基于PLC的舞台吊杆控制系统设计.docx
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基于PLC的舞台吊杆控制系统设计
毕业论文
题目:
基于PLC的舞台吊杆控制系统设计
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摘要:
本课题研究目标是开发一套基于组态软件技术和可编程控制器(PLC)控制技术的舞台吊杆控制系统,具体方案上位机组态软件选用昆仑通态的MCGS软件,下位机选用西门子公司的S7-200PLC,配合变频器,编码器等实现精确控制舞台吊杆的控制系统。
上位机起监控和管理作用,下位机根据上位机命令,或者本地操作实时控制监测舞台吊杆。
本设计的吊杆控制系统,取代了传统的舞台吊杆控制系统多采用继电器,接触器的控制方式。
采用PLC的控制系统,可以很方便的实时,精确对舞台吊杆进行控制,另外本设计的安全保护措施也大大降低了系统失控造成的人员,财产等的损失,极大的保护了使用方的利益。
关键词:
组态软件,MCGS,PLC,舞台吊杆
Abstract:
Thetargetofthisprojectistodevelopasetofconfigurationsoftwaretechnologyandbasedonprogrammablelogiccontroller(PLC)stagesuspendercontrolsystemcontroltechnology,theconcreteschemeofthePCconfigurationsoftwareselectionofKunlunon-stateMCGSsoftware,theselectionofSiemenscompanyS7-200PLC,withfrequencyconverter,toachieveprecisecontrolsystemstagesuspendercontrolencoderetc..PCplayamonitoringandmanagement,lowercomputeraccordingtothehostcommand,orthelocaloperationofreal-timecontrolandmonitoringstagesuspender.Thecontrolsystemofthisdesign,toreplacethetraditionalstagesuspendercontrolsystemusestherelay,contactorcontrolmode.ThePLCcontrolsystem,canbeveryconvenienttoreal-time,accurateinstagesuspendercontrol,inadditiontothedesignofthesafetyprotectionmeasuresarealsogreatlyreducedthesystemoutofcontrolduetothepersonnel,propertyloss,helpsprotecttheuseofparties.
Keywords:
Configurationsoftware,MCGS,PLC,stagesuspender
绪论
改革开放以来,中国社会主义市场经济的蓬勃发展,我国人民的生活状况也发生了翻天覆地的变化,在人们物质生活逐步富裕的同时,也开始追求精神文化事业的发展。
近年来,全国各地特别是经济发达地区掀起起了文化设施建设的热潮,很多的剧场急需现代化设备来装备,各类剧场成为文化设施建设中的主角,这正是我国经济迅速发展、人民生活水平逐步提高和文化事业空前繁荣的具体体现。
