基于PLC的舞臺吊桿控制系統(tǒng)設計

1、畢 業(yè) 論 文題目： 基于PLC的舞臺吊桿控制系統(tǒng)設計 二級學院： 學院 專 業(yè)： 班級： 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 評閱教師： 職稱： 年 月目錄 摘要：本課題研究目標是開發(fā)一套基于組態(tài)軟件技術和可編程控制器（PLC）控制技術的舞臺吊桿控制系統(tǒng)，具體方案上位機組態(tài)軟件選用昆侖通態(tài)的MCGS軟件，下位機選用西門子公司的S7-200PLC，配合變頻器，編碼器等實現(xiàn)精確控制舞臺吊桿的控制系統(tǒng)。上位機起監(jiān)控和管理作用，下位機根據(jù)上位機命令，或者本地操作實時控制監(jiān)測舞臺吊桿。本設計的吊桿控制系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的舞臺吊桿控制系統(tǒng)多采用繼電器，接觸器的控制方式。采用PLC的控制系統(tǒng)，可以很方便

2、的實時，精確對舞臺吊桿進行控制，另外本設計的安全保護措施也大大降低了系統(tǒng)失控造成的人員，財產(chǎn)等的損失，極大的保護了使用方的利益。關鍵詞：組態(tài)軟件，MCGS，PLC，舞臺吊桿Abstract: The target of this project is to develop a set of configuration software technology and based on programmable logic controller (PLC) stage suspender control system control technology, the concrete scheme

3、of the PC configuration software selection of Kunlun on-state MCGS software, the selection of Siemens company S7-200PLC, with frequency converter, to achieve precise control system stage suspender control encoder etc. PC play a monitoring and management, lower computer according to the host command,

4、 or the local operation of real-time control and monitoring stage suspender. The control system of this design, to replace the traditional stage suspender control system uses the relay, contactor control mode. The PLC control system, can be very convenient to real-time, accurate in stage suspender c

5、ontrol, in addition to the design of the safety protection measures are also greatly reduced the system out of control due to the personnel, property loss, helps protect the use of parties.Key words: Configuration software, MCGS, PLC, stage suspender緒論改革開放以來，中國社會主義市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國人民的生活狀況也發(fā)生了翻天覆地的變化，在人們物

6、質生活逐步富裕的同時，也開始追求精神文化事業(yè)的發(fā)展。近年來，全國各地特別是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)掀起起了文化設施建設的熱潮，很多的劇場急需現(xiàn)代化設備來裝備，各類劇場成為文化設施建設中的主角，這正是我國經(jīng)濟迅速發(fā)展、人民生活水平逐步提高和文化事業(yè)空前繁榮的具體體現(xiàn)。建造這些設施適應了頻繁的文藝演出、各類形式的文化節(jié)、藝術活動和國際文化藝術交流不斷增長的需要。應該說，國家大劇院的建設促進和帶動了劇場建設的發(fā)展，也大大推動了我國舞臺機械及裝備事業(yè)的前進步伐。國家大劇院舞臺機械工程的技術文件已成為劇場建設舞臺機械設計的一個良好的例證，并為規(guī)范舞臺機械行業(yè)的技術和商業(yè)活動起到較大的作用。舞臺設備發(fā)展到今天，是致力

7、于這方面研究的眾多科技工作者是分不開的，我們有必要先回顧我國舞臺機械設備的發(fā)展進程。解放之前，我國舞臺機械的發(fā)展非常緩慢，設備極其簡陋。隨著新中國的建立，在物質生活水平提高的同時，人們迫切需要提高科學文化水平，黨和政府非常重視人民群眾文化事業(yè)的發(fā)展，早在五十年代初就興建了一批有代表性的典型劇場，配備了相當數(shù)量的舞臺機械設備：手動吊桿，假臺口，電動垂直吊桿等，雖然控制手段還比較落后，但畢竟有了自己的舞臺設備。到了六、七十年代，我國建成了一大批相對規(guī)模較大的劇場，最典型的是北京的人民大會堂，另外還有廣州的友誼劇院、長沙青年宮、杭州劇院等。這些劇院都設置了較先進的平衡手動吊桿和假臺口、甚至還有升降池

8、。但在舞臺機械這方面，還沒有什么突破，不可否認，在舞臺的發(fā)展方面，我國與發(fā)達國家還有相當大的差距。進入了八十年代以后由于我國經(jīng)濟條件好轉，先后根據(jù)各自不同的演出功能要求，設計了各種不同類型的舞臺機械：用于歌舞表演的中國劇院、用于戲劇表演的中央戲劇學院排練場、用于話劇演出的中國少兒藝術劇院等，這些舞臺機械適應了不同的演出要求，豐富了人民的業(yè)余文化生活。進入九十年代處，我國舞臺機械方面又有了長足進步，先后建成了深圳大劇院等一系列大型的較先進的現(xiàn)代化影劇院。這些劇院的舞臺機械已經(jīng)較為齊全，如臺上舞臺機械有勻速吊桿、電動伸縮大幕、活動假臺口，還有燈光渡橋、燈光吊籠、天幕燈架等。臺下舞臺機械有機械伸降樂

