李暢基于PLC的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué)院（系）： 電子與電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 李 暢 指導(dǎo)教師： 靳瑞敏 完成日期 2011 年 5 月 學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) design of stage lift control system based on plc 總計(jì)：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31 頁 表 格： 3 個(gè) 插 圖 ： 19 幅 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 理理 工工 學(xué)學(xué) 院院 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文） 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) design

2、of stage lift control system based on plc 學(xué) 院（系）： 電子與電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 李暢 學(xué) 號(hào)： 097409003 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 靳瑞敏（副教授） 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 2011 年 5 月 理工學(xué)院 institute of technology 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 李暢 摘摘要要本課題研究目標(biāo)是開發(fā)一套基于組態(tài)軟件技術(shù)和 plc 控制技術(shù) 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)。具體方案是上位機(jī)選用工業(yè)控制機(jī)，下位機(jī)采用

3、歐姆龍 cpm1a 小型機(jī)，構(gòu)成單個(gè)微機(jī)監(jiān)控多個(gè) plc 的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)起監(jiān) 控和管理作用，下位機(jī)起控制作用。系統(tǒng)包括：集散式吊桿控制系統(tǒng)框架的構(gòu) 建；上位機(jī)吊桿控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件及畫面的設(shè)計(jì)；下位機(jī)單臺(tái)吊桿定位控制系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的吊桿控制定位系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)多采用 繼電器、接觸器控制方式。由于劇場中的吊桿數(shù)量很多，所需要的繼電器、接 觸器數(shù)目龐大，接線復(fù)雜，造成控制系統(tǒng)的可靠性很差的缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞舞臺(tái)吊桿；組態(tài)技術(shù)；可編程控制器；定位控制 design of stage lift control system based on plc electrical

4、 engineering and automation specialty li chang abstract: boom is a suspension device, mounted above the stage, and use it to enhance king films, hanging curtain set, lighting and other stage equipment suspension. the research goal is to develop a set of configuration software-based technology and co

5、ntrol technology platform booms plc control system. host selection of specific programs is the industrial control machine, the next crew cpm1a minicomputer using omron, plc form a single distributed computer monitoring multiple network structure. pc monitoring and management from the role of a contr

6、olling role in the lower computer. systems include: distributed control system framework of boom; upper boom of the crane control system monitoring software and screen design; lower computer control system for positioning a single boom design. designed a plc-controlled single boom control positionin

7、g system. improve the traditional multi-stage boom control system using relays, contactors, control. the boom in the number of the theater a lot, the required relays, contactors, the large number of complex wiring, the control system and the shortcomings of poor reliability. key words: stage boom;co

8、nfiguration technology;programmable logic controller;positioning control 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目目錄錄 1 引言.1 1.1 舞臺(tái)吊桿簡介.1 1.2 課題的背景.2 1.3 課題的目的和意義.2 1.4 系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容.3 2 控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì).3 2.1 控制系統(tǒng)的組成.3 2.2 控制系統(tǒng)基本原理.3 2.2.1 開環(huán)/閉環(huán)控制系統(tǒng).3 2.2.2 控制參數(shù)和模式.4 2.3 硬件電路.5 2.3.1 主電路.5 2.3.2 plc 控制電路 .5 2.3.3 電流速度雙閉環(huán)電路.6 2.

9、3.4 定位控制.6 2.4 變頻器的選擇.6 2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).7 2.5.1 上位機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì).7 2.5.2 下位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì).8 3 可編程控制器控制軟件設(shè)計(jì).9 3.1 可編程控制器的工作原理及編程語言.9 3.2 plc 的選型與接線.10 3.3 控制系統(tǒng)流程圖.11 3.4 控制系統(tǒng)梯形圖.12 4 監(jiān)控軟件及畫面設(shè)計(jì).15 4. 1 組態(tài)王簡介 .15 4.1.1 組態(tài)王軟件的選擇.15 4.1.2 組態(tài)王工作原理.17 4.2 建立組態(tài)王.18 4.2.1 設(shè)計(jì)圖形界面.18 4.2.2 定義設(shè)備.19 4.2.3 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫.19 4.2.4 建立動(dòng)畫連接.21

10、4.2.5 運(yùn)行和調(diào)試.24 結(jié)束語.26 參 考 文 獻(xiàn).27 附錄.28 致謝.30 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 引言 1.1 舞臺(tái)吊桿簡介 劇場是藝術(shù)表演的重要場所，舞臺(tái)機(jī)械則是劇場中不可缺少的設(shè)備，它為 舞臺(tái)演出服務(wù)，實(shí)現(xiàn)藝術(shù)表演所要求的各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。良好的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備 會(huì)豐富表演藝術(shù)效果，為藝術(shù)表演增光添彩。舞臺(tái)機(jī)械根據(jù)其所處位置的不同， 可分為臺(tái)上機(jī)械和臺(tái)下機(jī)械。臺(tái)上機(jī)械主要是懸吊機(jī)械和幕類機(jī)械，它們主要 實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng);臺(tái)下機(jī)械包括車臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、升降臺(tái)等，主要完成平移、 轉(zhuǎn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)。舞臺(tái)機(jī)械和其他機(jī)械(如起重運(yùn)輸機(jī)械等)一樣，屬于機(jī)電設(shè) 備的范圍，其

11、技術(shù)規(guī)律基本相同，只不過它是服務(wù)于劇場舞臺(tái)，產(chǎn)品的功能要 滿足舞臺(tái)演出的需要。舞臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)構(gòu)成和傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品一樣，以機(jī)械、 電氣、液壓和自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)。由于服務(wù)對(duì)象的特點(diǎn)，又與劇場建筑、文 藝演出有著密切聯(lián)系，具有較強(qiáng)的綜合性。因此，各種舞臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品除了遵循 一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原則外，還應(yīng)滿足下述技術(shù)要求: （1）安全、可靠。在舞臺(tái)空間中安置著眾多的機(jī)械設(shè)備，當(dāng)演出時(shí)，演員 的頭上腳下都有舞臺(tái)機(jī)械裝置，對(duì)安全的要求十分突出。 （2）低噪音。舞臺(tái)表演藝術(shù)的特殊環(huán)境，要求各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中 應(yīng)該是無噪音或低噪音，否則會(huì)干擾表演，影響演出質(zhì)量。 （3）定位準(zhǔn)確。舞臺(tái)機(jī)械作為一種技術(shù)手