建造这些设施适应了频繁的文艺演出、各类形式的文化节、艺术活动和国际文化艺术交流不断增长的需要。
应该说,国家大剧院的建设促进和带动了剧场建设的发展,也大大推动了我国舞台机械及装备事业的前进步伐。
国家大剧院舞台机械工程的技术文件已成为剧场建设舞台机械设计的一个良好的例证,并为规范舞台机械行业的技术和商业活动起到较大的作用。
舞台设备发展到今天,是致力于这方面研究的众多科技工作者是分不开的,我们有必要先回顾我国舞台机械设备的发展进程。
解放之前,我国舞台机械的发展非常缓慢,设备极其简陋。
随着新中国的建立,在物质生活水平提高的同时,人们迫切需要提高科学文化水平,党和政府非常重视人民群众文化事业的发展,早在五十年代初就兴建了一批有代表性的典型剧场,配备了相当数量的舞台机械设备:
手动吊杆,假台口,电动垂直吊杆等,虽然控制手段还比较落后,但毕竟有了自己的舞台设备。
到了六、七十年代,我国建成了一大批相对规模较大的剧场,最典型的是北京的人民大会堂,另外还有广州的友谊剧院、长沙青年宫、杭州剧院等。
这些剧院都设置了较先进的平衡手动吊杆和假台口、甚至还有升降池。
但在舞台机械这方面,还没有什么突破,不可否认,在舞台的发展方面,我国与发达国家还有相当大的差距。
进入了八十年代以后由于我国经济条件好转,先后根据各自不同的演出功能要求,设计了各种不同类型的舞台机械:
用于歌舞表演的中国剧院、用于戏剧表演的中央戏剧学院排练场、用于话剧演出的中国少儿艺术剧院等,这些舞台机械适应了不同的演出要求,丰富了人民的业余文化生活。
进入九十年代处,我国舞台机械方面又有了长足进步,先后建成了深圳大剧院等一系列大型的较先进的现代化影剧院。
这些剧院的舞台机械已经较为齐全,如台上舞台机械有匀速吊杆、电动伸缩大幕、活动假台口,还有灯光渡桥、灯光吊笼、天幕灯架等。
台下舞台机械有机械伸降乐池、活动假台口,还有灯光渡桥、舞台伸降台、车台。
特别是后舞台还有移动式转台,该设备具有可以电动行走到主台并可以旋转的功能,技术含量较高,应用较方便。
这是,我国舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距一逐渐缩小。
第一章课题相关背景介绍
1.1课题简介
随着社会主义精神文明建设的发展,人们对文化生活水平的要求也越来越高,为了配合这种步伐,全国各地都开始新建文化设施场所,出现了不少剧院、广场、展览中心等。
剧院作为人们日常参与文化活动的主要场所,随着大大小小的商业和文艺演出、文化节、文艺庆典都不断出现,提高技能设备来改善剧院的环境、提高舞台控制系统都是非常有必要的,一个城市剧院设备的现代化也是这个城市现代化的侧面反映,也是我国科学技术水平不断提高的具体体现。
作为剧院非常重要的一部分——舞台,按照专业分类可以分为三大系统:
舞台机械及控制系统、灯光及控制系统和音响及控制系统。
舞台机械设备为舞台演出提供运动、动作和位置变化的服务。
与传统机械产品一样,舞台机械同样是以电气、机械、液压和自动控制技术为基础。
当有良好的、精确的舞台机械控制与音响、灯光、演员、舞蹈及场景相配合,不仅能为整场表演添光增彩,还可以使人们得到完美的视听感受,陶冶人们的情操。
本课题主要完成舞台吊杆控制系统的设计,分三层进行设计,上层是PC,中层是HMI控制,下层是选用西门子S7-200系列CPU226。
由一个交流电机控制一道吊杆,下位机与上位机连接,通过485通信可以实现多杆联动。
PLC由于抗干扰能力强、可靠性高、编程简单方便等特点作为舞台吊杆的控制核心,若要调动舞台吊杆,只需要由上位机发送指令,下位机顺序执行就可以轻易地实现,这样做降低了工作难度,提高了工作效率。
1.2课题的现状
一场文艺演出和戏剧表演最重要的物质基础是剧院的舞台设备,少了它,正场演出都无法达到预期的效果。