9、池、活動假臺口，還有燈光渡橋、舞臺伸降臺、車臺。特別是后舞臺還有移動式轉臺，該設備具有可以電動行走到主臺并可以旋轉的功能，技術含量較高，應用較方便。這是，我國舞臺機械化程度與世界先進水平之間的差距一逐漸縮小。第一章 課題相關背景介紹1.1課題簡介隨著社會主義精神文明建設的發(fā)展，人們對文化生活水平的要求也越來越高，為了配合這種步伐，全國各地都開始新建文化設施場所，出現(xiàn)了不少劇院、廣場、展覽中心等。劇院作為人們?nèi)粘⑴c文化活動的主要場所，隨著大大小小的商業(yè)和文藝演出、文化節(jié)、文藝慶典都不斷出現(xiàn)，提高技能設備來改善劇院的環(huán)境、提高舞臺控制系統(tǒng)都是非常有必要的，一個城市劇院設備的現(xiàn)代化也是這個城市現(xiàn)代

10、化的側面反映，也是我國科學技術水平不斷提高的具體體現(xiàn)。作為劇院非常重要的一部分舞臺，按照專業(yè)分類可以分為三大系統(tǒng)：舞臺機械及控制系統(tǒng)、燈光及控制系統(tǒng)和音響及控制系統(tǒng)。舞臺機械設備為舞臺演出提供運動、動作和位置變化的服務。與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品一樣，舞臺機械同樣是以電氣、機械、液壓和自動控制技術為基礎。當有良好的、精確的舞臺機械控制與音響、燈光、演員、舞蹈及場景相配合，不僅能為整場表演添光增彩，還可以使人們得到完美的視聽感受，陶冶人們的情操。本課題主要完成舞臺吊桿控制系統(tǒng)的設計，分三層進行設計，上層是PC，中層是HMI控制，下層是選用西門子S7-200系列CPU226。由一個交流電機控制一道吊桿，下位機

11、與上位機連接，通過485通信可以實現(xiàn)多桿聯(lián)動。PLC由于抗干擾能力強、可靠性高、編程簡單方便等特點作為舞臺吊桿的控制核心，若要調動舞臺吊桿，只需要由上位機發(fā)送指令，下位機順序執(zhí)行就可以輕易地實現(xiàn)，這樣做降低了工作難度，提高了工作效率。1.2課題的現(xiàn)狀一場文藝演出和戲劇表演最重要的物質基礎是劇院的舞臺設備，少了它，正場演出都無法達到預期的效果。隨著經(jīng)濟、科學技術和文化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，舞臺形式也在不斷變化發(fā)展中，從空間上可以分為開敞式舞臺、近端式舞臺和伸出式舞臺三大類。舞臺又布置臺上機械和臺下機械，為舞臺演出提供更多的技術支持。吊桿就是一種裝在舞臺上空的機械，它的作用是提升舞臺上的布景構件，掛設幕

12、布，懸掛舞臺燈光設備等器具。目前，國內(nèi)外常見的舞臺吊桿有三大類，分別是：手動吊桿、電動吊桿和液壓吊桿。手動吊桿是通過人力來驅動吊桿的，由于人力資源有限，所以手動吊桿的大部分載荷要通過施加平衡重來平衡掉。電動吊桿則是通過電動機驅動的吊桿，它還可以分為卷揚式電動吊桿和曳引式吊桿。液壓吊桿是通過液壓能來驅動吊桿的，它也分為兩種，一種是液壓缸驅動吊桿，還有一種是液壓馬達驅動吊桿。 現(xiàn)代化的劇院是廣大人民群眾接收文化熏陶的一個重要通道，劇院的舞臺機械設備也隨之增多，也帶來了更多的技術功能要求，各式各樣的問題也不斷出現(xiàn)，如舞臺吊桿的數(shù)量不斷增加，隨之帶來的是繼電器、接觸器數(shù)量龐大，復雜的接線問題和難控制等

13、問題。由于PLC具有編程簡單方便、抗干擾能力強、可靠性高的特點，被廣泛地應用在工業(yè)控制中。將PLC應用到舞臺吊桿控制系統(tǒng)中，對吊桿的控制管理都非常有幫助。1.3國外研究現(xiàn)狀在西方文明史中，最早的戲劇在古希臘的雅典誕生，然后流傳到古羅馬，這些戲劇是依靠白天的自然光源在露天劇場演出，包括三個部分：樂池、景屋和觀眾席，樂池就是表演、舞蹈、歌唱的地方；景屋就是最早的換衣間和道具儲藏室；觀眾席一般環(huán)繞在樂池的周圍，依山而建，擺放著整齊的長椅方便觀眾觀看演出。文藝復興時期，文學藝術空前繁榮，戲劇內(nèi)容更加豐富多彩，也推動著戲劇舞臺的發(fā)展。 17世紀的歐洲打破了以往傳統(tǒng)的露天劇場局限，劇院里開始出現(xiàn)鏡框臺口、

14、箱型舞臺和多層包廂的觀眾廳，這對日后舞臺形式的發(fā)展起到了潛移默化的作用。18世紀，歐洲各大主要城市紛紛效仿建造意大利式的劇場，深受社會各界的好評。最具代表性的要屬有歌劇麥加之稱的米蘭歌劇院了，擁有馬蹄形的觀眾廳和六層環(huán)繞的包廂，觀眾廳設計為對聲場非常有利的“黃金律”，許多著名的歌劇都在此演出。19世紀后半葉，歐洲興建了一批非常豪華的歌劇院，延續(xù)了古典劇場的傳統(tǒng)模式也增加了舞臺機械設備，如安裝了起吊布景機械的巴黎歌劇院和水壓式的機械升降臺的布達佩斯國立歌劇院。50年代，為了達到更好的視聽效果，舞臺中安裝了電力驅動的轉臺。第二次科技革命進一步推動了生產(chǎn)技術的發(fā)展，舞臺機械技術、照明技術等科學成就被

