07基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统设计 本科毕业论文

常州工学院毕业设计论文 I 摘摘 要要 在分析大型电视演播厅布光控制系统的现状和存在的主要技术问题的基础 上 提出采 PLC 作为核心部件对原有的布光控制系统进行技术改造 根据目前大型电视演播厅布光的现状及存在的主要问题 采用阵列方式大 大减少PLC的输出点数 使用台达人机界面作为触摸屏系统控制 该系统能实现 对多盏灯的升降 左右旋 仰俯 聚散焦控制 并已经在现场推广应用 设计大型电视演播厅控制系统 布光控制系统包括操作触摸屏控制面板 PLC 主机控制单元和 8 动作执行机构三个主要部分 键盘数字信息和动作控制 信息通过电路直观地在触摸屏控制面板上显示 PLC 主机控制单元的输入信号 为触摸屏控制面板的数字信息和控制信息 输出信息为灯具选择信号和动作控 制信号 8 动作执行机构完成对具体灯具的动作控制 关键词 电视演播厅 布光控制系统 可编程控制器 台达人机界面 常州工学院毕业设计论文 II Abstract Large television studio in the analysis of light distribution control system of the current situation and the main technical problems is proposed based on mining the core components of PLC as the original fabric light control system for technological transformation Large television studio based on the current status and distribution of light the main problems using the array approach greatly reduces PLC output points use the Delta as a man machine interface touch screen system control the system can achieve more light on the rise and fall spin around pitch focus control and has application in the field Large television studio control system design fabric light control system includes operating the touch screen control panel PLC master control unit and the actuator 8 moves the three main sections Keyboard digital information and control information moves through the circuit directly on the touch screen control panel display PLC master control unit input signal for the touch screen control panel of the digital information and control information select the signal output for the lamps and motor control signals 8 specific actions to complete the lamp actuator movement control Key words studio light arrangement application of programmable logic controllers control system screen editor 常州工学院毕业设计论文 III 目录 摘 要 I ABSTRACT II 目录 III 第一章 绪论 1 1 1 序言 1 1 2 布光控制系统的发展及存在的技术问题 1 1 3 布光控制系统设计的主要研究内容 2 1 4 本章小结 3 第二章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统总体设计方案 4 2 1 总体设计方案 4 2 2 布光控制系统组成 5 2 3 本章小结 7 第三章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统硬件电路设计 8 3 1 总体硬件电路图 8 3 2 系统操作控制面板设计 9 3 3 PLC 控制器部分硬件电路设计 10 3 4 8 动作执行机构硬件电路设计 12 3 5 PLC 与人机界面连线 14 3 5 本章小结 15 第四章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统的软件设计 16 4 1 PLC 控制系统软件设计 16 4 2 人机界面部分软件设计 25 4 3 本章小结 31 第五章 系统调试 32 5 1 软件调试 32 5 2 软硬件联合调试 35 5 3 本章小结 36 总结 37 参考文献 38 附录 1 40 