1、摘 要隨著自動化技術的快速發展，智能控制已經成為自動控制系統中最常見的一種控制方式。由于編程控制器（PLC）具有較強的對環境的適應能力和較高的穩定性，使得在自動門控制系統中PLC的應用也更加普遍。本文通過分析自動門控制系統的工作原理和工作流程，利用西門子S7-200可編程控制器對自動門系統進行控制，通過傳感器對其進行檢測，實現了自動門PLC控制系統由信號檢測、降壓起動、延時等待到反轉關門的全過程。本設計主要的工作原理是通過信號感應探測器檢測有無人或物體經過，并將檢測到的信號轉換成自動門PLC控制系統的開關量信號，并傳遞給PLC，PLC控制系統根據開關信號來控制電動機的正轉和反轉，從而實現開門和

2、關門過程。關鍵詞： S7-200PLC；自動門；傳感器；開關量信號AbstractWith the rapid development of automation technology，intelligent control has become one of the most common in the automatic control system control modeBecause the programmable controller (PLC) has strong adaptability to the environment and high stability，and m

3、akes the application of PLC in automatic control system is also more commonIn this article，through analyzing the working principle and working process of automatic door control system，using the Siemens S7-200 programmable controller to control automatic door system，through the sensor to detect，imple

4、ments the automatic PLC control system consists of signal detection，step-down starting，the delay waiting for to the whole process of inversion is closedWorking principle of this design is mainly through the signal sensing detector may have no or object，and the detected signal is converted into autom

5、atic PLC control system of the switch signal，and transfer to PLC，PLC control system based on switch signal to control the forward and inversion of the motor，so as to realize the opening and closing processKey words: S7-200 PLC；Automatic door；The sensor；On-off signal目 錄1 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國內外發展現狀1

6、1.3 課題的主要內容22 自動門PLC控制系統的總體設計32.1 設計流程32.2 自動門控制系統的功能需求分析32.3 自動門PLC控制系統的具體構成42.4 PLC的基本結構42.5 PLC的工作原理52.6 自動門控制系統PLC的選擇73 自動門PLC控制系統的硬件設計83.1 電氣控制系統的主電路設計83.2 電氣控制系統的控制電路設計93.3 自動門PLC控制系統設計的一般方法113.4 可編程控制器的I/O分配114 自動門PLC控制系統軟件的設計134.1 軟件設計的一般方法134.2 程序流程圖134.3 梯形圖的設計134.4 故障分析16結論17參考文獻18附錄191 緒

7、論1.1 課題研究背景及意義在二十一世紀的今天，門不僅強調了安全性，而且還突出了實用性和美化性，從理論上理解，自動門應該是對門的使用觀念的一種擴展，是人們在生產和生活中對門的功能的完善和提升。自動門在150年前開始進入專業化大規模生產，并且在不斷完善和提升的過程當中，涌現出了一大批初具規模的專業制造商。自動門除了可以美化出、入口環境外，同時又可以節約空調能源，并且在降低噪音、防風、防塵方面也有獨特的作用，在通電后還可以實現自動開門和關門，既方便了人員進出，又使建筑的檔次得到了較大的提高，因而在國內外的建筑市場上迅速得到普及，同時也幾乎成為了銀行、酒店、寫字樓等場所門面裝修所不可少的一項配置。自

8、動門形式最常見的是將信號感應探測器安裝在自動門的門內外兩側，當人或物體接近自動門時，感應探測器能檢測到信號，并給控制系統發出一個開門信號，控制電動機正轉開門，當人或物體通過門之后，再將門關閉。由于自動門PLC控制系統的開、關門信號是觸點信號，使用的信號源可以是紅外傳感器或者微波雷達。紅外傳感器的工作原理是反應物體的存在，缺點是反應的速度較慢，無論人或物體是否移動，只須處于紅外傳感器的掃描范圍內，它都能作出反應并產生觸點信號，使電機正轉開門。微波雷達的工作原理是反應物體的位移，因此反應速度非常快，適合安裝在行走速度正常的人員經過的場合，它的特別之處是如果在門附近的人員不想進門或出門而靜止不動時，

