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汽車車庫自動門電氣控制系統的設計
程 超
【摘要】隨著汽車產業的發展，人們對車庫的需求量日益增長。 對車庫門自動控制是今后車庫向智能化發展的必然趨勢。本文主要闡述了車庫自動門的設計思想與程序編制,對該系統進行了各方面的分析，對各方面要求的系統加以詳細敘述，控制的說明、系統流程圖、外部接線圖、梯形圖必要的文字說明介紹了以PLC為應用的車庫自動門的系統軟件設計。此系統對車庫的管理有很大的幫助、對疏導交通流量、提高道路通行能力有明顯的效果，有很大的實用價值。
【關鍵字】可編程控制器 S7-200 自動門 控制系統
引 言
隨著生產力和科學技術的不斷發展，人們的日常生活和生產活動大量的使用了自動化控制，不僅節約了人力資源，而且很大程度上提高了生產效率，又進一步的促進了生產力的快速發展，并不斷的豐富著人們的生活。
早期的自動化控制系統是依靠繼電-接觸器來實現的，其特點是：結構簡單`、價格低廉、抗干擾能力強，可以實現集中控制和遠距離控制，但是其采用固定接線，通用性和靈活性差；有采用觸點的開關動作，工作頻率低。觸點易損壞，可靠性差。
1969年，出現了可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），其特點是：具備邏輯控制、定時、計數、等功能，編程語言采用直觀的梯形圖語言，軟件更改方便，通用性和靈活性好。
目前，可編程控制器PLC主要是朝著小型化、廉價化、標準化、高速化、智能化、大容量化、網絡化的方向發展，與計算機技術相結合，形成工業控制及系統、分布式控制系統DCS（Distributed Contro System）、現場總線控制系統FCS（Field bus Control System），這將是PLC的功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用范圍更廣。
在市場、公共建筑、銀行、別墅車庫門，經常使用自動門控制系統。早期的自動門控制系統采用繼電器邏輯控制，已經逐漸被淘汰。PLC控制自動門由于具有故障率低、可靠性高、維修方便等優點，因而得到廣泛的應用。由于直流電動機的調速范圍寬廣，調速性能平滑，直流電動機超載能力較強，熱動和制動轉矩較大，所以執行時使用直流電動機。
本設計主要是針對別墅型車庫自動門的自動開關控制而論，自動門控制裝置系統有檢測元件、可編程控制器（PLC）、電動機、聲控開關、光控開關、燈、電子鎖組成。
章 可編程控制器（PLC）的簡介
1.1 可編程控制器的定義
PLC是一種可編程的數字邏輯控制設備，早期用于開關量的邏輯控制，多用作控制電動機正反轉和電磁閥的開關動作，從而控制機械設備的運轉。只要合理分配輸入、輸出點，根據控制要求設計梯形圖，采用基本指令和步進指令就可達到控制目標。隨著控制要求的不斷提高，許多PLC生產廠家進一步優化和完善PLC 的功能，增加了功能指令，大大拓寬了PLC的應用范圍，使PLC 在某種程序上可以代替控制器和計算機的協同工作系統，為工業生產和民用控制設計提供方便。?