常州工学院毕业设计论文 IV 常州工学院毕业设计论文 1 第一章 绪论 1 1 序言 灯光的运用在电视节目制作中有着十分重要的作用 布光控制系统为灯光 设计的现场实施提供了手段 大大节省了工作人员的劳动量 能快捷 高效 方 便地实现灯光在演播场地三维空间的有效机械运动 大型电视演播厅是电视台制作各类电视节目的重要场所 其面积为 600 1 200 m 一般安装有各类大型照明灯 100 多盏 主要有三动作的聚光灯 机械 回光灯 能升降的天幕灯 柔光灯和固定的地幕灯 通常采用复合式吊杆升降 专用灯采用定点挂灯的方式 目前很多电视演播厅布光控制采用落后的人工方 式 即先将所要调节的灯降下来 用手调节到适当的方向和角度 然后再上升 到所需的高度 还有的采用 8 9 m 长的杆子来旋转灯具的方向进行布光 要达 到理想的效果有时需要布光师反复调节 费时费力 一台大型节目需要 2 位布 光师 10 多小时的调节 有时还不一定能达到理想的布光效果 因此有人进行研 究 设计出布光控制系统 以降低布光师的劳动强度 但这种系统采用先选灯 杆号后选灯号的方式 由于被调节的灯较多 采用这种方式 布光师很不习惯 使用也不方便 并且需要 2 3 人配合才能进行布光 影响了布光效率的提高 且很多布光控制系统采用单片机控制芯片 由于现场各种因素干扰 系统经常 出现 死机 现象 因此这种控制系统的可靠性不高 在借鉴现有布光控制技 术的基础上 采用先进的可编程控制技术和微电子技术 利用台达人机界面作 为控制面板 控制布光系统 方便 实用 可控性高 节省人力 效果好 1 2 布光控制系统的发展及存在的技术问题 布光控制系统在经历了不同的历史时期后 已经不能适应新时期电视节目制 作和文艺节目演出的需要 主要存在如下技术问题 1 在控制手段方面 主要采用继电器控制盘组成的电动吊杆控制系统实现 常州工学院毕业设计论文 2 灯具高度和照射角度的调节 但由于继电器控制系统存在耗电量大 引出端线 复杂 使用寿命短等问题 使得控制系统维护成本非常高 系统可靠性降低 布光 效果很难保证 2 电视演播厅的灯具一般是以灯杆为单位 每根灯杆上固定不同数目的灯 具 要对灯具进行调节 必须先选中灯具所在的杆 再选择要调节的灯具 然后才 能进行相应的布光控制 这样 灯具的调节控制异常繁琐 3 随着广播影视事业的不断发展 各种新型的演播厅灯具逐渐替代原有的 功能单一的演播厅灯具 而由于继电器控制系统的通用性和灵活性受到限制 使 得电视演播厅布光控制系统灯具的数目增加和灯具的功能扩展都无法实现 1 31 3 布光控制系统设计的主要研究内容布光控制系统设计的主要研究内容 电视演播厅布光控制系统技术进行一系列改造 以下是一些主要研究要点 1 采用微机控制系统 单片机控制系统或PLC控制系统 作为演播厅布光控 制系统的核心部件 实现电视演播厅布光系统的数字化控制 2 电视演播厅布光控制系统具备清晰简洁的控制台人机界面 主要包括灯 具的选择和动作的控制两个方面 方便实现对布光现场灯光效果的实时操作 3 实现对电视演播厅150台灯具 包括聚光灯 回光灯 天幕灯 柔光灯和 地幕灯 最多8 种不同的动作 包括上升 下降 左旋 右旋 仰旋 俯旋 聚 焦和散焦 控制 其中 灯具升降采用交流380 V电源驱动 其余6种动作采用直流 24 V电源驱动 4 在操作控制台选择灯具时 要求放弃原系统先选灯具所在的杆号然后再 选灯具号的选号方式 而采取对灯具统一编号的选号方式 使布光控制简洁高效 5 设置电机升降的上限位保护 下限位保护和冲顶限位保护 保证灯具在 执行升降运动时能够安全可靠地运行 要求对选定灯具的各种控制准确可靠 不 得出现误动作和串号现象 6 系统具备一定的可扩展性 常州工学院毕业设计论文 3 1 4 本章小结 本章具体介绍了布光控制系统相关概念以及具体研究内容 基于课题的研究 内容 可提出设计方案 下一章就详细说明舞台灯光布光控制的设计方案 常州工学院毕业设计论文 4 第二章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统总体设 计方案 2 1 总体设计方案 1 方案一 采用流行的 CAN 总线实现分布式控制 利用模糊控制算法实现灯具各自由 度的稳定的位置伺服 电机的控制电路采用 PWM 方式 灯具控制器的控制方案 如下图 1 所示 图 2 灯具控制器整体方案 2 方案二 设计采用台达人机界面作为控制面板 操作控制面板主要由灯具数字键盘 和动作控制键盘两部分组成 整体控制面板设计方案如图 2 所示 图 2 控制器的设计方案 常州工学院毕业设计论文 5 方案 1 中所采用的 CAN 总线的分布式控制 灯具对外连线除电源线外 只 有一根屏蔽式双绞线 布线方便 成本低廉 扩展性强 其中直流电机的启动 电流和换向电流远大于正常工作电流 过高的启动电流除了会造成系统成本增 加外 还有可能烧毁换向器 另外 直流电机的电磁力矩与电流成正比 过高 的启动力矩也对机械结构的稳定不利 且电路复杂 方案 2 中采用人性化设计 简单易懂 一目了然 很显然的看出布光控制系统包括操作触摸屏控制面板 PLC 主机控制单元和动作执行机构三个主要部分 有很大的扩展性 使用方便 灵活 基于综合考虑 方案二更加适合 所以采用人机界面做触摸屏 PLC 主机 控制 控制动作实现舞台灯光布光控制 2 2 布光控制系统组成 操作控制面板是电视演播厅布光工作人员与布光控制系统通信的人机界面 主要完成灯具编号信息和动作控制信息对 PLC 主机的输入 并显示相应的灯具编 号信息和动作控制信息 控制面板采用人机界面 因为其功能强大 