舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 论文.docx
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舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现论文
毕业设计论文任务书
1、题目及专题:
1、题目 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现
2、专题
二、课题来源及选题依据
本课题源于歌舞厅或舞台摇头灯光的变幻控制,对灯光摇头(云台)的主轴左右旋转和仰角方向控制,实现X-Y轴的双向360°球面投射。
本课题研究舞台灯光摇头(云台)的姿态控制,利用2路步进电机与PLC结合,利用BCD码盘参数,选择工作状态和组合关系,改变步进电机速度和方向,对灯头任意旋转,达到灯光投射方向变幻目的。
在云台旋转控制应用领域,对机械传动轨迹设计和控制器选择有两类办法:
1.利用步进电机与单片计算机作控制器方式;2.利用步进电机与PLC结合的方式。
由于步进电机是开环控制,用单片机开发可以降低成本,控制比较灵活,但对编程能力要求高,还要求制PCB版和焊接,调试难度大,开发周期长。
用PLC解决虽然成本比较高,但系统可靠、编程简单、开发周期短,在不需要动态特性高的场合,采用步进电机+PLC构成的控制系统是一种不错的选择。
设计参数:
2相步进电机、电机转矩1.0Nm,配套步进电机驱动器,FX2n-8MT或类似PLC,驱动电源、BCD码盘、控制键、接近开关等构成主系统。
三、本设计(论文或其他)应达到的要求:
①熟悉舞台灯光旋转云台的工作原理;
②选择合适的三菱FX2n-MT系列PLC指令系统与编程方法;
③熟悉步进电机的工作原理和驱动方式;
④掌握光电传感器、接近开关的工作原理与选型;
⑤完成系统设计与软件编程;
⑥掌握Protel绘图软件包,完成电子版绘制的电路图;
四、接受任务学生:
电信93班 姓名宗笑
五、开始及完成日期:
自2011年11月7日至2012年5月25日
六、设计(论文)指导(或顾问):
指导教师 签名
签名
签名
教研室主任
〔学科组组长研究所所长〕 签名
系主任 签名
2011年11月7日
摘要
随着科技的发展,无论在日常生活中,还是在工农业发展中,PLC具有广泛的应用。
PLC的一般特点:
抗干扰能力强,可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。
PLC总的发展趋势是:
高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。
本文详细讨论舞台灯光摇头(云台)的姿态控制,利用2路步进电机与PLC结合,利用BCD码盘参数,选择工作状态和组合方式,改变步进电机速度和方向,对灯头任意旋转,达到灯光投射方向的变幻目的。
本文详细介绍了该控制系统的工作原理,描述了系统的硬件组成,对硬件的选型做出了较详细的说明。
结合PLC的工作特点,对控制系统的工作流程进行了合理的规划,并且根据系统流程编写的梯形图程序。
把PLC应用到舞台灯姿态控制的设计中能够充分发挥PLC的可靠性和抗干扰性。
使舞台灯在稳定性、经济性以及维护性上都得到了很大的提升。
关键词PLC舞台灯控制系统步进电机
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,bothindailylife,orinthedevelopmentofindustryandagriculture,PLChasawideapplication.ThegeneralfeaturesofPLC:
stronganti-interferenceability,highreliability,simpleprogrammingandconvenient,easytouse,easymaintenance,design,construction,commissioningperiodisshort,easytorealizemechatronics.PLCisthegeneraldevelopmenttrend:
highfunction,highspeed,highintegration,highcapacity,smallvolume,lowcost,strongabilityofcommunicationnetwork.
Thispaperdiscussedindetailthestagelightinghead(PTZ)attitudecontrol,using2stepmotorcombinedwithPLC,usingtheBCDencoderparameters,selectionofworkstateandthecombinationmode,changethesteppermotorspeedanddirectionofrotationofthecap,arbitrary,changeableandtoreachthepurposeoftheprojectiondirectionofthelight.Thispaperintroducestheworkingprincipleofthecontrolsystem,thehardwareofthesystemconsistsofthedescription,selectionofhardwaremakeadetailedexplanation.CombinedwiththecharacteristicsofPLC,thereasonableplanningoftheworkprocessofthecontrolsystem,andaccordingtotheprogramofladderdiagramsystemprocesspreparation.TheapplicationofPLCtothedesignstagelightsattitudecontrolcangivefullplaytothereliabilityandanti-jammingofPLC.Thestagelightshavebeengreatlyimprovedinthestability,economyandmaintenance.