12、段，是為演出的各種運(yùn)動(dòng)服務(wù)， 因此對(duì)各種機(jī)械裝置的升降、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)的停靠位置要求嚴(yán)格。 （4）控制系統(tǒng)良好。除了對(duì)控制系統(tǒng)的高可靠性外，還對(duì)控制系統(tǒng)的控制 模式提出較高要求，例如既可以手動(dòng)控制，又可以自動(dòng)控制;既可以單控，又可 以組控等1。 生活水平的提高，使得觀眾對(duì)文化藝術(shù)的要求隨之增長，這對(duì)舞臺(tái)電子技 術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。不但劇本內(nèi)容要有創(chuàng)新，舞臺(tái)美術(shù)也要追求不斷 創(chuàng)出新意。文化科技是文化藝術(shù)的重要載體，要促進(jìn)藝術(shù)舞臺(tái)的活躍繁榮，就 需要燈光、音響、舞臺(tái)機(jī)械等舞美技術(shù)手段的配合，需要不斷吸收應(yīng)用高新技 術(shù)，在舞臺(tái)上展現(xiàn)出新的天地?，F(xiàn)代化的劇場建設(shè)，不僅需要先進(jìn)的技術(shù)，而 且必須是能形

13、成規(guī)模的成熟產(chǎn)品。目前發(fā)達(dá)國家舞臺(tái)技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展得很快。發(fā) 達(dá)的歐洲舞臺(tái)機(jī)械很復(fù)雜，臺(tái)上有：吊桿、吊點(diǎn)、燈光渡橋、燈光吊籠、防火 幕；臺(tái)下有：升降臺(tái)、車臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、升降樂池、升降臺(tái)等等。轉(zhuǎn)臺(tái)有多種形式： 有的升降臺(tái)中套轉(zhuǎn)臺(tái)，有的轉(zhuǎn)臺(tái)中合有升降臺(tái)。最先進(jìn)的舞臺(tái)機(jī)械都由微機(jī)系 統(tǒng)或計(jì)算機(jī)加 plc 組成的系統(tǒng)進(jìn)行控制。我國舞臺(tái)技術(shù)產(chǎn)業(yè)起步較晚，大體是 70 年代以前為起步階段，80 年代開始發(fā)展，90 年代前期，以歌舞廳的蓬勃發(fā) 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 展為標(biāo)志，出現(xiàn)了第一個(gè)快速發(fā)展期，目前由于新建改建一批現(xiàn)代化劇場已列 入計(jì)劃，加上由民俗文化村，世界之窗開創(chuàng)的含演出舞臺(tái)的游樂性主題

14、公園的 建設(shè)方興未艾，電視系統(tǒng)、禮堂、會(huì)堂、歌舞廳等對(duì)舞臺(tái)技術(shù)的需求不斷升級(jí)， 正迎來第二個(gè)快速發(fā)展期。計(jì)算機(jī)控制的融入更使得舞臺(tái)技術(shù)的發(fā)展迎來了前 所未有的機(jī)遇。 1.2 課題的背景 早期的吊桿控制是采用繼電器接觸器控制。由于舞臺(tái)上吊桿數(shù)量眾多， 相應(yīng)地所需繼電器和接觸器的數(shù)量非?？捎^，接線也非常復(fù)雜，再加上繼電器 接觸器控制是有觸點(diǎn)控制，使得控制系統(tǒng)的可靠性較差。由于繼電器接觸 器控制僅是簡單的開關(guān)控制，無計(jì)數(shù)、參數(shù)調(diào)節(jié)等功能，故不能實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)機(jī)械 的定點(diǎn)定位控制和無級(jí)變速控制。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使得舞臺(tái)吊桿的定位控制、參數(shù)控制成為可 能。 早期的計(jì)算機(jī)吊桿控制是采用單片機(jī)控制25

15、，行業(yè)內(nèi)稱它們?yōu)閿?shù)字控制 吊桿控制系統(tǒng)。以單片機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小型、價(jià) 格低廉，因此廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表和小規(guī)模的測控系統(tǒng)中。其缺點(diǎn)是硬 件電路和軟件系統(tǒng)都要單獨(dú)設(shè)計(jì)，不能充分利用通用 pc 機(jī)提供的各種軟硬件 資源，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求較高，產(chǎn)品不具有通用性。目前在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用 最多的是各種智能顯示調(diào)節(jié)儀表和智能變換器。 因此，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，吊桿的控制方式經(jīng)歷了從繼電器接觸器控 制系統(tǒng)到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了單片機(jī)控制到 plc 控制。 吊桿的控制功能也經(jīng)歷了從無任意定位功能到有任意定位功能，從無調(diào)速功能 到有調(diào)速功能，從無參數(shù)存儲(chǔ)功能到有參

16、數(shù)記憶功能的發(fā)展過程。 1.3 課題的目的和意義 隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，許多新興城市不斷涌現(xiàn)， 許多大、中城市都把建設(shè)現(xiàn)代化的劇院作為提升城市品味和滿足市民文化娛樂 需求的重要手段，許多現(xiàn)代化的劇院拔地而起。一座現(xiàn)代化劇場的主要舞臺(tái)設(shè) 備有機(jī)械、燈光和音響三大塊。舞臺(tái)機(jī)械又可分為臺(tái)上機(jī)械和臺(tái)下機(jī)械，臺(tái)上 機(jī)械的主要設(shè)備為吊桿。根據(jù)劇場的規(guī)模，吊桿的數(shù)量大約在 30-60 道之間， 一般應(yīng)具備升降、調(diào)速、定位和編組等功能。因?yàn)槲枧_(tái)吊桿要求定位精度較高， 啟動(dòng)、停止響應(yīng)較快，而且要求運(yùn)行可靠、操作靈活;所以傳統(tǒng)的繼電器接觸器 控制系統(tǒng)己難以勝任6。 國內(nèi)從事舞臺(tái)機(jī)械研究單位主

17、要是行業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā) 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 的計(jì)算機(jī)吊桿系統(tǒng)沒有追蹤、了解最新的控制技術(shù)，控制技術(shù)相對(duì)比較落后， 不能適應(yīng)現(xiàn)代化劇院對(duì)舞臺(tái)技術(shù)的要求，表現(xiàn)為系統(tǒng)穩(wěn)定性差、成本高。開發(fā) 基于組態(tài)技術(shù)、工控機(jī)、plc 的集散式控制系統(tǒng)是現(xiàn)代吊桿控制技術(shù)的發(fā)展趨 勢(shì)。 1.4 系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容 本文主要研究由組態(tài)技術(shù)、工控機(jī)和 plc 組成的集散式控制系統(tǒng)在現(xiàn)代舞 臺(tái)吊桿控制技術(shù)中的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容或要達(dá)到的主要功能如下： （1）具有計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制功能和手動(dòng)控制功能相結(jié)合的控制系統(tǒng)。兩套控 制系統(tǒng)相互獨(dú)立、互為備用。 （2）無論是計(jì)算機(jī)控制還是手動(dòng)控制，吊桿

