毕业设计（论文)基于PLC的舞台机械控制系统的研究与设计.doc

摘 要吊杆是一种悬吊装置，装在舞台上空，用它提升景片、挂设幕布、悬吊灯具等舞台用具。其数量众多，使用频繁，是舞台上必备的设备。传统的舞台吊杆控制系统多采用继电器、接触器控制方式。由于剧场中的吊杆数量很多，所需要的继电器、接触器数目庞大，接线复杂，造成控制系统的可靠性很差。可编程控制器是传统的继电器接触器控制方式与计算机技术的完美结合，具有可靠性高，编程直观容易的特点，己在工业控制中获得广泛应用。另外，目前的PLC都具备通讯接口，可以与其它PLC或计算机组成网络控制系统。这些特点决定了PLC是舞台吊杆控制器系统的首选对象。为了便于系统的监控和管理，控制系统应具有良好人机对话窗口，即需要上位机对系统进行监控和管理。近年来，由于组态技术的发展，基于通用组态软件，以IPC为上位监控机，以PLC为数据采集和控制机而构成的集散式(分布式)控制系统是主流方向。舞台吊杆的控制也理当顺应了这一发展趋势。本文研究目标是研究、开发一套基于组态软件技术和PLC控制技术的集散式舞台吊杆控制系统。具体方案是上位机选用研华工业控制机，下位机采用西门子S7-300，构成单个微机监控多个PLC的分布式网络结构。上位机起监控和管理作用，下位机起控制作用。本文研究的主要内容是：(1)集散式吊杆控制系统框架的构建；(2)上位机吊杆控制系统监控软件(画面)的设计；(3)下位机单台吊杆定位控制系统的设计。关键词：舞台吊杆；PLC控制；HMI；下位机 目录1.绪论11.1选题背景与意义21.2 国内外发展现状11.2.1国内发展现状11.2.2国外发展现状31.2.3国内外发展现状对比41.3 研究的主要内容62.系统概述72.1舞台机械设备的功能与特点72.2原理框图82.3方案的论证与选择92.3.1工业控制概况92.3.2 方案的选择93.PLC硬件设计103.1可编程控制器（PLC）概述103.1.1 可编程控制器的功能103.1.2可编程控制器的基本性能指标113.2 PLC型号的选择113.3 PLC模块选择123.3.1 CPU123.3.2 SM321数字量输入模块123.3.3 SM322数字量输出模块133.3.4 SM331模拟量输入模块133.3.5 电源模块（PS307 5A）133.4 PLC通信技术143.4.1 S7-300的通信网络143.4.2通信接口介绍153.5 变频器163.5.1 变频器的选型163.5.2 变频器的工作原理164.软件设计184.1S7-300软件系统介绍184.1.1 PLC编程语言的国际标准194.1.2 STEP 7 中的编程语言194.1.3 编程语言的选用194.2程序设计194.2.1 主程序和子程序的实现195.设计总结235.1系统的特点与展望245.2系统的缺陷与改进24总 结24致 谢25参考文献26附录28基于PLC的舞台机械控制1.绪论1.1选题背景与意义本设计以珠江源大剧院舞台机械控制系统为工程背景，主要是对舞台的大幕及吊笼的控制。随着我国经济水平和人民文化生活水平的日益提高，“广大消费者对文化娱乐设施提出了更高的要求。剧场使群众经常出入的文化消费场所，努力提高舞台控制系统的控制水平，进而提高整个现代化剧院的档。剧场是艺术表演的重要场所，对于剧场的现代化，首先应该是舞台的机械化和自动化。随着现代化剧场的机械设备增多以及功能增强，使得舞台机械设备的控制问题日益突出。在一场演出中，将需要调动众多的设备为之服务。演出过程中有些动作效果对设备的运行参数要求也是很高的，甚至几套设备需要联合联合起来才能够完成工作。对于这样的要求，假如没有一套良好的控制系统的话，整个演出会很难完美呈现给观众的。所以，舞台机械的控制则是剧场中不可缺少的，它为舞台演出服务，实现艺术表演所要求的各种运动和动作。良好的舞台机械控制会丰富表演艺术效果，为艺术表演增光添彩。舞台机械根据其所处位置的不同，可分为台上机械和台下机械。台上机械主要是悬吊机械和幕类机械，它们主要实现升降运动。在舞台控制中采用合理的控制方法，来达到准确、可靠，方便的效果具有重要的意义。随着中国经济的快速发展，城市化进程不断加快，许多新兴城市不断涌现，许多大、中城市都把建设现代化的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。一座现代化剧场的主要舞台设备有机械、灯光和音响三大块。舞台机械又可分为台上机械和台下机械，台上机械的_丰要设备为吊杆。根据剧场的规模，吊杆的数量大约在3060道之间，一般应具备升降、调速、定位和编组等功能。因为舞台吊杆要求定位精度较高，启动、停止响应较快，而且要求运行可靠、操作灵活；所以传统的继电器接触器控制系统已难以胜任心。国内从事舞台机械研究单位主要是行业内的生产企业，多数牛产企业开发的计算机吊杆系统没有追踪、了解最新的控制技术，控制技术相对比较落后，不能适应现代化剧院对舞台技术的要求，表现为系统稳定性差、成本高。