KeywordsPLCstagelightingcontrolsystemstepping motor
目录
摘要V
AbstractVI
目录VII
第1章绪论1
1.1舞台灯光云台的研究课题背景与意义1
1.2舞台灯光的历史发展概况1
1.2.1国外历史发展概况1
1.2.1国内历史发展概况2
1.3设计任务2
1.3.1任务研究的主要内容2
1.3.2任务分析2
第2章设计方案3
2.1工作原理与方案选择3
2.2舞台灯摇头分析3
2.3系统硬件分析4
2.3.1系统硬件框图4
2.3.2三菱FX2n简介5
2.3.3步进电机简介6
(1)什么是步进电机6
1)控制换相顺序6
2)控制步进电机的转向6
3)控制步进电机的速度6
第3章PLC的介绍和使用7
3.1PLC的概述7
3.2PLC的由来7
3.3PLC的定义8
3.4PLC的工作原理和过程8
3.5PLC的结构9
第4章主要硬件选型11
4.1PLC的选择11
4.2步进电机的选择15
4.2.1步进电机的简介15
4.2.1选择步进电机的条件16
4.4步进电机的驱动18
4.4.1步进电机工作原理18
4.4.2步进电机的控制20
4.4.3可编程控制器(PLC)程序20
4.5程序设计21
4.5.1GXDeveloper软件介绍21
4.5.2GX-Developer程软件的界面22
4.5.3梯形图程序设计24
第5章结论与展望27
5.1结论27
谢辞28
参考文献29
附件:
电路图30
第1章绪论
1.1舞台灯光云台的研究课题背景与意义
随着技术的不断进步,计算机控制灯光系统的优势已影响到艺术的各个层面。
舞台灯光是戏剧演出不可分割的一个组成部分,舞台灯光的发展,是随着戏剧艺术的发展、剧场建筑和科学技术的发展而不断发展的。
近年来,随着与舞台灯光有关的电子技术、光学技术、自动化技术及新型材料、新工艺等方面的发展,也直接推进了舞台灯光技术的发展。
主要表现在两个方面:
一是为多样化演出的自由多变空间创造了各种灵活多变的照明条件;二是在加强光的可控与可塑性方面,努力向自动化、网络化等方面发展。
自从卤钨灯出现后,舞台常用的照明灯具90%被卤钨光源所代替,这使得剧场最基本的照明灯种类无论在光效、显色、寿命、体积等方面都得到了显著改善。
随着科技的发展,各种高光效、长寿命的气体放电灯不断问世,并很快运用于舞台灯光照明。
同时舞台照明灯具在光源革新和新光学、新材料、新工艺的综合设计中,不仅提高了光效,缩小了灯体,减轻了重量,增加了品种,更重要的是灯具的控制性能大大提高。
如目前出现的高强度的各种灯具,有的甚至达到百米以外射距,还出现了运用高科技电脑控制的电脑灯。
这些智能化灯具可以快速换色,选择图案、调光以及灯体或平面反光镜的自由转动而改变射角等多种功能。
在调光方面,可控硅调光器的出现替代了长期使用的电阻器(节光器)变压器。
舞台调光由直接控制强电而转向由弱电控制强电。
随着演出多样化的要求,调光设备的控制形式也变得多种多样,特别是计算机引进舞台灯光控制系统,它不仅在安全可靠、快速多样、操作简化、存储量大等方面给管理人员带来很大的方便,更重要的是最大限度地满足了艺术照明的要求。
1.2舞台灯光的历史发展概况
1.2.1国外历史发展概况
16世纪欧洲如在室外夜间演出,则用浸过树脂的绳子制成篝灯作为光源。
15~16世纪间,意大利布景师进行了色光照明的试验。
17世纪初意大利人在演出中做过控制灯光骤暗的各种试验。
而法国古典主义演出中也做过如何表现一昼夜时间变化的尝试。
18世纪以来,演出时熄灭观众席场灯、只留舞台灯光,已形成惯例。
1755年德累斯顿剧院演出歌剧《耶奥》时,舞台上点燃蜡烛达8000枝之多。
19世纪以来,光源变化迅速。
1808年伦敦兰心剧场首先用上了煤气灯。
因为煤气灯可以利用管道统一控制并可有明暗变化从而得以推广。
英国人H.德拉蒙特发明了石灰灯,在舞台上能产生类似日光或月光的光色。
1870年英
国使用了石灰灯作为追光,后又以油漆涂在石灰灯的玻璃罩上获得色光效应。
1846年巴黎歌剧院第一次使用电弧光源,后又利用电弧光制作出彩色丝绸滤光片并创造了用5个连续的灯光变化来表现从日落至日出全过程的舞台形象。
20世纪初,钨丝灯泡问世后,为舞台提供了发光集中的聚光灯,并为表现舞台空间、创造舞台气氛提供了有利条件。
调光器的发明,灯光系统的统一管理以及滤色片的使用,都加强了舞台灯光的表现力。
1920年意大利人M.佛尔吐尼设计了一种柔光光线反射系统,利用从丝织品上反射出来的电弧光源来摹拟自然界的光色表现天空的幻觉。