18、均能進(jìn)行升降、定位(任意位 置)、調(diào)速，并具有單控/集控功能。 （3）計(jì)算機(jī)控制還應(yīng)具有編程功能，就是將整個(gè)劇目需要運(yùn)行的設(shè)備設(shè)置 成多個(gè)場次，通過時(shí)間和位置控制，編成程序，在上位機(jī)監(jiān)控下，按單場/全場 兩種方式運(yùn)行。為此應(yīng)建立過程數(shù)據(jù)庫，用來儲(chǔ)存輸入的數(shù)字量、模擬量、數(shù) 字輸出、模擬輸出或者計(jì)算塊、功能塊等過程控制的指令代碼，通過應(yīng)用程序 來完成一個(gè)控制或監(jiān)視。 2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 2.1 控制系統(tǒng)的組成 單從控制作用看，控制系統(tǒng)主要由控制部分和被控制部分組成。控制部分 就是接受控制信號(hào)和被控制部分的反饋信號(hào)，并對(duì)被控制部分發(fā)出控制指令信 號(hào)。被控制部分接受控制信號(hào)，發(fā)出反饋信號(hào)，并

19、在控制信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)被 控運(yùn)動(dòng)。圖 1 為典型的控制系統(tǒng)方框圖。 干擾 給定值 圖 1 典型控制系統(tǒng)方框圖 2.2 控制系統(tǒng)基本原理 機(jī)械系統(tǒng)中所采用的控制系統(tǒng)，根據(jù)信號(hào)傳遞的路徑可分為開環(huán)控制系統(tǒng) 控制器 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 被控 對(duì)象 檢測 裝置 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （1）如果控制系統(tǒng)只是根據(jù)給定量進(jìn)行控制，而被控制量在整個(gè)控制過程 中對(duì)控制作用不產(chǎn)生任何影響，則稱這種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只是 單方向地依一定的程序或規(guī)律實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)應(yīng)每一輸入量就有一個(gè)輸出值。輸 出值的精度完全取決于系統(tǒng)的工作精度，易受各種干擾因素的影響，使輸出值 有較大的誤差。開

20、環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖 2 所示。 給定值 被控對(duì)象 圖 2 開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 （2）如果控制系統(tǒng)是根據(jù)被控對(duì)象的輸出與輸入量之間的偏差來進(jìn)行控制， 通過檢測輸出、計(jì)算誤差并用以糾正誤差的控制系統(tǒng)，其被控對(duì)象的輸出會(huì)通 過某種途徑變換后反饋回輸入端，這就是閉環(huán)控制系統(tǒng)因閉環(huán)控制系統(tǒng)是按反 饋控制原理進(jìn)行的，又稱為反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)在干擾因素作用下，使被控 制對(duì)象的輸出偏離其期望值時(shí)而形成偏差，系統(tǒng)利用這個(gè)偏差，產(chǎn)生相應(yīng)的控 制作用去消除偏差。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)具有抑制內(nèi)部或外部各種干擾的能力， 控制精度較高。舞臺(tái)機(jī)械中的位置控制有些場合需要閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括速度 閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制。閉

21、環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖 3 所示。 比較環(huán)節(jié) x(s) e(s) y(s) + b(s) 控制部分 圖 3 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 由于開環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測誤差，也不能校正誤差?？刂凭群鸵种聘蓴_ 的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。而閉環(huán)控制系統(tǒng)不管出于什 么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化） ，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng) 的控制作用去消除偏差?？刂凭群鸵种聘蓴_的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參 數(shù)的變動(dòng)很敏感。因此舞臺(tái)機(jī)械中的位置控制有些場合需要閉環(huán)控制系統(tǒng)，包 括速度閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制。 控制器 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 被控 對(duì)象 給定環(huán)節(jié)校正及放大環(huán) 節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié) 被控 對(duì)象 測量環(huán)節(jié)

22、基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 2.3 控制參數(shù)和模式的選擇 （1）舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)主要為速度、位置。 速度控制 速度控制在舞臺(tái)機(jī)械中有兩種情況。一種是調(diào)速，如舞臺(tái)大幕、吊桿和轉(zhuǎn) 臺(tái)等，要求其運(yùn)行速度在較大范圍內(nèi)變化，但是精度要求不高，可以采用開環(huán) 控制；另一種是速度精度調(diào)節(jié)，主要用于兩臺(tái)或以上設(shè)備的速度同步控制，要 求控制兩臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行速度，使它們之間的差值控制在許可的精度范圍內(nèi)，速 度控制精度要求較高，一般采用閉環(huán)控制。 位置控制 位置控制就是控制舞臺(tái)機(jī)械準(zhǔn)確地停止在設(shè)定的位置，又稱定位控制。定 位精度要求不高且位置的固定可以利用行程開關(guān)、死程擋鐵來實(shí)現(xiàn)。如果定位 精

23、度高或任意位置的自動(dòng)定位，則需要通過專門的定位控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。一般 這種控制系統(tǒng)設(shè)有速度負(fù)反饋和位置負(fù)反饋，如吊桿的任意位置定位控制系統(tǒng)。 （1）現(xiàn)代化的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)應(yīng)具備多種的操作模式，以保證系統(tǒng)的可 靠性、操作的方便性和多樣性。 控制系統(tǒng)應(yīng)采用計(jì)算機(jī)控制和手動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式，兩套控制方 式各自獨(dú)立，互為備用。 計(jì)算機(jī)控制對(duì)所有參控設(shè)備進(jìn)行單臺(tái)控制、編組控制、程序控制。并具 有動(dòng)作記憶、場景記憶等功能。對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)(速度、位置)可進(jìn)行預(yù)置， 并能檢查其值的有效性。 程序控制，又稱場控。將整個(gè)劇目需要運(yùn)行的設(shè)備設(shè)成多種場次，編成程 序，在計(jì)算機(jī)的控制下，按單場或全場兩種方式運(yùn)行；

24、單獨(dú)控制，簡稱單控。 單獨(dú)對(duì)選定設(shè)備進(jìn)行控制；編組控制，又稱集控。根據(jù)場景需要，對(duì)所需運(yùn)行 的設(shè)備選定、編組，采取集中控制。 計(jì)算機(jī)控制應(yīng)設(shè)雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)，互為備份，確保系統(tǒng)安全。 控制系統(tǒng)應(yīng)具備多地控制，除了主控操作臺(tái)以外，還應(yīng)配備移動(dòng)式、便 攜式或垂吊式操作盤，以方便操作人員就地操作或應(yīng)急操作。 控制系統(tǒng)應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖 4 所示7，其各部分功能說明如下： 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3.1.1 主電路 主電路由三相交流輸入、變頻驅(qū)動(dòng)、吊桿機(jī)和制動(dòng)單元幾部分組成。由于 采用交一直一交電壓型變頻器，在吊桿負(fù)載作用下

25、，制動(dòng)時(shí)回饋的能量不能饋 回電網(wǎng)，為限制泵升電壓，采用受控能耗制動(dòng)方式。 3.1.2 plc 控制電路 采用歐姆龍小型整體式 plccpm1a 型。plc 接收來自上位機(jī)或操作盤 的控制信號(hào)和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算，向變頻器發(fā)出運(yùn)行方向、 啟動(dòng)、停止、加減速運(yùn)行和制動(dòng)等信號(hào)。 3.1.3 電流速度雙閉環(huán)電路 采用安川 vs-616g5 變頻器。變頻器本身設(shè)有電流檢測裝置由此構(gòu)成電流 閉環(huán)。通過和電機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器，產(chǎn)生 a、b 兩相脈沖進(jìn)入變頻器， 在確認(rèn)方向的同時(shí)，利用脈沖計(jì)數(shù)構(gòu)成速度閉環(huán)。 3.1.4 定位控制 利用變頻器 pg 卡(ta2.1)輸出的脈沖信號(hào) a 相和