能够实现 设备工作状态显示 如指示灯 按钮 文字 图形 曲线等 数据 文字输入 操作 打印输出 生产配方存储 设备生产数据记录 简单的逻辑和数值运 算 可连接多种工业控制设备组网 人机界面产品由硬件和软件两部分组成 硬件构成如图 2 1 所示 软件部 分构成如图 2 2 所示 硬件部分包括处理器 显示单元 输入单元 通讯接口 数据存贮单元等 其中处理器的性能决定了 HMI 产品的性能高低 是 HMI 的核 心单元 根据 HMI 的产品等级不同 处理器可分别选用 8 位 16 位 32 位的处 理器 HMI 软件一般分为两部分 即运行于 HMI 硬件中的系统软件和运行于 PC 机 Windows 操作系统下的画面组态软件 如 JB HMI 画面组态软件 使用者 都必须先使用 HMI 的画面组态软件制作 工程文件 再通过 PC 机和 HMI 产 品的串行通讯口 把编制好的 工程文件 下载到 HMI 的处理器中运行 常州工学院毕业设计论文 6 图 2 1 人机界面硬件构成 图 2 2 人机界面软件构成 它通过专用软件预先编程 集中实现了对这些设备的控制功能 只需连接 一台有线或无线触摸屏 各种设备的控制便尽在掌握之中 轻点触摸屏上的按 钮就可以改变外部环境 对舞台灯光动作及具体灯号进行控制或对所有被控设 备功能实行集中智能控制及管理 PLC 主机的输出信号主要是实现对电视演播厅 150 台灯具的选择和对选择 的灯具执行最多 8 种不同的动作控制 所以采用集中控制 系统用仪态功能强 大的 PLC 监视 控制多个设备 形成中央集中式的控制系统 其中 各个设备 之间的联络 连锁关系 运行顺序等统一由中央 PLC 来完成 如图 2 3 所示 图 2 3 集中式的控制系统 常州工学院毕业设计论文 7 显然 集中控制系统比单机控制系统经济的多 但是当其中一个控制对象 的控制程序需要改变时 必须停止运行中央 PLC 其他的控制对象也必须停止 运行 当各个控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时 需要大量的电缆 线 造成系统成本的增加 为了适应控制系统的改变 采用集中控制系统时 必须注意选择 I O 点数和存储器容量时要留有足够的余量 以便满足增加控制 对象的要求 8 动作执行机构完成对具体灯具的动作控制 控制键盘涉及的 8 个控制动 作实际是由 4 组互为可逆运动的动作组成 如上升和下降互为可逆运动 为保 护电机 上升和下降操作是对固定灯具数目不等的灯杆进行升降控制 对固定在 同一灯杆上某一编号的灯具执行上升或下降操作势必会影响到这一灯杆上其他 灯具的高度 保证整体布光效果 2 3 本章小结 本章就两种检测方案进行比较 为了更好的满足社会的需要 选取触摸屏 的系统比较优越 下面就其具体设计展开讨论 常州工学院毕业设计论文 8 第三章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统硬件电 路设计 3 1 总体硬件电路图 舞台灯光布光控制系统由操作控制面板 PLC 主机和 8 动作执行机构 3 部 分组成 其中 操作控制面板包括数字键盘 控制键盘和显示电路 3 个部分 8 动作执行机构包括灯具选择电路 灯具动作控制电路 电动机和灯具 4 个部分 系控制面板图如下 图 3 1 控制面板图 系统可以用输出矩阵来控制 控制大型演播厅的舞台灯光 最起码是 150 个灯具 所以选择 10 16 的 LED 输出矩阵 26 个输出 160 个发光二极管 如 下图 3 2 所示 常州工学院毕业设计论文 9 图 3 2 10 16 LED 输出矩阵 3 2 系统操作控制面板设计 为了方便工作人员进行电视演播厅布光控制系统的操作 可以考虑在演播区 域和观众区域各设置一块操作控制面板 两块操作控制面板的工作状态可以通过 相应的控制按钮进行切换和锁定 1 数字键盘 操作控制面板的数字键盘由0 9的10个数字键和取消 确认2个辅助功能键 共12个按键组成 主要完成灯具编号信息对PLC主机的输入 数字键盘输入的数字通过编码电 路以逐步移位的方式在3位LED数码管上显示 按确认键完成3位数字的8421BCD码 信息对PLC主机的输入并锁存 如果输入的数字为无效灯具编号 可以继续输入 数字 直到数码管上显示出正确的灯具编号为止 在已经完成了对某一灯具的具 常州工学院毕业设计论文 10 体操作 包括灯具选号和动作控制 则需按取消键取消对原3 位数字的 8421BCD码信息对PLC主机的输入和锁存 并在3位LED数码管上显示 000 以避 免对已经完成布光操作的灯具的误操作 系统需要控制的灯具为150台 灯具编 号1 150 超出此范围的灯具编号均作为无效灯具编号处理 数字键盘输入的数 字用BCD码表示 每位BCD码信息用4根数据线表示 百位 十位和个位的3位BCD码 信息共占用PLC主机的12个输入点 实际上 操作控制面板输入的灯具编号可以 扩展为1 999 2 控制键盘 操作控制面板的控制键盘由上升 下降 左旋 右旋 仰旋 俯旋 聚焦 和散焦共8个控制键组成 以点动的方式完成灯具动作控制信息对PLC主机的输入 可以在控制键盘8个动作控制键上方设计显示电路或相应的声音指示信号 控制 键盘涉及的8个控制动作实际是由4组互为可逆运动的动作组成 如上升和下降互 为可逆运动 为保护电机 互为可逆动作的动作输入信号应在硬件和软件设计 上进行互锁 左旋 右旋 仰旋 俯旋 聚焦和散焦这6个动作控制只是对某一 编号的灯具执行相应的控制 不影响其他灯具的布光效果 而上升和下降操作是 