利用SIMATIC Manager編寫PLC設計一個8位的密碼鎖，實現對重要場所的安全門禁控制，控制要求如下：
通過對8位密碼鎖的設計實踐，將對以往課內學習的只是進行鞏固與實踐，有助于培養我們對PLC編程的理解與應用，鍛煉我們解決實際工程問題、查閱文獻、產品手冊、圖書資料和書寫技術文檔的能力，并掌握分析問題、解決問題的思路。
基于PLC設計一個8位門禁密碼鎖，該密碼鎖帶有15個按鈕輸入，3個輸出，其中10個輸入按鈕為0~9的數字密碼輸入，另外5個分別為輸入、確認、復位、更改和重置；3個輸出為門禁電機（開門信號）、蜂鳴器（報警鈴）和報警燈。
2.3 需求分析在課題要求當中，采用鍵盤實現密碼的輸入、設置、復位等操作。要實現上述控制要求，需要采用PLC，通過梯形圖來完成。PLC輸入端需要接入15個控制按鈕，分別用不同的按鈕代表不同的操作，有輸入、確認、0~9的數字輸入、復位、更改和重置等操作，按下輸入按鈕，輸入數字密碼，并對輸入位數計數，若密碼輸入中發現錯誤，可按下復位，清空計數，允許重新輸入。再按下確認鍵驗證密碼， 輸入密碼正確時，允許修改密碼[10]。
同時要求輸入密碼正確時，執行開門信號。在密碼正確后輸出信號控制門禁電機接觸器，以控制門禁電機運行。
要求密碼輸入錯誤三次以上時，報警燈閃爍，密碼輸入錯誤5次以上時鎖定鍵盤，同時警鈴響起，報警燈亮。密碼驗證錯誤時，對其計數，正確時清零，當達到三次時，輸出脈沖信號，使報警燈閃爍。達到五次時，輸出兩個控制信號，使報警燈常亮，警鈴響起，同時斷開密碼輸入功能，是鍵盤鎖定。
密碼正確后，應允許更改密碼，按下更改后，輸入8位密碼，將作為新的密碼，在一次輸入密碼正確后，允許將密碼重置。以實現課題中要求的在密碼輸入正確后，可以允許重置密碼、復位密碼操作。
根據上述分析，實現方案應包括硬件方案和軟件方案。硬件方案需要選擇PLC控制器以及相關的低壓電器，并完成電氣控制原理圖、PLC的I/O分配、PLC的接線圖等。軟件方案需要畫時序圖、順序功能框圖，并編寫梯形圖以完成對門禁電機和報警的邏輯控制，并進行仿真和演示驗證。
2.4 技術方案
圖 2?1設計方案
如圖 2?1所示，按下輸入按鈕輸入“0~9”的8位數字密碼，并對輸入位數計數，若輸入中發現錯誤，按下復位按鈕清零計數，重新輸入8位密碼，按下確認鍵后，驗證密碼的正確性，若錯誤，對其計數，達到三 次，輸出接口向警燈輸出周期脈沖信號，使報警燈閃爍，達到五次將禁止輸入密碼和驗證密碼的功能，以此達到鎖定鍵盤的要求，同時輸出兩個高電平信號，使警鈴長鳴，警燈常亮；若密碼正確，將錯誤計數清零，發出開門信號，門禁電機運行，同時允許更改密碼，按下更改按鈕，再按下輸入鍵，輸入新的“0~9”8位新的數字密碼，確認按鈕按下，密碼修改成功。重新輸入新的密碼，若正確，將允許重置密碼，按下重置按鈕將密碼重置為初始密碼[11]。
2.5 方案論證硬件上可利用開關按鈕或者觸摸屏實現按鈕的輸入，通過S7-300處理來控制門禁電機的運行,軟件方面利用PLC梯形圖編程來實現密碼鎖的控制邏輯，完成了對密碼鎖的輸入、復位、更改、重置、報警等功能的控制邏輯程序編寫。在利用PLCSIM進行仿真時，仿真程序正常運行，仿真結果完全符合課題要求，密碼鎖的輸入、復位、更改、重置、報警等功能完全正常。因本方案所用電器元件少，功能較簡單，所需要的成本相對于重要場所的安全性來說，其成本很低。
2.6 本章小結本章作為總體方案是對課題要求的說明與分析，根據分析結果進行方案設計并對其可行性做了一定的分析和驗證。
第3章 硬件設計3.1 硬件系統框圖
圖 3?1硬件系統框圖
如圖 3?1所示，通過鍵盤輸入指令，PLC處理，輸出信號報警或開鎖，存儲器存儲初始密碼和中間值，電源為PLC提供能量。
