和10kb用戶數(shù)據(jù)存儲空間。繼承了6個擁有13種工作模式的高速計數(shù)器擁有直接讀、寫模擬量I\O模塊，不需要繁雜的編程。使用PID調(diào)節(jié)控制模板，可以實現(xiàn)PID參數(shù)自整定。S7-200系列的CPU模塊集成了很強(qiáng)的位置控制功能，使用位置控制向?qū)Э梢苑奖愕貙崿F(xiàn)位置控制的編程。擁有配方、數(shù)據(jù)記錄功能以及稱重模塊，可以用來做各類稱量工具的測量裝置。由I/O表可知，該設(shè)計需要8個輸入點和5個輸出點。因此選擇CPU型號為CPU224的小型PLC即可滿足需求。由材料可知，CPU224型PLC的技術(shù)規(guī)范如下表3-2所示：
表3-2. CPU224PLC技術(shù)規(guī)范
特性
CPU224
本機(jī)數(shù)字量I/O
本機(jī)模擬量I/O
14DI/10DO
-
擴(kuò)展模塊數(shù)量
7
最大數(shù)字量點數(shù)
114DI/110DO
AI/AO/最大模擬量點數(shù)
32/28/44
掉電保持時間（電容）/h
100
用戶程序存儲器/KB
12
用戶數(shù)據(jù)存儲器/KB
8
單相高速計數(shù)器
A/B相高速計數(shù)器
6路 30kHz
其中4路20kHz
高速脈沖輸出
2路20kHz
模擬量調(diào)節(jié)電位器
2個，8位分辨率
RS-485通信口/個
1
實時時鐘
有
可選卡件
存儲卡和電池卡
脈沖捕捉輸入/個
14
外形尺寸/mm
120.5×80×62
DC 24V 傳感器電流/mA
280
S7-200系列的程序結(jié)構(gòu)簡單，主程序與子程序分別存放，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化編程，指令功能強(qiáng)、便于掌握。在設(shè)計過程中，使用編程軟件STEP7-Micro/WIN有梯形圖、語句表和功能塊圖編程語言，SIMATIC、IEC61131-3兩種編程模式。STEP7-Micro/WIN功能強(qiáng)大而且使用方便，擁有簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ芎蛷?qiáng)大的通信功能。另外，其極具競爭力的價格也是眾多自動控制產(chǎn)品領(lǐng)域選擇該類型可編程控制器的重要原因。綜上所述，在本設(shè)計中最終選取德國西門子公司研制的S7-200系列可編程控制器。
3.3 軟件設(shè)計
3.3.1 設(shè)計控制流程圖
在本環(huán)節(jié)中，根據(jù)系統(tǒng)功能要求畫出能夠代表功能循環(huán)的循環(huán)圖，為考慮故障情況，分為自動和手動程序兩部分。
圖3-2（1）. 自動控制程序流程圖
如上圖所示，執(zhí)行程序開始命令后，撥動自動開關(guān)開始工作，紅外線感應(yīng)器檢測是否有人體信號。有信號時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，自動門開啟，達(dá)到開門極限位置時觸碰開門極限限位開關(guān)，等待15秒，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，門體閉合，達(dá)到閉合極限限位開關(guān)時運行停止。與此同時當(dāng)檢測的期間有人通過時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，自動門再次打開，執(zhí)行重復(fù)步驟。當(dāng)自動開關(guān)開啟時，紅外線探測器沒有檢測到人體信號時，保持檢測狀態(tài)和關(guān)門狀態(tài)。
3-2（2）. 手動控制程序流程圖
當(dāng)自動門機(jī)出現(xiàn)故障，如停電等情況時，將開關(guān)撥動到手動位置。打開開門開關(guān)，自動門打開，到達(dá)極限位置觸碰限位開關(guān)時停止運行。打開手動關(guān)門開關(guān)，自動門關(guān)閉，觸碰關(guān)門限位開關(guān)，達(dá)到關(guān)門極限位置，運行停止。
3.3.2 PLC控制系統(tǒng)梯形圖
梯形圖是可編程控制器中使用頻率最高的編程語言，由繼電器和單片機(jī)邏輯控制中簡化而來，與原有形式相比，梯形圖更加形象和直觀，逐步成為當(dāng)下使用最為廣泛的可編程控制器編程語言。在本設(shè)計中，根據(jù)I/O分配表和工作流程圖確定工作步驟，以此畫出系統(tǒng)梯形圖現(xiàn)對每一程序段進(jìn)行分布介紹，如下圖所示。
圖3-3(1). 自動開門程序梯形圖
如圖所示，接通電源后，門內(nèi)外紅外線探測器的開關(guān)SB1和SB2同時閉合，檢測行人信號。電路保護(hù)器處于長閉狀態(tài)，自動門開啟。達(dá)到開門極限位置時，觸碰開門限位開關(guān)，處于長閉狀態(tài)的開門限位開關(guān)SB3斷開，Q0.0線圈隨即斷開。
圖3-3(2). 自動開門保持程序梯形圖
在此程序中，門體達(dá)到開門極限時，觸碰開門限位開關(guān)，線圈閉合，同時門體內(nèi)外探測器處于長閉狀態(tài)，電路接通，計時器T37開始工作，達(dá)到10S定時。