1.2 PLC的基本結構
PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為：
　　a、電源
　　PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去
　　b. 中央處理單元(CPU)
　　中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。
　　為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。
c、存儲器
　　存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。
　　存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
　　d、輸入輸出接口電路
　　1．現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現場控制的接口界面的輸入通道。
　　2．現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。
　　e、功能模塊
　　如計數、定位等功能模塊。
　　f、通信模塊
　　如以太網、RS485、Profibus-DP通訊模塊等。
1.3 PLC程序設計方法
1、分析控制系統的控制要求
　　熟悉被控對象的工藝要求，確定必須完成的動作及動作完成的順序，歸納出順序功能圖。
2、選擇適當類型的PLC
　　根據生產工藝要求，確定I/O點數和I/O點的類型（數字量、模擬量等），并列出I/O點清單。進行內存容量的估計，適當留有余量。根據經驗，對于一般開關量控制系統，用戶程序所需存儲器的容量等于I/O總數乘以8；對于只有模擬量輸入的控制系統，每路模擬量需要100個存儲器字；對于既有模擬量輸入又有模擬量輸出的控制系統，每路模擬量需要200個存儲器字。確定機型時，還要結合市場情況，考察PLC生產廠家的產品及其售后服務、技術支持、網絡通信等綜合情況，選定性能價格比好一些的PLC機型。
3、硬件設計
　　根據所選用的PLC產品，了解其使用的性能。按隨機提供的資料結合實際需求，同時考慮軟件編程的情況進行外電路的設計，繪制電氣控制系統原理接線圖。
　4、軟件設計
　　（1）軟件設計的主要任務是根據控制系統要求將順序功能圖轉換為梯形圖，在程序設計的時候好將使用的軟元件（如內部繼電器、定時器、計數器等）列表，標明用途，以便于程序設計、調試和系統運行維護、檢修時查閱。
　　（2）模擬調試。將設計好的程序下載到PLC主單元中。由外接信號源加入測試信號，可用按鈕或小開關模擬輸入信號，用指示燈模擬負載，通過各種指示燈的亮暗情況了解程序運行的情況，觀察輸入/輸出之間的變化關系及邏輯狀態是否符合設計要求，并及時修改和調整程序，直到滿足設計要求為止。 　　
5、現場調試
　　在模擬調試合格的前提下，將PLC與現場設備連接。現場調試前要全面檢查整個PLC控制系統，包括電源、接地線、設備連接線、I/O連線等。在保證整個硬件連接正確無誤的情況下才可送電。將PLC的工作方式置為“RUN”。反復調試，消除可能出現的問題。當試運一定時間且系統運行正常后，可將程序固化在具有長久記憶功能的存儲器中，做好備份。
1.4 可編程控制器與其他工業比較
基于PLC的別墅型車庫自動門管理系統，PLC就物理結構來說有豐富的輸入輸出端，而從PLC的邏輯結構來看，內部有許多軟元件，如輸入輸出繼電器、輔助繼電器、狀態器、計時器和數據寄存器及器件所對應的常開常閉接點，方便對車輛進出、停放的信號輸入。
大多數PLC的編程方式都有梯形圖編程、指令表編程和順序功能圖(SFC)編程，特別是梯形圖編程方式，直觀易懂。除了運用基本指令可以完成大量工作，功能指令的擴展更為系統開發、調試和維護帶來許多便利，本文以梯形圖編程方式設計停車場管理系統，無論從設計到功能分析都是極為方便的。
可編程控制器的原理是在確立了工作任務，裝入了專用程序后成為一種專用機，它采用循環掃描的工作方式，系統工作管理及應用程序執行都是按循環掃描方式完成的。一次循環可分五個階段，分別為內部處理階段、通信服務階段、輸入處理階段、程序執行階段、輸出處理階段。
第二章 汽車車庫自動門電氣控制系統的控制要求
用PLC控制車庫大門的自動打開和關閉，以便于讓汽車進入車庫。本車庫與住宅相連，人進出車庫通過車庫與住宅之間的門進入。
（1）用電子鎖控制車庫門自動打開，自動打開車庫內照明燈，小車進入后自動關門。用電子鎖關掉照明燈。
（2）可以用聲控控制照明燈打開，延時10秒后熄滅。
（3）當室內光線較好時，照明燈不工作，反之工作。
2.1 可編程控制器PLC的選型
