基于PLC的地铁屏蔽门系统设计

摘要
可编程序控制器（PLC）是近年来发展迅速的工业控制装置，它因为具有强大的稳定性、安全性以及维修便利等优点而应用于工业企业各个领域。地铁作为当代一二线城市最重要的公共交通工具，其安全性以及稳定性至关重要。
以PLC为控制核心，本课题设计了一种地铁屏蔽门控制系统，该系统主要由感应器件、传动装置、驱动装置和PLC等组成。本文详细介绍了地铁自动门控制系统在地铁运行过程中的工作原理，介绍了PLC、空气开关、感应器件等主要元器件的选型，完成了硬件电路设计和系统软件设计，最后通过仿真分析验证了该系统的功能。

关键词：可编程控制器；地铁屏蔽门；梯形图

ABSTRACT
Programmable Logic Controller (PLC) is a rapidly developing industrial control device in recent years, which is applied in various fields of industrial enterprises due to its strong stability, safety, and convenient maintenance. As the most important public transportation tool in contemporary first and second tier cities, the safety and stability of the subway are crucial.
With PLC as the control core, this project designs a subway screen door control system, which mainly consists of induction devices, transmission devices, driving devices, and PLC. This article provides a detailed introduction to the working principle of the subway automatic door control system during subway operation, introduces the selection of main components such as PLC, air switch, and induction device, completes the hardware circuit design and system software design, and finally verifies the functionality of the system through simulation analysis.

Key words: programmable controller; subway screen doors; ladder diagram

目录
第1章绪论
1.1 课题研究意义
1.2 地铁屏蔽门系统的研究现状
1.3 本课题的研究内容
第2章系统总体方案设计
2.1 系统功能分析
2.2 控制方案选择
2.3 系统方案设计思路
第3章硬件设计
3.1 主要元器件选型
3.1.1 PLC选型
3.1.2 空气开关选型
3.1.3 交流接触器选型
3.1.4 热继电器选型
3.1.5 中间继电器选型
3.2电路设计
3.2.1主电路设计
3.2.2 PLC I/O点接线图
3.2.3 电机主电路图
3.2.4 电机控制接线图
3.3 IO表
第4章软件设计
4.1 程序流程图
4.2 程序说明
第5章系统仿真设计
5.1 组态软件简介
5.2 监控系统的设计
5.2.1 组态王的通信参数设置
5.2.2 新建工程与组态变量
5.2.3 组态画面
5.2.4 监控系统界面设计
结论
参考文献
致谢
附录
附录A 语句表
附录B 组态王程序