据文字记载,1102年后,中国北宋的汴梁,每逢元宵节都演出“百戏”,看台楼下用坊木垒成舞台,台两旁的垛楼上各挂灯球一枚,大有丈余,内燃椽烛,这是中国人造光源之始。
1.2.1国内历史发展概况
中国宋代以后,舞台上就曾使用过人工照明,清代张岱的《陶庵梦忆》有文字记载,彩灯也始于宋代。
刘辉吉在演出《唐明皇游月宫》时就使用过灯光变化。
清代后期,宫中和民间都在演出“灯彩戏”。
光绪十年(1884)慈禧寿诞时,一次演出就用去蜡烛448枝,而民间演出的《牛郎织女》也用了许多喜鹊灯。
辛亥革命后,中国剧场一般使用汽灯或电灯照明。
从1933年上海上演《怒吼吧,中国!
》时起,中国舞台上开始建立了舞台聚光投射系统。
1954年后,先后建成了一些符合国际标准的剧场,引进并建立了中国自己的舞台灯光系列,发展了中国独特的幻灯表现艺术。
1.3设计任务
1.3.1任务研究的主要内容
利用2路步进电机与PLC结合,利用BCD码盘参数,选择工作状态和组合方式,改变步进电机速度和方向,对灯头任意旋转,达到灯光投射方向的变幻目的。
熟悉步进电机的工作原理和驱动方式;掌握光电传感器、接近开关的工作原理与选型和Protel绘图软件的使用。
1.3.2任务分析
根据本次毕业设计的课题和设计的主要任务,我们可以知道,要设计的系统的主要功能就是基于PLC控制舞台灯实现3600的摇头功能,再通过BCD码盘控制不同的状态。
因此,要选择步进电机和驱动器、BCD码盘等,要掌握步进电机的工作原理和驱动方式。
给出系统组成结构,设计系统电气原理图,PLC编程指令和通信协议,用Protel绘制电子板的系统原理图。
在设计时,给予充分的思考和周密的设计布置。
最终完成设计论文。
第2章设计方案
2.1工作原理与方案选择
舞台灯光控制系统的要求后,我们开始时制定了三个方案:
?
利用工控机实现;
?
利用单片机实现;
?
利用PLC控制;
首先,若使用工控机,它具有功能强、可靠性好的优点。
工控机的运算功能比较强,稳定性也很强,它对环境的要求比较低,在完成某些具体的功能时,都有现成的模块能够使用。
但由于它价格贵,用户承受有困难,并且在这个系统中有点大材小用,所以把它否定了。
单片机是一种集成电路芯片,单片机系统一般是根据具体的控制要求,通过专业人员设计,以印刷电路板(PCB)为基础,将单片机和其它芯片、器件等组合在一起,设计并固化相应的软件,最终构成的控制系统。
再有单片机运算功能不强,也没有那么多的功能模块可提供使用,所以把它否定了。
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的基本结构包括:
电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。
所以PLC功能完善、使用方便、抗干扰能力和可靠性能力都强。
故选用PLC控制。
2.2舞台灯摇头分析
舞台灯机械结构如图2-2所示。
图2-2-1摇头灯的机械结构示意图
在底座的Z轴电机驱动灯架在水平方向转动,安装在灯架上的Y轴电机驱动灯体在垂直方向转动,这样通过恰当控制Z轴和Y轴电机的位置、速度,灯光可以在一个半球面实现任意轨迹[1]。
实物图如图2-2-2所示。
图2-2-2舞台灯实物图
2.3系统硬件分析
2.3.1系统硬件框图
由机械结构可知,通过三菱FX2n-32MT对2路步进电机进行控制,从而实现舞台摇头灯的各部分按照一定组合进行旋转运动,达到灯光投射方向的变幻目的。
系统硬件框图如图2-3-1所示。
图2-3-1系统硬件框图
该控制电路包含PLC、BCD拨码盘、步进电机、驱动芯片等,通过PLC和步进电机的组合控制电机转动,然后带动机械部分灯光旋转达到柔性调整灯光的变幻目的。
工作原理
通过三菱FX2n-32MT对2路高精度步进电机进行控制,通过输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过驱动芯片驱动步进电机,从而驱动摇头灯的各部分按照一定组合进行旋转,达到柔性调整灯光的变幻目的。
2.3.2三菱FX2n简介
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点:
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
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控制规模:
16~256点。
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内置8K容量的RAM存储器,最大可以扩展到16K。
?