开发基于组态技术、工控机、PLC的集散式控制系统是现代吊杆控制技术的发展趋势。组态软件是一种控制系统开发工具，用户只要根据应用对象和控制任务的要求，利用组态软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，就可以得到所需要的软件功能。组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发，这种搭积木方式的系统构成方法使得控制软件的编制变得相当轻松明了，开发的周期和成本大大降低，而且由于系统是由这些可靠的“积木块”组成，因而可靠性和可维护性大大增强。1.2 国内外发展现状1.2.1国内发展现状随着我国日益地融入到全球化的科技发展浪潮，以及国内文化设建设改革开放十多年来，随着中国社会主义市场经济的逐步完善，我国人民的生活状况发生了翻天覆地的变化，人们在物质生活逐步富裕的同时，以开始逐步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了文化设施建设的热潮，大量新建改建的剧场急需用高技术设备来装备，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、人民生活逐步提高和文化艺术事业空前繁荣的具体体现。这些设施的建设适应了频繁的文艺演出、各种形式的文化节、艺术节活动和国际文化艺术交流不断增长的需要。应当说，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中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作用。舞台设备发展到今天，是与致力于这方面研究的众多科技工作者的辛勤努力分不开的，我们有必要先回顾我国舞台机械设备的发展进程。中国传统的舞台艺术以戏剧为主，由于历史的美学观念以及技术上的原因，明清以前的宫廷戏台，民间寺庙，茶园和会馆中的戏台都是敞开式舞台。我国舞台技术产业起步较晚，在1949年以前，我国舞台机械还是一片空白。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提出了更高的要求。50年代，我国建成了建国以来第一批具有机械化舞台的剧场，如：旅大人民文化俱乐部剧场，北京首都剧场，天桥剧场和人民大会堂等。我们可以将70年代以前定为起步阶段，此时还陆续建成了广州友谊剧院，南宁剧院等，这些剧院都装备了成套的舞台机械。但此时的设备大都是一些功能单一的吊杆机，大幕拉幕机，固定式单层转台以及乐池液压升降机等设备。但当时在国内并没有形成生产规模，而且水平不高，质量较低。80年代舞台技术产业处于发展时期，此时随着改革开放的步伐，科学技术突飞猛进，舞台艺术百花齐放，给舞台机械创造了极好的条件，同时提出了更高的要求，综合声，光，电子，机电，液控以及计算机技术创造出了具有当时国际先进水平的舞台机械设备。其中，计算机控制自动定位吊杆机，数字控制自动定位吊杆机，计算机控制液压多块多层同步升降台，钢绳曳引式薄型升降台，丝杠传动双层剪刀撑组合升降台，丝杠传动双片剪刀撑子母升降台，防火隔音隔离幕，变频调速升降对开无级大幕，旋转餐厅，迪斯科舞厅升降飞碟灯架，对开活动灯架，杂技厅旋转飞人机构和活等都具有时代特色。国内相继出现了舞台机械制造的专业厂，投入到了研制，设计开发和制造安装的全过程，开发出了较高水平的产品，为全国数百家大小剧场分别提供了不同档次，不同种类的成套设备。其中，北京的“中国剧院”，“中国文联剧场”，四川“锦城艺术宫”，长春“吉林省东方大剧院”，济南军区“八一礼掌”等，都是装备的全部国内设计制造的机械设备。主要有大幕拉幕机，电动吊杆机，灯光吊笼，假台口，液压双层三片升降台和机械车台等。控制手段采用了电液比例同步技术，数字脉冲吊杆自动定位技术和计算机控制技术，使国内舞台机械制造技术和控制技术都迈上了新的台阶。进入90年代，随着话剧、戏曲、音乐、舞剧、杂技、电视等多元文化的兴起，包括人们自娱自乐方式的多样发展，国内的剧场、文化馆、演播厅、歌舞厅的建设进入高潮。在国内基础工业大力发展的基层上，国外新技术、新产品、新材料的不断涌入，使国内舞台机械设备的成套能力大大增强，从舞台机械的设计手段、采用标准、专用零部件的选用等方面逐渐与国际接轨，单项指标接近或逐渐接近国际先进水平。如：北京首都剧院新设计的乐池升降台分成3块，采用10台螺旋升降器(Spiraifts)，这是国内舞台机械总包方首次采用加拿大专利技术；电动吊杆则分别采用了伺服控制技术和矢量变频技术，定位、重复定位精度可达3m电动机、减速器采用的是德国独资、天津SEW传动设备厂生产的产品。新世纪的标志性建筑“中华世纪坛”的转动坛面“乾”，是机械与艺术结合的又一力作，转动的坛面直径47m，面积1700平方米，里1940坡形，承载量3200吨，26到55小时转动一圈。组成支撑运转系统的内圈有32个行星轮。外圈有64个行星轮。