15、廣泛地應用到樂池、鏡框臺口、箱型舞臺中，舞臺文化藝術產(chǎn)業(yè)空前發(fā)展。美國的劇院舞臺也效仿英國的舞臺技術，到了20世紀和21世紀才開始發(fā)展自己的舞臺技術，并形成了一套自己特有的風格。總之，國外的舞臺機械設備發(fā)展還是比較早的，經(jīng)過幾百年的發(fā)展演變，更多的科學技術成果被應用到舞臺控制系統(tǒng)中，通過各種升降、推拉、轉功能的轉換使舞臺藝術表演更加完美，對現(xiàn)代舞臺機械的發(fā)展影響深遠。1.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的戲劇發(fā)展可以追溯到漢代，宋元南戲、元雜劇、明清傳奇、京劇都是不同時代的代表。這些傳統(tǒng)戲曲演出主要講究的是唱、念、打、做的配合，大都采用敞開式舞臺，如果需要場景更換之類的都是靠人為的拉動、推送完成，與同一時期

16、的西方國家相比，我們的舞臺設施建設遠遠落后于他們。直到20世紀初，我國才學習西方舞臺形式，建設了鏡框式箱型舞臺，北京、上海、廣州等大城市的劇院開始啟用一些簡單的電動設備，還出現(xiàn)了人力小轉臺、手動吊桿等，這些都促進了我國舞臺機械的發(fā)展。但是電動設備還是有其自身局限性的，比如它不能調速，也不能進行定位控制，難免使戲劇演出時受設備的影響而達不到完美效果。20世紀50年代，我國的傳統(tǒng)戲劇開始走向世界，在國際性舞臺上綻放光彩。同時，西方的歌劇、戲劇等劇種也在國內(nèi)舞臺上表演，對我國的舞臺設備有了更多的要求，我們必須與國際接軌，促進劇場建設和舞臺設備的建設。因此，許多文化設施場所開始安裝舞臺機械設備，以北京

17、首都劇場為例，它在劇場建設了假臺口、轉臺和電動吊桿等機械設備。20世紀70年代末期，國內(nèi)各地的劇院也如法炮制，設置了臺上設備和臺下設備，采用液壓技術的驅動系統(tǒng)還有計算機控制的控制系統(tǒng)來滿足不同演出的要求。中央戲劇學院在我國的舞臺建設方面開創(chuàng)了三個第一，第一個升降樂池，第一個氣墊式車臺，還有第一臺擁有八塊升降臺的鼓筒形轉臺，同時防火幕、天幕吊桿和定速吊桿等機械設備。實踐證明，這些舞臺機械設備的安置對舞臺藝術表演起到了非常大的幫助。進入20世紀90年代以后，隨著工業(yè)的大力發(fā)展和科學技術的進步，文化產(chǎn)業(yè)也不斷發(fā)展，對文藝舞臺的設備要求也越來越高。我國引進了外國的先進舞臺技術并結合自身特點運用到國內(nèi)舞

18、臺建設中，使舞臺機械設備的功能更多樣化。跨入21世紀后，計算機數(shù)字控制系統(tǒng)被廣泛運用到舞臺控制系統(tǒng)中，最具代表性的就是舞臺吊桿，具備了定點定位和無極調速等功能，為舞臺機械設備的發(fā)展開創(chuàng)了新篇章。第二章 控制方案2.1 系統(tǒng)整體設計現(xiàn)就本設計做如下整體說明,本設計使用組態(tài)軟件為昆侖通態(tài)的MCGS，下位機PLC選用西門子公司的S7-200系列CPU226，因為這款PLC有2個通信口COM0與COM1?？?可以與上位PC機通信，口1可以和HMI通信，口0和口1都用西門子默認提供的PPI協(xié)議，這樣PLC能同時和PC機及HMI通信。不論PC機還是HMI都可以直接與下位PLC進行數(shù)據(jù)交換，來控制舞臺吊桿。

19、在本地安裝一個控制箱，箱上裝有上升按鈕、下降按鈕與急停按鈕。上升按鈕與下降按鈕都是一直按下去吊桿才上升或下降，當松開時吊桿停止運行。只有急停按鈕是點動方式即按一次吊桿就停止。吊桿運行狀態(tài)通過I0.2與I0.3來判斷，當I0.2為低電平0，I0.3為低電平0時，代表吊桿處于上升狀態(tài)；當I0.2為低電平0，I0.3為高電平1時，代表吊桿處于下降狀態(tài)，當I0.2為高電平1，I0.3為高電平1時，代表吊桿處于停止狀態(tài)。舞臺吊桿運行位置通過編碼器反饋個PLC，PLC通過高速計數(shù)器HSC5的模式0記錄脈沖數(shù)據(jù)來反映舞臺吊桿當前位置。當下載完PLC程序后，本設計有自動學習功能，即下載完PLC程序，舞臺吊桿從

