基于plc的舞台装置控制系统设计.docx
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基于plc的舞台装置控制系统设计
泰山学院
本科毕业论文
基于plc的舞台装置控制系统设计
所在学院机械与工程学院
专业名称机械设计制造及其自动化
申请学士学位所属学科工学
年级2011级(3+2)
学生姓名、学号张凯2011170282
指导教师姓名、职称陈宏圣副教授
完成日期2013年6月30日
摘要
针对剧院舞台的台面固定,造型、风格单一,舞美总体效果达不到表演要求的现状,依据舞台建造时的总体工艺方案设计,通过PLC控制及机、电、液一体化技术使实现舞台的升降、移动升降、伸缩、伸缩升降等运动,从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协调变化功能,使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。
可满足各种演出节目的要求,故可免去许多原来须根据不同演出搭建不同舞台的重复搭建演出舞台的弊端,并且还增加了演出的场景变化,丰富了演出效果。
本文研究目标是研究、开发一套基于组态软件技术和PLC控制技术的舞台控制系统。
通过plc控制液压升降臂及交流电动机实现对舞台的上升下降及三层帘幕的开启与关闭。
通过plc控制舞台左右三层幕帘的开启和舞台的上升和下降,当摁下开始按钮时蜂鸣器拉响五秒钟。
当报警停止后窗帘拉开指令被置为on而且台幕拉开到左右两端。
在台幕完全拉开后,舞台开始上升且上升到最高位置时自动停止。
当摁下停止按钮时舞台从最高点下降到最低点,然后台幕自动关闭。
仅当台幕关闭和舞台降到最低点是开始才能被置为on。
可手动控制台幕的拉开程度和舞台的上升高度。
根据台幕和舞台的动作,在操作面板上的指示灯点亮或熄灭。
实现对舞台的自动控制。
关键词:
舞台控制可编程控制器液压传
Abstract
Fortheaterstagecountertopsfixed,shape,style,single,stageperformancesrequiredtoreachtheoveralleffectofthestatusquo,accordingtothestageofconstructionoftheoverallprocessdesign,throughPLCcontrolandmechanical,electrical,hydraulicintegrationtechnologyenablesimplementationstageliftmobilelifting,telescopic,retractableliftingandothersports,soastoachievethestageandchoreography,actors,scenes,lightingandotherchangescoordinationfunction,sobrilliantperformancemorecolorfulandconstantlychanging.Programstomeettherequirementsofavarietyofperformances,itcanberemovedfrommanyoftheoriginalstructuresofdifferentaccordingtothedifferentstageperformancesrepeatstructuresdrawbacksstageperformances,andalsoincreasetheperformanceofthescenechangeandenrichtheperformanceresults.
Thisresearchobjectiveistostudy,todevelopatechnology-basedconfigurationsoftwareandPLCcontroltechnologystagecontrolsystem.ByplccontrolhydraulicliftingarmandtheACmotortoachievetheriseandfallandthethree-stagecurtainopeningandclosing.Byplccontrolaboutthree-stagestagecurtainopeningandtheriseandfall,whenthestartbuttonispressedthebuzzersoundedfiveseconds.WhenthealarmisstoppedcurtainsdirectiveissettoonandthecurtainwasdrawntotheleftandrightendsofTaiwan.InTaiwancurtainisfullyopened,thestagebegantorise,andrisetothehighestpositionautomaticallystops.Whenpressedthestopbuttonwhenthestagefellfromthehighestpointtothelowestpoint,andthensetsthescreenautomaticallyturnsoff.Onlywhenthestationclosedandthestagecurtaindroppedtothelowestpointissettobeginon.Canbemanuallyopenedtheextentoftheconsoleandthestagecurtainriseinheight.AccordingtoTaiwancurtainandstageaction,ontheoperationpanelislitorextinguished.Toachieveautomaticcontrolofthestage.