9、微波雷達將不再產生信號，自動門會自動關上，因此能夠對門機起保護作用。1.2 國內外發展現狀進入九十年代以來，隨著社會的進步和電子技術的發展，自動化技術已經取得了較大的進步，自動門在生產生活中也得到了最廣泛的使用。根據使用的場所及用途的差別，還可以將自動門分為自動旋轉門、平移門、平開門等，自動旋轉門由于價格昂貴而且體積較大，一般只使用于高檔生活服務特區及大型娛樂會所。自動平移門用的最為普遍，這種門的特點是結構簡單、容易控制，并且維護方便。自動平開門因為門體的重量和體積的差別也會對自動門控制系統提出不同的要求，因此使用的場合較少。自動門控制方式多種多樣，其中控制器控制可分為繼電器接觸器控制和智能控

10、制器控制。繼電器接觸器控制是經過按鈕、繼電器和接觸器來控制的，而智能控制器控制是通過控制自動化配置的運行來控制的，它具備較高的穩定性，并且安全、可靠，因此大部分生產廠商逐步淘汰繼電器接觸器邏輯控制而改用智能控制器作為自動門的控制裝置。而在選取自動門智能控制器時，又可將其主控制器分為可編程控制器（PLC）控制和微電腦控制器控制。PLC控制的特點是穩定性高、維修方便等，目前很多大型場所的自動門都是用PLC來控制的。微電腦控制器控制的特點是安裝容易、體積小等，目前也有一部分廠家選用此種方法生產自動門。1.3 課題的主要內容（1）通過分析自動門PLC控制系統的工作過程，選用合適的PLC控制器， 確定I

11、/O點。（2）設計出自動門PLC控制系統的主電路模塊、開門和關門控制模塊。（3）采用梯形圖對其系統進行程序編制，并結合PLC的運行特點對控制系統的工作流程作合理的優化。2 自動門PLC控制系統的總體設計2.1 設計流程（1）認真分析和理解自動門PLC控制系統的控制部件和控制要求。（2）根據自動門PLC控制系統的基本要求和功能分析系統所需的I/O設備。經常使用的輸入設備有按鈕開關、主令開關、行程開關等，經常使用的輸出設備有指示燈、接觸器、繼電器等。（3）確定輸入/輸出點數并選取適合的PLC型號。（4）分配PLC的輸入/輸出點，編制出PLC外部端子I/O分配表或者I/O硬件接線圖。（5）根據自動門

12、控制系統的要求畫出系統的主電路和控制電路。（6）依據自動門PLC控制系統的設計要求編制出完整的梯形圖程序，這是自動門PLC控制系統設計的最核心部分。2.2 自動門控制系統的功能需求分析根據自動門出入口情況對PLC控制系統的具體要求，本次所設計的自動門應該具有如下功能：（1）手動/自動轉換方式為了避免緊急情況和維修方便，自動門應能夠實現手動和自動轉換。可以由手動/自動轉換開關來控制自動門的手動和自動開、關門方式轉換。當手動/自動轉換開關斷開時，手動控制失效，進行自動控制，由信號感應探測器來檢測是否有人或物靠近門并且門還未打開，或者檢測到已無人或物靠近門并且門還未關閉，并由PLC動作輸出信號來控制

13、電動機的正轉（開門）或者反轉（關門）。當手動/自動轉換開關閉合時，自動控制失效，進行手動控制。（2）防夾人功能為了避免自動門產生夾人事件，應在門內外兩側安裝防夾人信號感應探測器，來避免停留在門周圍的人被門夾住。（3） 開門或關門時電動機降壓啟動電動機啟動時，由于起動電流過大，因此要采用降低電動機定子繞組電壓的辦法來防止起動電流過大而損壞電動機，并在一段時間后使電動機恢復全壓運行。常見的降壓起動方法有Y/降壓啟動、自耦變壓器降壓起動、軟啟動器降壓和定子繞組串電阻降壓起動。2.3 自動門PLC控制系統的具體構成自動門PLC控制系統的組成框圖如下圖2.1所示。圖2.1 自動門PLC控制系統的組成框圖

14、當感應探測器檢測到人體或物體接近自動門時，將信號傳遞給可編程控制器（PLC），然后PLC根據檢測到的信號發出控制指令，使驅動裝置動作，并通過傳動裝置使自動門動作。2.4 PLC的基本結構可編程控制器（PLC）是由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出模塊、編程器、電源等部分組成，PLC的結構框圖如圖2.2所示。圖2.2PLC的結構框圖PLC的主要組成部分及功能如下表2.1所示。表2.1PLC主要組成部分及其功能PLC的系統組成功能中央處理單元（CPU）CPU一般由控制器、運算器和寄存器組成，主要完成下列工作：（1） 編程器等輸入設備輸入的程序和數據由CPU進行存儲和接收。（2） 用掃描的方式