20、最上端運行到最下端停止后，PLC記錄本次脈沖數(shù)作為以后吊桿運行參數(shù)使用，此次脈沖數(shù)當作吊桿運行最大距離的起始參數(shù)。脈沖數(shù)據(jù)通過PLC的I0.4輸入。當變頻故障時通過開關量接到PLC輸入端I0.7。變頻器故障時禁止系統(tǒng)運行，直到故障解除，系統(tǒng)可以正常運行。手/自動按鈕為I1.1輸入,當I1.1為低電平時代表手動狀態(tài)，為高電平時代表自動狀態(tài)。另外，本系統(tǒng)設計有上、下限位報警停止功能。上限位報警開關量為I0.0,下限位報警開關量為I0.1，當系統(tǒng)異常運行不可控時，只要運行到上或下限位使限位開關接觸閉合，就可以自動鎖定吊桿防止吊桿脫落造成不必要的財產(chǎn)及人員損失。開關量輸出Q0.0設計為交流電機通電/斷

21、電控制，當Q0.0閉合同時Q0.1閉合時電動機正傳；當Q0.0閉合同時Q0.2閉合時電動機反傳；當Q0.0斷開，無論Q0.1,Q0.2處于什么狀態(tài)，電機失電不運行，需要注意的是Q0.1與Q0.2不可同時為1即不可同時將上升按鈕、下降按鈕按下，這樣會使AC 380V交流電短路，造成事故。本設計還擴展了一塊EM235模塊，此模塊是模擬量4路輸入，模擬量1路輸出模塊。模擬量輸入用來檢測電機電流，當電機電流超過設定的報警限時系統(tǒng)報警并且禁止系統(tǒng)運行，直到解除報警狀態(tài)，才允許系統(tǒng)運行，保證了電機及系統(tǒng)的安全。模擬量輸出接到變頻器輸入端子，通過上位機給定參數(shù)，來執(zhí)行變頻器調速功能。系統(tǒng)主要設備列表見表2-

22、1.設備數(shù)量西門子PLC S7-200 CPU2261模擬量擴展模塊EM2351交流接觸器3交流電動機1220V繼電器若干行程限位開關2光電碼盤1按鈕3線材若干變頻器1觸摸屏1PC機1232To485轉換器1電流互感器1表2-1 設備列表2.1.1 系統(tǒng)整體結構介紹圖2-1 系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)整體結構設計框圖如圖2-1所示，主要由三部分構成，最上層以PC作為上位機，也可以由HMI控制PLC，中層的下位機選用的是西門子S7-200系列的226CPU PLC，PLC擴展模擬量采集模擬量數(shù)據(jù)。最下層是通過繼電器、交流接觸器、變頻器控制交流電機，脈沖信息的接收部分由PLC的高速計數(shù)器完成，最后設置行程開

23、關用于防止超出極限位置。2.1.2 調整控制系統(tǒng)介紹圖2-2 調整控制系統(tǒng)流程圖如圖2-2所示為PLC調整控制系統(tǒng)流程圖，PLC上電啟動后先初始化程序，接下來采集相關數(shù)據(jù)，判斷PLC運行狀態(tài)手動或自動狀態(tài)。1.自動狀態(tài)，如果為自動狀態(tài)，先讀取設置的參數(shù)，判斷電機是否供電，若未供電不運行，若已經(jīng)供電判斷是否是上升命令，若不是上升命令判斷是否是下降命令，若不是下降命令，判斷是否是停止命令，若不是停止命令則返回繼續(xù)判斷是否是上升命令，如此循環(huán)。如果是上升命令則按照給定的速度上升，并且時刻判斷是否到達設定的安全距離，如果到達安全距離則以緩慢的速度上升，直到上升到給定高度，停止運行，過程執(zhí)行完畢。如果是

24、下降命令則按照給定的速度下降，并且時刻判斷是否到達設定的安全距離，如果到達安全距離則以緩慢的速度下降，直到下降到給定高度，停止運行，過程執(zhí)行完畢。如果是停止命令，執(zhí)行停止命令，運行停止，過程執(zhí)行完畢。2.手動狀態(tài)，如果為手動狀態(tài)，先檢測電機是否供電，若未供電不運行，如果已經(jīng)供電，判斷是否是上升命令，若非上升命令，判斷是否是下降命令，若非下降命令，判斷是否是停止命令，若非停止命令，則返回到繼續(xù)判斷是否是上升命令，如此循環(huán)。如果是上升命令按照給定速度上升，判斷是否有停止命令，當有停止命令時，執(zhí)行停止命令，運行停止，過程執(zhí)行完畢。如果是下降命令按照給定速度下降，判斷是否有停止命令，當有停止命令時，執(zhí)

25、行停止命令，運行停止，過程執(zhí)行完畢。如果停止命令，執(zhí)行停止命令，運行停止，過程執(zhí)行完畢。若是系統(tǒng)運行是出現(xiàn)異常情況，如圖2-3所示： 圖2-3 系統(tǒng)運行異常流程圖系統(tǒng)上電初始化后，時刻判斷系統(tǒng)是否運行異常根據(jù)相應報警情況執(zhí)行相應程序。1.當出現(xiàn)上限報警時，鎖定吊桿禁止系統(tǒng)運行并給出上限報警信息。2.當出現(xiàn)下限報警時，鎖定吊桿禁止系統(tǒng)運行并給出下限報警信息。3.當出現(xiàn)變頻故障時，鎖定吊桿禁止系統(tǒng)運行并給出變頻報警故障信息。4.當出現(xiàn)電機電流報警時，鎖定吊桿禁止系統(tǒng)運行并給出電機電流報警信息。5.若未發(fā)生任何報警，則繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測是否有報警信息。2.1.3主控系統(tǒng)介紹系統(tǒng)主控系統(tǒng)主要由PC機、PLC