随着经济、科学技术和文化产业的不断发展,舞台形式也在不断变化发展中,从空间上可以分为开敞式舞台、近端式舞台和伸出式舞台三大类。
舞台又布置台上机械和台下机械,为舞台演出提供更多的技术支持。
吊杆就是一种装在舞台上空的机械,它的作用是提升舞台上的布景构件,挂设幕布,悬挂舞台灯光设备等器具。
目前,国内外常见的舞台吊杆有三大类,分别是:
手动吊杆、电动吊杆和液压吊杆。
手动吊杆是通过人力来驱动吊杆的,由于人力资源有限,所以手动吊杆的大部分载荷要通过施加平衡重来平衡掉。
电动吊杆则是通过电动机驱动的吊杆,它还可以分为卷扬式电动吊杆和曳引式吊杆。
液压吊杆是通过液压能来驱动吊杆的,它也分为两种,一种是液压缸驱动吊杆,还有一种是液压马达驱动吊杆。
现代化的剧院是广大人民群众接收文化熏陶的一个重要通道,剧院的舞台机械设备也随之增多,也带来了更多的技术功能要求,各式各样的问题也不断出现,如舞台吊杆的数量不断增加,随之带来的是继电器、接触器数量庞大,复杂的接线问题和难控制等问题。
由于PLC具有编程简单方便、抗干扰能力强、可靠性高的特点,被广泛地应用在工业控制中。
将PLC应用到舞台吊杆控制系统中,对吊杆的控制管理都非常有帮助。
1.3国外研究现状
在西方文明史中,最早的戏剧在古希腊的雅典诞生,然后流传到古罗马,这些戏剧是依靠白天的自然光源在露天剧场演出,包括三个部分:
乐池、景屋和观众席,乐池就是表演、舞蹈、歌唱的地方;景屋就是最早的换衣间和道具储藏室;观众席一般环绕在乐池的周围,依山而建,摆放着整齐的长椅方便观众观看演出。
文艺复兴时期,文学艺术空前繁荣,戏剧内容更加丰富多彩,也推动着戏剧舞台的发展。
17世纪的欧洲打破了以往传统的露天剧场局限,剧院里开始出现镜框台口、箱型舞台和多层包厢的观众厅,这对日后舞台形式的发展起到了潜移默化的作用。
18世纪,欧洲各大主要城市纷纷效仿建造意大利式的剧场,深受社会各界的好评。
最具代表性的要属有歌剧麦加之称的米兰歌剧院了,拥有马蹄形的观众厅和六层环绕的包厢,观众厅设计为对声场非常有利的“黄金律”,许多著名的歌剧都在此演出。
19世纪后半叶,欧洲兴建了一批非常豪华的歌剧院,延续了古典剧场的传统模式也增加了舞台机械设备,如安装了起吊布景机械的巴黎歌剧院和水压式的机械升降台的布达佩斯国立歌剧院。
50年代,为了达到更好的视听效果,舞台中安装了电力驱动的转台。
第二次科技革命进一步推动了生产技术的发展,舞台机械技术、照明技术等科学成就被广泛地应用到乐池、镜框台口、箱型舞台中,舞台文化艺术产业空前发展。
美国的剧院舞台也效仿英国的舞台技术,到了20世纪和21世纪才开始发展自己的舞台技术,并形成了一套自己特有的风格。
总之,国外的舞台机械设备发展还是比较早的,经过几百年的发展演变,更多的科学技术成果被应用到舞台控制系统中,通过各种升降、推拉、转功能的转换使舞台艺术表演更加完美,对现代舞台机械的发展影响深远。
1.4国内研究现状
我国的戏剧发展可以追溯到汉代,宋元南戏、元杂剧、明清传奇、京剧都是不同时代的代表。
这些传统戏曲演出主要讲究的是唱、念、打、做的配合,大都采用敞开式舞台,如果需要场景更换之类的都是靠人为的拉动、推送完成,与同一时期的西方国家相比,我们的舞台设施建设远远落后于他们。
直到20世纪初,我国才学习西方舞台形式,建设了镜框式箱型舞台,北京、上海、广州等大城市的剧院开始启用一些简单的电动设备,还出现了人力小转台、手动吊杆等,这些都促进了我国舞台机械的发展。
但是电动设备还是有其自身局限性的,比如它不能调速,也不能进行定位控制,难免使戏剧演出时受设备的影响而达不到完美效果。
20世纪50年代,我国的传统戏剧开始走向世界,在国际性舞台上绽放光彩。
