《课程设计_基于西门子PLC密码锁电气控制系统的研究》.doc

目 录前言·····················································1第一章 绪论·············································2·······································2第二章 密码锁的硬件设计······························42.1 S7200PLC的系统组成······························42.2 控制要求···········································5 PLC的选型··········································52.4 I/O口分配表········································6 2.5 PLC外部接线图······································8第三章 密码锁的软件设计································9·············································9程序分析··········································16 程序设计的局限性和优点····························17小 结············································18致谢···············································19【参考文献】···········································19基于西门子PLC密码锁电气控制系统的研究【摘要】 本设计是采用西门子PLC来设计密码程序的，程序中应用到了近20 个计数器。设计的密码锁外观图类似于银行取款机台上的键盘。给人感觉就和那种输入密码的过程一样。其实不然，本设计中采用了计数器控制的特点，每个计数器的次数设定为几次那么所对应的按键就要按几次。本设计分为开锁环节和解锁环节，开锁环节设定六个按键有效，解锁环节设定了七个按键有效，这样一来设定的开锁密码位数就大于等于六位了，解锁密码位数就大于等于七位。要看计数器设定的次数而定。如果密码锁报警的话必须先输入解锁密码，后输入开锁密码方能开锁。【关键词】 密码锁 可编程序控制器 梯形图前 言PLC具有控制能力强、可靠性高、使用灵活方便和易于编程、扩张、通信等一系列优点，是当今及今后工业控制的主要手段和控制核心，因此PLC技术、数控计数、计算机辅助设计、计算机辅助生产以及机器人技术、已并列为现代工业生产自动化的四大支柱。西门子是中国多个业务领域的领先工业解决方案供应商，在制造业自动化、流程工业自动化、运动控制、驱动、低压控制以及电气安装技术方面提供了各类创新、可靠、高效和优质的产品。并全面提供系统的解决方案和服务，产品涵盖范围广，在信息、通信、自动化与控制、电力、交通医疗、照明等各个行业领域处于优势。本设计以德国西门子公司的S7200系列为主，主要介绍了PLC的产生定义及分类，具体介绍了S7200系列的组成、性能特点及基本功能，主要性能指标和输入输出系统，通过S7200 CPU226型PLC介绍了本设计的全过程，从而实现了密码锁的PLC控制。第一章 绪论随着人们生活水平的提高，如何实现家庭放到这一问题也变得尤其的突出，传统的机械锁由于其结构的简单，被撬的事件屡见不鲜，同时，季节所一般配有金属钥匙，带起来太重，万一弄丢了，所可能就没用了。电子锁保密性高，密码泄露了，换个密码，锁照样能用；使用灵活性好，安全系数高，能够防止不法分子多次试探密码；性价比好，因此，密码锁受到了广大用户的青睐。出于安全、方便等方面的需要，许多智能锁（如指纹辨识、IC卡辨识）已相继问世，但这些产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能使用与保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜。房间等，而且卡片式IC卡还有易丢失等特点，加上成本比较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。远古时代，锁最初的样式只是用于捆绑物品的绳子和绳结，以表示主人对物品的占有。在古希腊著名的传说里，马其顿过往的王子亚历山大侵入阿拉伯半岛，占领了格尔迪奥恩。在承德街道中心有的神殿中摆放有一辆古老的战车，战车上市著名的“格尔迪奥斯绳结”，根据传说解开绳结的人就是亚洲的统治者。