对固定灯具数目不等的灯杆进行升降控制 对固定在同一灯杆上某一编号的灯具 执行上升或下降操作势必会影响到这一灯杆上其他灯具的高度 因此 在对某一 灯具进行布光控制时 升降操作应先于其他6个动作操作 保证整体布光效果 3 3 PLC 控制器部分硬件电路设计 1 PLC主机选型和I O分配 PLC主机的输入信号主要是数字键盘经编码电路产生的3位BCD码信息和控制 键盘产生的8动作控制信息 其中 3位BCD码信息最多占用12个输入点 8动作 控制信息占用8个输入点 对选择灯具的8种不同的动作控制占用8个输出点 如果150台灯具与PLC的 输出点一一对应 这样必须选择较多输出点的PLC主机或扩展机型 使PLC投资成 本大幅增加 另外 考虑到在某一时刻最多只有一台灯具被选中并执行相应的动 常州工学院毕业设计论文 11 作控制 这样势必会浪费大量的PLC输出点资源 基于以上的分析 对于150台灯 具的选择采取矩阵式扩展的方法来实现PLC主机输出点的扩展 选择PLC主机的 12个输出点作为矩阵的12根行线 选择PLC主机的13个输出点作为矩阵的13根列 线 经过矩阵式扩展共可以得到12 13 156个节点 每个节点可以选择一台灯 具 而实际占用的PLC主机输出点仅为12 13 25点 在PLC主机需要控制的输 入点数和输出点数基本确定后 课题组选择日本三菱公司生产的FX2N系列产品中 的FX2N 80MR 001型号的PLC作为电视演播厅布光控制系统的PLC主机 该型 号的PLC是FX2N系列PLC的基本单元 输入点数和输出点数各为40点 输出形式为 继电器输出 PLC主机型号和外围电路示意图如图3 3所示 图3 3 PLC主机型号和外围电路示意图 2 矩阵式扩展法扩展PLC输出点 矩阵式输出扩展法是将PLC的m 个输出点作为矩阵的行线 将PLC的n个输出 点作为矩阵的列线 组成m n矩阵 m n矩阵共有m n个节点 每个节点控制 一个输出继电器 矩阵的m n个节点共可控制m n 个输出继电器 这样就可 以用PLC的m n个输出点控制m n个输出继电器 实现扩展PLC输出点的目的 下面以4 4矩阵式结构为例 来说明矩阵式输出扩展电路的应用 图3 4为4 4矩阵式输出扩展电路 其中PLC的输出点Y0 Y3 为矩阵的列线 PLC的输出点 Y4 Y7为矩阵的行线 设定输出继电器线圈的额定工作电压为24 VDC 则在 Y0 Y3的公共端COM1和Y4 Y7的公共端COM2之间连接24 VDC电源 在任一时刻 最多只有矩阵的一路列线和矩阵的一路行线同时闭合 也就是说在任一时刻 连 接在COM1 和COM2 两端的24 VDC电源最多只会加载到4 4 矩阵16 个节点对应 常州工学院毕业设计论文 12 的16个输出继电器的其中一个继电器线圈的两端 图3 4 4 4矩阵式输出扩展电路 矩阵式输出扩展电路必须有软件的配合 保证在任一时刻最多只有一路列 线和一路行线同时闭合 另外 为了保护输出继电器线圈 避免在线圈两端聚集 大量的剩余电荷 加速剩余电荷的扩散 在实际应用电路中往往还要在输出继电 器线圈两端反向并联一个续流二极管 3 4 8 动作执行机构硬件电路设计 1 灯杆升降控制电路 电视演播厅固定不同数目灯具的灯杆的升降运动是通过相应的灯杆电动机 的旋转来实现的 换言之 灯杆的升降控制实际上就是相应的灯杆电动机的正转 和反转控制 而灯杆电动机的正转和反转是通过改变电动机电源 380 VAC 相序 常州工学院毕业设计论文 13 来实现的 对于固定不同数目灯具的灯杆的升降控制 只需在控制面板上选择固 定在该灯杆上的任一灯具的编号 在控制键盘上按上升或下降键即可 这种控制 方法可以理解为多地点控制 参照多地点控制各地点常开常闭按钮的连接原则进 行设计 另外 在灯杆升降控制电路中 还应包括灯杆的上限位保护开关 下限 位保护开关和故障应急检修线路 2 灯具其余6动作控制电路设计 电视演播厅每台灯具的左旋 右旋 仰旋 俯旋 聚焦和散焦6种不同动作 的控制是通过灯具内部的3台直流电动机的正反转来实现的 每台电动机都有正 转和反转两种不同的运动状态 3台电动机就可以实现灯具3组可逆运动共6 种 不同的动作控制 灯具6动作控制电路示意图如图3 5所示 图3 5 灯具6动作控制电路示意图 图3 5中 154K 155K 156K 157K 158K和159K分别为PLC输出左旋 右 旋 仰旋 俯旋 聚焦和散焦6种不同动作的控制继电器触点 当控制面板上相 常州工学院毕业设计论文 14 应的控制键按下时继电器触点闭合 M1是实现第1组可逆运动 左旋和右旋 的直 流电动机 M2是实现第2组可逆运动 仰旋和俯旋 的直流电动机 M3是实现第3组 可逆运动 聚焦和散焦 的直流电动机 直流电动机接通 24 V电源时实现正转 接通 24 V电源时实现反转 M1 M2和M3前的号码表示的是该灯具的编号 1K 2K和3K分别为1 2 和3 灯具对应的灯具选择继电器触点 图3 5中只画出 了1 2 和3 灯具的6动作控制电路 对于每组电动机的可逆运动控制必须进行硬件电路和软件互锁 另外 在直 流电动机 24 V和 24V的进线端串联单向导通二极管能够有效避免在控制系统 中出现串号或直流电动机误动作的现象 3 5 PLC 与人机界面连线 首先了解人机的默认值 其通讯速率 9600 7 Even 1 控制器站号 1 控制区 状态区 D0 D10 舞台灯光布光控制的触摸屏配置采用DOP A57CSTD台达触摸屏 5 7彩屏 256色 分辨率为320 240 系统控制接线及控 制器读 写地址定义如图所示 PLC通过RS485串行网络连接到系统 