26、、交流接觸器、電動機、變頻器等構成。工作過程為，操作員可以通過上位機設置好參數(shù)后自動運行系統(tǒng)，系統(tǒng)分為手動、自動兩大模式。在手動模式下操作員可以根據(jù)現(xiàn)場運行情況自由控舞臺吊桿的上升、下降或停止。在自動模式下操作員可以根據(jù)經(jīng)驗設置好參數(shù)后自動運行。本系統(tǒng)有安全保護措施，能最大限度的減小危險的發(fā)生?，F(xiàn)就主控系統(tǒng)的設備作如下功能說明：1. 上位PC機主要負責實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要參數(shù)，通過人機界面，操作員可以設置系統(tǒng)運行狀態(tài)，運行參數(shù)等，查看報警信息。2. PLC主要負責上位機與最下端設備數(shù)據(jù)轉換、交換，上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息首先與PLC進行交換，由PLC進行轉換傳遞給底端設備；底端設備的數(shù)據(jù)也首先傳送給

27、PLC，再由PLC傳遞給上位機。PLC的功能還有進行邏輯運算。3. 交流接觸器主要功能為控制380V交流電動機的啟動、停止、電機轉向控制。4. 電動機主要為控制舞臺吊桿升、降、停運動。5. 變頻器負責對電動機的調速控制，及變頻故障時給出故障信號，再由PLC反饋給上位機。2.1.4定位控制系統(tǒng)介紹定位控制系統(tǒng)用到的主要設備有：行程限位開關、光電碼盤、變頻器等。定位控制也要分手動與自動兩種情況來說明。自動狀態(tài)下，因為變頻器可以實現(xiàn)對電機的連續(xù)調速，所以在此狀態(tài)下，設置好參數(shù)后，系統(tǒng)自動監(jiān)測如果吊桿距離設定的高度很遠，那么吊桿將按照之前設置的最大運動速度快速運動，直到運動到設定的安居距離之內(nèi)，再由變

28、頻器調速將電機調到低速運行狀態(tài)，使吊桿低速緩慢運行，直到運行到設定的高度再停止吊桿運動。如果設定的高度在安全距離內(nèi)，那么吊桿將以低速運行，到達指定位置后停止。這個安全距離一定要設置一個合法值，否則當?shù)鯒U在自動運行時，監(jiān)測不到安全距離，系統(tǒng)將不能做到精確定位。手動狀態(tài)下，操作員可以設置吊桿運行速度后再對吊桿進行控制。不論是自動狀態(tài)還是手動狀態(tài)，操作員可以在任意時刻對吊桿進行停止控制，這是為了應對突發(fā)事件，可以迅速停止吊桿的設計。在任何狀態(tài)下有行程限位開關可以保護吊桿運行超過非法位置，保證吊桿在可控范圍內(nèi)。光電碼盤用來監(jiān)測電機的運行速度情況，操作員發(fā)出運動命令后，通過光電碼盤反饋給上位機的速度信號

29、，可以驗證電動機是否是按照命令運行的。另外，光電碼盤在精確定位控制中起到了至關重要的作用，碼盤的精度對與總精度也是一個很重要的數(shù)據(jù)。因為這個碼盤最后反映給PLC 的就是脈沖數(shù)據(jù)，而這個脈沖數(shù)據(jù)又直接對應于吊桿的單位運動距離，所以，對于馬盤的選擇也很重要。2.1.5通信系統(tǒng)介紹本設計采用工業(yè)上通用的485總線通信方式實現(xiàn)多桿聯(lián)動，這種通信方式的通信距離可以達到幾十米甚至到上千米。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因

30、此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。通信協(xié)議使用西門子公司提供的默認PPI協(xié)議。PPI通信協(xié)議是西門子公司專為S7-200系列PLC開發(fā)的通訊協(xié)議。內(nèi)置于S7-200CPU中。PPI協(xié)議物理上基于RS-485口，通過屏蔽雙絞線就可以實現(xiàn)PPI通訊。PPI協(xié)議是一種主-從協(xié)議。主站設備發(fā)送要求到從站設備，從站設備響應，從站不能主動發(fā)出信息。主站靠PPI協(xié)議管理的共享連接來與從站通訊。PPI協(xié)議并不限制與任意一個從站的通訊的主站的數(shù)量，但在一個網(wǎng)絡中，主站不能超過32個。PPI協(xié)議最基本的用途是讓西門子STEP7-Micro/WIN編程軟件上傳

31、和下載程序和西門子人機界面與PC通信。通過這種方式可以實現(xiàn)多桿聯(lián)動。2.2 系統(tǒng)設計功能指標根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)設計擬定了一下功能指標：（1） 可由交流電機驅動舞臺吊桿實現(xiàn)上下移動。（2） 通過變頻器進行調速。（3） 由于吊桿一般是在舞臺空中運行的，吊桿本身以及承載的重物下面就是舞臺，舞臺上可能有演出者，如果發(fā)生意外失控后果難以想象，所以在必須設有警報死鎖功能防止系統(tǒng)失控，保證舞臺吊桿的安全運行。（4） 為了更便捷的管理控制舞臺吊桿，可以接上觸摸屏或者上位機進行可視化操作。（5） 一般舞臺都設有較多的吊桿以滿足不同演出的需要，本系統(tǒng)設計通過485通信實現(xiàn)多桿聯(lián)動，大大減少了人力物力資源，經(jīng)濟可