亚历山大都无法解开它。左后，他拔出了宝剑，用亚历山大的方式，一剑将绳结砍成两断。不过锁具的发源，却并不是从亚历山大的王国开始。世界各国的专家们普遍认为锁具的发源中心有两个：一个是两河流域及埃及，最后传到希腊、罗马甚至整个西欧，直至英伦三岛，再到美国；另外一个中心就是中国，北上传入朝鲜，东上传入日本，南下传入越南等地。这一切变化，都发生在人类有了房间和房门以后。最初限定房门的只是粗陋的木栓它逐渐演变成额更为结实的金属锁，为了能把它们插在锁里固定住，机构中便使用了发条和簧片这些装置的结构位置加以改变，各种制式的锁具便诞生了出来，为了打开它们，我们需要特定的钥匙。早期的各种机械锁定装置是基于各种力学原理的基本之上创造出来的。钥匙的功能就是使锁内的锁定机构发生相应的变动，在开锁（解码）的过程中，只有当钥匙编码和锁编码经机构内鉴别确认一致匹配时，才能通过传动机件是锁栓、锁舌动作，释放锁扣，顺利解码。机械锁具的安全性能，依靠两条机械原理，一是依靠锁内的障碍物，阻止假钥匙进入旋转，第二则利用一个或多个可移动的限位物，安装在锁内，由钥匙决定它是否在之前预定开启的位置，其数量越多，安全系数也相应提高。电子锁是采取电子电路控制，以电磁铁或者卫星电机和锁体作为执行装置的机电一体化锁具，相比传统的机械锁具，电子锁不适用金属钥匙，保密性、精度都有很大提高。电子所得发明思路，源自古代发明的自动机械，例如古希腊数学家赫伦的液压自动门，中国古代诸葛亮的木牛流马，它们以 重力或蒸汽压力驱动，最广泛的用途乃是用在古代木道德地下机关。电子工业的诞生，使得一微小电量驱动机械成为可能，于是有了电子锁一日潜力的跃进。据有关资料介绍，电子锁得研究从30年代就开始了，在某些特殊场所早就有所应用。研究这种锁的初衷，是提高锁的安全性，因为电子锁的密码钥量（密码量）极大，可以和机械所配合，避免因钥匙被仿制而出现的问题。在安全性极高的前提下，他的另一个特点无需钥匙却被越来越多的人 所欣赏。因为人们携带的要是很多已经成为累赘，而电子锁只需要记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们的烦恼，电子所得种类繁多，从大的方面讲可能有数十种，例如数码锁、指纹锁、卡片锁、磁卡锁、生物锁等等。但是能谈的上实用一些或者大众化一些的还是按键式电子密码锁，这是一种操作方式类似于银行取款机式的电子锁，通过键盘上的数码按键依次输入一组密码，如果密码与内部已约定的密码相同，则输出一个电信号，以驱动电磁铁或者小马达将门闩打开，完成一个开锁过程。进入20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子所得体积缩小，可靠性提高，廉价产品开始出现。实用性已经具备，可以说已经有了冲击机械所市场的条件。第二章 密码锁的硬件设计2.1 S7200PLC的系统组成一S7200 的系统基本构成S7200是西门子公司前几年投入市场的小型可变程序控制器，可以单机控制，也可以进行输入|输出和功能块的扩展。S7200属于整体式结构，它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，具有很高的性能价格比。根据控制规模的大小（即输入|输出点数的多少），可以选择相应的CPU主机。除了CPU221以外，其他CPU主机均可进行系统扩张，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。同其他的PLC一样，S7 200的系统基本组成也是由主机单元加编程器组成。在需要进行系统扩展时，系统组成中还可以包括：数字量扩展单元模块、模块量扩展单元模块、通信模块、网络设备、人机界面（HMI）等。二、主机单元S7200的主机单元的CPU共有两个系列：CPU21X及CPU22X。CPU21X系列包括CPU212，CPU214，CPU215，CPU216，CPU22X系列包括CPU222，CPU224，CPU226，CPU226XM。由于CPU21X系列属于S7200的第一代产品，不再做具体介绍。CPU22624输入/16输出共40个数字量I/O点；可连接7个扩展模块单元，最大可扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O；13KB的程序和数据存储器空间；6个独立的30 KHZ的高速计数器，2路独立的20KHZ的高速脉冲输出；具有PID控制器；2个RS485 通信/编程口；具有多点接口（Multi Point Interface，MPI）通信协议；具有点对点（Point to Point Interface，PPI）通信协议； 具有自由通过信口； I/O端子排可以很容易地整体拆除；2.2 控制要求1).