26、b 相經(jīng)分頻引入 plc 的 高速輸入端 00000 和 00001，構(gòu)成位置負(fù)反饋。高速計(jì)數(shù)器的兩相脈沖信號(hào)反 映吊桿相對(duì)原點(diǎn)的位置和轉(zhuǎn)向。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)加計(jì)數(shù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)減計(jì) 數(shù)，plc 內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值 sv 不斷地與預(yù)置值 pv 比較，一旦 svpv，則吊桿停止運(yùn)行，達(dá)到任意點(diǎn)定位的目的。 -3*380v a相脈沖 b相脈沖 公共端 00000 00001 com 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 指令1 指令2 點(diǎn)動(dòng) 對(duì)鎖 公共 l1 l2 l3 qf km r s t 1 2 5 6 7 8 11 u v w 4cn 12 vs-616g5 m 3 pc-b2 4cn e ta2 ta3(e

27、) 電源+12v 電源0v a相脈沖監(jiān)視輸出 a相脈沖輸入（+） a相脈沖輸入（-） b相脈沖輸入（+） b相脈沖輸入（-） pc ta1 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 a相脈沖監(jiān)視輸出 b相脈沖監(jiān)視輸出 b相脈沖監(jiān)視輸出 圖 4 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3.2 plc 的選型與接線 cpm1a 系列 plc 的主機(jī)按 i/0 點(diǎn)數(shù)分，有 10 點(diǎn)、20 點(diǎn)、30 點(diǎn)、40 點(diǎn)四 種。根據(jù)控制系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)數(shù)量的實(shí)際情況，選用輸入、輸出點(diǎn)數(shù)為 20 點(diǎn)的 plc，具體型號(hào)為 cpm1a-20cdr-a10。 吊桿的上升/下降啟動(dòng)信號(hào)從 plc 的輸

28、入端輸入，通過 plc 的邏輯運(yùn)算輸 出給變頻器，變頻器再驅(qū)動(dòng)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，從而使吊桿上升或下降。反映吊桿位 置和運(yùn)行方向的編碼器輸出脈沖 a, b 分別接到 plc 的 00000, 00001 端。另外， 吊桿控制的選擇開關(guān)、確認(rèn)按鈕和上下極限行程開關(guān)都作為 plc 的輸入信號(hào)接 到 plc 的輸入端子。plc 的輸出信號(hào)有效反映電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)和顯示 吊桿是否處在原位的狀態(tài)信號(hào)。單臺(tái) plc 控制一臺(tái)吊桿的 i/o 口分配表如和接 線圖如表 2 和圖 6 所示。 表 2 plc i/o 口分配表 i/o 地址功能i/o 地址功能 000000a 相脈沖000006上升按鈕 0000

29、01b 相脈沖000007下降按鈕 000002z 相脈沖000008上限位 000003手動(dòng)/自動(dòng)000009下限位 000004預(yù)演/演出000010確認(rèn)按鈕 輸 入 000005停止按鈕 010010原點(diǎn)指示010012下降 輸出 010011上升 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 相脈沖 相脈沖 相脈沖 手動(dòng)/自動(dòng) 預(yù)演/演出 停止按鈕 上升按鈕 下降按鈕 上限位 下限位 確認(rèn)按鈕 相脈沖 00000 00001 00002 00003 00004 00005 00006 00007 00008 00009 00010 com com 相脈沖 01002 01001 01000

30、 原點(diǎn)指示 上升 下降 km1 km2 圖 6 單臺(tái) plc 控制一臺(tái)吊桿的 i/o 口分配表和接線圖 3.3 變頻器的選擇 通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的 裝置稱作“變頻器”。該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（dc） 。 然后再把直流電（dc）變換為三相或單相交流電（ac） 。變頻器同時(shí)改變輸出 頻率與電壓，也就是改變了電機(jī)運(yùn)行曲線上的 n0，使電機(jī)運(yùn)行曲線平行下移。 因此變頻器可以使電機(jī)以較小的啟動(dòng)電流，獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即變頻器可 以啟動(dòng)重載負(fù)荷。 變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，應(yīng)用了現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)， 價(jià)格昂貴但性能良好，內(nèi)部結(jié)

31、構(gòu)復(fù)雜但使用簡單，所以不只是用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)， 而是廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，各種各樣的功率、各種各樣的外形、各種各樣的 體積、各種各樣的用途等都有。隨著技術(shù)的發(fā)展，成本的降低，變頻器一定還 會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)選用 vs-616g5 頻器。它是根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用磁通檢測和神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。它在低速下（1%額定轉(zhuǎn)速）即使不采 用 pg 反饋，也可提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和無故障運(yùn)行，當(dāng)增加 pg 控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無 級(jí)調(diào)速。由 plc 發(fā)出 4-20ma 或其他標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)直接輸出給變頻器的速度給定輸 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 入端，不用編額外的程序，就可以把給定變

32、量的值送給輸出變量。操作方便， 接線簡單。 采用 plc 和變頻器實(shí)現(xiàn)吊桿常規(guī)控制的基礎(chǔ)上，通過對(duì)變頻器和 plc 芯 片的合理選擇和設(shè)計(jì)，利用安川 vs-616g5 型變頻器可編制速度曲線的特點(diǎn)， 大大提高了吊桿的控制水平，并改善了吊桿運(yùn)行的速度，使吊桿達(dá)到了較為理 想的控制和運(yùn)行效果。并利用變頻器 pg 卡輸出的脈沖信號(hào)構(gòu)成位置反饋，實(shí) 現(xiàn)吊桿的精確位移控制。通過 plc 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)位置檢測裝置，提高了系統(tǒng)的 可靠性精度。該系統(tǒng)具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)的特色。 4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4. 1 上位機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上位機(jī)操作系統(tǒng)(人機(jī)界面)采用組態(tài)王6. 5組態(tài)軟件開發(fā)。軟件工作平臺(tái)為 win

33、dows/xp。人機(jī)界面的組態(tài)過程分為: 組態(tài)畫圖的設(shè)計(jì)；創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并建 立i/0口分配連接；動(dòng)畫鏈接及命令語言的編寫；聯(lián)機(jī)調(diào)試和運(yùn)行。 （1）監(jiān)控軟件應(yīng)具備的功能8： 監(jiān)控軟件主要解決人機(jī)界面問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控軟件被賦予了以 下內(nèi)容： 如何與采集和控制設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； 使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)畫面上的圖關(guān)聯(lián)起來； 能處理數(shù)據(jù)報(bào)警和系統(tǒng)報(bào)警問題； 保存歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)查詢； 能生成并能打印輸出各類數(shù)據(jù)報(bào)表； 具有與第三方程序的連接，方便數(shù)據(jù)共享。 （2）舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件應(yīng)具有的功能： 與上位機(jī)之間能數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)資源共享和數(shù)據(jù)備份； 與控制器之間數(shù)據(jù)交換； 參數(shù)設(shè)