同时,西方的歌剧、戏剧等剧种也在国内舞台上表演,对我国的舞台设备有了更多的要求,我们必须与国际接轨,促进剧场建设和舞台设备的建设。
因此,许多文化设施场所开始安装舞台机械设备,以北京首都剧场为例,它在剧场建设了假台口、转台和电动吊杆等机械设备。
20世纪70年代末期,国内各地的剧院也如法炮制,设置了台上设备和台下设备,采用液压技术的驱动系统还有计算机控制的控制系统来满足不同演出的要求。
中央戏剧学院在我国的舞台建设方面开创了三个第一,第一个升降乐池,第一个气垫式车台,还有第一台拥有八块升降台的鼓筒形转台,同时防火幕、天幕吊杆和定速吊杆等机械设备。
实践证明,这些舞台机械设备的安置对舞台艺术表演起到了非常大的帮助。
进入20世纪90年代以后,随着工业的大力发展和科学技术的进步,文化产业也不断发展,对文艺舞台的设备要求也越来越高。
我国引进了外国的先进舞台技术并结合自身特点运用到国内舞台建设中,使舞台机械设备的功能更多样化。
跨入21世纪后,计算机数字控制系统被广泛运用到舞台控制系统中,最具代表性的就是舞台吊杆,具备了定点定位和无极调速等功能,为舞台机械设备的发展开创了新篇章。
第二章控制方案
2.1系统整体设计
现就本设计做如下整体说明,本设计使用组态软件为昆仑通态的MCGS,下位机PLC选用西门子公司的S7-200系列CPU226,因为这款PLC有2个通信口COM0与COM1。
口0可以与上位PC机通信,口1可以和HMI通信,口0和口1都用西门子默认提供的PPI协议,这样PLC能同时和PC机及HMI通信。
不论PC机还是HMI都可以直接与下位PLC进行数据交换,来控制舞台吊杆。
在本地安装一个控制箱,箱上装有上升按钮、下降按钮与急停按钮。
上升按钮与下降按钮都是一直按下去吊杆才上升或下降,当松开时吊杆停止运行。
只有急停按钮是点动方式即按一次吊杆就停止。
吊杆运行状态通过I0.2与I0.3来判断,当I0.2为低电平0,I0.3为低电平0时,代表吊杆处于上升状态;当I0.2为低电平0,I0.3为高电平1时,代表吊杆处于下降状态,当I0.2为高电平1,I0.3为高电平1时,代表吊杆处于停止状态。
舞台吊杆运行位置通过编码器反馈个PLC,PLC通过高速计数器HSC5的模式0记录脉冲数据来反映舞台吊杆当前位置。
当下载完PLC程序后,本设计有自动学习功能,即下载完PLC程序,舞台吊杆从最上端运行到最下端停止后,PLC记录本次脉冲数作为以后吊杆运行参数使用,此次脉冲数当作吊杆运行最大距离的起始参数。
脉冲数据通过PLC的I0.4输入。
当变频故障时通过开关量接到PLC输入端I0.7。
变频器故障时禁止系统运行,直到故障解除,系统可以正常运行。
手/自动按钮为I1.1输入,当I1.1为低电平时代表手动状态,为高电平时代表自动状态。
另外,本系统设计有上、下限位报警停止功能。
上限位报警开关量为I0.0,下限位报警开关量为I0.1,当系统异常运行不可控时,只要运行到上或下限位使限位开关接触闭合,就可以自动锁定吊杆防止吊杆脱落造成不必要的财产及人员损失。
开关量输出Q0.0设计为交流电机通电/断电控制,当Q0.0闭合同时Q0.1闭合时电动机正传;当Q0.0闭合同时Q0.2闭合时电动机反传;当Q0.0断开,无论Q0.1,Q0.2处于什么状态,电机失电不运行,需要注意的是Q0.1与Q0.2不可同时为1即不可同时将上升按钮、下降按钮按下,这样会使AC380V交流电短路,造成事故。
本设计还扩展了一块EM235模块,此模块是模拟量4路输入,模拟量1路输出模块。
模拟量输入用来检测电机电流,当电机电流超过设定的报警限时系统报警并且禁止系统运行,直到解除报警状态,才允许系统运行,保证了电机及系统的安全。
模拟量输出接到变频器输入端子,通过上位机给定参数,来执行变频器调速功能。
系统主要设备列表见表2-1.