PLC与触摸 屏通过RS232交换数据 人性化的使用界面 高速的硬体结构 呈现给用户一个真 正好用的及可规划的输入界面 图 3 6 RS 485 控制连线图 控制器Read Write 地址的定义 包括寄存器和接点 下面用两个表来呈现 表3 1 为寄存器 表3 2 为接 点 常州工学院毕业设计论文 15 表 3 1 寄存器 表 3 2 接点 3 5 本章小结 这章对系统的各个部分都进行介绍 硬件部分都有详细解说 了解其功能 以及结构特点 完成了硬件的设计 接下来要做的就是软件部分的设计 常州工学院毕业设计论文 16 第四章 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统的软件 设计 4 1 PLC 控制系统软件设计 在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作 软件设计的主要任务是 根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图 这是 PLC 应用的最关键的问题 程 序的编写是软件设计的具体表现 在控制工程的应用中 良好的软件设计思想 是关键 PLC 是一台增强了 I O 功能的可与控制对象方便连接的计算机 其完 成控制的实质是按一定算法进行 I O 变换 并将这个变换物理实现 应用与工 业现场 其中输入寄存器可按为进行寻址 每一为对应一个开关量 其值反映 了开关量的状态 其值的改变由相互如开关量驱动 并保持一个扫描周期 CUP 可以读其值 但是不可以写或进行修改 输出寄存器的每一位都表明了 PLC 在 下一个时间段的输出值 表明的是上一时间段的真实输出值 CPU 可以读其值 存储器分为系统存储器和用户存储器 系统存储器存储的是系统程序 它是由 厂家开发固化好了的 用户不能修改 PLC 要在系统程序的管理下运行 用户 存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源 I O 寄存器的值作为条件决 定着存储器中的程序如何被执行 从而完成复杂的控制功能 CUP 单元控制着 I O 寄存器的读 写时序 以及对存储器单元中的程序的解释执行工作 是 PLC 的大脑 图 4 1 就可以明确看出 PLC 构成 常州工学院毕业设计论文 17 系统存储器 用户存储器 CUP 其他接口电路 输 入 电 路 输出寄存器 输出电路 输入寄存器 输入量 图 4 1 PLC 的组成 在读输入阶段 CUP 对各个输入端子进行扫描 通过输入电路将各输入点 的状态锁入映象寄存器中 紧接着转入用户程序执行阶段 CUP 按照先左后右 先上后下的顺序对每条指令进行扫描 根据输入映象寄存器和输出映象寄存器 的状态执行用户程序 同时将执行结果写入输出映象寄存器 在程序执行期间 即使输入端子状态发生变化 输入状态寄存器的内容也不会改变 输入端子 状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入 输入 输出采用映象寄存器的优点 1 集中采用 I O 程序扫描期间输入值固定不变 程序执行完后统一输 出 这种集中 I O 的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一 使系统更加稳定可靠 其信号传递如图 4 2 所示 用户输入设备 输入端子 输入电路 输入映像寄存器 输入映像寄存器 输出锁存器 输出电路 输出端子 用户输出设备 Q0 2 Q0 1 输入 输出 Q0 1 I0 1 I0 1 图 4 2 PLC 信号的传递过程 常州工学院毕业设计论文 18 2 程序执行时 存取映象寄存器要比读写 I O 端点快的多 这样可以加 快程序执行速度 3 I O 点必须按位存取 而映象寄存器可按位 字节 字 双字灵活的 存取 增加了程序的灵活性 任何语言都有编程的对象和基础 重要介绍梯形图语言和语句表语言 而 功能图是理解这两种语言的基础 如图 3 所示为 PLC 内部的结构功能示意图 输入继电器是由外部输入驱动的 梯形图中只能使用其介入点状态值 用 户不能改变输入继电器的状态 辅助继电器的种类和多少决定了 PLC 控制功能 的强弱 相当于工作寄存器的多少和功能的强弱 实际的 PLC 中并没有图中的物理继电器 用继电器来表示 PLC 的内部功能 结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解 PLC 的功能 更好 的使用 PLC 就像他在设计继电器控制电路一样 其内部结构如图 4 3 所示 梯形图语言是一种图形化的语言 是一种面向控制过程的 自然语言 梯 形图编程语言形象 直观 准确的描述了逻辑控制关系 容易被广大的工程技 术人员所掌握 PLC 与被控对象所连接的只是 I O 条件 而 I O 之间的组合控制关系需要 用软件的方法来描述清楚 梯形图是一种描述方法 当然还有语句等表示其他 的语言 语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入 PLC 的用户程序 存储器中 PLC 就能够直接解释并实现 I O 间的控制关系 常州工学院毕业设计论文 19 COM 401 402 403 404 405 406 407 408 431 431 433 432 432 433 434 434 Sb 输出继电器 X402 X404 Y431 Y431 X402 M101 T451 K11 Y431 Y432 Y433 Y434 