因为偏心的原因，16套传动装置并不是均匀布置，内、外圈分别在内外两个轨道上运行。如此巨大的旋转体，在露天放簧、低速、偏心等条件下平稳、精确、低速地运行、在国内乃至世界上也极为少见。值得指出的是就在国内舞台机械制造业迅速崛起的同时，受到拥有先进科技的外国企业的挑战。1985年的深圳大剧院，是国内首次引进国外舞台机械设备建成的大剧院，其中台上设备由国内设计、加工，台下设备由英国剧场技术公司(TT)提供。90年代初，北京保利国际剧院、二十一世纪剧院的全部台下、台上设备分别由英国TT公司和日本三精公司提供。1997年开始使用的上海大剧院的舞台机械设备由日本三菱公司总包，台上设备为韩国中央综合舞台设备公司的产品，台下为三菱公司的产品，其中设备的安装、部分钢结构的加工由国内配合。解放前，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：如手动吊杆，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、长沙青年富、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、甚至还有升降乐池。但在舞台机械方面，还没有什么突破，不可否认，在舞台机械的发展方面，我国与发达国家还有相当大的差距。进入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：用于戏剧表演的中央戏剧学院排演场、用于歌舞表演的中国剧院、用于话剧演出的中国少儿艺术尉院等，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。进入九十年代初，我国在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、灯光调笼、天幕灯架等。台下舞台机械有升降乐池、乐池升降栏杆、舞台升降台、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。这时，我国的舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距己逐渐缩小。近年来，由于科技的不断发展，特别是进入二十一世纪，计算机的迅猛发展，众多科技人员将计算机用于舞台机械的控制。1，逐渐形成了现代化的计算机舞台控制系统。1.2.2国外发展现状舞台机械是为了使演出的效果更加完美从而引领观众进入更深的艺术境界而采用的各类机械装置的总称，是艺术创作必不可少的科学技术结晶。它与其它产业机械一样，属于机电设备，只不过它服务于舞台演出，实现艺术表演所要求的各种运动和动作为了适应当代表演艺术的要求，舞台机械也需要精度、系列化的机械系统。由于采用了先进的技术，因此控制精度可以达到很高，平稳性、宁静度、全性等也均能满足使用要求，令演出成为更加绚丽多彩的舞台艺术，满足人们高尚的精神需要。国外舞台机械的发展以欧洲为典型，最早在17世纪出现了镜框式舞台，为舞台机械的使用提供了载体，在此之前则普遍是露天剧场以及观众环绕的敞开式舞台。舞台设备只有少量的木制器具，还算不上真正的舞台机械。19世纪后期，欧洲出现了木铁合制的较为复杂的舞台机械。大都用人力推动绞盘驱动，通过复杂的滑车绳索系统传动来实现其动作。1876年落成的巴黎大剧院舞台第一个安装了水压式的机械升降台。1896年，电力驱动的转台出现于德国慕尼黑地方剧院。1904年到1914年间德来士顿国家剧场把升降台与车台结合起来形成了世界上第一个混合型的机械舞台。从18世纪末到19世纪卡玎的近百年间，欧洲的舞台机及其控制技术随着舞台艺术和1：业技术的发展而空前发展。目前发达国家舞台技术产品发展得很快。有人说，存西方高新技术应用得最集中的，除了军事部门，就是艺术娱乐业了。西方的经典剧目，虽剧本内容基本不变，但随着新技术、新材料、新概念的出现，舞台美术总是追求不断创出新意，经常能看到精心设计的新形式、新形象，因而能常演常新。如美国百老汇的音乐剧，法国丽都、红磨坊的歌舞，这类商业性演出以及迪斯尼、拉斯维加斯、好莱坞等娱乐场所，更是充分运用资金优势，刻意标新立异，用尽一切高新技术手段。舞台上船艇破浪，直升飞机由天而降，一切都有如真的，吸引观众身临其境，感受其神奇的意境。总之，国外在舞台机械设备的设计、制造、尤其是控制系统运用了更多的高新技术成果：如计算机技术数控技术，液压技术，传感反馈技术，现场总线技术，DCS技术等等，这些新技术的应用使得机械设各的运行速度，空间位置变化丰富多彩，使推，拉，升，降，转各种功能的组合变化更加灵活，舞台艺术更完美、更逼真。从18世纪到20世纪，美国舞台的发展与政治、经济、科学、技术的发展齐头并进，同步发展，也正是在这段时间里美国从一个英国殖民地变成了现在强大的世界超级大国。所以你们也应该不会感到意外，美国舞台在18、19世纪引进并模仿了很多英国的舞台技术。