32、靠。（6） 能實現(xiàn)動作紀錄保持，可通過上位機進行讀取用作分析或者回放。第三章 硬件設計3.1 PLC的型號選擇及優(yōu)點德國的西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應用相當廣泛，比如在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。西門子小型機有S7-200

33、：處理速度0.81.2ms ；存貯器2k ；數(shù)字量248點；模擬量35路 。3.1.1工作原理當PLC通電運行后，其工作過程一般分為以下三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個主要階段。每完成上述三個階段就稱作一個掃描周期。在其整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。3.1.2優(yōu)點1.可靠性PLC不需要大量的活動元件和連線電子元件。它的連線大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計。例如：冗余的設計。斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的

34、編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言。編程出錯率大大降低。2.易操作性PLC有較高的易操作性。它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。程序的輸入直接可接顯示，更改程序的操作也可以直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進行搜索或程序尋找，然后進行更改。PLC有多種程序設計語言可供使用。用于梯形圖與電氣原理圖較為接近。容易掌握和理解。PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快找到故障的部位。3.靈活性PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能

35、模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。PLC選擇西門子公司的CPU226型號。CPU226技術規(guī)范CPU特性如表3-1所示。 型號訂貨號CPU 226XM DC/DC/DC6ES7 216-2AF21-0XB0CPU 226XM AC/DC/繼電器6ES7 216-2BF21-0XB0總體特性外形尺寸 (長 x寬H x 高)重量功耗196 mm x 80 mm x 62 mm550 g11 W196 mm x 80 mm x 62 mm660 g17 WCPU 特性本機數(shù)字輸入本機數(shù)字輸出24 路數(shù)字量輸入16 路數(shù)字量輸出2

36、4 路數(shù)字量輸入16 路數(shù)字量輸出高速計數(shù)器 (32-位值)總數(shù)單相計數(shù)器個數(shù)兩相計數(shù)器個數(shù)脈沖輸出模擬電位器時間中斷邊沿中斷可選擇的輸入濾波器時間脈沖捕捉時鐘 (時鐘精度)6 個高速計數(shù)器6 個都是30 kHz 時鐘速率4 個都是20 kHz 時鐘速率2 個，20 kHz 脈沖速率2 個，8 位分辨率2 個，1 ms 分辨率4 個上升沿和/或 4 下降沿7 個，范圍 0.2 ms 12.8 ms14 個脈沖捕捉輸入25oC 時，2 分種/月 0oC 55oC 時，7 分種/月6 個高速計數(shù)器6 個都是 30 kHz 時鐘速率4 個都是 20 kHz 時鐘速率2 個，20 kHz 脈沖速率2

37、個，8 位分辨率2 個，1 ms 分辨率4 個上升沿和/或 4 下降沿7 個，范圍 0.2 ms 12.8 ms14 個脈沖捕捉輸入25oC 時，2 分種/月0oC 55oC 時，7 分種/月程序空間 (永久保存)數(shù)據(jù)塊空間: (永久保存)永久保存由超級電容或電池保存擴展模塊的數(shù)量最大的數(shù)字量 I/O最大的模擬量 I/O8192 字5120 字5120 字5120 字7 個模塊25632 AI和32 AO8192 字5120 字5120 字5120 字7 個模塊25632 AI和32 AO內(nèi)部存儲器位掉電永久保存由超級電容或電池保存256 位112 位256 位256 位112 位256 位定

38、時器總數(shù)由超級電容或電池保存1 ms10 ms100 ms256 定時器64 定時器4 定時器16 定時器236 定時器256 定時器64 定時器4 定時器16 定時器236 定時器計數(shù)器總數(shù)由超級電容或電池保存布爾量執(zhí)行速度傳送字的執(zhí)行速度定時器/計數(shù)器執(zhí)行速度單精度數(shù)學運算執(zhí)行速度實數(shù)運算執(zhí)行速度超級電容的數(shù)據(jù)保存時間256 計數(shù)器256 計數(shù)器0.37 s 每條指令34 s 每條指令50 s 64 s 每條指令46 s 每條指令100 s 400 s 每條指令190 小時/典型，40oC時最小120 小時256 計數(shù)器256 計數(shù)器0.37 s 每條指令34 s 每條指令50 s 64

39、s 每條指令46 s 每條指令100 s 400 s 每條指令190 小時/典型，40oC時最小 120 小時本機通訊通訊口數(shù)電氣接口隔離 (外部信號到邏輯電路)PPI/MPI 波特率自由口波特率2 口RS-485 不隔離9.6, 19.2, 和 187.5 k 波特0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 和 38.4 k 波特2 口RS-485不隔離9.6, 19.2, 和187.5 k 波特0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 和 38.4 k 波特每網(wǎng)絡段最大電纜長度直到 38.4 k 波特187.5 k 波特最大站數(shù)每個

40、網(wǎng)絡段 / 每個網(wǎng)絡最大主站數(shù)PPI 主站模式 (NETR/NETW)MPI 連接1200 m1000 m32 站 / 126 站32 主站是共 4 個; 2 保留：一個 給 PG ，另一個給 OP1200 m1000 m32 站 / 126 站32 主站 是共 4 個; 2 保留：一個給 PG ，另一個給 OP可選的卡存儲器卡 (永久保存)電池卡 (數(shù)據(jù)保存時間)程序、數(shù)據(jù)和組態(tài)200 天/典型程序、數(shù)據(jù)和組態(tài)200 天/典型表3-1 S7-200 226 PLC CPU特性電源如表3-2所示，輸入特性如表3-3所示，輸出特性如表3-4所示。電源電源電壓允許范圍輸入電流 僅 CPU / 最大