辅助继电器 外部输出触点 输入继电器 SQ SP 输出信号 外部输入 设备 输出信号 外部 负载设备 图 4 3 PLC 内部的结构功能示意图 1 PLC 控制系统的输入电路设计 PLC 供电电源一般为 AC85 240V 适应电源范围较宽 但为了抗干扰 应 加装电源净化元件 如电源滤波器 1 1 隔离变压器等 隔离变压器也可以采 用双隔离技术 即变压器的初 次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地 次 级线圈屏蔽层接 PLC 输入电路的地 以减小高低频脉冲干扰 PLC 输入电路电 源一般应采用 DC 24V 同时其带负载时要注意容量 并作好防短路措施 这对 系统供电安全和 PLC 安全至关重要 因为该电源的过载或短路都将影响 PLC 的 运行 一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍 PLC 输入电路电源支路加 装适宜的熔丝 防止短路 2 PLC 控制系统的输出电路设计 依据生产工艺要求 各种指示灯 变频器 数字直流调速器的启动停止应采 用晶体管输出 它适应于高频动作 并且响应时间短 如果 PLC 系统输出频率 为每分钟 6 次以下 应首选继电器输出 采用这种方法 输出电路的设计简单 抗干扰和带负载能力强 如果 PLC 输出带电磁线圈等感性负载 负载断电时会 常州工学院毕业设计论文 20 对 PLC 的输出造成浪涌电流的冲击 为此 对直流感性负载应在其旁边并接续 流二极管 对交流感性负载应并接浪涌吸收电路 可有效保护 PLC 当 PLC 扫 描频率为 10 次 min 以下时 既可以采用继电器输出方式 也可以采用 PLC 输 出驱动中间继电器或者固态继电器 SSR 再驱动负载 对于两个重要输出量 不仅在 PLC 内部互锁 建议在 PLC 外部也进行硬件上的互锁 以加强 PLC 系统 运行的安全性 可靠性 对于常见的 AC220V 交流开关类负载 例如交流接触器 电磁阀等 应该通过 DC24V 微小型中间继电器驱动 避免 PLC 的 DO 接点直接驱 动 尽管 PLC 手册标称具有 AC220V 交流开关类负载驱动能力 2 PLC 对舞台灯光布光的流程控制 软件的主要完成三项工作 一是灯具号码的选择 二是灯具动作的控制 显示 三是当灯具操作完成时 可以进行循环操作 数据信息的传输在主程序 下完成 如图 4 4 所示 图 4 4 PLC 对舞台灯光布光控制的流程图 常州工学院毕业设计论文 21 4 PLC 软件编程 PLC 的软件系统由系统软件又称系统程序和用户软件 又称应用程序组成 系统软件 包括监控程序 编译程序 诊断程序等 主要用于管理全机将程序 语言翻译成机器语言 诊断机器故障 系统软件由PLC 生产厂家提供 并固化 在EPROM 中不能由用户直接存取 不需要用户干预用户程序 是用户根据现场 控制的需要用PLC 的程序语言编制的应用程序 用来实现各种控制要求 因此 PLC 控制系统软件设计的工作将主要是用户软件设计PLC 用户软件的设计 要 基于产品提供的编程语言 我们所选的机型三菱公司FX2N 80MR 001 的PLC 为用户提供梯形图或用指令表来编程 其拥有基本的顺控指令复杂控制指令和 应用指令其一般元件种类和编号如下所示 输入继电器 X000 X047 40 点 输出继电器 Y000 Y047 40 点 辅助继电器 M1024 M3071 2084 点 状态继电器 S500 S899 400 点 定 时 器 T246 T259 4 点 计 数 器 C235 C245 数据寄存器 D8000 D8195 106 点 本灯控系统的命令 无论是灯号 还是动作信号 均通过控制面板送入PLC 的 输入端 灯号在送入PLC 的输入端之前 先由控制面板的选号电路编译为BCD 码 而由于本系统灯具总数为159 台 所以最高位即百位上的数字只有0 和1的变化 因此最高位的BCD 仅末位数字发生变化 而其他3 位必为零 所以 为了简化编程 及减少输入端的数量 仅用9 个输入端作为选号输入端 即X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 其中X10 X13 表示个位的BCD 码 X4 X7 表 示十位 X3 表示百位 而对于灯具的控制信号则直接送入输入端具 PLC 的输出端为继电器的扩展电路 采用阵列式排列 选用的是12 10 即输出Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 为阵 输出Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 为列 而对于控制信号输出端子 与继电器为一一对应 另外 又分配6 个端子分别驱动6 动作指示灯 下 面仅以Y0 为例 程序中输入X3 X13 类似于开关量 图中即可看到 每个输入 仅有开 闭两种状态 因此一个输入可代表一个二进制数 4 位二进制数即为 一个十进制数的BCD 码 用开关的闭和表示 0 开表示 1 程序的第 常州工学院毕业设计论文 22 一行即为0 0000 0100 对应的十进制数为0 0 4 即灯号4 将所有能够 驱动Y0 的灯号都并联起来 即可得到以下程序段 为了清晰起见将每行对应的 十进制数也列出 如程序4 1所示 程序 4 1 常州工学院毕业设计论文 23 此梯形图对应的指令表如表4 1所示 表4 1 指令表 一直循环到 常州工学院毕业设计论文 24 对于控制信号 无论输入 输出 