3.2 電氣布局圖
圖 3?2 電氣布局圖
如圖 3?2所示，8位密碼鎖由一個輸入鍵盤通過PLC來控制門禁電機的動作以此作為密碼鎖，鍵盤上由15輸入按鈕，3個指示燈都是用于密碼錯誤提示，有一個蜂鳴器將在密碼錯誤5次后報警。
3.3 PLC選型表格 3?1 CPU信息
在如表格 3?1所示的各CPU中[16]，不同的CPU有不同的特性，存儲容量也不一樣，由于該密碼鎖數字量總共為18個，且于密碼鎖需要較快的反應速度，以可選用存儲容量為64KB的CPU 314。
I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整[15]。本設計有15個數字量輸入，3個數字量輸出，因此選用SM321 DI32xDC24V作為輸入，SM322 DO16Xdc24V/0.5A作為輸出。
3.4 電器選型對于密碼鎖所用到的低壓電器需要進行選型，如下：
3.4.1 按鈕根據密碼鎖鍵盤的實際要求分析，需選用常開、不帶指示燈、自動返回、平頭的普通按鈕。如表格 3?2所示，可選用短柄黑按鈕XB2BD21C，型號為LA39-10X/K的常開按鈕。可在按鈕上加裝鍵帽。
表格 3?2 按鈕型號
對于指示燈，由于是用來密碼錯誤報警的所以應選用燈光顏色為紅色的指示燈，且由于該設計是用于重要場所的門禁，可選用亮度較大的指示燈，所以選用額定電壓為3.7V，額定電流為250mA。
3.4.3 蜂鳴器蜂鳴器的選型有如下指標：
綜上所述，應選用壓電式蜂鳴器SS0905PA0,如圖 3?3所示,工作電壓為9V，工作溫度為-20~70℃，工作電流為4mA。
圖 3?3 SS0905PA0
3.4.4 門禁電機
圖 3?4 ja12-1:1000減速電機
由于本設計是密碼鎖，門禁電機只是對鎖舌進行控制，功率以及尺寸不能太大，且轉速不能過大，所以應選用帶齒輪減速裝置的小型電機，如圖 3?4所示，額定電壓為6V，空載電流為45mA。
3.5 輸入輸出分配表如表格 3?1所示，為8位密碼鎖的輸入輸出分配表。有15個輸入，3個輸出。
如圖 3?5所示[14]，按下輸入按鈕I0.0，即可輸入8位密碼，若發現輸入有誤，按下復位按鈕I0.1,重新輸入8位密碼，按下確認按鈕，若密碼正確，KM1得電，開鎖。按下II0.0.3，更改密碼，再次按下I0.0，輸入8位新的密碼，按下確認按鈕I0.1更改成功，重新輸入新的8位密碼KM1得電，按下I0.4重置密碼。若輸入的密碼錯誤，達到3次，Q4.2會輸出頻率為2hz的電平脈沖，使得警燈閃爍，達到5次，Q4.1、Q4.2會輸出高電平，使警燈常亮，警鈴響。
圖 3?5 PLC接線圖
3.7 主電路電氣控制原理圖PLC應該控制一臺門禁電機的運行并給出運行狀態的指示。則門禁電機的主電路如下圖 3?6所示。
主電路圖中需要連接一臺電機。線路中需要接熱繼電器FR進行過載保護，接熔斷器FU進行短路保護，閘刀開關QS用來隔離電源、接通電路。如圖 3?6所示
圖 3?6 電氣控制的主電路圖
3.8 本章小結本章主要對課題8位密碼鎖的PLC設計進行了硬件方面的設計，從硬件系統框圖、電氣布局圖到各種低壓電器的分析與選型，還有對PLC的選型，輸入輸出的IO分配，參考資料對PLC接線圖的設計，并且畫出了門禁電機的主接線圖。
第4章 軟件設計4.1 功能框圖
圖 4?1 功能框圖
如圖 4?1所示，密碼輸入過程中可用復位功能，重新輸入密碼，密碼輸入完成后，將驗證密碼的正確性，若錯誤達到3次將告警，警燈閃爍，達到5次將使警燈常亮，警鈴響起，鍵盤鎖定。密碼若正確，將執行開門信號，允許更改密碼，更改密碼過程中，可用復位功能重新輸入8位密碼，更改完成后，需重新輸入8位更改后密碼，驗證通過后，才允許重置密碼。