第1章绪论
1.1 课题研究背景
随着科技的不断进步、人民对物质发展不断的提高，城市规模不断扩大，导致交通从城市效率快速增长到有效区域，从郊区快速增长到市中心。为了满足当今人们的出行需要，在大力发展城市轨道交通时，我们不仅要追求速度性，更要重视安全、舒适和节能等要求，地铁站台自动门是最好的解决方案，因此屏蔽门具有广阔的市场前景[1]。PLC可以编程为控制器，是一种专门从事工业领域自动控制的控制单元。在中国目前的工业自动化领域，人们对PLC的操作已经越发熟练，从而体现出了其安全稳定、操作简单、小巧别致等各种优点。随着我国信息技术的不断提高，对PLC的使用更趋向于远程控制和智能网络控制。为了满足人们的需求，具有互联网通信能力的PLC和外围产品已经接连被全球PLC制造商推出。PLC控制的自动门控制门因为具有易维护、少出故障等优点，而得到了广泛普及[2]。
1.2 地铁屏蔽门系统的研究现状
随着城市化水平迅速提高，中国正处于大规模城市化发展阶段，在出行方面面临着最大的问题是地面交通堵塞，这导致人们出行所需时间太长以及到达目的地时的时间不可控。地铁的优点在于运载能力强、高速行驶、时间准点、安全可靠、节能环保等，满足了当代一、二线城市居民对出行的要求。因此，地铁被视为解决城市公共交通问题的最有效途径。除了像北京、天津、上海等已经有地铁的大城市之外，大多数省会城市和人口超过百万的二级城市也纷纷修建地铁。地铁门一般分为隐藏门、外悬门和推拉门。早期的地铁，如北京1号线和2号线、上海1号线、2号线和广州1号线，都使用内隐门。然而，外挂门在中国的应用并不广泛，只有广州地铁2号线采用了外挂门。随着技术手段的不断进步，同时，由于使用滑动门的车身具有美观、气密性好的优点，不断被更多的制造商所接受，如深圳地铁一期、在建的南京地铁2号线等都使用滑动门。
自20世纪90年代以来，自动化技术在其他强国都得到了迅速发展，并超出了预期的成就。作为自动化技术的重要组成部分，自动门在现代人的生活中发挥着重要作用。它们可以节省空调能源、噪声消除、阻挡尘风，并使入口和出口看起来更加高质量。自动门技术非常成熟，已经被广泛应用于各个领域。因此，它们是广泛存在的。站台门于20世纪60年代首次出现在列宁格勒（今天的俄罗斯圣彼得堡）的地铁中。然而，当时站台门的滑动门是由全钢材料制成的，滑动门外的站台部分被石墙包围，既不美观又非常耗能。此外，等待火车的乘客无法确定火车是否停在车站，直到钢制滑动门突然打开，知道他们是否可以上车。因此，这种钢平台门系统没有得到推广。自1983年，法国VAL Lille Metro因为巴黎地铁一号线高峰期人流量太大而为站台安装了西门子制造的滑动玻璃门，这象征着第一代的站台门系统正式运用到生活当中。在经过几十年的更新换代，站台门系统逐渐在全世界得到推广和应用，成为地铁系统的重要组成部分。在我国，最早使用该系统的城市是广州，于2002年底投入运营。因得到不错的反响所以推广到了全国各大城市[3]。
1.3 本课题的研究内容
本课题设计了一种以PLC为控制核心的地铁屏蔽门控制系统，研究内容主要包括元器件选型、硬件电路设计、软件设计、系统仿真分析等几个方面。本文各章节的研究内容如下：
第1章，阐述研究课题的意义、概括国内外研究现状以及列举研究的主要内容，分析出本课题的研究重点与意义。
第2章，介绍基于PLC的地铁屏蔽门系统总体方案设计。先讲解系统构造的原理图，从而让我们了解本设计的系统架构。再通过工艺流程图从而体现了本设计整体的工艺流程，同时也进一步说明了本设计的整体构造思路。再通过系统方案框图阐述了本设计整体的电气控制以及系统方案操作流程。
第3章，对地铁屏蔽门系统进行软件设计。设计电路图和I/O接口图再对电机和PLC等所有器件进行选型。最后利用CAD画出了本设计的总电路图及详细的元器件清单。
第4章，完成地铁屏蔽门系统进行软件设计。画出软件流程图，再用V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9编程软件编写出的梯形图，满足运作要求。
第5章，进行仿真设计。采用组态王画出操作界面的仿真模拟。通过上位机与PLC之间的连接，从而达到上位机对PLC进行控制的目的，并能对基于PLC地铁屏蔽门设计方案的工作情况进行实时监控。
第2章系统总体方案设计
2.1 系统功能分析
本课题设计的基于PLC控制的地铁屏蔽门系统应具备以下功能。
（1）开门和关门控制有手动式和自动式。
（2）当列车即将驶进站台时，信号采集设备会通过对其进行检测从而开启功能，先进行延时，PLC动作，输出信号接通开始控制电机，用电机的正反转来代表开门或者关门。
（3）紧急停止，闭合紧急停止开关，自动门将重新自动开启，此开关用于各种突发情况，如门关闭不完全，夹人等。
（4）蜂鸣器和闪光的提示功能，当地铁自动门开启和关闭时，PLC输出信号给蜂鸣器和闪光，以提醒来往行人注意[4]。
（5）在此控制过程中，为了保证其安全性，设置过载保护和紧急停车[5]。
（6）考虑到主动门若出现故障时，使用自动控制系统有所不适，于是设置手动开关和手动关门。
（7）手动按下按钮，门打开到底或门关闭到底。
（8）车门不关门不允许运行。
2.2 控制方案选择
选用PLC控制系统，是因为其在典型的控制器传统中（模拟电路控制、PLC电路控制、单片机电路控制和计算机控制）PLC相对的简单易懂，梯形图是最常用的编程语言之一。它是基于继电器逻辑的思想，采用图形化的方式表示控制程序。而且，PLC有较强的可靠性和抗震、防潮、耐热等能力[6]。具有以下优点：
（1）控制方式上看：PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式上看：PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：PLC无编程控制系统由半导体控制，速度快，无触点因此无抖动
（4）定时、记数看：PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽：有记数功能。
（5）可靠、维护看：PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便[7]。