设备
数量
西门子PLCS7-200CPU226
1
模拟量扩展模块EM235
1
交流接触器
3
交流电动机
1
220V继电器
若干
行程限位开关
2
光电码盘
1
按钮
3
线材
若干
变频器
1
触摸屏
1
PC机
1
232To485转换器
1
电流互感器
1
表2-1设备列表
2.1.1系统整体结构介绍
图2-1系统结构框图
系统整体结构设计框图如图2-1所示,主要由三部分构成,最上层以PC作为上位机,也可以由HMI控制PLC,中层的下位机选用的是西门子S7-200系列的226CPUPLC,PLC扩展模拟量采集模拟量数据。
最下层是通过继电器、交流接触器、变频器控制交流电机,脉冲信息的接收部分由PLC的高速计数器完成,最后设置行程开关用于防止超出极限位置。
2.1.2调整控制系统介绍
图2-2调整控制系统流程图
如图2-2所示为PLC调整控制系统流程图,PLC上电启动后先初始化程序,接下来采集相关数据,判断PLC运行状态手动或自动状态。
1.自动状态,如果为自动状态,先读取设置的参数,判断电机是否供电,若未供电不运行,若已经供电判断是否是上升命令,若不是上升命令判断是否是下降命令,若不是下降命令,判断是否是停止命令,若不是停止命令则返回继续判断是否是上升命令,如此循环。
如果是上升命令则按照给定的速度上升,并且时刻判断是否到达设定的安全距离,如果到达安全距离则以缓慢的速度上升,直到上升到给定高度,停止运行,过程执行完毕。
如果是下降命令则按照给定的速度下降,并且时刻判断是否到达设定的安全距离,如果到达安全距离则以缓慢的速度下降,直到下降到给定高度,停止运行,过程执行完毕。
如果是停止命令,执行停止命令,运行停止,过程执行完毕。
2.手动状态,如果为手动状态,先检测电机是否供电,若未供电不运行,如果已经供电,判断是否是上升命令,若非上升命令,判断是否是下降命令,若非下降命令,判断是否是停止命令,若非停止命令,则返回到继续判断是否是上升命令,如此循环。
如果是上升命令按照给定速度上升,判断是否有停止命令,当有停止命令时,执行停止命令,运行停止,过程执行完毕。
如果是下降命令按照给定速度下降,判断是否有停止命令,当有停止命令时,执行停止命令,运行停止,过程执行完毕。
如果停止命令,执行停止命令,运行停止,过程执行完毕。
若是系统运行是出现异常情况,如图2-3所示:
图2-3系统运行异常流程图
系统上电初始化后,时刻判断系统是否运行异常根据相应报警情况执行相应程序。
1.当出现上限报警时,锁定吊杆禁止系统运行并给出上限报警信息。
2.当出现下限报警时,锁定吊杆禁止系统运行并给出下限报警信息。
3.当出现变频故障时,锁定吊杆禁止系统运行并给出变频报警故障信息。
4.当出现电机电流报警时,锁定吊杆禁止系统运行并给出电机电流报警信息。
5.若未发生任何报警,则继续循环监测是否有报警信息。
2.1.3主控系统介绍
系统主控系统主要由PC机、PLC、交流接触器、电动机、变频器等构成。
工作过程为,操作员可以通过上位机设置好参数后自动运行系统,系统分为手动、自动两大模式。
在手动模式下操作员可以根据现场运行情况自由控舞台吊杆的上升、下降或停止。
在自动模式下操作员可以根据经验设置好参数后自动运行。
本系统有安全保护措施,能最大限度的减小危险的发生。
现就主控系统的设备作如下功能说明:
1.上位PC机主要负责实时监测系统的重要参数,通过人机界面,操作员可以设置系统运行状态,运行参数等,查看报警信息。
2.PLC主要负责上位机与最下端设备数据转换、交换,上位机发来的数据信息首先与PLC进行交换,由PLC进行转换传递给底端设备;底端设备的数据也首先传送给PLC,再由PLC传递给上位机。
PLC的功能还有进行逻辑运算。
3.交流接触器主要功能为控制380V交流电动机的启动、停止、电机转向控制。
4.电动机主要为控制舞台吊杆升、降、停运动。
5.变频器负责对电动机的调速控制,及变频故障时给出故障信号,再由PLC反馈给上位机。
2.1.4定位控制系统介绍
定位控制系统用到的主要设备有:
行程限位开关、光电码盘、变频器等。
定位控制也要分手动与自动两种情况来说明。