4.2 流程圖如圖 4?2所示， FB1作為主要程序，進入FB1，按下輸入按鈕進入調用FC1，FC1作為密碼輸入功能，將輸入的8位密碼保存到FB1的背景數據塊DB1中，若中途發覺輸入密碼有誤，可按下復位按鈕重新輸入8位密碼，輸入完成后，按下確認按鈕，進入FC2，FC2位密碼驗證功能，將已輸入的密碼與默認密碼進行比較，若密碼錯誤，將計數器C2計數加1，判斷C2計數是否等于5，若等于點亮報警燈使其常亮、置位警鈴使其報警，并鎖定鍵盤；若不等于5，繼續判斷C2計數是否等于3，若等于將使警燈閃爍，周期為2S，回到重新輸入密碼；若密碼正確，開門信號置位，控制門禁電機運行，并允許更改密碼，按下更改按鈕，在按下輸入按鈕，進入FC1,輸入8位新的密碼，FC1將輸入的8位密碼保存到FB1的DB1的另外8位IO參數中，按下確認密碼，即可修改成功。重新輸入新的正確的才能開鎖，并允許重置密碼，按下重置按鈕，會將密碼重置為初始密碼0~7。
圖 4?2流程圖
4.3 時序圖如下圖 4?3所示，初始化完成后，將M0.1置1，啟動密碼輸入程序，第一次按下I0.0時，進入FC1輸入8位密碼，若密碼輸入途中發現密碼錯誤，按下復位按鈕I0.2，將復位輸入計數，重新輸入8位密碼，按下確認按鈕I0.1，將M0.2置1，驗證密碼，密碼正確門禁電機接觸器KM1得電，門禁電機運行開鎖，按下重設密碼I0.3，將M0.3置1，更改密碼，輸入8位新的密碼，按下確認按鈕I0.1修改成功，需重新輸入密碼，若密碼錯誤達到三次，將使報警燈一周期為2s閃爍，5次將使鍵盤鎖定，阻止輸入密碼，并讓報警燈與警鈴報警；若密碼正確，將M0.4置1，允許重置密碼，按下重置按鈕I0.4，將重置密碼為初始密碼0~7。
圖 4?3時序圖
4.4 順序功能框圖
圖 4?4順序功能圖
上圖 4?4中的FC1時8為密碼輸入模塊，FC2時密碼驗證模塊。初始化完成后，置位M0.0，在沒按下更改按鈕I0.3時，按下輸入按鈕，輸入8位密碼，按下確認驗證密碼是否正確，驗證完成，將M1.4置1，密碼錯誤將M1.1置1，若驗證完成，密碼未錯誤，即密碼正確，按下I0.3即可更改密碼,輸入8位新的密碼,確認按鈕I0.1按下后更改成功，將可重置密碼標志位M2.5置1，重新按下輸入按鈕I0.0，重新進入密碼輸入，密碼驗證成功可更改密碼，也可重置密碼，按下重置按鈕I0.4，將密碼重置為0~7，并將標志位M2.5復位。可重新輸入密碼，密碼輸入錯誤后，計數器C2計數。計數達到3，報警燈閃爍，達到5，報警燈常亮，警鈴響。鍵盤鎖定。
4.5 梯形圖編程采用西門子公司的STEP7_V56軟件進行梯形圖的編寫，8位密碼鎖的部分程序及說明，由于其程序的需要，分為OB1、FB1、FC1、FC2[17]。
圖 4?5初始化計數器1、2
網絡1：如圖 4?5所示，初始完成后，進入程序，現將密碼錯誤計數，與輸入密碼位數計數器復位。并置位密碼輸入步，允許密碼輸入。
網絡2：如圖 4?6所示，按下I0.0，進入密碼輸入功能FC1，將輸入的8位密碼保存到a1~a8，8個參數中，按下I0.1結束輸入。
圖 4?6輸入密碼
圖 4?7 驗證密碼1
圖 4?8驗證密碼2
網絡4：如圖 4?7和圖 4?8所示，按下I0.1，將進入驗證密碼功能FC2，將輸入的8位密碼a1~a8與設置的密碼b1~b8進行對位比較，輸出密碼狀態標志，為1密碼錯誤，為0密碼正確。
圖 4?9開門
圖 4?10 錯誤計數
網絡5：如圖 4?9所示，密碼驗證完成后，若密碼正確，置位Q4.0門禁電機啟動。
網絡7：如圖 4?10所示，若密碼錯誤，用計數器C2對密碼錯誤次數計數。
圖 4?11告警處理