只有在20世纪和21世纪，美国才开始发展它自己舞台技术，并创立了一种特殊的美国风格的舞台美术设计。1.2.3国内外发展现状对比(1)整体工艺配置：在舞台工艺设置的研究、设备选型、设备技术参数的正确、合理确定方面，我国的工程技术人员相对经验不足，在决定使用功能这个根本问题上与国外有一定差别。(2)机械设计水平：在机械设计中对设备的适应性、灵活性、特别是安全性的要求考虑不周，与国外设计相比有一定差距。由于设计中对关键性的要求、对设备控制的要求不明确等原因，使得设备在整体性能上不够理想。(3)基础元器件、制造加工业：国内工业基础决定了基础元器件的选择余地有一定的局限性，此外，初机械制造加工本身的原因，以及如企业内部的管理、加工技术能力、检测手段等因素外，面f临的主要问题是无相应的舞台机械标准、规范可依。(4)控制系统：由于对演出及演出中机械设备的作用理解不够，造成控制系统的设计在满足舞台表演的特殊要求方面有一定欠缺，如；可靠性、安全性考虑较好。灵活性差些。在多变性(重复、插入、修改等)的差距较大，采用的电器元器件的质量寿命也有一定的差距，欧洲舞台机械控制系统的共同特点是满足DINVl9250第5级安全标准；轴控制器和计算机控制系统为亢余配置；采用10MbilS总线传输数据：电器硬件基于工业级标准；软件是各公司为舞台专门开发；兼有电磁兼容(EMC)设计；具有场景运行、记忆运行、手动运行、辅助运行、手动介入和应急控制等功能。(5)投资角度：我国剧场建设中舞台机械投资比例偏低，使得一些新技术、新材料难以在剧场中应用，影响了机械设备总体性能。国内外一些改造剧场的情况表明，机械本体的投资往往是一次性的，能用上几十年甚至上百年，而多年以后重新改造的往往是电器控制系统。早期的吊杆控制是采用继电器接触器控制。由于舞台上吊杆数量众多，相应地所需继电器和接触器的数量非常可观，接线也非常复杂，再加上继电器接触器控制是有触点控制，使得控制系统的可靠性较差。由于继电器接触器控制仅是简单的开关控制，无计数、参数调节等功能，故不能实现舞台机械的定点定位控制和无级变速控制。随着计算机控制技术的发展，使得舞台吊杆的定位控制、参数控制成为可能。早期的计算机吊杆控制是采用单片机控制，行业内称它们为数字控制吊杆控制系统。以单片机为核心的计算机测控系统的突出优点是结构小型、价格低廉，因此广泛应用于智能仪器、仪表和小规模的测控系统中妲1。其缺点是硬件电路和软件系统都要单独设计，不能充分利用通用PC机提供的各种软硬件资源，对设计人员的要求较高，产品不具有通用性。目前在工业控制领域应用最多的是各种智能显示调节仪表和智能变换器。PLC是由继电器控制技术和计算机控制技术结合发展起来的控制器，已广泛应用于工业牛产的各个领域，特别适合于以开关量为主的逻辑控制系统中，已成为控制的主要手段。随着技术的发展，现在的PLC也具备了模拟量控制功能。以工PC为核心的计算机测控系统，最大优点是可充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，不仅开发方便，更可利用windows或其他操作系统，方便地进行生产的监控管理。早期应用中，系统是以PC机为核心，设计人员根据需要设计好系统需要的IO接口电路，将其插入PC的扩展槽中，再利用C等通用程序设计语言进行软件设计开发。这种系统存在两个问题：1.普通PC机不适应工业现场的电磁干扰严重、高粉尘、震动等恶劣环境，也不针对那么多的I0设计。2.需要单独设计IO接口电路，独立开发系统软件。为了解决这些问题，先后出现了专门适应于工业控制需要的计算机即工业PC机(IPC)，专门的各种通用接口电路，如AD、DA板卡及模块，专门用于工控的简单易学的开发工具组态软件。更重要的是，为了使三种控制技术发挥各自所长，许多智能仪表和PLC都开发了与IPC通信的通信模块。这样，IPC、基于单片机的智能仪表和PLC可以共存于一个系统中，构成集散式计算机控制系统。在这样的系统中，智能仪表和PLC完成信号的前沿检测和控制功能，IPC和组态软件则用于系统的监控。可以说，基于组态控制技术的计算机测控系统是计算机控制技术发展的结果，其基本内涵在于系统的硬件设计和软件开发都具有“组态”性。这也是目前舞台机械(包括舞台吊杆)控制系统研究开发的趋势。因此，随着技术的不断进步，吊杆的控制方式经历了从继电器接触器控制系统到计算机控制系统。计算机控制系统也经历了单片机控制到PLC控制。吊杆的控制功能也经历了从无任意定位功能到有任意定位功能，从无调速功能到有调速功能，从无参数存储功能到有参数记忆功能的发展过程。近年来，由于组态技术的发展，基于通用组态软件，以IPC为上位监控机，以PLC为数据采集和控制机而构成的集散式(分布式)控制系统是丰流方向。而嵌入式系统，因其开发能力要求高，尽管硬件成本较低，目前还不太适合于舞台吊杆控制系统中。1.3 研究的主要内容 本文主要研究PLC组成的集散式控制系统在现代舞台吊杆控制技术中的应用。