34、置。每一場景所需機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行模式，以什么速度運(yùn)行，到什 么位置停止，延時(shí)多少時(shí)間等參數(shù)需要通過監(jiān)控軟件預(yù)先設(shè)定好； 各機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以圖形或數(shù)字方式表達(dá)出來； 處理各種報(bào)警信息。 （3）監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)原則 在軟件設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)遵循以下原則進(jìn)行： 可靠性。作為工控軟件，可靠性應(yīng)該是最重要的，特別是應(yīng)用在舞臺(tái)等 人員較多的場合，輕者造成設(shè)備損壞，重者造成人身傷亡。當(dāng)可靠性與其他功 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 能相沖突時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持設(shè)計(jì)的可靠性。 實(shí)時(shí)性。例如吊桿在高速運(yùn)行時(shí)，速度為 1 m/s 以上，監(jiān)控軟件必須實(shí) 時(shí)反映吊桿位置的變化，這就要求監(jiān)控軟件具有很高的實(shí)時(shí)性。 易

35、用性和可操作性。監(jiān)控軟件作為人機(jī)的接口，相當(dāng)于舞臺(tái)機(jī)械控制系 統(tǒng)的“臉”，對(duì)那些不了解具體系統(tǒng)的人來說，他所看到是運(yùn)行中的監(jiān)控軟件。 同時(shí)操作人員大多數(shù)是通過監(jiān)控軟件來完成操作。因此，監(jiān)控軟件應(yīng)具有良好 的操作界面，完善的功能，并易于操作使用。 可管理性。作為人機(jī)接口，用戶在使用過程中經(jīng)常會(huì)提出一些新的要求， 因此軟件應(yīng)易于修改，便于管理，不能出現(xiàn)改動(dòng)一處導(dǎo)致另一處運(yùn)行的不正常。 容錯(cuò)性。用戶的操作失誤是不可避免的，監(jiān)控軟件應(yīng)具有容錯(cuò)性，實(shí) 現(xiàn)無操作失誤。 （4）監(jiān)控程序模塊簡表 監(jiān)控程序的組成按功能分可分為三大部分:數(shù)據(jù)管理模塊；包括所有和數(shù)據(jù) 庫打交道的功能子模塊(如用戶管理、劇目管理、場

36、景管理和故障日志管理等)； 數(shù)據(jù)監(jiān)聽模塊；包括和 plc 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能子模塊(如數(shù)據(jù)的讀與寫等)； 數(shù)據(jù)處理模塊；包括來自 plc 的數(shù)據(jù)分析功能子模塊(如位置分析和狀態(tài)分析 等)9。如表 1 所示。 表 1 監(jiān)控程序模塊簡表 用戶管理 劇目管理 場景管理 數(shù)據(jù)管理模塊 故障日志管理 讀數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)監(jiān)聽模塊 寫數(shù)據(jù) 設(shè)備位置分析 上位機(jī)監(jiān)控程序 數(shù)據(jù)處理模塊 設(shè)備狀態(tài)分析 4.2 下位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)plc軟件可以采用編程器編寫、輸入，也可以采用計(jì)算機(jī)輔助編程。 omron先后開發(fā)了多種編程軟件，可以利用plc的編程軟件在計(jì)算機(jī)上編程， 然后下載到plc中。本設(shè)計(jì)擬采用omron高性

37、能小型機(jī)cpmia，它功能齊全、 性價(jià)比高，成為近年來暢銷的高功能小型機(jī)。 4.2.1 可編程控制器的工作原理及編程語言 plc采用循環(huán)掃描工作方式，工作過程一般包括5個(gè)階段：內(nèi)部處理、與編 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 輯器等的通信處理、輸入掃描、執(zhí)行用戶程序、輸出處理，其工作過程如圖5示。 開始 內(nèi)部處理 通信處理 run方式？ 輸入掃描 執(zhí)行用戶程序 輸出處理 否 圖 5 plc 的工作原理 在圖 5 當(dāng) plc 處于 run（運(yùn)行）時(shí)，執(zhí)行所有階段；當(dāng)處于 stop（停止） 時(shí)，不執(zhí)行后 3 個(gè)階段，此時(shí)可進(jìn)行通信處理?？删幊炭刂破鞯妮斎胩幚怼?zhí) 行用戶程序和輸出處理過程

38、主要是： （1）輸入處理：程序執(zhí)行前，plc 將全部輸入端子的通、斷狀態(tài)寫入輸入 映像寄存器。在程序執(zhí)行中，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不 變，直到下一掃描周期的輸入處理階段才讀入這些變化。 （2）程序處理：對(duì)應(yīng)用戶程序存儲(chǔ)器所存的指令，從輸入映像寄存器和其 它軟元件的映像寄存器中將有關(guān)軟元件的通、斷狀態(tài)讀出，從 0 步開始順序運(yùn) 算，每次運(yùn)算結(jié)果都寫入到有關(guān)的映像寄存器中，各軟元件的內(nèi)容隨著程序的 執(zhí)行在不斷變化。輸出繼電器的內(nèi)部觸點(diǎn)的動(dòng)作由輸出映像寄存器的內(nèi)容決定。 （3）輸出處理：全部指令執(zhí)行完畢，將輸出映像寄存器的通、斷狀態(tài)向輸 出鎖存寄存器傳送，成為 plc 的實(shí)際輸出。

39、plc 內(nèi)的外部輸出觸點(diǎn)對(duì)輸出軟元 件的動(dòng)作有一個(gè)響應(yīng)時(shí)問，即要有一個(gè)延遲才動(dòng)作。 可編程控制器是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制的，所以各種機(jī)型的 plc 都有自 己的編程語言。plc 的編程語言有梯形圖語言、語句表語言、邏輯功能圖等。 （1）梯形圖語言 梯形圖編程語言是一種圖形語言，由若干圖形符號(hào)的組合。梯形圖編程語 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 言具有繼電器控制電路的形象、比較直觀的優(yōu)點(diǎn)，熟悉繼電器控制的技術(shù)人員 很容易掌握。因此，各種機(jī)型的 plc 都把梯形圖作為第一編程語言。 （2）語句表語言 語句表語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，用助記符來表示各種指令的功能。 指令語句是 plc