網絡8：錯誤3次，啟動報警燈閃爍功能。
網絡9：錯誤5次鎖定鍵盤，警鈴響，警燈常亮。
網絡10：報警燈閃爍。M5.5為CPU的CLOCK MEMORY,M5.5頻率為2Hz，當密碼錯誤5次之后，警鈴響起，會使警燈由閃爍變為常亮。
圖 4?12更改密碼
網絡14:按下I0.3,進入密碼更改，再次調用FC1，將輸入的8位密碼，保存在b1~b8中。
圖 4?13更改密碼后置位密碼更改標志
網絡15：更改密碼完成后，將密碼已更改標志置1，并置0開門信號，需重新輸入密碼。
圖 4?14重置密碼
網絡16：按下重置按鈕，將初始密碼0~7重置到a1~a8。
圖 4?15 清空計數
網絡1：密碼輸入達到8位，復位計數器，位下一次密碼輸入做好準備。
圖 4?16 密碼輸入掃描1
圖 4?17 密碼輸入掃描2
圖 4?18密碼輸入掃描3
網絡2：對輸入的數字密碼進行檢測，有一位密碼輸入了，將輸入標志參數j置1.
圖 4?19輸入計數
網絡3：將每一位輸入進行計數，在按下復位按鈕后，復位密碼。
網絡4~11：將輸入的密碼按輸入的先后順序分別輸出給不同的參數保存。
圖 4?20密碼保存1
圖 4?21 密碼保存2
圖 4?22 密碼保存3
圖 4?23密碼保存4
圖 4?24 FC2密碼驗證
網絡1~8：將輸入的密碼，按位比較，若錯誤將M1.1置1。
4.6 本章小結本章是對8位密碼鎖的PLC的軟件設計，是對功能框圖、流程圖、時序圖、順序功能框圖、梯形圖等方面的設計，詳細闡述了密碼鎖的控制思路、功能，與各種功能實現的方式與操作方法。
第5章 測試和驗證5.1 任務分工
本團隊一共兩人，成員有：葉俊林、王宇。
我作為隊長進行項目的總體規劃與分工。
由于團隊人數較少，且因疫情原因，我們都是通過視頻與屏幕分享來共同討論、設計與編寫程序。
硬件方面：我負責尋找資料和提供一些意見，另一位組員王宇負責設計，對硬件設計的各種圖表進行合作繪制和設計。
軟件方面：王宇對我在大致功能的總結與功能框圖、時序圖的繪制及對程序編寫過程中提供了寶貴的意見，我根據硬件設計與時序圖進行程序框架的搭建與編寫與調試。
5.2 搭建環境本文檔是基于西門子S7-300 PLC技術下的設計，編程環境是STEP7 V5.6的SIMATIC MANAGER,仿真環境為PLCSIM。
5.2.1 建立編輯編譯環境本設計需用到西門子SIMATIC MANANGER的編輯、編譯環境，以下是建立過程：
圖 5?1下載軟件
nameOperations”注冊表項。
圖 5?2刪除注冊表
（3）開始安裝STEP V5.6
圖 5?3開始安裝
（4）安裝完成后，選擇站點，進行硬件組態后，便可進入編輯、編譯界面，如圖 5?4編輯、編譯環境：
圖 5?4編輯、編譯環境
5.2.2 建立仿真和測試環境將STEP7 V5.6安裝完成后，下載PLCSIM以建立仿真和測試環境，并將其安裝：
圖 5?5安裝PLCSIM
安裝完成后，在程序編寫結束后，可在SIMATIC MANAGER 調用該功能進行仿真：
，可打開仿真功能，選中SIMATIC 300站點，點擊圖標
將硬件組態與梯形圖程序下載到仿真器中。仿真器界面如圖 5?7所示。
圖 5?6調用仿真
圖 5?7 PLCSIM仿真器
建立仿真器與梯形圖的鏈接，再點擊圖標
，進入在線監視模式，最后在仿真器中將狀態切換到RUN，開始仿真。
圖 5?8開始仿真
圖 5?9 運行監視
5.3 硬件組態如圖 5?10所示，本設計的PLC硬件組態中電源采用了PS 307 5A，CPU采用的是CPU 314，接口模塊采用的是DI32XDC24V以及DI16XDO16DC24V/0.5A。
圖 5?10硬件組態