具体研究内容或要达到的主要功能如下：在台仓两侧、侧台两侧、总监室、设备层两侧各装一个紧急停止按钮，信号分别进入PLC，做紧急停止控制；台仓两侧紧急停止按钮停止台面设备运行；设备层两侧紧急停止按钮停止台上设备运行；侧台两侧、总监室紧急停止按钮停止所有设备运行。（1）吊杆控制要分别考虑过流过载保护、松绳保护、上下运动互锁等条件。（2）定位吊杆、灯光吊杆的速度为0.3m/s，编码器每个脉冲对应2mm。（3）调速吊杆的调速范围050HZ。（4）变频调速用端子控制。（5）计算机控制还应具有编程功能，就是将整个剧目需要运行的设备设置成多个场次，通过时间和位置控制，编成程序，在上位机监控下，按单场全场两种方式运行。为此应建立过程数据库，用来储存输入的数字量、模拟量、数字输出、模拟输出或者计算块、功能块等过程控制的指令代码，通过应用程序来完成一个控制或监视。拟要解决的关键问题,控制系统必须达到较高的可靠性，具体的措施有：(1)采取自动控制和手动控制两套系统，互为备份；(2)采用分散控制，集中管理的模式。上位机仅起管理、监控、显示、编辑、保存等作用，控制功能由可靠性较高的可编程控制器控制，而且每道吊杆由各自独立的PLC控制，相互不影响。2、定位精度吊杆的定位精度必须满足演出要求，但精度也不是越高越好，一般为5mm即可。要达到这个精度，必须采用高速计数方式。3、界面友好性这是任何系统都应具备的条件，吊杆控制系统也不例外。2.系统概述2.1舞台机械设备的功能与特点舞台机械种类繁多，运动形式变化多样，结构庞大，且无统一标准，设备运行速度、空间位置变化丰富多彩，推、拉、升、降各种组合变化灵活。按舞台机械在舞台中的空间位置可将舞台机械分为台上部分和台面部分。台上部分主要是防火大幕、对开大幕、假台口、灯光渡桥、灯光吊笼、吊杆类、吊挂类和幕类机械，实现升降和水平运动；台面设备包括主升降台、侧车台、后车台、大转台、车台、车台补台、微动补台、升降乐池和栏杆车台等，主要完成平移、转动、和升降运动。下面将各种舞台机械简要介绍：(1)幕类机械大幕是舞台上使用最频繁的设备之一，采用无级调速控制，使大幕的运动随剧情需要，可随时变化速度，起到烘托艺术氛围的作用，均有伸缩式的开合可使幕布在运动中呈现均匀折叠，美观大方。起落对开大幕实现二维运动，丝杠式卷筒驱动对开，起落对开均为无极调速，可随时控制快、慢、启、停，运动灵活。电动对开二道幕是剧场演出时换景、换场的重要设备，起分割演出区域的作用。采用电动对开，还可以随吊杆升降，并可安装在任何一道吊杆上。此外，还有前沿幕、吸音幕、防火隔离幕等幕类装置。(2)吊挂类机械活动假台口具有改变台口尺寸、安装各种灯具、适当调节音响效果、进行特技摄影等功能。活动假台口有电动曳引式升降片和电动左右侧片组成，三片均可上人操作。灯光渡桥是用于舞台上部布置顶灯灯具的主要设备。它可将舞台两侧的一层天桥通过码头连接起来，工作人员可在其上方便地调节灯光。采用电动曳引带配重的方式驱动。灯光吊笼是舞台上布置侧光灯具的设备。为框架结构，有二层上人平台，可操作灯光，备有伸缩梯可供操作人员上下。按不同的要求实现电动垂直升降、台深平移和台心平移及任意组合运动(三维)。灯光排架是布置顶光的机械设备，采用电动曳引驱动。还有吸音体、活动灯光墙和声反射罩等。(3)吊杆类机械电动、手动两用吊杆采用曳引式带配重的驱动方式。具有电动吊杆易操作、易管理、省力的特点，也具有手动吊杆“跟戏好”，便于应急的特点。电动、手动切换容易。此外，还有电动吊杆、手动复式吊杆、手动单式吊杆和垂直吊杆等。(4)台类机械大型多层多块升降台是以液压驱动，由计算机实现实时分时控制的多功能升降设备。各块、各层均可单独运动或同步联动，构成各种不同高度的台阶，组成大型立体道具。大型组合旋转台可以实现转中有升降、转中有台阶、转动中有转动的运动运动效果。设备采用浮动式自压紧摩擦驱动装置驱动。利用计算机控制、实现转台、反可逆旋转及无级调速。操作方便，定位准确，运行平稳。大型机械车台是实现舞台大面积大行程平移的机械设备。可根据剧情参加演出，能迅速准确地实现按场，换景等。采用有效的导向系统，使车台在移动过程中与固定台的间隙小，运行平稳。速度能实现无级变化，使演出更加逼真。液压升降乐池是乐队演出的场所，利用乐池升降机可扩大观众厅，扩大舞台，延伸表演区。采用液压技术，升降平稳，噪音低。并通过剪插结构使行程放大。组合式升降乐池采用丝杠传动实现垂直升降。在乐池台面下组合台能伸缩并补平的机械装置。乐池升起后，伸缩台向观众厅伸出并补平台面。补平台、伸缩台先后复位后，可降至观众厅和乐池面主要用于传统戏剧、时装表演和乐队演奏。（5）吊杆简介吊杆是一种悬吊装置，装在舞台上空，用它提升景片、挂设幕布、悬吊灯具等。它的数量多、使用频繁，是舞台上必备的设备。它与起重卷扬机的构造基本相同，其不同之处在于它通过杆体吊起景物、灯具或幕布等，杆体较长，故吊点较多，一般为46个吊点。单台吊杆的主要技术参数有：吊重4000N8000N，速度O08ms，行程1820 m。吊杆的控制主要为控制速度、位置(行程)，使操作者能方便、可靠地实现预定的运行速度和位置精度。