圖3-3(3). 自動關(guān)門程序梯形圖
達(dá)到10秒定時后，T37線圈閉合，電機(jī)正轉(zhuǎn)、電路保護(hù)器和關(guān)門限位器處于長閉狀態(tài)。打開開關(guān)I1.0，自動門關(guān)閉。
圖3-3(4). 自動門電路保護(hù)程序梯形圖
為確保自動門在運行過程中發(fā)生突發(fā)情況如（停電）等時能急停，達(dá)到保護(hù)電路的作用，特在本設(shè)計中，考慮到電路保護(hù)器程序設(shè)計。
閉合緊急停車開關(guān)I1.1和啟停開關(guān)I1.0電路保護(hù)器接通。在商場、醫(yī)院等人流量密集的場所，自動門開合頻率較高，如果忽視了自動門的保養(yǎng)和維護(hù)，很容易導(dǎo)致運行故障，使門體無法繼續(xù)運行。在本設(shè)計中，特加入報警停止程序段，當(dāng)自動門發(fā)生運行故障時，報警裝置工作，輸出Q0.4即自動門停止指令。此時，應(yīng)及時派遣技術(shù)人員，查看故障原因并及時修護(hù)。由于在自動門的使用過程中，難免會遇到灰塵、雨水等不可抗力因素引起的磨損，所以自動門使用客戶應(yīng)有及時排查和檢修的意識，定期咨詢技術(shù)人員維護(hù)和保養(yǎng)，降低自動門的故障頻率。
3.3.4 系統(tǒng)調(diào)試及模擬仿真
在自動門控制程序編寫的過程中，難免會出現(xiàn)錯誤。而且在實際應(yīng)用中，很多選用的零件不能很好的匹配設(shè)計要求。所以技術(shù)人員在編寫控制系統(tǒng)可編程控制器程序之后，一定要進(jìn)行模擬仿真和系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)設(shè)計中所需要達(dá)到的功能要求，對編寫出的控制系統(tǒng)程序進(jìn)行不斷的調(diào)試和修改，直到滿足功能要求。此外，在自動門投入使用初期，各方面運行不穩(wěn)定，也需要一定時間的系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試完成后再正常投入使用。本設(shè)計采用S7-200PLC仿真軟件V4.0。具體調(diào)試過程如下圖所示：
圖3-4(1). 模擬開門過程
接通I0.0、I0.1經(jīng)邏輯運算后，線圈Q0.0接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，自動門打開。
圖3-4(2). 模擬開門保持過程
I0.0、I0.1處于長閉狀態(tài)，接通開門限位開關(guān)I0.2，計時器開始計時。
圖3-4(3). 模擬關(guān)門程序
達(dá)到計時時間后，網(wǎng)絡(luò)3中T37線圈接通，閉合I0.7開關(guān)，輸出端Q0.2導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，模擬關(guān)門過程。
圖3-4(4). 模擬電路保護(hù)過程
閉合急停開關(guān)I1.1，電路導(dǎo)通，電路保護(hù)器Q0.4工作，斷開電路。
結(jié)論
本設(shè)計通過對基于PLC的商場自動門控制系統(tǒng)從硬件系統(tǒng)設(shè)計到軟件系統(tǒng)設(shè)計再到對于系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的仿真模擬和反復(fù)調(diào)試，在PLC控制方面從無到有地積累了一些基礎(chǔ)知識，提高了對控制系統(tǒng)梯形圖、順序功能圖、流程圖、編程等地設(shè)計制作方法，熟悉了STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用方法。在設(shè)計內(nèi)容上，運用紅外線探測裝置檢測商場內(nèi)外來往于自動門的人流，通過電信號傳送給可編程控制器，由可編程控制器進(jìn)行信息的運算控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，經(jīng)由齒形同步帶帶動吊架平移運動隨即牽引活動門體實現(xiàn)開合功能。在自動門可編程控制系統(tǒng)過程中，可以通過對計時器的參數(shù)更改，達(dá)到改變活動門扇開合時間和保持時間的作用。通過設(shè)計過程中硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等方面的研究，得出控制平移式自動門運行的大體方案，確定工作流程。在之后的仿真模擬過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計漏洞并及時改正。在整個設(shè)計過程中，曾經(jīng)查閱過很多相關(guān)的資料，了解到看似簡單的自動門系統(tǒng)其實內(nèi)部也涉獵到非常多的專業(yè)相關(guān)知識。在設(shè)計過程中開闊了視野，學(xué)到了很多包括查閱資料的技巧和方法。由于自身能力有限，對于很多深層次的知識缺乏探求能力。對于即將畢業(yè)并走上工作崗位的我來說，對于自動控制領(lǐng)域時非常憧憬和希望從事的行業(yè)。了解到自動控制領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。在眾多的電子控制領(lǐng)域門類，可編程控制器作為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門重要課程，是非常值得學(xué)習(xí)并深究的一門課程。學(xué)習(xí)是一個永不止步的過程，需要不斷的累積并更新才能取得進(jìn)步、讓科技發(fā)展，更利于人類生活。