均为一一对应关系 同时驱动对应的指 示灯 以左旋为例程序编制如下梯形图4 2所示 梯形图4 2 左旋 这段梯形图对应的指令表如表4 2所示 表4 2 左旋指令表 4 2 人机界面部分软件设计 1 人机界面介绍 人机界面产品 常被大家称为 触摸屏 从严格意义上来说 两者是有 本质上的区别的 因为 触摸屏 仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分 是一种替代鼠标及键盘部分功能 安装在显示屏前端的输入设备 而人机界面 产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备 在工业中 人们常把具有触摸 功能的人机界面产品称为 触摸屏 这是不科学的 人机界面产品是为了解决 PLC 的人机交互问题而产生的 但随着计算机技 术和数字电路技术的发展 很多工业控制设备都具备了串口通信功能 所以只 要有串口通信能力的工业控制设备 如变频器 直流调速器 温控仪表 数采 模块等都可以连接人机界面产品 来实现人机交互功能 2 使用说明 常州工学院毕业设计论文 25 人机界面与可编程控制器 CPU 连接时 通过输入单元 如触摸屏 键盘 鼠标等 写入工作参数或输入操作命令 实现人与机器信息交互 人机界面所 进行的动作最终由 PLC 来完成 人机界面仅仅是改变或显示 PLC 的数据 触摸开关的工作原理 从画面的触摸板进行输入 按下接触画面上的触摸开关 PLC 作用的位 通知位 的状态就会改变 它可以以下面四种方式的任一种方式变化 瞬动 当按下触摸开关时 通知位置成 1 ON 释放时 通知位还原 成 0 OFF 交替 每次按下触摸开关时 如果当前状态是 0 OFF 则通知位置成 1 ON 如果当前状态是 1 ON 则通知位置成 0 OFF 置位 按下触摸开关 通知位置成 1 ON 复位 按下触摸开关 通知位置成 0 OFF 如下图 4 5 所示 要通过触摸开关实现单按钮启停风机 在梯形图上 线 圈 1 00 由 20 00 决定 只要画面上的触摸开关设置 20 00 为交替 按下触摸开 关 通知位 20 00 置成 1 ON PLC 根据梯形图让线圈 1 00 得电 再次 按下触摸开关 通知位 20 00 置成 0 OFF PLC 根据梯形图让线圈 1 00 失电 但如果触摸开关设置 1 00 为交替 按下触摸开关 就不能实现单按钮启 停 因为 PLC 根据梯形图让线圈 1 00 失电 图 4 5 触摸开关实现单按钮启停 如果是自锁电路如图 4 6 所示 就可以直接设置触摸开关为风机线圈 1 00 常州工学院毕业设计论文 26 图 4 6 风机自锁电路 通过画面监视各种设备并改变 PLC 数据 1 如图 4 7 所示 在触摸屏 GOT 的触摸开关 启动 时 分配到触摸开关 中的位软原件 M0 将为 ON 图 4 7 通过画面监视各种设备并改变 PLC 数据 2 位软件 M0 为 ON 时 位软元件 Y10 也为 ON 此时 分配了位软元件 Y10 的 GOT 的指示灯显示 运行指示灯 将显示 ON 图形 3 由于位软元件 Y10 处于 ON 状态 因此 123 被存储到字软元件 D10 中 此时 分配了字软元件 D10 的 GOT 的数值显示中 将显示 123 常州工学院毕业设计论文 27 4 触摸 GOT 的触摸开关 停止 时 分配到触摸开关中的位软元件 M1 将为 ON 由于该位软元件 M1 为位软元件 Y10 的 OFF 的条件 因此 GOT 的指示灯显示 运行指示灯 将变为 OFF 状态 3 舞台灯光布光控制人机界面设计 打开screen editor 软件 新建一个人机界面 按下新增一個编辑项目 如图 4 8所示 图 4 8 Screen Editor 新增项目编辑对话框 此时按下确定按钮 直接执行下一步 Screen Editor 应用程序会建立一 新编辑画面如图4 9 常州工学院毕业设计论文 28 图 4 9 Screen Editor 编辑画面 基于触摸屏的舞台灯光的布光控制系统设计 需要完成 8 动作 所以需要 绘制 8 个按键来实现这四对互逆动作 同样用 8 盏警示灯了显示动作实现状况 同时 需要制作输入键盘输入灯具的灯号 再制作一个输出按键用来输出灯具 号码 使整个控制显得直接方便简洁 绘制完成后 常州工学院毕业设计论文 29 然后选择 下载画面资料 图示 将程序下载到人机界面 画面如上图 所示 选择 编译 图示 编译程序 选取此项目可以把编辑好的画面档 编译成人机可以接受的格式并同时检 查画面编辑是否有错误 编译过程中会将信息输出至输出栏 如果有错误 也 会一并列出提醒使用者 如果有错误发生时 则不会产生目的档 使用者可以直接选取工具中的编 译 也可以点选工具栏上的图示或是使用系统内建的快捷键 Ctrl F7 如果此 一项目为新打开的项目时 则在编译前会要求使用者先保存文件之后 才开始 编译 如果此项目已有存档或是旧文件 则直接编译 而编译完成后 Screen Editor会自动作一次存档的动作 编译成功后 离线仿真 离线仿真如下图4 10所示 常州工学院毕业设计论文 30 图 4 10 基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统设计仿真图 键盘输入灯具号 8个执行动作 8个警示灯 一个输出灯具号按键 4 3 本章小结 本章完成了软件的设计 对每部分模块都画出了其框图以及有关程序 接 下来就须对所设计的系统检验其有效性 常州工学院毕业设计论文 31 第五章 系统调试 5 