Keywords:
stagehydraulicactuatorcontrolprogrammablecontroller
1引言……............................................………….1
1.1国内外舞台控制的研究现状和发展……………………………………………………………1
1.2本课题的研究目的和意义2
1.3论文研究的主要内容……………………………………………………………………………..2
1.3.1研究目标………………………………………………………………………………………...2
1.3.2研究内容………………………………………………………………………………………..2
2舞台硬件系统的概述4
2.1控制系统的硬件组成4
2.2舞台机械设备…………………………………………………………………………………….5
3舞台控制器硬件电路的设计6
3.1舞台控制系统控制功能分析6
3.2液压控制驱动回路……………………………………………………………………………….8
3.3PLC控制电路的设计11
4电器原理及系统流程设计15
4.1舞台控制程序的工作原理………………………………………………………………………15
4.1.1舞台升降控制………………………………………………………………………………….15
5舞台控制的安全性分析18
5.1舞台硬件系统的安全分析18
5.2舞台可编程控制的安全分析……………………………………………………………………18
参考文献:
22
致谢23
1引言
1.1国内外舞台控制的研究现状和发展
近年来,全国各地,尤其是在经济发达地区掀起热潮的文化设施建设,大量急需的高科技设备,在新装修的影院设备,各种影院成为文化设施建设的主角,这是由于中国经济的快速发展,逐步改善人民的生活和空前繁荣的艺术和文化的体现。
这些设施的建设阶段适应频繁的文艺演出,各种形式的文化节,艺术节和国际文化交流,不断增长的需求。
在建国以前,我国舞台机械还几乎是一片空白。
新中国成立后,随着舞台艺术的蓬勃发展,对剧场建设和舞台机械等都提出了更高的要求。
但整体的技术水平较低,不能满足舞台使用的各种功能要求。
进入九十年代初,中国的舞台机械,一直是重大进展,上海大剧院已经建立了一系列大规模的现代化建设更先进的剧院。
剧场舞台机械已经比较齐全,如一个统一繁荣阶段舞台机械,电动无级变速器伸缩窗帘,事件假台口,以及灯光桥,灯光倒笼,天空灯塔等。
观众和着陆阶段的乐池,乐池升降栏杆,舞台升降机,车载台机器。
尤其是一个大舞台,后台便携式转盘,该器件具有可电动步行到主站,并可以旋转的功能,技术含量高,应用更方便。
国外在欧洲最典型的舞台机械的发展,在17世纪的第一个有镜框式舞台,舞台机械载体提供使用之前,广大观众被包围的一个露天剧场和露天舞台。
舞台设备仅几个木制餐具,但是还没有真正的舞台机械。
19世纪末,欧洲出现了更为复杂的舞台机械的木材和铁复合物。
在1896年,电力驱动的转盘出现在当地的剧院在慕尼黑,德国。
20世纪初德国波士顿国家大剧院和电梯轿厢站相结合,形成了世界上第一个混合的机械舞台。
随着新技术,新材料,新概念层出不穷,舞台艺术永远追求不断创造新的想法,经常看到精心设计的新形式,新形象,它可以常玩常新。
总之,在国外尤其是在机械和设备的设计,制造,控制系统采用更加高科技的成果:
例如计算机技术,数控技术,液压技术,传感器反馈技术,现场总线技术,DCS技术,这些新技术使得舞台机械设计的运行速度,空间位置变化丰富多彩,使一推,拉,上升,下降,转弯,等的结合各种功能的变化更灵活,更完美,更逼真的舞台艺术。
与国外舞台技术的发展相比较我国在整体工艺配置上与工程技术人员的经验相上相对不足,在机械设计的适应性,灵活性,安全性上与国外还有一定差距缺少基础元器件制造加工的标准。
1.2本课题的研究目的和意义
通过对舞台控制系统的优化改进适应性、灵活性、安全性,满足人们日益增加的对精神文化的需求。
剧院作为提升城市品味和满足市民文化娱乐需求的重要手段,许多现代化的剧院拔地而起。
舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。
但是一些小型剧场的舞台仍然存在自动控制程度低,安全性能低下等问题。