图 2.1 系统框图
2.3 系统方案设计思路
本课题研究的是基于PLC的地铁屏蔽门控制系统设计。这个设计方案运用了智能传感器从而实现对地铁自动门的控制，同时利用PLC来对整个系统进行运行控制。所以我们先设计出主要的流程。
在设计系统时我们要考虑以下几点。
（1）在分析被控对象时，需要对其特点进行详细的分析过程。此外，还需要对控制对象的硬件设计、电气和流体控制对象之间的系统控制要求进行工作理解。这些分析和工作理解的结果可以帮助我们更好地设计和实施控制方案。
（2）深入了解当代自动门工艺是否能满足要求。
（3）确定PLC的I/O，根据系统控制的要求，以确保所有必需的输入装置（如按钮，位置开关等）和各种传感器和输出设备（如：接触器，电磁阀等）。
（4）选择PLC的型号，PLC选择包括对机型、容量、I/O模块、电源等[8]。
（5）选择确定I/O点的PLC，编制出输入输出分配表。
（6）根据要求，严谨的设计出自动屏蔽门的梯形图程序。
（7）将程序输入进测试软件进行调试。
（8）不断的对系统进行调整修正直至成功无障碍运行。

第3章硬件设计
3.1 主要元器件选型
3.1.1 PLC选型
此次设计的系统输入点数需要18个输入点，而输出点数数需要10个，总计需要28输入点数，而此次选用CPU224XP有14个输入点数，输出点数有10个，总计24个点数，那么输出输入点数最不够，因此需要外加一组8通道的模拟量输和输出模块，且有余量，这样即满足当前的设计系统，又有余量，为后期设备更改做考虑；因此此次设计的项目选用224XPPLC。

图3.1 PLC实物图
表 3.1 PLC的实物参数表
型号#   CPU 224XPCN
订货号   6ES7-214-2BD23-0XB0
功耗   14W
板载数字I/O#   14点输入/10点输出！
布尔运算   0.15μs
#电压范围   85~264V AC#
3.1.2 空气开关选型
空气开关的固定载体允许通过的电流有几安至几百安，如10安培的和600安培的，当电流超过规定值或人身触电时，剩余电流动作断路器能快速切断故障电源，保护人身及设备安全。同时，可保护线路和电动机过载或短路。产品适用工业、商业、高层建筑和住宅各种场所。当人身触电或电网泄漏电流超过规定值时，当电线超载空气开关仍不会跳[9]。

图3.2 空气开关实物图

3.1.3 交流接触器选型
交流接触器NC7系列（以下简称接触器）适用于交流50Hz（或60Hz）电路，额定工作电压至690V，在AC-3、400V的使用类别下，额定工作电流至620A，该器件不仅能用于远程控制电路的通断，还能与适当的热过载继电器组合后形成电磁启动器，用于保护因发生操作而过负载的电路。接触器适用于频繁地起动和控制交流电动机。符合标准：GB14048.4、IEC 60947-4-1。吸合电压动作范围为：85%Us~110%Us；释放电压为：20%Us~75%Us[10]。
辅助触头基本参数 AC-15：360VA DC-13：33W lth，交流磁系统接触器具有具有高可靠性、轻便小巧、能耗低等特性。

