第1章  緒論

在經濟高速發展、科學技術飛速騰飛的21世紀的中國社會，如鋼鐵森林般的高樓拔地而起的城市中，飯店、銀行、商場、博物館、辦公大樓，在這些建筑中隨處都可以發現到自動門的身影。在早些年間的外國社會，自動門就得到了普及和利用，在近幾年的中國自動門就以優秀的性能本大家認為是生活和工作中不可缺少的部分，這也表明自動門技術在我國開始飛速發展。

在自動門的工作中，控制裝置是至關重要的。在最初的研發中，我們選擇使用繼電器邏輯控制系統作為控制裝置進行工作，但因其具有配置過程復雜、本身性能波動大、維修困難性高等短板而被人們逐漸放棄。PLC是在目前的自動們以及其他的自動化行業中作為最為穩定性最為優異的裝置，可編程控制器是本身出現的意義是用來滿足工業開發環境中人們的需求。在當前社會的汽車制造、石油化工、冶煉金屬、輕化工、機械工業等方面的應用具有持久的發展潛力和優秀的實用性。并且使用PLC控制的自動門在工作和生活中具有高度的穩定性和低廉的維修成本等特點。從此種種看來，隨著人們對生活品質要求的不斷提升與科技水平的提高，PLC控制系統的相關自動化產品將不斷地在市場中受到推崇。這不但可以改進和方便我們的生活，同時也能夠提高可編程控制器在自動門市場中以及其他相關的自動化行業的利用和進步，在不斷的研發和改進之中可以為我們帶來可觀的經濟效益，并且為我們的技術研發提供更多的實例。

在我們平時的生活中，例如大型商場、飛機場、銀行進出口、醫院入口這些地方，當我們出入其中都可以看到自動門控制系統。在這些場所中安裝自動門，不僅是為了降低排耗、減少工作場所的惱人的噪音、避免風沙的侵襲，同時也可以提高建筑的進、出口的莊更具現代感，而體貼的人性化的設計是取代傳統大門的重要因素，科技是為人們服務，只有不斷的提升科技水平才能做到滿足人們不斷的需求。在選擇自動門的樣式時考慮了平移自動門、圓弧自動門、可推開式自動門、旋轉自動門這幾種，根據我實際情況的需要我選擇的品種是平移自動門。自動門之所以可以做到能使人自由進出，主要是依靠門上的感應器，當有人準備出入自動門時，感應裝置會檢測到人的運動，并將檢測到的信號傳達到控制系統，而在它接收到感應裝置發送的信號之后，會將信號傳輸到驅動裝置，之后門會開啟，在確認人被放行時，門扇閉合。科技因為人們的需求而不斷進步，而自動化產品又恰好符合人們的需求。自動門既解放了人力，同時也提高了在公眾設施中人們出入的安全性。它們的造型美觀、雅致，同時因為是PLC控制具有低成本、高穩定性、維修便利的特點，在世界的工業和建筑業中受到推崇和普及。我相信自動化產品在未來的市場具有長久的發展前景。   

在當前中國工業、制造業飛速發展的時代，PLC也由此應運而生。通過對人員短時間的培訓就可以靈活運用PLC,在PLC中大部分的繼電器和連線被軟件程序取代，存儲器根據不同情況下改變數字式和開關量的邏輯控制的運行狀態,來達到掌管不同樣式的設備或監督設備的工作流程的目的。并且PLC和它有關的部件，都應該依照比較簡便的方式使控制系統融為一個整體，能夠在未來使它的性能得到提高和完善的原則進行設計的。在當前的社會下，可編程控制器在汽車、輕紡、環保、文化娛樂等各種不同領域的運用和研發都具有很高的發展和進步的潛力。并且使用PLC來控制自動門可以讓自動門的穩定性得到提高，還可以讓機器設備的平時的修理和護理更加方便，降低它的成本。

在我這次研究課題項目中，運用可編程控制器作為自動門的控制系統不但可以很有效的提升自動門的安全性、穩定性和降低經濟成本，而且隨著科技越來越進步，PLC的體積也越來越小，這也提升了所有自動化行業的技術水平，使得自動門這種產品在我們身邊變得更加高效和普及。所以,不斷的改進和完善可編程控制器控制系統的自動門,符合當前社會潮流的前進方向，能夠加快自動門行業的進程,使PLC設備的種類變得更加全面、各方面標準更嚴格、性能更優越,也能造福更多的人民群眾。