存在模拟量通讯速率较慢,在控制多个电动机运行的时候不能实现同步启停;其次,控制吊杆多是使用匀速控制,由于吊杆存在的惯性使吊杆定位精度不高。
国外在舞台控制方面通过CAN总线的控制可以实现高的模拟量通讯,实现多个电动机的同步启停,从而保证了多个吊杆的同步运行实现协调控制。
从而达到舞台控制的智能化提高舞台控制的效率。
1.3论文研究的主要内容
1.3.1研究目标
1、研究FX2N-32MRplc对舞台的自动控制系统
2、设计选取舞台台上和台下机械设备
3、对舞台安全性进行监测和评估
1.3.2研究内容
1、选择控制系统的硬件系统设计控制程序
2、对舞台机械系统进行设计
3、设计通信系统及端口
4、对设计的舞台系统进行调试评估舞台系统的安全性
2舞台硬件系统的概述
2.1控制系统的硬件组成
现在舞台机械的控制控制系统一般选用PLC控制系统,采用PLC对变频器输入4~20mA模拟量进行电机的速度控制,也可采用对电机的直接定位控制。
这种控制方式大大提高了控制的精度,采用PLC控制有较大优势。
且PLC技术已经相当成熟,并被广泛应用到工业控制当中。
有许多的成熟经验可以借鉴,使用方便编程简单且不需要较高的计算机技术。
开发周期短易于进行现场调试。
频率选择,选择MICROMASTER440三相电机速度控制和转矩控制变频器的功率范围涵盖120瓦到200千瓦(恒转矩(VT)模式)或250千瓦(可变转矩(VT)方法)对每一台机器从实际类型逆变器由微处理器控制的选择。
和使用先进的技术和现代化的绝缘栅双极晶体管IGBT功率输出设备,它们具有很高的可靠性和多功能性,是可选的脉冲宽度调制开关频率,从而降低了电机驱动圆润饱满保护电机的运行噪音,提供了一个良好的保障。
MICROMASTER440变频器变速驱动系统一个简单的电机变频驱动器的理想供电MICROMASTER440具有全面和完整的控制功能和相关参数的设置后,它也是适合需要多种功能的电机控制系统的应用,可以使用站单独驱动器MICROMASTER440,该系统还可以被集成到自动化系统中。
序号
元器件名称
型号
数量
1
PC(上位机)
Rsview
1
2
PLC
FX2N-32MR
1
3
光电传感器
BM55M-TDT
8
4
按钮
LAY6
6
5
变频器
MICROMASTER440
1
6
行程开关
LXK3-20SW
12
7
电磁阀
4V120-06
3
表1设计选用主要硬件
2.2舞台机械设备
型号
额定功率/KW
额定电压/V
额定电流/A
转r/min
启动电流
启动
转矩
最大
转矩
Y80M1-2
0.75
220/380
3.55/21.05
670
5.5
1.5
1.8
Y160M2-2
15
220/380
4.05/29.3
2930
6.5
1.8
2.2
舞台由台上舞台机械和台下舞台机械设备组成。
台上设备包括:
可调速的吊杆,对开大幕,灯光渡桥。
台下设备包括:
主升降台,车转台,活门升降台,升降乐池。
表2电动机选择
台下设备中主升降台和台下设备由液压动力系统控制。
液压动力系统的优点在于其具有良好的动态特性,结构简单,安全可靠。
当液压站在接受PLC的升降指令前舞台控制器的输出和输入(I\O)首先控制液压系统的状态处在预备工作状态。
当舞台控制器在接收到PLC的运动指令时,通过输出端口控制电磁阀,结合编码器的反馈速度和位置等信号以及安全端口的反馈信号,控制机械执行机构按照plc的要求实现动作。
3舞台控制器硬件电路的设计
3.1舞台控制系统控制功能分析
分布式控制系统(集散控制系统)是基于微处理器的生产过程集中监控,运作,集中管理和分散控制分散控制系统,简称DCS系统。
几个分散体施加到微型计算机的控制系统的过程中,所有的信息通过通信网络管理监控,以实现最佳的控制,由主计算机,该系统遵循传统的仪器和计算机控制的分布式控制的优点,单一的,人与人之间的接触和一个微机差动高度集中的风险控制系统和其他缺点,克服了传统仪器的功能,不仅实现了三个方面的重点管理,操作和显示,但要实现一个功能,负载风险三倍散。
DCS控制系统在现代生产过程的控制起着重要的作用。
与传统的模拟仪表和计算机集中控制系统的DCS控制系统,它具有明显的特点。
1、系统构成的灵活性。
从总体上看,DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。