41、負載沖擊電流 (最大)隔離 (輸入電源到邏輯電路)保持時間 (從斷開電源)內(nèi)部熔斷 (用戶不能替換)20.4 28.8 VDC150/1050 mA，24 VDC10 A，28.8 VDC不隔離 10 ms，24 VDC3 A, 250 V, 慢速熔斷85 264 VAC47 63 Hz40/160 mA，240 VAC80/320 mA，120 VAC20 A，264 VAC1500 VAC80ms，240VAC, 20ms，120 VAC 3 A, 250 V, 慢速熔斷+5 V 擴展I/O模塊電源 (最大)1000 mA1000 mA24 VDC 傳感器電源輸出電壓范圍 最大電流紋波躁聲

42、電流限制隔離 (傳感器到邏輯電路)15.4 28.8 VDC400 mA和電源相同約1.5A不隔離20.4 28.8 VDC400 mA峰峰值小于 1V (最大)約1.5A 不隔離表3-2 S7-200 226 PLC 電源輸入特性主機輸入數(shù)輸入類型24 輸入?yún)R型/源型 (IEC Type 1)24 輸入?yún)R型/源型 (IEC Type 1)輸入電壓允許的最大連續(xù)值浪涌標稱值邏輯 1 信號 (最小)邏輯 0 信號 (最大)30 VDC35 VDC/ 0.5 s24 VDC/ 4 mA, 標準值15 VDC/ 2.5 mA, 最小5 VDC/ 1 mA, 最大30 VDC35 VDC/ 0.5 s

43、24 VDC/ 4 mA, 標準值15 VDC/ 2.5 mA, 最小5 VDC/ 1 mA, 最大隔離 (現(xiàn)場側到邏輯電路)光電隔離隔離組500 VAC ，1 分鐘13 點和 11 點500 VAC ，1 分鐘13 點和 11 點輸入延時濾波輸入和中斷輸入0.2 12.8 ms, 用戶可選0.2 12.8 ms, 用戶可選HSC 時鐘輸入速率單相邏輯 1 電平 = 15 30 VDC邏輯 1 電平 = 15 26 VDC兩相邏輯 1 電平 = 15 30 VDC邏輯 1 電平 = 15 26 VDC20 kHz30 kHz10 kHz20 kHz20 kHz30 kHz10 kHz20 kH

44、z連接2線接近開關傳感器 (Bero)允許漏電流最大 1 mA最大 1 mA電纜長度不屏蔽 (不是 HSC)屏蔽屏蔽的 HSC 輸入300 m500 m50 m300 m500 m50 m輸入同時接通的數(shù)量40 oC55 oC24 輸入24 輸入24 輸入24 輸入表3-3 S7-200 226 PLC 輸入特性輸出特性主機輸出數(shù)輸出類型16 輸出固態(tài) -MOSFET16 輸出繼電器-干觸點輸出電壓允許范圍標稱值最大電流時邏輯 1 信號帶 10 K 負載時邏輯 0 信號20.4 28.8 VDC24 VDC20 VDC,最小 0.1 VDC, 最大5 30 VDC 或 5 250 VAC-輸出

45、電流邏輯 1 信號輸出組數(shù)輸出接通個數(shù) (最多)每組 - 水平安裝 (最多)每組 - 垂直安裝 (最多)每組的最大電流燈負載接通電阻 (觸點電阻)每點的漏電流浪涌電流過載保護0.75 A216886 A5 W0.3最大 10 A8 A ，100 ms (最大)無2.00 A3164/5/74/5/710 A30 W DC/200 W AC當開始使用時，最大 0.2-觸點閉合時 7 A無隔離 (現(xiàn)場側到邏輯電路)光電隔離隔離電阻線圈到觸點的隔離觸點間的隔離組500 VAC ，1 分鐘-8 點-當開始使用時，最小 100 M1500 VAC，1 分鐘750 VAC， 1 分鐘4 點 / 5 點 /

46、 7 點感性負載嵌位重復的能量吸收 <0.5 LI2 x 開關速率嵌位電壓限制1 W, 所有通道L+ 48 V-輸出延時Off 到 On (Q0.0 和 Q0.1)On 到 Off (Q0.0 和 Q0.1)Off 到 On (Q0.2 和 Q1.7)On 到Off (Q0.2 和 Q1.7)2 s, 最大10 s, 最大15 s, 最大100 s, 最大-開關頻率 (脈沖串輸出)Q0.0 和 Q0.120 kHz，最大1 Hz，最大繼電器開關延時機械壽命 (無負載)帶標稱負載時觸點壽命-10 ms，最大10,000,000 開/關 循環(huán)100,000 開/關 循環(huán)電纜長度不屏蔽屏蔽15