5.4 方案驗證前面我和我的同組同學王宇通過查閱資料、詢問老師等方法，分工合作進行了軟、硬件方面的設計與程序的調試，下面我們將一起通過仿真來進行最后方案可行性的驗證，仿真結果如下：
5.4.1 輸入密碼
圖 5?11輸入密碼
操作：按下I0.0（輸入按鈕）將進入密碼輸入功能。
結果：M0.1為1，FC1啟動，等待密碼的輸入。
符合預期要求。
圖 5?12輸入8位密碼
操作：依次輸入8位密碼，如0~7,。
結果：FC1輸出8位密碼，依次為0、1、2、3、4、5、6、7。
符合預期要求。
5.4.2 密碼驗證
圖 5?13密碼正確
操作：按下I0.1（確認按鈕），進入密碼驗證程序。
結果：密碼驗證成功，錯誤標志M1.1為0，密碼正確，門禁電機接觸器得電，開鎖；M0.3為1，可更改密碼。
結果符合預期。
5.4.3 報警
圖 5?14密碼錯誤
操作：按下I0.1后，驗證密碼。
結果：密碼錯誤，對錯誤計數。
圖 5?15報警1
密碼錯誤達到3次，報警燈閃爍。M5.5為CLOCK MEMORY第5位，頻率為2Hz。
結果符合預期要求。
圖 5?16報警2
密碼錯誤達到5次，警燈常亮，警鈴響，M0.1為0，鍵盤被鎖定。
結果符合預期要求。
5.4.4 更改密碼
圖 5?17更改密碼1
操作：按下I0.3（更改按鈕），再按下輸入按鈕。
結果：FC1啟動，等待密碼輸入。
結果符合預期要求。
圖 5?18更改密碼2
操作：輸入新的8位密碼，如7,6,5,4,3,2,1,0。按下I0.1（確認按鈕）。
結果：8為密碼被保存到8個參數中為7,6,5,4,3,2,1,0。
結果符合預期要求。
5.4.5 重置密碼
圖 5?19重置密碼1
操作：更改密碼完成后，將使M2.5(密碼已更改標志)置1，重新輸入更改后的密碼。
結果：M0.4為1，可以重置密碼。
圖 5?20重置密碼2
操作：按下I0.4（重置密碼按鈕）。
結果：密碼被重置為0,1,2,3,4,5,6,7。
結果符合預期。
5.4.6 復位
圖 5?21復位1
圖 5?22復位2
操作：密碼輸入過程中，若發現輸入出錯，可按下I0.2（復位按鈕），可重新輸入8位密碼；如：正確密碼位0~7，輸入時誤輸為0,1,4,5，按下I0.2，輸入8位密碼。
結果：輸入計數被清零，重新輸入的8位密碼被輸出。
結果符合預期要求。
圖 5?23復位3
5.5 問題與分析在拿到課題之后，由于對于PLC編程的不熟悉，以及對STEP7軟件的不熟練，使得剛拿到課題的我一點思路都沒有，然后通過課本和查閱資料，以及觀看老師發在超星上的視頻、請教老師，網上觀看教學視頻等方法，讓我對西門子PLC有了一個大致的了解以及對編程方法的掌握。但在后續設計與程序的編寫中也遇到了如下問題：
本課題使8位密碼鎖的PLC設計，在設計中我實現了密碼的輸入、驗證、更改、復位、重置、鎖的開鎖與密碼錯誤時的報警以及防試探（密碼錯誤次數過多，鎖定鍵盤）等功能，但對于開鎖功能，只能在密碼證的情況下驅動門禁電機開門，但開門后，若不重新輸入密碼，開門信號將會一直存在，將一直驅動門禁電機運轉，這是不現實的，所以可以加一個行程開關或者定時器，在開門完畢后停止門禁電機；也可以在開門一段時間后，將門禁電機反轉，將門重新閉合，密碼鎖重新上鎖。甚至可以加入指紋識別、面部識別等功能代替密碼輸入。
5.7 本章小結本章主要闡明了與同項目小組成員的分工合作進行方案驗證的內容，編程與仿真環境的搭建、硬件組態的設計、仿真步驟與各個功能的實現結果、以及對密碼鎖的擴展思考。
附錄一 梯形圖
OB100程序：
OB1程序
FC1程序：
FC2密碼驗證：
FB1主控制程序：
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