此时你可以把他想象成“因特网”。
根据生产需要,你可以随时添加或删除的工作站。
系统配置非常灵活。
2,管理,操作方便。
DCSHMI反馈功能,通过键盘与鼠标的CRT实现。
在这个系统中,你可以想象,通过网络,你还可以监控生产设备以及整个工厂的运作。
3,丰富多样的控制功能。
本来实现模拟控制环路复杂的操作,实现高精度的微处理器。
4,同时实现信息资源共享。
你可以想象工作站各网站在互联网上,只要你是在DCS系统中,权限足够大,你就能明白你想要的任何参数。
5,安装,调试方便。
相比原来的模拟控制系统,这么多飞皮棉,头发像很多电线。
DCS系统被认为是一个非常方便的。
DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。
通过通信网络将这些硬件设备连接起来,共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。
现场控制站:
现场控制单元是现场控制站中的主要设备。
生产过程进行信息交互的IO处理系统直接与现场控制单元式DCS,它们的主要任务是进行数据采集及处理,对被控对象实施顺序控制、闭环反馈控制、和批量控制。
用户可以根据不同的应用需求,同时选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。
它可以是以面向连续生产过程控制为主,辅助以顺序逻辑控制,从而构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站;也可以是以连锁控制功能、顺序控制、为主的现场控制站;还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。
现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。
由于它是专为过程控制检测、而设计的通用型设备,所以其电源、机柜、输入输出通道和控制计算机等,与一般的计算机系统有所不同。
操作站:
运行在PC硬件平台、NT操作系统下的通用操作站的出现,给DCS用户带来了许多方便。
由于通用操作站的适用面广,相对生产量大,成本下降,因而可以节省用户的经费,维护费用也比较少。
PLC是一种专门为工业环境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,并且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生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
2,PLC可编程序控制器的基本结构的物质,用于在工业控制计算机,其硬件结构基本上是相同的微机,基本构成为:
电源:
PLC的电源系统中起着非常重要的作用。
如果你没有一个良好的,可靠的电力系统工作不正常,所以非常重视PLC制造商的设计和制造。
一般交流电压波动+10%(+15%)的范围内,你可以不采取其他措施,将直接连接到AC线PLC
B,一个中央处理单元(CPU):
一个中央处理单元(CPU)是一个中央控制的PLC。
它是在按照程序功能PLC系统接收并存储从编程器键入的用户程序和数据,检查电源,内存,I/O以及看门狗定时器的状态,并能诊断用户程序语法错误。
当PLC投入运行,其方式扫描输入设备接收到每个站点的状态和数据,并分别存放在I/O映象区,然后从用户程序存储器读取用户指令的程序,经过命令解释器,并按规定执行逻辑或运算结果的I/O映象区或数据寄存器。
所有的用户程序完成后,最终的I/O映象区或输出的输出状态寄存器数据到合适的输出设备,所以直到停止运行。
为了进一步提高可靠性的PLC,大型PLC也构成了双CPU或CPU使用三个投票系统的冗余系统。
因此,即使一个CPU发生故障时,整个系统仍然可以正常运行。
C,内存:
内存的存储系统软件称为系统程序存储器。
存储应用软件的存储器称为用户程序存储器。
D,输入和输出接口电路:
1。
现场输入接口电路由光电耦合电路和微机输入接口电路,PLC和现场控制端口接口的作用,输入通道。
2。