第2章  系統總體設計

我設計的PLC控制的自動門主要定位于商場，而在商場中因為較大的人流量，較高的安全性和可觀的穩定性是至關重要的。針對在大型商場中考察到的情況，我們制定了自動門的設計方案，首先確定以自動與手動作為自動門的控制方式，這種控制方式的好處體現在日常的維修與保養十分的簡易和費用較低。在信號采集裝置探查到有人靠近門，而門卻沒有打開時，可編程控制器就開始向電動機傳送信號，電動機收到PLC傳遞的信號開始工作進行正轉開啟自動門。當信號采集裝置探查到并沒有人在監測范圍內且門處于打開狀態，可編程控制器就開始向電動機傳送信號，電動機反轉門扇閉合。   

在本課題中控制系統是整個自動門最為關鍵的一部分，在總體設計中它分為控制和執行元件兩部分。在設計控制方式時我放棄了無線遙控模式，選擇的是自動與手動控制方式，這也是當前國內的主流。我的設計是以可編程控制器為核心，操控傳動機構達到精確的掌控自動門的打開與閉合從而達到自動門的自動化控制的目的。

(1)當有人由內到外或由外到內通過光電檢測開關K1或K2時，開門執行機構KM1動作，電動機正轉，到達開門限位開關K3位置時，電機停止運行。

(2)自動門在開門位置停留8秒后，自動進入關門過程，關門執行機構KM2被起動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關K4位置時，電機停止運行。

(3)在關門過程中，當有人員由外到內或由內到外通過光電檢測開關K2或K1時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。

(4)在門打開后的8秒等待時間內，若有人員由外至內或由內至外通過光電檢測開關K2或K1時，必須重新開始等待8秒，再自動進入關門過程，以保證人員安全通過。

自動門控制系統包含PLC控制和動作執行元件構成。采用自動和手動電動控制方式，此種控制方式為目前大多自動門的控制方式。本課題所設計的自動門控制系統采用PLC為控制中心來控制傳動機構，從而控制門的開和關實現門的自動化控制。

2.3.1 PLC概述

可編輯控制器，英文Programmable Controller，簡稱PLC，本課題中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業現場的電控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它以微處理器為核心，集自動化技術、計算機技術、通信技術為一體，它通過運行儲存在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現對負載的控制。

2.3.2 具體構成

控制方式是自動門可以正常運轉的重要基礎。在自動門系統中自動控制方式雖然方便，但當發生故障的時候手動控制方式就會起到關鍵的作用，便于我們的檢查修理與日常維護保養。一個自動門的最低運行標準就是當信號檢測裝置檢測到靠近門的人時，自動門自動打開，沒有人靠近時，自動門可以及時關閉。

                      圖2-1  自動門控制系統總體設計框圖

由圖2-1可知，當有人靠近自動門時感應器件會馬上進行感應,之后感應器會把信號送至PLC處，可編程控制器會分析所收到的信號向驅動裝置發出動作指令，讓驅動裝置開始運轉，在驅動裝置運轉之后自動門會因為受到傳動裝置所提供的動力進行開關。

第3章  硬件設計

3.1.1  PLC的選型

在當今的工業發展中，自動化處于一個被各方面矚目和需求的位置，而PLC是在自動化中備受關注的一部分，所以在我們的設計中PLC的選型是至關重要的。因為可編程控制器產品種類繁雜，不同的公司生產的產品的種類，性能和組成都有各自的特點，但歸根結底它們的工作特性和基礎構成大致一樣。其基本組成如圖3-1所示

圖3-1 PLC結構示意圖

因為我們是為自動門選擇控制系統，沒有什么高端的額外要求。我們將西門子公司生產的CPU 224XP型可編程控制器作為我們的首選，首先是根據我們實際情況所要求的輸出總點數是十二點到三十二點，其次西門子系列產品本身結構簡練合理，出售價格不高，體積小，非常符合我們的設計要求，CPU 224XP型可編程控制器輸出類型是繼電器輸出型，擁有十二個輸入和輸出點數，剩下的以備不時之需。