同时，还应具备单根吊杆的单控功能，多根吊杆的组控功能。2.2原理框图系统原理框图如图2.2所示。图2.22.3方案的论证与选择2.3.1工业控制概况可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller）简称为PLC。是继电器逻辑控制系统与微机相结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。PLC的功能条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、数据处理、通信与连网功能等。PLC的特点可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。PLC广泛用于工厂自动化系统，由于其成本低，性能可靠，目前是工厂里应用最广泛的逻辑器件。单片机顾名思义实际上就是一个一片IC就是一个最简单的计算机，自己可以往里写程序，用途也非常广泛，主要用于一些智能化的仪表，家电等，体积小。DCS是前几年比较流行的计算机离散控制系统，主要用于过程控制，比如化工冶金等行业，近几年时髦起来的FCS叫现场总线，说是DCS的替代，但是有的地方还不是很成熟，在相当一段时间里这两种系统会共存。2.3.2 方案的选择单片机的编程麻烦，可读性差，实时控制不太占优势，但是他的成本低，控制方式比较灵活，单片机技术含量高，使用灵活但是工作量很大的，对于抗干扰、模块化要求低，成本低廉，应用广泛。特别适合于开发消费电子、商业应用的电子、玩具、家电等等。PLC对于实时控制来说就比较优越，他的编程方式简单，可以用指令或是梯形图来进行编程，易学易懂，但是成本较高，适合用于工业控制。优势为高可靠性和稳定性。 缺陷是PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容， 编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。 PLC是专为工业自动化设计的，在控制电路这一块，功能的强大是前两者无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，使外部接线量小、内部工作性能的可靠性高，易学易懂，虽然单个CPU贵，但性价比是最高的目前工控机的劣势 尽管工控机与普通的商用计算机机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的-数据处理能力差，具体如下：(1) 配置硬盘容量小；(2) 数据安全性低； (3) 存储选择性小。综合比较单片机、可编程控制器（PLC）、工控机等的优缺点和控制系统所要实现的控制要求，确定由可编程控制器来实现对系统功能的实现。3.PLC硬件设计3.1可编程控制器（PLC）概述可编程控制器（Programmable controler简称PC），早期称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic controler简称PLC），是专门为工业自动控制而设计的一种控制装置。鉴于现在PC已成为个人计算机（Personal Computer）的代名词，为避免混淆，一般仍将PLC作为可编程控制器的简称。3.1.1 可编程控制器的功能可编程控制器的主要功能有：逻辑控制功能。用PLC的与、或、非指令取代继电器触电串联、并联和其他逻辑连接，进行开关控制。(1)定时/计数控制功能。用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或记数控制。(2)顺序控制功能。用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制。(3)数据处理功能。PLC能进行数据传送、比较、移位、数值转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。(4)A/D与D/A转换功能。通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。(5)运动控制功能。通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴控制。(6)过程控制功能。通过PLC的PID控制模块实现对温度、压力、速度、流量等物理量进行闭环控制。(7)扩展功能。通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可以通过附加各种智能单元及特殊功能但原来提高PLC的控制能力。(8)远程控制功能。通过远程I/O单元将分散在远距离的各种输入输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制。(9)通信联网功能。