40、用戶程序的基礎(chǔ)元素，由助記符、操作數(shù)組成。由多條語句的 組合構(gòu)成語句表。 語句表語言不如梯形圖形象、直觀，但是在使用簡易編程器時(shí)，必須把梯 形圖程序轉(zhuǎn)化為語句表才能輸入。 編程器是 plc 重要的編程設(shè)備。它不僅可以用來編寫程序，還可以用來輸入數(shù) 據(jù)、檢查和監(jiān)控 plc 的運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 plc 的編程環(huán)境越來越完 善，使 plc 的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、調(diào)試更方便，更快捷。 4.2.2 控制系統(tǒng)流程圖 如圖 7 所示為單根吊桿的控制系統(tǒng)流程圖。單根吊桿的運(yùn)行有手動(dòng)(無計(jì)數(shù) 功能)和自動(dòng)運(yùn)行(有計(jì)數(shù)功能)兩種模式，自動(dòng)運(yùn)行又預(yù)演和正式演出。預(yù)演是 一種人工干預(yù)的手動(dòng)停止的模式，目的就是通過預(yù)

41、演確定吊桿正式演出時(shí)的停 止位置，通過預(yù)演確定停止位置是否合適，如果合適，按確認(rèn)鍵，記憶下來， 為正式演出所用，否則，再一次預(yù)演，直到找到合適位置。正式演出是一種自 動(dòng)到位停止的運(yùn)行模式。當(dāng)?shù)鯒U從原點(diǎn)開始下降，下降到預(yù)演所記憶的位置或 是從上位機(jī)中輸入的位置時(shí)，將自動(dòng)停止。這里，為了避免誤差積累，預(yù)演和 正式演出都是從原位開始運(yùn)行。如果吊桿因故障或突然停電而不在原位，可以 通過手動(dòng)調(diào)整的方式復(fù)位1011。 否 預(yù)演 plc 上電 吊桿在原點(diǎn) 自動(dòng)運(yùn)行 吊桿下降 手動(dòng)停止 預(yù)演/演出 、 手動(dòng)調(diào)整 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 7 plc 控制系統(tǒng)流程圖 4.2.3 控制系統(tǒng)梯

42、形圖 程序分析以單根吊桿的梯形圖為例。plc上電后吊桿在原點(diǎn)位置，如果手 動(dòng)/自動(dòng)按鈕000003被按下，程序跳到手動(dòng)程序塊執(zhí)行，如果按鈕000003沒有被 按下，則跳到自動(dòng)程序快執(zhí)行。單根吊桿的主程序流程圖如圖8所示。 手動(dòng)模式下按下上升按鈕（下降按鈕）000006（000007） ，吊桿上升，當(dāng)?shù)?桿上升到所需高度時(shí)，按下停止按鈕，吊桿停在該位置，如果吊桿一直上升 （下降） ，則達(dá)到最高位置（最低位置）時(shí)，在限位開關(guān)的作用下也會(huì)停止。手 動(dòng)運(yùn)行時(shí)的子程序如圖 9 所示。 自動(dòng)模式下在預(yù)演情況下通過高速計(jì)數(shù)器把值送入到plc中，確定吊桿的 位置。在演出的情況下，比較器不斷比較吊桿的實(shí)際高度和

43、設(shè)定高度，當(dāng)兩者 相等時(shí)，吊桿停止上升（下降） 。如果設(shè)定高度大于吊桿所能達(dá)到高度的最大 （最?。┲?，則吊桿上升到最大（最?。┲岛髸?huì)在限位開關(guān)的作用下停止，并 通過繼電器輸出報(bào)警。 自動(dòng)定位 上升回遠(yuǎn)點(diǎn) 位置記憶 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖8 主程序 圖9 手動(dòng)模式程序 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖10 自動(dòng)模式程序 5 監(jiān)控軟件及畫面設(shè)計(jì) 5. 1 組態(tài)王簡介 組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作以 及工廠資源管理于一體，將一個(gè)企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流 匯集在一起，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于 microsoft wi

44、ndows xp/nt/2000 操作系 統(tǒng)，用戶可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個(gè)位置上都可以及時(shí)獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 信息。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強(qiáng)用戶生產(chǎn)控制能力、 提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。它適 用于從單一設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)營管理和故障診斷，到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式大型集中監(jiān)控 管理系統(tǒng)的開發(fā)。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4.1.1 組態(tài)王軟件的選擇 目前的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，制作上位機(jī)的監(jiān)控程序方法有多種，如 vb, vc 等可視化編程工具制作控制界面，調(diào)用 mscomm 控件或利用 windows apt 函 數(shù)進(jìn)行上下位機(jī)串口通訊

45、；或直接利用工業(yè)組態(tài)軟件來制作上位機(jī)程序。由于 本系統(tǒng)涉及變量較多，功能要求齊全，所以選用工業(yè)組態(tài)軟件來開發(fā)。當(dāng)前流 行的組態(tài)軟件很多，如工 ntouch，fix 組態(tài)王、虎翼、開物 2000 等，其中 組態(tài)王 6. 51 性價(jià)比高，網(wǎng)絡(luò)通訊功能比較完善，能滿足本系統(tǒng)要求，故采用之。 組態(tài)王的主要功能如下： （1）豐富的畫面顯示組態(tài)功能 組態(tài)軟件應(yīng)提供給用戶豐實(shí)方便的作圖工具。因?yàn)榇笾行涂刂葡到y(tǒng)要有大 量的圖形畫面，而這些圖形畫面對(duì)開發(fā)人員是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的組態(tài)軟件應(yīng)提供大量 常用的工業(yè)設(shè)備圖符、儀表圖符等還應(yīng)提供趨勢(shì)圖、歷史曲線圖等。 （2）強(qiáng)大的通訊功能 “組態(tài)王”把每一臺(tái)與之通訊的設(shè)備看作是外

46、部設(shè)備，目前能連接 plc、智 能儀表、板卡、模塊、變頻器等幾百種外部設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)和外部設(shè)備的通訊， 組態(tài)王內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)作為組態(tài)王與外部設(shè)備的通訊接口。如圖 11 所示， 在運(yùn)行期間，組態(tài)王就可通過驅(qū)動(dòng)接口和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和 發(fā)送數(shù)據(jù)指令。 組態(tài)王的大部分驅(qū)動(dòng)程序采用組件(com)技術(shù)，這種方式使驅(qū)動(dòng)和組態(tài)王 構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。 （3）軟件環(huán)境的選擇 隨著面向圖形的 windows 操作系統(tǒng)普及?；?windows 環(huán)境的組態(tài) 軟件不斷出現(xiàn)，極大地豐富了監(jiān)控系統(tǒng)的顯示畫面，但實(shí)時(shí)性、可靠性與多任 務(wù)存在著矛盾，側(cè)重監(jiān)

47、視的系統(tǒng)選擇 windows 環(huán)境。而基于 dos 系統(tǒng)的組 態(tài)軟件圖形功能弱，但實(shí)時(shí)性、可靠性好。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 圖 11 計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備通訊 （4）高效的數(shù)據(jù)采集功能 組態(tài)王對(duì)通訊程序做了多種優(yōu)化處理，盡量使通訊瓶頸對(duì)系統(tǒng)的影響最小， 同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)和準(zhǔn)確。 （5）高效的故障診斷與恢復(fù)功能 在工業(yè)現(xiàn)場中，由于通訊故障而引起的損失可能是巨大的，為了將這種 損失降為最小，組態(tài)王精心優(yōu)化了通訊故障的診斷機(jī)制，可以在極短的時(shí)間(1- 2 個(gè)采集周期)內(nèi)報(bào)告故障的發(fā)生，并診斷出出現(xiàn)故障的地方，非常有助于現(xiàn)場 工程師及時(shí)排除故障。 組態(tài)王的自動(dòng)恢復(fù)功能是指:當(dāng)下