3.1.2 驅動裝置的選型

一個優秀的自動門能否保持一個良好的工作狀態，主要取決于它的驅動器。無刷直流電機本社特色是機電一體化，它本身的構成主要依靠電動機主體和驅動裝置。在性能上它超越了傳統電機，還剔除掉多余復雜的碳刷、滑環結構，把自己所需要占用的空間壓縮到最小。直流無刷電機功率密度高，耐顛簸震動，不會產生噪聲，震動小，運轉平滑、具有很強的速度調解能力，和其他電動機相比可使用時間長、不易發生故障、不需要過多精力的日常保養，還有不產生火花、直流電動機線性機械特性、很高的速度調節上下限、啟動轉矩大、工作顯性能優異等特性。在制造業、日常生活用具、工業工控、電子等方面受到大量使用，同時也是需要"輕、小、薄、低噪音、精密、高穩定性”這些場所的不二之選。再通過對性能的考察與自身的實際需求我將DIMA EAST-C3型直流無刷電機作為驅動裝置，直流無刷電機的各項技術參數如表3-1所示

表3-1 DIMA EAST-C3 型電機技術參數

3.1.3 感應器件的選型

在根據實際情況選擇感應器時，主要考慮了微波感應器和紅外感應器這兩種感應器件。微波感應器，因為具有極快的反應速度還被人們叫做微波雷達，它可以迅速檢測到物體的運動，因為它的工作效率高、反應的速度快，適合在辦公樓、商場等人們以一般速度出入的建筑設施。但它的缺點是，一旦人靜止不動，感應器無法檢測到人的存在，門扇自動閉合存在“夾人”的風險。微波傳感器的工作原理是通過不斷向外界及發射電波，當電波遇到物體時會被反彈回來，而傳感器會吧收到的電波變化傳遞給自動門，自動門根據情況進行開關。在紅外感應器處于工作狀態時，對靜止的物體和運動的物體都可以進行感知，但它的反應速度不如微博雷達。根據設計中對自動門控制系統達到的控制效果的要求和現實自動門工作狀態的的觀察選擇了微波感應器，型號是KOB W-01，它的各項指標見表3-2

圖3-2 微波感應器的安裝位置及檢測范圍

3.1.4 傳動裝置

自動門傳動系統使用的設備如下所示：

3.1.5 限位開關

在本次設計中使用到了限位開關，也被叫做行程開關，他能夠放置在移動的物體上，同樣也適用于處于停止運動狀態的的物體上。這種開關主要依靠機器在運動時發生的接觸來發出控制信號。它分為接觸式和非接觸式兩種。由接點分離、閉合狀態的變化達到操控正處于工作狀態的機器設備的傳輸距離、快慢、具體方位的目的。在自動化行業中，限位開關主要被應用在建筑、港口中不同種類的傳輸機器、起重設備行程控制中。在現實生活的機械生產工作過程中，當設備到達需要停止的距離時，在生產機器上的能夠運動的部分會受到限位開關的操控。實現這種控制的原理是限位開關可以把機械信號變成電信號，這種智能化的處理是為了使生產信號免受不必要的損傷，既延長了機器的使用壽命，也減少了生產過程中不必要的損耗。而在生活中，它主要其連鎖保護的作用，運用在洗衣機的脫水和錄音、像機的倒帶中。

3.2.1 自動門控制系統I/0口分配表

如果我們想要制定合理的I/O分配表必須遵守一些規則，只要是按照程序的不同和可編程控制器的輸入、輸出點還有內部寄存器的多少來寫的。如果想要準確編寫出可編程控制器程序內容的話就一定需要它，改變設備的操控方式也要用到它。PLC的輸入接口分配如表3-3所示

表3-3 PLC的輸入接口分配表

PLC的輸出接口表如圖3-4所示                     

表3-4 PLC的輸出接口分配表

3.2.2自動門控制系統的主電路原理圖

在我們按下啟動按鈕之后，當微波感應器件檢測到有人從門外進入或從門內出去時，KM1，KM3閉合KM2，KM4斷開，電動機正轉門開。當門開達到開門限位開關后門停止運行，過8秒后KM2，KM4閉合KM1，KM3斷開，電動機反轉門關。自動門控制系統的主電路原理圖如圖3-3所示。

圖3-3 自動門控制系統的主電路原理圖

3.2.3 自動門控制系統的外部接線圖

外部接線圖能幫助我們給為直觀的的了解系統，如圖3-4所示

圖3-4  自動門控制系統的外部接線圖

如圖3-4所示,S1，S2是微波感應器，S1或S2感應到有人時，自動門打開，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4是開關門到位行程開關 ，檢測開關門是否到位。