如图2-1所知，密码锁共有14个按键，分别为：启动按钮SB1，停止按钮SB12，复位按钮SB13，未知按钮（主人知道它的作用）SB14，按钮0，按钮1，按钮2，按钮3，按钮4，按钮5，按钮6，按钮7，按钮8，按钮9。 2)系统按启动按钮后，开锁开始，顺序依次输入正确的密码，否则累计3次输入错误密码不能再输入，此时报警接通并开始报警，时间为1分钟。按照顺序和按压次数依次按下6个按钮完成输入，然后执行开锁动作。 图2-1密码锁面板图3)当不小心按错密码时可按一下复位按钮重新输入密码，有3次机会，达到3次输入错误的密码报警器开始报警。4)因为不能输入开锁密码，只有当主人来了以后按一下未知按钮SB14，然后输入解锁密码即可解除锁定，然后再输入正确的开锁密码即可开锁。 PLC的选型 随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC其结构形式，指令系统，编程方式，价格等各有不同使用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有重要意义。PLC的选择主要从机型。容量。输入输出模块，电源模块，特殊功能模块，通信联网能力等方面加以综合考虑，即下面对于几个重要的方面进行选择。 1I/O的确定 盲目选择点数多的机型会造成浪费。要先弄清楚控制系统的输入输出的总点数，再按实际所需总点数的15%-20%留出备用量为系统的改造等留出余 地，后确定所需PLC的点数，I/O点数也是PLC系统规模大小的量度：I/O口总数=（输入总数+输出总数）* 20%+输入总数+输出总数 =212存储容量的选择 对于用户存储量只能作粗略的估算，在反对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出总点数乘5字/点估算；最后，一般按估算容量的100%-200%留有裕量。对于缺乏经验的设计者来说，选择容量时留有的裕量应大些即计算如下：存储容量=（输入总数*5+输出总数*8+计数器定时器总数*4）*(1+200%) =567字3I/O模块的选择 在PLC控制系统中，为了实现生产机械的控制；需要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。PLC经过计算处理后再将结果以数字量的形式输出，此时也把该输出变换为适合于生产机械控制的量。输入模块选择是应考虑：输入信号的不同即数字量和模拟量；根据现场设备模块之间的距离进行选择，一般为，和直流电源。输出模块有继电器，晶体管和晶闸管种工作方式，继电器输出用于交直流负载，其特点带负载能力强，但动作频率与相应慢。综上所述输入模块为数字量输入用直流电源供电，输出模块是选用继电器输出。综上所述分析得，选择的PLC为西门子，类型为S7200系列CPU226,为整体式 I/O口分配表，确定输出输入的PLC地址，及其各个按键的功能。如表（1）所示I/O口分配表。I/O口分配表功能器件PLC的地址启动SB1按钮1SB2按钮2SB3按钮3SB4按钮4SB5按钮5SB6按钮6SB7按钮7SB8按钮8SB9按钮9SB10按钮0SB11停止按钮SB12复位按钮SB13未知按钮#（解锁）SB14开锁线圈KM1Y1报警器KAY2按钮指示灯HLY0表（1） I/O口分配表图（2-1）PLC外部接线图2.5 PLC外部接线图根据控制要求及I/O口分配表画出的PLC外部接线图。如图（2-1）所示注：其中功能栏里面按钮0按钮9的功能是输入密码用的，它们分别代表数字键上的09。启动按钮起到输入密码的开始，必须先按一下启动按钮才能输入密码。停止按钮的作用是当开锁程序结束的时候按一下停止按钮，开锁程序结束开锁，起到省电的作用。复位按钮的作用是当输入密码错误的时候按一下复位按钮，输入的密码全部复位，然后重新输入密码，每复位一次的同时报警计数器技术次计数一次，累计计数三次后报警。其中有个未知按钮#，它其实就是解锁开关，只是在键盘上显示的是#，未标明它的作用，只有主人知道。开锁线圈代表的是一个接触器，它控制门闩上的开锁电磁阀，当开锁线圈Y1得电时电磁阀动作开锁。报警器就是报警装置。按钮指示灯当每按一下按键的时候指示灯都会亮一下，起到证明接通电路的作用。第三章 密码锁的软件设计梯形图如图3-1所示，程序梯形图为：网络1网络2网络3网络4网络5网络6网络7网络8网络9网络10网络11网络12网络13网络14网络15网络16网络17网络18网络19网络20网络21网络22网络23网络24网络25图3-1 程序梯形图3.2 程序分析1.按下，触点闭合，系统启动可按动输入键进行输入。接着按下I0.2 2次，C0K2计数继电器计数2次。接通C0，C0计数器也将接通在下一位的触点C0闭合。