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附錄
附錄Ⅰ. 自動門結(jié)構(gòu)總裝圖
附錄Ⅱ. 上連接架零件圖
附錄Ⅲ. 張緊輪底座連接圖
附錄Ⅳ. 連接架零件圖
謝辭
隨著畢業(yè)日期的臨近，我的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束。經(jīng)過幾個月的奮戰(zhàn)，終于結(jié)束了本次畢業(yè)設(shè)計。在畢業(yè)設(shè)計之前，我認(rèn)為畢業(yè)設(shè)計只是我在過去四年間學(xué)到的各種知識的簡單總結(jié)。但是，在畢業(yè)設(shè)計后發(fā)現(xiàn)事實遠(yuǎn)沒有我想象的那么簡單。畢業(yè)設(shè)計不僅是對以前所學(xué)知識的一次考驗，也是對自己各項能力的升華。通過這個畢業(yè)設(shè)計，我意識到我的基礎(chǔ)知識仍然非常不足，還是有太多的知識在等待著我去發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)。我曾經(jīng)覺得自己通過四年的課程學(xué)習(xí)已經(jīng)學(xué)到了很多知識，但是通過本次設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了這一切都是想象，自己的能力還是很不足。同時了解到學(xué)習(xí)是一個長期的積累過程，包括在未來的工作中要不斷學(xué)習(xí)和努力提高自己的知識水平和綜合素質(zhì)，重視理論研究。不能局限于現(xiàn)有的知識，要緊跟時代步伐，不斷更新和創(chuàng)新。機(jī)械設(shè)計制造和自動化專業(yè)是一個涵蓋領(lǐng)域非常廣泛的學(xué)科，主要涉及機(jī)械設(shè)計，機(jī)械制造以及自動控制。在本次設(shè)計中我選擇了“基于PLC控制系統(tǒng)的商場平移式自動門控制系統(tǒng)”這一課題。它分析了平移式自動門產(chǎn)品的運行過程，并學(xué)習(xí)如何使用PLC編程來控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。它要求學(xué)生結(jié)合教科書和網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)論文及其他材料。綜合運用他們所學(xué)的基本知識和技術(shù)知識，并聯(lián)系生產(chǎn)實際情況和機(jī)器的具體工作環(huán)境等條件。為了設(shè)計和利用所使用的零部件和簡單的機(jī)械，它發(fā)揮了作為從基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的重要作用，對機(jī)械設(shè)計人員的培養(yǎng)具有一定的啟發(fā)作用。
其次，我要感謝工學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的所有老師這四年來對我的的指導(dǎo)和幫助。他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度不僅給我提供了知識，也給了我不懈追求知識和生活質(zhì)量的精神。老師們身上散發(fā)出的刻苦鉆研、學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)、勇于創(chuàng)新等優(yōu)秀品質(zhì)，正是我認(rèn)為身為一名機(jī)械行業(yè)工作者身上所必備的閃光品質(zhì)。感謝我的指導(dǎo)老師對我的本次設(shè)計的指導(dǎo)和糾正。在老師的耐心幫助下，給予我的本次設(shè)計諸多靈感，設(shè)計說明書也得到了一次次的更正。在規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計的過程中，我咨詢了很多相關(guān)資料，與老師和同學(xué)協(xié)商，最終得出滿意結(jié)果。我相信這將對我未來的工作生活產(chǎn)生非常重要的影響。這也大大增強(qiáng)了實踐活動和多角度分析的能力，使我充分理解到探索過程中的困難和成功。
最后，本次畢業(yè)設(shè)計的過程讓我頗為受益。再次感謝老師給予我的幫助，同時也感謝我的同學(xué)們給我的支持和鼓勵。在此祝愿所有老師工作順利，同學(xué)們也能順利畢業(yè)、前程似錦。
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