第4章  軟件設計

軟件設計是我們能夠實現具體設計方案的基礎。根據最初課題想要達到的自動門控制效果的實現和具體標準，一切的系統運行程序如圖4-1所示，目的是能夠使自動門系統能達到最佳的運行效果和完成系統的最終目的設計。   

自動門控制系統控制要求如下：

1. 當出現人靠近微波感應器S1或S2之后，開門執行機構KM1,KM3開始工作，電動機進行正轉，運行到開門限位開關SQ1和SQ3位置時電機不再工作。  

2. 自動門在開門位置停留8秒后,自動進入關門過程，關門執行機構KM2,KM4起動，電動機反轉，當門移動到關門限位開關SQ2和SQ4位置時,電機停止運行。

3. 在關門過程中，當有人員由外到內或由內到外通過微波感應器S1或S2時，應立即停止關門，并自動進入開門程序。

4．在8秒內打開門后的等待時間，如果有一個從外到內或通過微波傳感器S1或S2從內到外的人，你必須重新開始等待8秒，然后自動進入關閉過程，以保證人員安全通過。

設計梯形圖的基本方法和步驟：

（1）首先根據工藝過程控制要求，畫出控制流程圖，力求表達清晰、準確。必要時可以把控制系統分解成幾個相對獨立的部分，盡量簡化，利于編輯。

（2）將所有的輸入信號（按鍵，行程限位開關，壓力開關，壓力、速度、時間等傳感器）和輸出控制對象（接觸器、電磁閥、電動機、指示燈等）分別列出，按被采用的PLC型號內部邏輯元件編號范圍，對I/O端子做出相應的分配和安排。

（3）根據控制流程圖，有規律的分配和利用PLC內部有關的邏輯元件（如輔助繼電器、定時器、計數器等）構成相應的基本回路。

（4）以梯形圖的形式來描述控制要求，繪制梯形圖要遵循編程原則。

（5）編寫程序清單時，必須按梯形圖的邏輯行和邏輯單元的編排順序（由上而下，從左到右）依次進行。

本系統的程序軟件采用西門子公司設計開發的STEP-Micro/WIN,選擇他的梯形圖語言進行程序設計。在設計過程中應遵循以下編輯規則：

1.每個繼電器的線圈和他的觸點均用同一個編號，每個元件的觸點使用時沒有數量限制。

2.梯形圖每一行都是從左邊開始，線圈接在最右邊（線圈右邊不允許再有觸點）。

3.線圈不能直接在左邊的母線上。

4.在一個程序中，同一編號的線圈如果使用兩次，稱為雙線圈輸出，他容易引起誤操作，應避免。

5.在梯形圖中沒有真實的電流流動，為例便于分析PLC的周期掃描原理和邏輯上的因果關系，假定在梯形圖中有電流流動，這個電流只能在梯形圖中單向流動——即從左向右流動，層次的改變只能從上向下流動。

6.無論選用何種PLC機型，所使用的軟件編號（即地址）必須在該機型的有效范圍以內。

根據以上規則和PLC的編程方法和思路編寫了本課題設計的自動門控制系統的梯形圖程序，具體程序如下：

第5章  程序調試和仿真結果

本課程設計采用西門子PLC編程軟件 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4版和仿真軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4版進行仿真。下面進行程序調試和分別對自動門控制系統的各個部分進行仿真。

5.1.1 硬件線路連接

圖5-1 接線圖

采用實驗室可編程控制器試驗臺，主機s7-200cpu224 cn ac/dc/rly,其供電電壓均為直流24v。調試過程的電路圖如5-1所示；

在模擬調試過程中，因于實驗條件有限，所以微波探測信號與限位開關動作均由按鈕代替（即BG1、BG2、BG3、BG4），SF0、SF11均接按鈕。QA1、QA2用中間繼電器代替，其線圈電壓為24V。