CPU运算处理速度0.08μS/基本指令。
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在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。
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基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型)。
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快速断开端子块,其采用优良的可维护性快速断开端子块,即使接着电缆也可以更换单元。
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时钟功能和小时表功能,所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
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持续扫描功能,为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
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输入滤波器调节功能,可以用输入滤波器平整输入信号(在基本单元中x000到x017)。
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注解记录功能,元件注解可以记录在程序寄存器中。
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在线程序编辑,在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
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RUN/STOP开关,面板上运行/停止开关易于操作。
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远程维护,远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据
?
密码保护,使用一个八位数字密码保护您的程序。
2.3.3步进电机简介
(1)什么是步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
(2)步进电机的特点
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。
(3)步进电机的工作原理
步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下:
1)控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如:
三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
2)控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
3)控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
(4)步进电机的分类
常见的步进电机分为三种:
永磁式(PW)、反应式(VR)和混合式(HB)。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积比较小,步进角一般为7.5°或15°;反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5°,但噪声和振动都很大,在欧美等发达国家80年代就已淘汰;混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点,它又分为两相和五相。
两相步进角一般为1.8°,五相步进角一般为0.72°这种步进电机的应用最为广泛。
在本设计中可选用两相混合式步进角为1.8°的步进电机。
第3章PLC的介绍和使用
3.1PLC的概述
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心,将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置,涉及到很多自动控制、电器方面的知识。
经过30多年的发展,在工业生产中获得极其广泛的应用。
目前,可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置,居工业生产自动化三大支柱(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。
其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
3.2PLC的由来
早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统,简称继电器控制系统,随着20世纪工业生产的迅速发展,市场竞争越来越激烈,工业产品更新换代的周期日趋缩短,新产品不断涌现,传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求,为了改变这一现状,美国通用汽车公司在1969年公开招标,要求用新的控制装置取代继电器控制装置,并从用户角度提出了招标研制新一代工业控制器(可编程序逻辑控制器)的十条要求,即:
1、编程方便,现场可修改程序,可迅速重新设计;
2、可靠性高于继电器控制装置,对环境的适应性高;
3、维修简单,采用模块化结构;
4、体积小于继电器控制装置,能量消耗小;
5、能与中央处理系统进行通信,以便监视系统运行状态和情况;
6、系统能接受按钮及限位开关的信号流;
7、输出信号能直接驱动电动机起动器及电磁阀线圈;
8、在扩展时,原系统只要很小变更,并在很短时间内变更完毕;
9、成本可与继电器控制系统竞争;
10、用户程序存储器容量至少能扩展到4000个存储字节或存储单元。
这就是著名的GM10条,
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC,在美国通用汽车自动装配线上试用,获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂,操作方便,可行性高,通用灵活,体积小,使用寿命长等一系列优点,很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年,已经成功地应用于食品,饮料,冶金,造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现,也受到了世界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了日本第一台PLC。
1973年,西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制。
于1977年开始工业应用。
3.3PLC的定义
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
可编程控制器一直在迅速发展中,因此到目前为止,尚未对其下最后的定义。
国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的如下定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
3.4PLC的工作原理和过程
PLC虽然以微处理器为核心,具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同,危机一般采用等待命令和中断的工作方式,而PLC则是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。
当PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号周期性的程序循环扫描,如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条执行用户程序,直到程序结束,然后重返回第一条指令,开始下一轮扫描。
每次完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作,如此周而复始。
PLC工作过程大体分三个
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