通过PLC之间或与主控计算机的联网，实现较大规模的系统控制。(10)监控功能。PLC 能构建时系统运行的状态，对异常情况进行报警、显示、故障诊断以及自动终止其运行。3.1.2可编程控制器的基本性能指标输入输出点数（I/O点数） 指可编程控制器外部输入输出端子数，这是PLC的一项非常重要的技术指标，常用I/O点数来表征PLC的规模。(1)扫描速度 一般只PLC执行一条指令的时间，单位为us/步；有时也以执行一千条指令的时间来计算，单位为ms/千步。(2)内存数量 一般指PLC存储用户程序的多少。指令条数 指令条数（指令种类）的多少是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。(3)内部寄存器 内部寄存器的配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。(4)高功能模块 将高功能模块与主模块搭配，可实现一些特殊功能。常用的高功能模块有：A/D模块、D/A模块、高速计数模块、位置控制模块、通信模块、高级语言编辑模块等等。另外，使用PLC时，还应该考虑电源电压、抗噪声性能、直流输出电压、环境温度、湿度、质量和外形尺寸等性能指标。3.2 PLC型号的选择目前，PLC在国际市场上已经成为非常畅销的工业控制产品，采用PLC设计自动控制系统已经成为世界潮流。PLC的生产厂家和品种很多，其中著名的厂商有:美国的AB(ALLEN-BRADLY)公司、通用电气公司等。欧洲有德国的西门子（SIEMENS）公司，法国的TE公司等。日本有OMREN（欧姆龙）、三菱、富士等公司。中国从20世纪70年代后期相继引进了PLC控制系统和PLC生产线，进入90年代，PLC的应用已渗透到了国名经济的各个部门和工业生产的各个领域， 例如：在上海宝钢建设的一、二期工程中，就使用了国外12个厂家30多种机型，共计600多台PLC。目前国内也已经自行研制、开发、生产出许多小型PLC，应用于工厂的自动化系统中。德国西门子公司的可编程控制器SIMATIC S5系列产品在中国较早形成市场，在大部分工业生产过程自动化控制领域，都得到过成功的应用，并开发了占有市场的一些标准的硬件和软件。1996年SIMENS公司推出SIMATIC S7系列的PLC，它包括小型PLC S7-200，中型PLC S7-300，大型PLC S7-400。3.3 PLC模块选择本系统选择西门子S7-300系列PLC进行设计。S7-300系列PLC是一种通用型PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。S7-300基于模块化、无风扇结构设计，采用DIN标准导轨安装，配置灵活、安装简单、维护容易、扩展方便，各种模块可以进行广泛的组合和扩展。构成系统的主要模块有：中央处理器单元（CPU）、信号模块(SM)、通行处理模块(CP)、功能模块(FM)；辅助模块有：电源模块(PS)、接口模块(IM)；特殊模块有：占位模块(DM 370)、仿真模块(SM 374)。3.3.1 CPUS7-300系列PLC属于西门子PLC产品中的中档产品，拥有各种不同性能的CPU模块，以满足不同的需要。标准型CPU单元模块一般包括：后备电池、DC24V连接器、模式选择开关、状态机故障指示器、RS-485编程接口、MPI。CPU313以上产品还配有微存储器（MMC）（用于在断电时保存用户程序及数据）。部分CPU还配置有PROFIBUS DP（现场总线接口）或PtP(点对点)串行通信接口。紧凑型CPU还集成有数字量和模拟量I/O通道。根据控制系统对CPU的要求，同时分析其功能，确定选择CPU 313C模块。3.3.2 SM321数字量输入模块SM321数字量输入模块用于连接工业现场的标准开关、二线制接近开关（BERO）等数字量（或开关量）输出器件。为了防止信号干扰模块内部均设有滤波器，为了将来自现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，内部还设置了光电隔离电路，允许连接的非屏蔽电缆最长为600米，屏蔽电缆最长为1km。SM321数字量输入模块有两种基本的信号类型：直流信号输入和交流信号输入。系统的数字量输入模块的主要任务是故障输入，而在软件编程环节，拟用中断的方式处理故障，因此，选用VDC；带硬件和诊断中断以及时钟功能的DI模块SM321(订货号为：6ES7 321-7BH01-0AB0)。SM 321（DI 1624 VDC带硬件和诊断中断的数字量输入模板）具有以下显著特性：16个输入点，带隔离，16点为一组额定输入电压24 VDC输入特性曲线符合IEC 61131，类型2适用于开关和2/3/4线BERO(接近开关)2个防短路的传感器电源对传感器可适用外部冗余电源“Sensor supply (Vs) O.K.”(传感器电源(Vs) O.K.)