1 软件调试 1 程序的检查 执行 诊断 菜单 诊断 命令 进行程序检查 如图5 1所示 图 5 1 诊断操作 2 程序的写入 PLC 在STOP 模式下 执行 在线 菜单 PLC 写入 命令 出现PLC写入对 话框 如图5 2所示 选择 参数 程序 再按 执行 完成将程序写入PLC 图 5 2 程序的写入操作 常州工学院毕业设计论文 32 3 程序的读取 PLC 在STOP 模式下 执行 在线 菜单 PLC 读取 命令 将PLC中的程序 发送到计算机中 传送程序时 应注意以下问题 计算机的RS232C端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接 PLC必须在STOP模式下 才能执行程序传送 执行完 PLC写入 后 PLC中的程序将被丢失 原由的程序将被读入的程 序所替代 在 PLC读取 时 程序必须在RAM 或EE PROM内存保护关断的情况下读取 4 程序的运行及监控 运行 执行 在线 菜单 远程操作 命令 将PLC设为RUN 模式 程序运行 如图 5 3 所示 图 5 3 运行操作 监控 执行程序运行后 再执行 在线 菜单 监视 命令 可对PLC的运行过程进 常州工学院毕业设计论文 33 行监控 结合控制程序 操作有关输入信号 观察输出状态 如图5 4所示 图 5 4 监控操作 5 程序的调试 程序运行过程中出现的错误有两种 一般错误 运行的结果与设计的要求不一致 需要修改程序先执行 在 线 菜单 远程操作 命令 将PLC设为STOP模式 再执行 编辑 菜单 写模式 命 令 再从上面第 3 点开始执行 输入正确的程序 直到程序正确 致命错误 PLC停止运行 PLC上的ERROR指示灯亮 需要修改程序先执 行 在线 菜单 清除PLC内存 命令 见图5 5所示 将PLC内的错误程序全部清 除后 再从上面第 3 点开始执行 输入正确的程序 直到程序正确 常州工学院毕业设计论文 34 图 5 5 清除 PLC 内存操作 5 2 软硬件联合调试 联机调试时 可以把编制好的程序下载到现场的 PLC 中 先电脑上 直接进行模拟调试 有时 PLC 也许只有这一台 这时就要把 PLC 安装到相应的 位置上 调试时一定要先将主电路断电 只对控制电路进行联调即可 通过现 场联调信号的接入常常还会发现软件以及硬件中的一些问题经过反复测试系统 后 才能最后使用 所有 PLC 一般都具有常规的功能 但是对于某些特殊要求 就要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务 如对 PLC 与 PLC PLC 与智能 仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求 或对 PLC 的计算速度 用户程序容 量有特殊要求的 或对 PLC 的位置控制有特殊要求等 这就要求用户对市场上 流行的 PLC 品种有一个详细的了解 以便做出正确的选择 不同厂家的 PLC 产 品价格相差很大 有些功能类似 质量相当 I O 点数相当的 PLC 的价格能相 差 40 以上 在使用 PLC 较多的情况下 这样的差价必须是需要考虑的 控制系统设计步骤进行对舞台灯光布光的设计 如图 5 6 所示 在控制面 板操作部分进行检测 满足要求 能够进行对 150 个灯具进行 8 种动作的控制 并使用了人性化设计 将输入的灯具号不仅在触摸屏上显示 也同时在 PLC 上 显示 常州工学院毕业设计论文 35 分析评估控制任务 PLC机选型 I O设备选择 I O地址分配 程序设计电气系统安装 检查修改程序调试程序设计硬件系统接线图和控制柜 满足要求 检查硬件接线 连机调试 满足要求 编制技术文件 现场安装调试 交付使用 N Y NN Y 图 5 6 PLC 控制系统设计步骤 基于上图所示的 PLC 控制系统设计 用小型集成灯具 一个小型矩阵式灯 具 可以节约空间 同样能达到布光的效果这就是触摸屏舞台灯光布光的基本 思路 5 3 本章小结 通过使用设计的系统进行讨论 使用 GX DEVELOP 软件 Screen Editor 以 验证系统的正确与否 常州工学院毕业设计论文 36 总结 本课题是设计型的 构建一个舞台灯光的布光系统 在开题报告完成后 便积极进行相关准备工作 在这期间 我查阅相关资料 绘制各功能电路图 研究触摸屏台达人机界面 在这短短的几个月中 通过查阅资料 我更加熟悉 了控制系统的原理 PLC 原理 梯形图的绘制 灯光布光设计等 通过本方案 的设计 学会了更多的专业制图软件的使用 以及文档的细节处理等 最重要 的是 在设计过程中把自己所学的专业知识在相对独立的情况下去加以运用 养成了良好的习惯 习得了丰富的经验 为日后理论研究和实际工作打下了良 好的基础 在我完成这次毕业设计的过程中 当看到自己将专业知识用于解决实际的 问题时 那份成就感和喜悦感是难以形容的 但是 在实际的应用中 我发现 自己所应该学的太多太多 光靠自己在书本上所学过的这点知识是远远不够的 真正地认识到了工作就是学习的道理 在整个毕业论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态 首先我明白了做学问要一丝不苟 对于出现的任何问题和偏差都不要轻视 要 通过正确的途径去解决 在做事情的过程中要有耐心和毅力 不要一遇到困难 就打退堂鼓 只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的 在工作中要学会与 人合作的态度 认真听取别人的意