15、通過輸入/輸出部件接收現場信號，并存入數據存儲器或輸入映像寄存器中。（3） 診斷PLC內部程序中的語法錯誤和工作故障等。（4） PLC進入運行狀態后，執行用戶程序，存儲相應的內部控制信號，完成各種數據的傳輸和處理，以完成用戶指令規定的各種操作。（5） 響應各種外圍設備的請求。 存儲器存儲器的主要功能是存放數據和程序。程序是PLC操作的依據，數據是PLC操作的對象。在PLC中，存儲器是保存工作數據、用戶數據和系統程序的器件。輸入/輸出模塊輸入/輸出模塊是PLC與外圍設備連接的部件。輸入模塊的作用是將輸入信號轉換為CPU能夠接收和處理的信號，并對其進行隔離、放大、濾波和電平轉換等。輸出模塊的作用是

16、將CPU的輸出信號轉換成驅動控制對象執行機構的控制信號并對輸出信號進行功率放大、隔離PLC內部電路和外部執行元件。電源PLC的電源部件是將交流電轉換成直流電源的裝置，并向PLC提供所需的高質量的直流電源。為保證PLC工作可靠，一般采用的是開關型穩壓電源，其特點是體積小、抗干擾性能好、效率高、電壓范圍寬、重量輕。編程器編程器是用戶與PLC的對話窗口，是編制、調試、監護用戶程序的主要設備，通過通信接口與CPU連接。用戶通過編程器編寫控制程序，并通過編程器接口將程序寫入PLC。2.5 PLC的工作原理（1）PLC的工作方式和運行框圖可編程控制器（PLC）是根據集中輸入和輸出、周期性循環掃描的方式進行

17、運行的。可編程控制器（PLC）從第一條用戶程序指令開始執行，并按順序逐條地執行直到結束，然后再返回第一條指令并開始新一輪的指令掃描。PLC就是這樣循環重復的掃描執行。PLC運行的全過程可用如圖2.3所示的PLC運行框圖來表示。圖2.3PLC運行框圖（2）PLC的掃描工作過程可編程控制器是在其系統軟件的支持下按循環掃描原理運行的，它的運行過程就是周期性的循環掃描過程，每一個掃描周期均可分為輸入采樣、程序執行和輸出刷新3個階段，PLC的工作過程如圖2.4所示。圖2.4PLC的工作過程2.6 自動門控制系統PLC的選擇通過對自動門控制系統的估算，本設計的I/O點數為輸入11點，輸出4點。綜合以上因素

18、，本系統的PLC型號是采用智能控制器為穩定性良好的德國西門子公司生產的S7-200小型PLC來實現整個自動門PLC控制系統，西門子S7-200的參數如下表2.2所示。表2.2 西門子S7-200的參數主要性能（1）模擬量I/O點數為2輸入和1輸出共3個。（2）數字量I/O點數為14輸入和10輸出共24個。（3）擴展模塊可連接7個。（4）最大可擴展至168路數字量I/O點或38路模擬量I/O點。其他性能（1）20K字節數據和程序存儲空間。（2）獨立的100KHZ高速計數器6個。（3）100KHZ的高速脈沖輸出2個。（4）RS485編程/通訊口2個，具有自由方式通訊能力、MPI和PPI通訊協議。特

19、點還新增了如位控特性、自整定PID功能、內置模擬量I/O、診斷LED、線性斜坡脈沖指令、數據記錄及配方功能等。3 自動門PLC控制系統的硬件設計3.1 電氣控制系統的主電路設計主電路由接觸器KM1主觸點和接觸器KM2主觸點來控制電動機的正反轉，接觸器KM3主觸點將電動機的定子繞組接成三角形，接觸器KM4主觸點將電動機的定子繞組接成星形，電動機可實現星形三角形降壓啟動。星形三角形降壓啟動只能用于正常運行時定子繞組為三角形連接的三相異步電動機，而且定子繞組應有6個接線端子。啟動時將定子繞組接成星形，待電動機的轉速升到一定的程度時，再改為三角形連接，使電動機正常運行。星形三角形降壓啟動的優點在于星形

20、連接時起動電流只是原來三角形接法的，起動電流特性好、價格便宜、結構簡單。缺點是起動轉矩也相應的下降為原來三角形接法的，轉矩特性差。熱繼電器FR對電動機M作過載保護，熔斷器FU1作短路保護和嚴重過載保護。自動門控制系統主電路原理圖如下圖3.1所示。圖3.1自動門控制系統主電路原理圖3.2 電氣控制系統的控制電路設計當手動/自動轉換開關SA1閉合時，中間繼電器KA1線圈得電，實現手動控制。當手動開門開關SB4閉合時，KM1線圈得電并自鎖，電動機M正轉開門，直到開門極限，當手動關門開關SB5閉合時，KM2線圈得電并自鎖，電動機M反轉關門，直到關門極限。當手動/自動轉換開關SA1斷開時，中間繼電器KA