场景输出接口电路由输出数据寄存器,和中断请求的选通电路的集成电路,通过输出接口电路的作用是PLC的现场执行单元输出相应的控制信号。
E,功能模块:
如计数,定位等功能模块。
F,通信模块,如以太网,RS485,PROFIBUS-DP通信模块。
PLC具有以下鲜明的特点。
(1)一个灵活的系统配置,扩展容易切换控制它的强项;也是一个连续的过程PID闭环控制,以及与上位机构成复杂的控制系统,如DDC和DCS等,实现生产过程自动化集成。
(2)使用方便,编程简单,使用简单的梯形逻辑图,或语句表编程语言,无需电脑知识,所以系统开发周期短,现场调试更容易。
此外,该方案可以在线修改,无需改变硬件控制计划拆除。
(3)能适应各种恶劣的运行环境,抗干扰能力强,可靠性强,远高于其他各种机型。
对于本课题主要是面对小型剧场舞台的控制鉴于PLC控制安全性高,抗干扰能力强编程简单容易实现现场调试。
集散控制系统小系统时成本较高,对数字量控制和时序控制一块不是很强大,实现不了或者是编程过于复杂,一般的工程师还无法完成。
本课题选择用PLC控制。
3.2液压控制驱动回路
当液压站在接受PLC的升降指令前舞台控制器的输出和输入(I\O)首先控制液压系统的状态处在预备工作状态。
当舞台控制器在接收到PLC的运动指令时,通过输出端口控制电磁阀,结合编码器的反馈速度和位置等信号以及安全端口的反馈信号,控制机械执行机构按照plc的要求实现动作。
图1plc控制图
电动驱动控制回路如下图,舞台控制器收到PLC下发的指令后,想变频器发送速度,方向,位置信号。
同时还接受编码器检测机构的速度,方向,位置的反馈信号以及安全端口的反馈信号。
例如上极限、下极限、上限为、下限位。
实现控制利用交流电动机驱动舞台吊杆等机构的运动。
图2舞台电机控制
3.3PLC控制电路的设计
系统I/O分配表
输入地址
名称
用途
备注
X0
传感器
窗帘位置(内)
常开
X1
传感器
窗帘位置(中)
常开
X2
传感器
窗帘位置(外)
常开
X3
传感器
窗帘位置(内)
常开
X4
传感器
窗帘位置(中)
常开
X5
传感器
窗帘位置(外)
常开
X6
传感器
舞台上限
常开
X7
传感器
舞台下限
常开
X10
窗帘打开开关
窗帘打开
常开
X11
窗帘关闭开关
窗帘关闭
常开
X12
舞台上升开关
舞台上升
常开
X13
舞台下降开关
舞台下降
常开
X16
启动按钮
启动舞台
常开
X17
启动按钮
关闭舞台
常开
输出地址
名称
用途
备注
Y0
电机正传
窗帘打开
常开
Y1
电机反转
窗帘关闭
常开
Y2
电机正传
舞台上升
常开
Y3
电机反转
舞台下降
常开
Y5
蜂鸣器
提示
常开
图3PLC接线端子的分配图
(1)上位机软件工作的平台选择Windows2000,系统界面仿真吊杆及舞台升降画面和操作按钮。
可以实时监控系统的运行情况。
画面的按钮有系统内部结构的节点相对应,形成映射关系。
图4画面按钮
(2)下位机PLC应用程序选择梯形图,工作环境选择windows2000.梯形图程序具有方便直观,易于编写,方便调试的优点。
PLC系统的功能
(1)处理与采集。
PLC能实时收集各液压缸的位移量,运行速度等信号,也能执行相应的算法。
(2)实现连续控制。
对液压缸实现连续控制。
(3)采用完全汉化的动态显示界面,能实时显示舞台的运行状态及平面的分布,各舞台的位置以及驱动机构的分布。
(4)对液压系统的油温、压力等检测实现升降舞台的电气系统的连锁保证安全。
3.4电器控制中的关键问题
(1)因为舞台的机械部分在演出的过程中动作频繁,其每个动作都关系到演员的生命安全,因此必须要求安全可靠。
(2)为了便于使用使操作员不必进行培训,采用汉字菜单提示方式。
同时计算机屏幕可以显示舞台运行的情况,可以大大方便的检测人员的监控。
(3)控制系统同时设置自动控制和手动点动控制。
实现机控与手控相互转换,可以有效地防止如误场,节奏变换等问题的出现。
防止出现运行设备与演员互不配合的问题。
(4)控制系统采用大量的行程开关和电器的互锁连锁保证舞台的使用安全。
4电器原理及系统流程设计
4.1舞台控制程序的工作原理
4.1.1舞台升降控制
1.上行操作。
当按下上行按钮时,上行状态被
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