自动状态下,因为变频器可以实现对电机的连续调速,所以在此状态下,设置好参数后,系统自动监测如果吊杆距离设定的高度很远,那么吊杆将按照之前设置的最大运动速度快速运动,直到运动到设定的安居距离之内,再由变频器调速将电机调到低速运行状态,使吊杆低速缓慢运行,直到运行到设定的高度再停止吊杆运动。
如果设定的高度在安全距离内,那么吊杆将以低速运行,到达指定位置后停止。
这个安全距离一定要设置一个合法值,否则当吊杆在自动运行时,监测不到安全距离,系统将不能做到精确定位。
手动状态下,操作员可以设置吊杆运行速度后再对吊杆进行控制。
不论是自动状态还是手动状态,操作员可以在任意时刻对吊杆进行停止控制,这是为了应对突发事件,可以迅速停止吊杆的设计。
在任何状态下有行程限位开关可以保护吊杆运行超过非法位置,保证吊杆在可控范围内。
光电码盘用来监测电机的运行速度情况,操作员发出运动命令后,通过光电码盘反馈给上位机的速度信号,可以验证电动机是否是按照命令运行的。
另外,光电码盘在精确定位控制中起到了至关重要的作用,码盘的精度对与总精度也是一个很重要的数据。
因为这个码盘最后反映给PLC的就是脉冲数据,而这个脉冲数据又直接对应于吊杆的单位运动距离,所以,对于马盘的选择也很重要。
2.1.5通信系统介绍
本设计采用工业上通用的485总线通信方式实现多杆联动,这种通信方式的通信距离可以达到几十米甚至到上千米。
RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。
通信协议使用西门子公司提供的默认PPI协议。
PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。
内置于S7-200CPU中。
PPI协议物理上基于RS-485口,通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。
PPI协议是一种主-从协议。
主站设备发送要求到从站设备,从站设备响应,从站不能主动发出信息。
主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。
PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量,但在一个网络中,主站不能超过32个。
PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传和下载程序和西门子人机界面与PC通信。
通过这种方式可以实现多杆联动。
2.2系统设计功能指标
根据实际情况,本系统设计拟定了一下功能指标:
(1)可由交流电机驱动舞台吊杆实现上下移动。
(2)通过变频器进行调速。
(3)由于吊杆一般是在舞台空中运行的,吊杆本身以及承载的重物下面就是舞台,舞台上可能有演出者,如果发生意外失控后果难以想象,所以在必须设有警报死锁功能防止系统失控,保证舞台吊杆的安全运行。
(4)为了更便捷的管理控制舞台吊杆,可以接上触摸屏或者上位机进行可视化操作。
(5)一般舞台都设有较多的吊杆以满足不同演出的需要,本系统设计通过485通信实现多杆联动,大大减少了人力物力资源,经济可靠。
(6)能实现动作纪录保持,可通过上位机进行读取用作分析或者回放。
第三章硬件设计
3.1PLC的型号选择及优点
德国的西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛,比如在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。
西门子小型机有S7-200:
处理速度0.8~1.2ms;存贮器2k;数字量248点;模拟量35路。
3.1.1工作原理
当PLC通电运行后,其工作过程一般分为以下三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个主要阶段。
每完成上述三个阶段就称作一
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