21、1線圈立即斷電，所以觸點立即復位，實現自動控制。當有人或物體由內到外或由外到內通過感應探測器時，能使門外感應探測器SB1或門內感應探測器SB2閉合，中間繼電器KA2線圈得電，常開觸點立即閉合，常閉觸點立即斷開，并使KM1線圈得電并自鎖，位于主電路的主觸點KM1閉合，電動機M正轉，實現開門動作，直到到達開門極限。當門機到達開門限位開關SQ1位置時，SQ1常閉觸點立即斷開，常開觸點立即閉合，使KM1線圈立即斷電，電動機M停止運行。若此時門外感應探測器SB1或門內感應探測器SB2無信號，則通電延時繼電器KT1線圈得電，延時等待8秒。若在延時8秒內門外感應探測器SB1或門內感應探測器SB2又檢測到人或

22、物體通過信號，則通電延時繼電器KT1線圈立即斷電，并重新等待。延時等待8秒后通電延時繼電器KT1常開觸點閉合，接觸器線圈KM2得電并自鎖，位于主電路的主觸點KM2閉合，電動機M反轉，實現關門動作，若在關門時內門外感應探測器SB1或門內感應探測器SB2又檢測到人或物體通過信號，則KM2立即失電，KM1重新得電，重新執行開門動作。在門外感應探測器開關SB1或門內感應探測器開關SB2兩端并聯上防夾人感應探測器開關SB3，若防夾人感應探測器SB3檢測到信號，則電動機M立即執行正轉開門動作，保證人員安全通過，避免出現夾人事故。電動機M啟動時，KM1或KM2線圈得電，常開觸點KM1或KM2閉合，線圈KM4

23、得電，并使主觸點KM4閉合，電動機定子繞組呈星形連接，此時通電延時繼電器KT2得電，延時3秒后通電延時常開觸點KT2立即閉合，使KM3線圈得電并自鎖，主觸點KM3閉合，常閉觸點立即斷開使KM4和KT2線圈失電，電動機定子繞組呈三角形連接，使電動機M在額電電壓下正常運行。電動機運行到開門限位開關SQ1或關門限位開關SQ2時，電動機采用速度繼電器控制的反接電氣制動使電動機加速停止轉動，當電動機的轉速在100以下時，認為電動機已停止轉動，則速度繼電器的動合觸點KS斷開，電動機制動結束。如果在自動門閉合或者打開時出現意外情況，能在自動門內外多點進行控制，手動斷開門外啟停開關SA2或門內啟停開關SA3，

24、使控制電路立即斷電，電動機停止轉動。為了避免電動機出現短路故障，控制部分正轉控制線圈KM1和反轉控制線圈KM2采用雙方的常閉觸點實現電氣聯鎖。自動門PLC控制系統控制電路圖如下圖3.2所示。圖3.2自動門PLC控制系統控制電路圖3.3 自動門PLC控制系統設計的一般方法輸入、輸出點配置和地址分配時應該注意的問題。（1）分別集中配置所有的按鈕和限位開關，同類型設備占用的輸出點地址放在一起。（2）按順序定義輸入點、輸出點地址號。（3）如果有多余的輸入或輸出點，可將每一個輸入模塊或輸出模塊的輸入點都分配給一臺機器或設備。（4）有噪聲的輸入模塊盡量插在遠離CPU模塊的插槽內，彼此相關的輸出模塊的輸出地

25、址號應連寫。3.4 可編程控制器的I/O分配根據自動門PLC控制系統的要求，確定PLC的I/O分配表，如表3.1所示。表3.1 I/O分配表類型設備PLC端子號輸入端熱繼電器開關FRI0.0門外感應探測器SB1I0.1門內感應探測器SB2I0.2防夾人感應探測器SB3I0.3手動開門SB4I0.4手動關門SB5I0.5開門限位開關SQ1I1.1關門限位開關SQ2I1.2手動/自動開關SA1I1.3門外啟停開關SA2I1.4門內啟停開關SA3I1.5速度繼電器開關KSI1.6輸出端開門KM1Q0.1關門KM2Q0.2電動機三角形形連接KM3Q0.3電動機星形連接KM4Q0.4PLC外部端子I/O