47、0 m500 m150 m500 m表3-4 S7-200 226 PLC 輸出特性3.2 I/O地址分配I/O地址分配如圖3-1所示，Q0.0電機供電輸出，Q0.1電機正轉，Q0.2電機反轉，Q0.3報警輸出。I0.0舞臺吊桿上限位，I0.1舞臺吊桿下限位，I0.2舞臺吊桿運行狀態(tài)1，I0.3舞臺吊桿運行狀態(tài)2，I0.4舞臺吊桿脈沖輸入，I0.5舞臺吊桿本地上升按鍵，I0.6舞臺吊桿本地下降按鍵，I0.7變頻故障反饋，I1.0系統(tǒng)運行狀態(tài)，I1.1手/自動切換，I1.2舞臺吊桿急停按鈕。AIW0模擬量輸入為電機電流輸入。AQW0模擬量輸出為變頻控制輸出。圖3-1 舞臺吊桿I/O分配3.3 P

48、LC外部接線圖PLC的外部接線是簡單而又比較枯燥乏味的工作。但也需要比較細心的，容不得馬虎大意。稍有大意，接錯線就有可能燒壞設備，而這些設備又都是比較貴重的。因此，接好線最好還是要反復檢查確認所有接線都正確在逐個通電，避免因為馬虎大意造成不必要的損失。這里需要說明的是所有輸入輸出都用繼電器隔離，防止外部電路故障燒壞PLC，模擬量輸入采用工業(yè)標準的4-20mA輸入，EM235接線時，將RA與A短接。未用的模擬量輸入將端口短接，防止干擾。接線圖如圖3-2所示。圖3-2 PLC外部接線圖電機控制用兩路交流接觸器控制任意改變AC 380V交流電的任意兩項電，來實現(xiàn)交流電機的正反轉控制。用第三路交流接觸

49、器控制電機通電與否。接線圖如圖3-3所示圖3-3 交流電機正反轉控制接線圖3.4光電旋轉碼盤光電旋轉碼盤結構圖如圖3-4所示。其工作原理原理為，在這個碼盤上，最外沿邊緣上有一些規(guī)則的小凸槽和凹槽，在如圖3-4的右半部分的碼盤黑色正方形代表凸槽，白色的代表凹槽。碼盤通過中心軸固定在電機軸上，當電機轉動時，碼盤也與電機以相同的角速度轉動，那么在碼盤最外沿的凸槽就會遮擋住其一側的發(fā)光管發(fā)出的光，使另一側的接收部分接收不到對面發(fā)來的光，這時PLC的I0.4就會讀到一個脈沖。隨著電機的轉動，當下一個凹槽轉動過來后，不能遮擋住發(fā)光管的光線，那么此時PLC的I0.4讀到的電平信號為低電平信號。電機繼續(xù)轉動又

50、迎來凸槽，如此往復永動下去，PLC的I0.4就能讀到很多個脈沖，來記錄電機的轉動情況，即舞臺吊桿的位置?，F(xiàn)舉例說明本設計如何實現(xiàn)精確定位，假如舞臺吊桿的最大行程為4000mm,碼盤轉動一周為50個脈沖，交流電機帶動齒輪繩索轉動一周為10mm。那么每個脈沖代表轉動繩索長度為0.2mm。轉動使舞臺吊桿到達最大行程4000mm，需要20000個脈沖，電機需要轉動400轉。在這樣的理論精度下，在通過變頻器調速，當舞臺吊桿快要達到設定高度時，通過變頻器使電動機按照設定的很低速度運行，慢慢到達指定位置，最后停止運行并鎖定吊桿。正是因為有很高的理論上的精度，才能做到實際情況下的高精度定位。圖3-4 光電旋轉

51、碼盤結構圖3.5變頻器變頻器選用ABB公司的PowerFlex 40p交流變頻器22D-UM001A-ZH-P?？刂平泳€圖如圖3-5所示。模擬量輸入控制采用0-10V控制，PLC的擴展模塊EM235也同樣配置成0-10V電壓輸出。這樣可以方便的進行連續(xù)調速，即當EM235輸出10V電壓時，電機的轉動速度最大；當EM235的輸出為0V時電機的轉動速度最小。接線端子如表3-5所示。端子說明R/L1,S/L21-相輸入R/L1,S/L2，T/L33-相輸入U/T1接電動機U/T1V/T2接電動機V/T2W/T3接電動機W/T3P2,P1直流母線電感線圈連接端（只對C型框架的變頻器）C型框架的變頻器在

52、端子P2，P1之間有一個跳線，只有當連接直流母線電感線圈時才可拆除此跳線。如果沒有連接跳線或電感線圈，變頻器無法上點。DC+,DC-直流母線連接端BR+,BR-動態(tài)電阻連接端GND安全接地點-PE 表3-5 變頻器接線端子 圖3-5 變頻器控制接線圖第四章 PLC軟件設計4.1PLC編程軟件西門子S7-200PLC編程軟件使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6編程軟件，軟件界面如圖4-1所示。STEP 7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設置，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。圖4-1 V4.0 STE

53、P 7 MicroWIN SP6編程軟件編譯環(huán)境4.1.1軟件特點STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或選中某一對象，按F1可以得到該對象的相關幫助。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。4.1.2編輯本段STEP 7的硬件接口PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計算機的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計算機一側的通信速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一側的通信速率為19.2kbit/s1.5Mbit/s。除了PC適配器，還需要一根標準的RS-232C通信電纜。4.1.3基本功能STEP7-Micro/WIN32編程軟件的基本功能是協(xié)助用戶完成應用軟件的開發(fā)，其主要實現(xiàn)以下功能。1.在脫機（離線）方式下創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序。在脫機方式時，計算機與PLC斷開連接，此時能完成大部分的基本功能，如編程、編譯、調試和系統(tǒng)組態(tài)等，但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計算