接着按下I0.3 3次，C1K3计数继电器计数3次。接通C1，C1计数器工作,也将接通在下一位的触点C1闭合。接着按下I0.4 4次，C2K4计数器计数4次，接通C2，C2计数器工作，也将接通在下一个的触点C2闭合。接着按动I0.5 5次，C3K5计数器计数5次，接通C3，C3计数继电器工作，也将接通在下一位的触点C3闭合。接着按动I0.6 6次，C4K6计数器计数6次，接通C4，C4计数继电器工作，也将接通在下一位的触点才C4闭合。接着按动I0.7 7次，C5K7计数器计数7次，接通C5，C5计数继电器工作，也将接通在下一位的触点才C5闭合。2.0-9这10个按钮都并联在指示灯上每按动一下这10个中的任意一个指示灯都会亮一下。这是为了让开锁的人知道按了一下是否接通了一次，起到确定按钮是否接通的目的。3.如果按以上的程序输入正确的密码，则立即开锁。若不是正确的密码，没输入一次错误后必须要按一下复位按钮才能重新输入六位数的密码，否则达不到开锁的目的。在每复位一次的同时计数器C6就技术一次，直到累计错误的次数达到3次，此时报警器报警，报警时间为一分钟。4.主人回来后，按下解锁开关I1.5，解锁开始主人需按类似以上输入密码的形式输入解锁密码。过程如下：按2次，接着按5次，接着按3次，接着按6次，接着按4次，接着I8次，接着按7下，此过程必须是按照这个顺序按才能解锁，否则无效。5.此程序可以任意修改密码，改密码的方法有两种：一，把每个按钮的位置交换一下，就可以达到了输入顺序的改变。例如和按钮交换一下，就必须先按I0.3 2次后再按I0.2 3次才能继续向下执行，否则就会错误。二，可以改变计数器的计数次数，也可以达到修改密码的目的。因为本设计用的是计数器。假如来个小孩随便瞎按，只要不按到复位按钮也有机会被打开，只要按的次数达到要求。所以在每个开锁部分的计数器后面各加一个计数器，加的计数器设计的次数都比原来的多一次，一旦有人瞎按超过次数就接通计数器C6，累计三次就报警。这样又起到密码保护的作用，安全系数更高。 程序设计的局限性和优点本设计的特点就是程序太长，使用计数器的数量太多，在输入密码的时候设计的密码位数比较多，很容易输错密码。因为考虑到如果有小孩在那瞎按，只要按的次数超过设定的次数且不按到复位键，完全有可能把锁打开，毕竟这种几率还是有的。所以在开锁程序里有分别另外加了六个计数器次数都比前一个多一次，但考虑到计数器用的太多，所以解锁程序里就没有再加更多计数器，这里就存在一定的局限性，也是需要改进的地方。改密码只能通过改动程序中计数器的技术次数来改密码，不能通过按键改动密码。不过本程序也有一定的优点，例如密码位数可以任意改动，密码位数为六位以上，和一般概念上的密码锁有所不同，安全系数比较高。心得体会经过这两周的毕业设计让我把大一至大三的所有的课程都复习了一遍，以前学习的时候学习三菱PLC知识比较多一点，平时编程都是画的三菱的梯形图。现在用西门子PLC设计梯形图。开始还有点不习惯，之所以用西门子PLC做毕业设计也是因为想对西门子PLC有更深刻的了解。经过这一个月的学习，是我对西门子PLC产生了浓厚的兴趣，同时对西门子PLC已经熟悉掌握。密码锁这个课题是个很有趣的课题，之所以选择这个课题也是因为对它产生浓厚的兴趣，亲自设计一个密码锁的程序出来感觉特别的有成就感。当然，我设计的跟现实中的密码锁还是有一定的差距的，还存在一些不足，比如：梯形图不够简便，达到一定的效果比较复杂，编程的方法不够简便，输入密码的过程比较复杂，容易出错等等。但是毕竟我们所学习的内容有限，如果密码锁要是利用单片机来做应该会简单的多，用PLC来做显得有些大材小用。不过我设计的程序还是存在一定的优势的，比如：设计的程序安全系数高，密码比较繁多不容易破解，设计比较全面。本设计使我学到了很多东西，特别是在想问题方面考虑的都特别的全面周到，增强了我的逻辑思维能力，同时对这三年所学习的东西有了新的回顾，也对西门子系列的一些PLC有了新的认识根据自己所需要到达的要求来选PLC知道如何去选所需要的类型的PLC。本设计对我做人也有很大的启示，在对待每件事的时候要有很强的为人处事能力，在处理问题的时候不能焦躁不安，因为做任何事情的时候都或许会需要其他人的帮助，有的时候缺少一个人的帮助就会很好的完成一件事，同时我也认识到知识是活的，学而时用，文质彬彬，要很好的把所学的东西拓展到生活工作中，对待任何事情任何困难才能很容易的克服。【参考文献】1 孙振强.可编程控制器原理及教程M.北京：清华大学出版社，20092 王兆明.可编程控制器原理、应用与实训M.北京：机械工业出版社,20083 许謬.电机与电气控制技术M.北京：机械工业出版社,20084 许謬,王淑英.电器控制与PLC控制技术M.北京：机械工业出版社,2008