48、位機(jī)被更換或恢復(fù)運(yùn)行后，不需要現(xiàn)場 工程師對(duì)軟件系統(tǒng)作任何干預(yù)，組態(tài)王通過短時(shí)間的嘗試后，可以自動(dòng)恢復(fù)與 下位機(jī)的通訊。自動(dòng)恢復(fù)功能對(duì)于保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行是非常必要的，當(dāng)一臺(tái)下 位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，組態(tài)王會(huì)自動(dòng)優(yōu)化通訊鏈，使得它與其它下位機(jī)之間的通訊 幾乎不受影響，保證了通訊的高效率。 （6）先進(jìn)的報(bào)警和事件管理功能 完善的“監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”應(yīng)當(dāng)能檢測到非正常狀態(tài)的發(fā)生，并將報(bào)警 信息按照正確的順序登錄到數(shù)據(jù)庫，并且不能丟失任何數(shù)據(jù)，以便事后對(duì)它進(jìn) 行分析。組態(tài)王是通過報(bào)警和事件這兩種情形通知操作人員過程的活動(dòng)情況。 組態(tài)王事件驅(qū)動(dòng)的報(bào)警方式和緊湊高效的結(jié)構(gòu)使得報(bào)警信息可以被完整地記錄， 即使突

49、然發(fā)生大量的報(bào)警也不會(huì)遺漏。 報(bào)警是過程狀態(tài)出現(xiàn)問題時(shí)發(fā)生的警告，同時(shí)要求操作人員做出響應(yīng)。 組態(tài)王報(bào)警系統(tǒng)具有方便、靈活、可靠、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，并提供了多種報(bào)警 管理功能，包括基于事件的報(bào)警、報(bào)警分組管理、報(bào)警優(yōu)先級(jí)、報(bào)警過濾、新 增死區(qū)和延時(shí)概念等功能，以及通過網(wǎng)絡(luò)的過程報(bào)警管理。 （7）廣泛的數(shù)據(jù)獲取和處理功能 一般地，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)完成自動(dòng)控制的功能，保證 工廠的運(yùn)行，但它難于讓工廠操作和管理人員看到生產(chǎn)過程的實(shí)際運(yùn)行狀況。 組態(tài)王能夠?qū)?shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)源取過來，并直觀、形象地顯示出來，供操作 和管理人員操作和分析。 （8）強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和冗余功能 組態(tài)王基于網(wǎng)絡(luò)的概念，可

50、運(yùn)行在基于 tcp/ip 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，使用戶 能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)以及更高層次的廠級(jí)連網(wǎng)。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)的無限蔓延， 組態(tài)王每一臺(tái)數(shù)據(jù)采集站從工業(yè)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，可以被網(wǎng)絡(luò)上所有其他站點(diǎn) 直接訪問，使數(shù)據(jù)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)暢通無阻。同時(shí)支持分布式網(wǎng)絡(luò)報(bào)警、 分布式歷史數(shù)據(jù)庫等，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)是一種基于分布式處理的柔性結(jié)構(gòu)。在一個(gè)分布的系統(tǒng)上， 可以將整個(gè)應(yīng)用程序分配給多個(gè)服務(wù)器，可以提高項(xiàng)目的整體容量并改善系統(tǒng) 的性能。 4.1.2 組態(tài)王工作原理 組態(tài)王與現(xiàn)場的 i/o 設(shè)備直接進(jìn)行通訊，如圖 12 所示。 裝有組態(tài)王的 計(jì)

51、算機(jī) 通信電纜 i/o設(shè)備 輸入 輸出 圖 12 組態(tài)王與現(xiàn)場的 i/o 設(shè)備進(jìn)行通訊圖 組態(tài)王與現(xiàn)場的 i/o 設(shè)備直接進(jìn)行通訊。i/o 設(shè)備的輸入提供現(xiàn)場的信息， 例如產(chǎn)品的位置、機(jī)器的轉(zhuǎn)速、爐溫等等。 設(shè)備的輸出通常用于對(duì)現(xiàn)場的控制，例如啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、改變轉(zhuǎn)速、控制閥 門和指示燈等等。有些 i/o 設(shè)備(如 plc)，其本身的程序完成對(duì)現(xiàn)場的控制，程 序根據(jù)輸入決定各輸出的值。 輸入輸出的數(shù)值存放在 i/o 設(shè)備的寄存器中，寄存器通過其地址進(jìn)行引用。 大多數(shù) i/o 設(shè)備提供與其他設(shè)備或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的通訊端口或數(shù)據(jù)通道，組 態(tài)王通過這些通訊通道讀寫 i/o 設(shè)備的寄存器，采集到的數(shù)據(jù)可用

52、于進(jìn)一步的 監(jiān)控。不需要讀寫 i/o 設(shè)備的寄存器，組態(tài)王提供了一種數(shù)據(jù)定義方法，定義 了 i/0 變量后，可直接使用變量名來進(jìn)行系統(tǒng)控制、操作顯示、趨勢(shì)分析、數(shù) 據(jù)記錄和報(bào)警顯示12。 5.2 建立組態(tài)王 針對(duì)舞臺(tái)吊桿控制的技術(shù)要求，綜合系統(tǒng)的軟硬件因素，力求達(dá)到系統(tǒng)的 最優(yōu)配置，本項(xiàng)目采用集散式控制系統(tǒng)。上位機(jī)選用工業(yè)控制機(jī)，上位機(jī)操作 系統(tǒng)(人機(jī)界面)采用組態(tài)王 6.51 組態(tài)軟件開發(fā)軟件13，工作平臺(tái) windows/xp。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 5.2.1 設(shè)計(jì)圖形界面 進(jìn)入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個(gè)工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個(gè) 畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或

53、動(dòng)態(tài)圖形對(duì)象。這些畫面都是由“組態(tài)王”提供的 類型豐富的圖形對(duì)象組成的。系統(tǒng)為用戶提供了矩形(圓角矩形)、直線、橢圓 (圓)、扇形(圓弧)、點(diǎn)位圖、多邊形(多邊線)、文本等基本圖形對(duì)象，及按鈕、 趨勢(shì)曲線窗口、報(bào)警窗口、報(bào)表等復(fù)雜的圖形對(duì)象。提供了對(duì)圖形對(duì)象在窗口 內(nèi)任意移動(dòng)、縮放、改變形狀、復(fù)制、刪除、對(duì)齊等編輯操作，全面支持鍵盤、 鼠標(biāo)繪圖，并可提供對(duì)圖形對(duì)象的顏色、線型、填充屬性進(jìn)行改變的操作工具。 “組態(tài)王”采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使用戶可以方便地建立畫面的圖形界面。 用戶構(gòu)圖時(shí)可以像措積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對(duì)象完成畫面的生成。同時(shí) 支持畫面之間的圖形對(duì)象拷貝，可重復(fù)使用以前的開發(fā)