图3.3 交流接触器实物图

3.1.4 热继电器选型
根据各自适用情况选择，例如，对于大容量电动机，可采用专用的变压器JR20-160及以上的热继电器；对于重载起动电动机，则可采用3VA式热继电器等等。重要的是,某些类型的热继电器,如JR0 JR9, JRl4, JRl5, JRl6 - A, B, C, D,等等已经再我国已经下令禁止使用,热继电器主要用于电机的过载保护，所以在选择时必要要慎重考虑热继电器的适用环境，需要了解工作环境的状态、负载性质、启动马达和允许过载能力等因素。在现代安全意识日益提高的情况下，热继电器应该能够充分发挥电机的过载能力，同时确保短时过载不会影响电机起动力矩。因此，在选择时应根据各自的适用情况进行决策。如大容量电动机用的自带专用互感器的JR20-160及以上的热继电器。

3.1.5 中间继电器选型
接触器通过主触头处理高强度电流，而中间继电器的触点只能承受小电流，所以它们通常只用于控制电路中。由于它们的过载能力较小，所以中间继电器通常没有主触点。所以它们使用辅助触点，数量较多。它们的使用要考虑多个因素，包括海拔高度、环境温度、湿度和电磁兼容性等[11]。

3.2电路设计
3.2.1主电路设计
在3.6所述的QF2处，在设计过程中接通其中的任意一根火线和一根零线接通到漏电开关QF2处，然后相联到熔断器FU1处，如何漏电开关检测到目前的开关电源发生故障时，则漏电开关QF2和熔断器FU1都会进行一个保护性的动作，从而保证设备的工作可靠性、安全性和可靠性等；然后外接三个电源指示灯，用于显示当前的电压是380V，其具体的接线如图3.6所示。

图3.6 主电路接线图
3.2.2 PLC I/O点接线图

图3.7 PLC I/O接线图
如图3.7所示，图纸中PLC外围部件I0.0接入急停开关、图纸中PLC外围部件I0.1接入手动打开开关、图纸中PLC外围部件I0.2接入手动关闭功能、图纸中PLC外围部件I0.3接入第一组打开位置检测、图纸中PLC外围部件I0.4接入第一组关闭功能、图纸中PLC外围部件I0.5接入第二组打开位置检测、图纸中PLC外围部件I0.6接入第二组关闭功能、图纸中PLC外围部件I0.7接入第三组打开位置检测、图纸中PLC外围部件I1.0接入第三组关闭功能、图纸中PLC外围部件I1.1接入第四组打开位置检测、图纸中PLC外围部件I1.2接入第四组关闭功能、图纸中PLC外围部件I1.3手动第一组关功能。
3.2.3 电机主电路图
电机主电路图如图3.8所示，项目设计过程中需要用到交流电机进行驱动机械动作，而机械属于高负载的产品，需要用大型电机进行驱动，那么交流电机工作时产生的电流也很大，常规的中间继电器不能驱动当前的交流电机进行工作，所示需要用到特制的交流接触器进行驱动当前的交流电机马达工作，在交流电机马达工作的主电路中，其具体的接线图如下图所示。

图3.8 电机主电路图
3.2.4 电机控制接线图
在图3.9所示，一般电机控制电路分别由中间继电器部件、交流接触器部件、热继电器部件等组成，俗称电机的“三大件”，整体控制逻辑分别是火线进线中间继电器的常开触点的上端头，中间继电器下端头接入交流接触器的A1端子处，其交交流接触器的A2处接入当前的热继电器FR的95处常闭点，热继电器FR的96处常闭点接入单相电中的零线，不会随着本身的故障而影响其整体的设备。