26、分配表的直觀表達方式是I/O配置圖，它可以清楚的表示PLC的外部端子的接線情況。PLC外部端子I/O硬件接線圖如圖3.3所示。圖3.3PLC外部端子I/O硬件接線圖4 自動門PLC控制系統軟件的設計4.1 軟件設計的一般方法（1）根據控制系統的基本要求，確定控制系統的運行方式，如自動、手動、連續和單步等，以及應該完成的動作順序、動作條件等；還要確定所有的控制系統的參數（時間、計數、模擬量精度等）。（2）對于較為復雜的控制系統，應先繪制出控制系統的控制流程圖，并根據流程圖進行程序設計。（3）根據控制系統要求設計出完整的梯形圖程序。（4）對程序進行修改、模擬調試直到能夠滿足控制系統要求為止。4.2

27、 程序流程圖PLC的工作方式是順序掃描、不斷循環的過程，所以即使是順序程序也會反復執行，其各個部分的執行與否由相應的條件來控制，條件滿足則執行，否則進行等待，直到條件滿足為止。根據自動門PLC控制系統的控制要求，設計自動門PLC控制系統流程圖如圖4.1所示。圖4.1自動門PLC控制系統流程圖4.3 梯形圖的設計根據PLC的I/O分配表，設計自動門PLC控制系統的梯形圖，調用2個S7-200系列PLC中的輔助繼電器M0.1和M0.2起到中間狀態暫存作用，并采用定時精度為100ms的定時器T37和T38分別延時8s和3s。根據自動門PLC控制系統的工作原理和工作過程畫出自動門PLC控制系統的梯形圖

28、如圖4.2所示。圖4.2自動門PLC控制系統梯形圖梯形圖對應的指令表如下。LDI0.0ANQ0.1AI1.4=Q0.2A I1.5LRDLPSLDT38LDM0.2OQ0.3O Q0.1ALDA M0.1LDQ0.1LD I0.4OQ0.2OQ0.1ALDAM0.1=Q0.3OLDLRDANI1.1LDQ0.1LDI1.2OQ0.2AI1.6ALDOLDANQ0.3ANQ0.2=Q0.4=Q0.1TONT38，30LRDLRDLDT37AI1.3OQ0.2=M0.1ALDLRDANM0.1AI1.1ANM0.2ANM0.2LDI0.5TONT37，80OQ0.2LPPAM0.1LDI0.1OL

29、DOI0.2ANI1.2OI0.3LDI1.1ALDAI1.6=M0.2OLD 4.4 故障分析系統常見的故障和處理方法如表4.1所示。表4.1常見故障機處理方法故障現象故障診斷處理方法接觸器或繼電器銜鐵噪聲大1.短路環脫落1.重新安裝或更換短路環2.電源電壓過低2.檢查線圈電壓，是否將380V線圈誤用于220V場合或電源電壓過低3.彈簧反作用力過大3.調整或更換彈簧接觸器或繼電器線圈過熱或燒損1.電源電壓不符1.檢查電源電壓，并檢查是否誤將220V線圈用于380V場合2.動作頻率過高2.降低線圈動作頻率3.線圈受潮3.烘干線圈或更換線圈低壓斷路器手動合分閘失靈1.觸頭熔焊1.清洗和修理觸頭，

30、必要時更換觸頭2.機械故障2.排除機械故障3.三相主觸頭不同步3.調整觸頭使其同步熔斷器過熱1.熔斷器接觸不良1.排除熔斷器生銹、松動、臟污等接觸不良現象2.負載電流過大2.檢查負載及電源電壓，使電流恢復至正常值三相電動機運行中有異常聲響1.電源故障1.排除缺相或三相不平衡、電壓過低情況2.繞組故障2.排除繞組局部短路、斷路等故障3.變形、缺油或松動3.洗軸承、清理風道、調整氣隙、充油、校正變形、正確裝配等PLC輸入全部斷開（動作指示燈滅）可能是輸入回路故障更換單元PLC動作正確但指示燈滅可能是LED損壞更換LED結論本設計基本上達到了設計要求，將可編程控制器（PLC）應用到自動門控制系統中，研究了PLC在自動門控制系統的設計原理與設計方法，并重點研究了自動門PLC控制系統的硬件設計與軟件設計，并在用PLC對自動門進行控制的同時實施實時故障監測，充分發揮了PLC的可靠性高、實時性好和抗干擾性強等特