54、結(jié)果。創(chuàng)建單臺(tái)吊桿控 制系統(tǒng)的圖面如圖13所示。 圖 13 舞臺(tái)吊桿控制圖畫 5.2.2 定義設(shè)備 組態(tài)王把那些需要與之變換數(shù)據(jù)的設(shè)備或程序都作為外部設(shè)備。外部設(shè)備 包括：下位機(jī)(plc、儀表、模塊、板卡、變頻器等)，它們一般通過串行口和上 位機(jī)交換數(shù)據(jù)；其他 windows 應(yīng)用程序，它們之間一般通過 dde 交換數(shù)據(jù)； 外部設(shè)備還包括網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)。 只有在定義了外部設(shè)備之后，組態(tài)王才能通過 i/o 變量和它們交換數(shù)據(jù)。 為方便定義外部設(shè)備，組態(tài)王設(shè)計(jì)了“設(shè)備配置向?qū)А币龑?dǎo)用戶一步步完成 設(shè)備的連接。 本設(shè)計(jì)使用歐姆龍 c 系列 plc(當(dāng)作仿真 plc)和組態(tài)王通信。仿真 plc 可

55、 以模擬 plc 為組態(tài)王提供數(shù)據(jù)。假設(shè)仿真 plc 連接在計(jì)算機(jī)的 com1 口。如 圖 14 所示為定義 i/o 設(shè)備的最終界面圖。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 14 定義 i/o 設(shè)備界面圖 設(shè)備定義完成后，可臥在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備 plc。在 定義數(shù)據(jù)庫變量時(shí)，只要把 i/o 變量連結(jié)到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交 換數(shù)據(jù)了。 5.2.3 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式 反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速進(jìn)達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這 一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機(jī)和下位

56、機(jī)的橋 梁。在 view 運(yùn)行時(shí)，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。變量在畫面制作系統(tǒng)組 態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中定義，定義時(shí)要指定變量名和變量類型，某些類型的變量 還需要一些附加信息。數(shù)據(jù)庫中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典 記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。 進(jìn)入“變量屬性”話框可以對(duì)數(shù)據(jù)變量完成定義、修改等操作，以及數(shù)據(jù)庫 的管彈工作。 在“變量名”處輸入變量名。上升按鈕”，在變量類型處選擇變量類型：i/o 離散，初始值為“關(guān)”，連接設(shè)備設(shè)置為“plc”，寄存器設(shè)置為“walldm”，數(shù) 據(jù)類型設(shè)置為“bit”，讀寫屬性設(shè)置為“讀寫”，采集頻率為“100ms”， 其他設(shè)置 不變，單

57、擊“確定”完成設(shè)置。如圖 15 所示。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 圖 15 設(shè)置上升按鈕 “下降按鈕”， “暫停按鈕”， “停止按鈕”的設(shè)置除變量名改變外，其他的設(shè)置 同“上升按鈕”的設(shè)置。下面繼續(xù)定義一個(gè)變量。 在“變量名”處輸入變量名“吊桿動(dòng)作”，在變量類型處選擇變量類型：內(nèi)存 實(shí)數(shù)，變化靈敏度設(shè)置為：0，初始值設(shè)置為：3.000000，最小值設(shè)置為：0， 最大值設(shè)置為：1000000000，狀態(tài)設(shè)置為“保存數(shù)值”，其他設(shè)置不變，單擊“確 定”完成設(shè)置。如圖 16 所示。 “吊桿位置”， “高度”的設(shè)置除變量名改變外，其他的設(shè)置同“吊桿動(dòng)作” 的設(shè)置。下面繼續(xù)定義一個(gè)變量

58、。 在“變量名”處輸入變量名“自動(dòng)控制”，在變量類型處選擇變量類型：內(nèi)存 離散，初始值為“關(guān)”，其他設(shè)置不變單擊“確定”完成設(shè)置。如圖 17 所示。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 圖 16 設(shè)置吊桿動(dòng)作按鈕 圖 17 自動(dòng)控制按鈕 “運(yùn)行標(biāo)志”， “上限報(bào)警”， “下限報(bào)警”的設(shè)置除變量名改變外，其他的設(shè)置 同“自動(dòng)控制”的設(shè)置。至此，所有的變量己全部設(shè)置完成，接下來就可以進(jìn)行 動(dòng)畫連接了。 基于 plc 的舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 5.2.4 建立動(dòng)畫連接 定義動(dòng)畫連接是指在畫面的圈形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān) 系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，在畫面上以圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果表示

59、出來；或者由軟 件使用者通過圖形對(duì)象改變數(shù)據(jù)變量的值。 “組態(tài)王”提供了 21 種動(dòng)畫連接方式 如表 3 所示： 表 3 動(dòng)畫連接方式表 屬性變化線屬性變化、填充屬性變化、文本色變化 位置與大小變化填充、縮放、旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)、垂直移動(dòng) 值輸出模擬值輸出、離散值輸出、字符串輸出 值輸入模擬值輸入、離散值輸入、字符串輸入 特殊閃爍、隱含 滑動(dòng)桿輸入水平、垂直 命令語言按下時(shí)、彈起時(shí)、按住時(shí) 一個(gè)圖形對(duì)象可以同時(shí)定義多個(gè)連接，組合成復(fù)雜的效果，以便滿足實(shí)際 中任意的動(dòng)畫顯示需要。 創(chuàng)建動(dòng)畫連接時(shí)各變量的設(shè)置： （1）電機(jī)的變量名窗口的問號(hào)標(biāo)志設(shè)置 “運(yùn)行標(biāo)志”并且把開啟時(shí)顏色設(shè) 置為“綠色”，關(guān)閉時(shí)

60、顏色為“紅色”。 （2）吊桿的變量名窗口中選中“吊桿動(dòng)作”；設(shè)置移動(dòng)距離向上為：270， 向下為：0；對(duì)應(yīng)值最上邊為：6，最下邊為：0。 （3）吊線中的其中一根的變量名窗口中選中“高度”；設(shè)置最小時(shí)的對(duì)應(yīng)值 為：0，占據(jù)百分比為：10，最大時(shí)的對(duì)應(yīng)值為：6，占據(jù)百分比為：100；設(shè)置 變化方向?yàn)橛上碌缴?。由于另外一根吊線與已設(shè)置的吊線在高度上處于一致， 且兩根吊線的長度相等，所起的作用也完全一樣；因此，兩根吊線的設(shè)置完全 一樣。 （4）上限圖案的變量名窗口中選中“上限報(bào)警”，單擊副屬性 000 項(xiàng)，點(diǎn) 擊“修改”，彈出“修改”對(duì)話框，設(shè)置閥值為：0，畫面屬性的類型顏色均為“綠 色”。設(shè)置副屬性