PLC目前主要的品牌有：美國AB，比利時ABB，松下，西門子，匯川，三菱，歐姆龍，臺達，富士，施耐德，信捷 創研等。
本設計中采用西門子公司的S7-200型PLC,其優越的性能表現為極高的可靠性極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。
1.S7-200的特征
(1) 體積小, 尺寸: 160×80×62mm由于其緊湊的設計,S7- 200可以適合于任何機器控制環境。
(2) 易于使用: 通過STEP7- Micro/Dos軟件可以非常方便地為S7- 200編程,而且該軟件能夠在任何一臺IBM兼容個人計算機上使用,哪怕是一臺286 的微機,要求MS-DOS5.0以上。
(3) 靈活多用: S7- 200的輸入/輸出點可以支持各個領域的設備,如: 光電傳感器,驅動馬達按鈕開關,燈,泵,攪拌器等。
2.S7- 200的主要組成部件
(1) 中央處理器(CPU):是控制系統的大腦,它根據用戶程序進行控制,此次選擇CPU224作為本設計的主機。
(2) 輸入和輸出(I/O):是系統的控制點,輸入用于監視現場裝置，輸出用于控制執行機構。
(3) 編程口:用于連接編程設備,例如,一臺計算機或一個手持編程器如圖2-1所示。
圖2-1 S7-200簡易組成連接圖
3. 編程軟件
S7-200的編程軟件叫做STEP7-Micro/Dos它基于MS-Dos5.0上的版本。STEP7-Micro/Dos 的編程語言有兩種表示方法:指令表和梯形圖。
2.2 汽車車庫自動門電氣控制系統的平面圖
汽車車庫自動門電氣控制系統控制的平面圖如圖2-2所示。
圖2-2 車庫自動門平面圖
2.3汽車車庫自動門電氣控制系統的主電路圖
要使車庫自動門自動工作，需要使用一臺電動機正反轉驅動卷簾門打開和關閉。車庫自動門電動機正反轉主電路圖如圖2-3所示。
圖2-3 車庫自動門主電路電路圖
第三章 汽車車庫自動門電氣控制系統的設計
3.1 汽車車庫自動門電氣控制系統的順序流程圖

圖3-1 車庫自動門控制流程圖
3.2汽車車庫自動門控制系統的I∕O分配表
當車到達車庫門口時，用電子鎖打開車庫庫門，電動機正傳卷簾門打開，同時自動或聲控(延時10秒)打開照明燈（當室內光線差時）。碰到上限位開關時，電動機停止轉動。當汽車進入到車庫里時，按下電子鎖關門，電動機反轉關閉卷簾門。碰到下限位開關，電動機停止反轉庫門關閉。后用電子鎖關掉照明燈。
當汽車要出庫時，動作與入庫一致。
根據控制要求，輸入輸出分配表如下所示。
輸 入
名稱
SB1
SQ1
SQ2
SB2
SB3
SB4
SB5
表3.2輸入輸出分配表
3.3汽車車庫自動門控制系統設計的外部接線圖

圖3-3 外部接線圖
3.4汽車車庫自動門電氣控制系統的梯形圖設計
控制過程：按下電子鎖開關I0.0，電動機正轉卷簾門打開，同時照明燈打開。當電動機正轉碰到上限位開關I0.1時，電動機停止轉動卷簾門停止打開。汽車開始駛進車庫。全部進入后，按下電子鎖I0.3關門，電動機反轉卷簾門開始關閉。當到達下限位開關I0.2時，電動機停止轉動，卷簾門關閉完成。后按下I0.5關閉照明燈。或者有一個聲音信號I0.6聲控開關促使照明燈打開，計時器開始計時，10秒后照明燈自動關閉。如此循環。
小結
拿到這個課題時，我次讀過去，腦袋里留下了大概的設計要求。就是電動機正反轉控制自動門的打開與關閉，還有就是限位開關控制自動門電動機的到位停止。這是汽車進出庫必須的要求。還有就是室照明燈的要求。這些都是一些簡單的控制，看一下就可以想象出來車進出的情況。但是到了真正編寫程序的時候，發現并不是那么的容易。車庫門電子鎖打開，如果光線差的話照明燈也打開。然后車進入庫內，門自動關閉。到了這一環節，我一開始是考慮用兩個壓力傳感器庫外庫內各一個，當車入庫時，碰到外面的傳感器時自動門不動作，而碰到室內的壓力傳感器時門就會關閉，車出庫時反之。可是，當我在編程序的時候，發現并不是那么簡單，編著編著發現我自己就被繞進去了。后來沒辦法去求助了一下同學，研究了好長時間，發現我們能力有限，雖然很簡單，但是卻很饒人。于是我就回來繼續思考，我想到了另一個方案，就是在自動門的下面放一個壓力傳感器，然后用一個定時器，30秒左右的時間，當汽車走到車庫門口時，碰到壓力傳感器，然后計時器開始工作，30秒后接收到信號，門開始自動關閉。并且簡化了程序，避免了兩個傳感器交叉使用時會產生的混亂。但是，我又發現另一個問題，如果車行道門口突然停住了，定時器五秒后門開始關閉，這樣的話就出現了一個致命的錯誤，而且上網查了一下壓力傳感器的價格，發現他不是太便宜，用在家用車庫中不切實際。結果發現不可行。
后來，經過老師的指導，用電子鎖控制自動門的關閉，結果發現可行，并且能達到要求的控制要求。

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