5.1.2 聯機調試

（1）按圖5-1連接線路，接電源

（2）將在“STEP7-Micro/WIN V4.0SP5”開發平臺編寫好的軟件通過“RS-232/PPI電纜”下載到“CPU224”中。

（3）運行過程實驗

按啟動按鈕”SF0”

a手動開/關

現象一：當按手動開關按鈕SF10時，電動機M正轉。           

現象二：當按手動開關按鈕SF11時，電動機M反轉。

b自動開/關門

現象一：當按下按鈕BG1或BG2時，電動機M正轉；若按下按鈕BG4，則電動機M停止轉動。

現象二：當電動機M停止轉動時，計時器計時8秒進行延時。若此時再次按下按鈕BG1或BG2，則計時器重新計時8秒。

現象三：當8秒延時完畢后，電動機M進行反轉；在反轉過程中若按下按鈕BG1或BG2，則電動機M進行反轉。

現象四：當按下緊急按鈕SF5時，電動機M進行正轉。

圖5-2自動開門控制部分仿真圖

圖5-1仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，自動控制啟動，微波感應器感應到有人經過，則自動門打開。

圖5-3  開門后等待部分仿真圖

圖5-3仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，自動控制啟動，自動門開門到位后等待8秒，若等待過程中無人經過，則自動關門。

（3）自動門控制系統等待過程中檢測到有人經過部分，仿真結果如圖5-4所示

圖5-4 等待過程中檢測到有人經過部分仿真

圖5-4仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，自動控制啟動，自動門開門到位后等待8秒，等待過程中有人經過，則重新計時8秒后自動關門。

（4）自動門控制系統自動關門部分，仿真結果如圖5-5所示

圖5-5 自動關門部分仿真圖

圖5-5仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，自動控制啟動，自動門開門等待8秒后無人經過，則自動門自動關閉。

（5）自動門控制系統手動開門部分，仿真結果如圖5-6所示

圖5-6 手動開門部分仿真圖

圖5-6仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，手動控制啟動，按下開門按鈕，自動門打開。

（6）自動門控制系統手動關門部分，仿真結果如圖5-7所示

                     圖5-7 手動關門部分仿真圖            

圖5-7仿真的控制過程為：自動門控制系統啟動，手動控制啟動，按下關門按鈕，自動門關閉。

結束語

這次的自動門設計基本符合我最初的設想與要求，實現了用PLC作為自動門的控制核心的初衷。根據我從課堂學習中收獲的有關PLC軟件程序的知識，請教別人關于硬件的要求，通過網上的考察和實物的觀察參考從而實現了設備的合適的選型，軟、硬件的合理構成，使自動門能夠更加穩定、安全的進行工作。雖然因為對專業知識掌握的不足和時間的局限性，我的自動門裝置還有一些漏洞。在實現功能方面還有所缺陷,對自動門的內部結構了解的太少，還學要更多的學習與研究。我的設計上還可以增加更多人性化的設備，比如安裝一個蜂鳴器或燈光閃爍，在人進出自動門時，提示行人是否可以通過，還可以在驅動裝置上添加變頻器，根據實際情況，改變開關門的速度，提高人們的通行效率。在實地安裝、使用中還應結合場所的實際情況，考慮各部件的容量及其技術參數、生產成本，電源設計、系統接地、電纜設計和敷設、可編程控制器輸出保護等問題，使自動門系統實現了更安全可靠的程度，使他們能使人安心使用。這同時又會帶給我們跟多需要解決的問題，因為一個想要大面積推廣的和較完善的應用軟件在短時間內是不可能完成的，想要將它更加完善就需要不斷的改進和發展，需要我做更多的工作和時間方面的檢驗。現在的系統遠遠沒有達到真正的智能化，還需要增加更多高端、細致、經濟的功能和技術，才能達到真正意義上的智能化控制。

現在遇到的難遇挫折并不會打倒我，我會通過自己的學習與實踐去解決他們，收獲更多的知識，從而使自己變得更優秀。通過對硬件的選型和配置的過程中，我得到了了書本所學不到的實踐經驗。通過這次的自動門設計使我明白了單純學習書本的知識和為了應付考試的學習是遠遠不夠的，它們不會被你所應用和掌握，只有與實際問題相結合，才能使自己的專業水平得到提高，在未來我會加倍努力。

經過三個多月的努力終于完成了畢業設計，在進行畢業設計的過程中感謝指導老師的悉心指導與提出的寶貴意見，同時也感謝在我出現疑惑時對我伸出援手的同學。有你們們的幫助我才可以圓滿完成本次畢業設計，是你們讓我知道困難并不是一種負擔，而是驅使我前進的一種動力，我會將這次的寶貴經歷當成一種財富，永遠珍藏。

附錄

自動門控制系統梯形圖