状态指示灯LED组故障LED在“RUN”模式下可修改参数可编程的诊断可编程的诊断中断可编程的硬件中断可编程的输入延时3.3.3 SM322数字量输出模块SM322数字量输出模块用于将S7-300PLC内部的信号电平转换成现场所需要的外部信号电平，其内部均有电隔离电路及功率驱动电路，可直接驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、指示灯及电动机启动器等负载。允许连接的非屏蔽电缆最长为600米，屏蔽电缆最长为1千米。SM322数字量输出模块按功率驱动器件和负载回路电源的类型可分为：直流电源驱动的晶体管输出型、交流电源驱动的晶体管输出型、交/直流电源驱动的晶体管输出型。系统的数字量输出模块主要作用是输出报警信号和输出控制信号，由于输出点数比较多，因此考虑选择32点的SM332数字量输出模块，其订货号为：6SE7 322-1FL00-0AA0SM 322; DO 32 x AC 120/230 V/1 A 的属性：32 点输出，带保险丝，电气隔离为8 组输出电流为1.0 A额定负载电压120/230 VAC每组有保险丝熔断指示器适用于AC 电磁阀、接触器、启动器、FHP 电机和信号灯组错误显示 (SF)3.3.4 SM331模拟量输入模块SM331模拟量输入模块用于将现场各种模拟量测量传感器输出的直流电压或电流信号转换为PLC内部处理用的数字信号。该类模块主要由A/D转换器、转换开关、恒流源、补偿电路、光隔离器及逻辑电路等组成。SM 331 SM331模拟量输入模块( AI 8 x 13 位)的特性：8 点输入测量值精度12 位 + 符号。可选测量方法：,“” 电压,“” 电流,“” 电阻,“” 热电阻，与背板总线接口电气隔离。3.3.5 电源模块（PS307 5A）S7-300有多种电源模块可供选择，其中的PS307为户外型电源模块，采用直流供电，输出DC 24V；PS307采用AC120/230V供电，输出为DC 24V,比较适合大多数应用场合。根据输出电流的不同，PS307有三种规格的电源模块：2A、5A、10A。所有模块出额定输出电流不同外，其工作原理即对应端子完全一样。电源模块的电流容量需要根据其他模块所消耗的容量考虑，CPU等模块所消耗的背板电流如表1所模块名称模块型号订货号从L+/L-西区的电流/mA所需背板总线电流/mA功耗/WCPU模块CPU 315-2DP6ES7 315-2AF0-0AB0100012008数字量输入模块SM321DI 16*24VDC6ES7 321-7BH01-0AB0901304数字量输出模块SM322DO 32*120/230 VAC/1A6ES7 322-1FL00-0AA01019025模拟量输入模块SM331 AI8*13bit6ES7 331-1KF00-0AB0900.4通信处理模块CP341 RS232C6ES7 341-1AH01-0AE0160合计1100177037.4表1考虑一定余量，选择PS307 2A电源模块为CPU及其扩展信号模块提供背板电流。西门子PLC对于CPU 313以上的模块，需安装微存储器（MMC）才能使系统正常工作。PLC 本身不带有MMC 卡，所以为了正常使用PLC，必须根据工程项目实际需求选定一个大小适用的MMC卡。选择微存储卡的容量前，必须先估算系统程序及数据所占用的内存空间大小，统计出所有程序及数据所占内存空间的大小后，考虑一定的裕量，即是所需微存储卡的容量。本系统选择2MB存储卡6ES7 953-8LL11-0AA0该SIMATIC 微存储卡上存储以下数据：用户程序（所有块），归档和配方，组态数据（STEP 7 项目），用于操作系统更新和备份。3.4 PLC通信技术3.4.1 S7-300的通信网络通过多点接口(MPI)协议的数据通信MPI 是多点接口（Multi Point Interface）的简称，MPI的物理层是RS-485，通过MPI 能同时连接运行STEP 7 的编程器、计算机、人机界面(HMI)及其他SIMATIC S7，M7 和C7。通过MPI 接口实现全局数据(GD)服务，周期性地相互进行数据交换。PROFIBUS用于车间级监控和现场层的通信系统，开放性。PROFIBUS-DP与分布式I/O。最多可以与127 个网络上的节点进行数据交换。网络中最多可以串接10 个中继器来延长通信距离。使用光纤作通信介质，通信距离可达90 km。工业以太网西门子的工业以太网符合IEEE 802.3 国际标准，通过网关来连接远程网络。10M/100M bit/s，最多1024 个网络节点，网络的最大范围为150km。采用交换式局域网，每个网段都能达到网络的整体性能和数据传输速率，电气交换模块与光纤交换模块将网络划分为若干个网段，在多个网段中可以同时传输多个报文。本地数据通信在本网段进行，只有指定的数据包可以超出本地网段的范围。全双工模式使一个站能同时发送和接收数据，不会发生冲突。传输速率到20 Mbit/s 和200 Mbit/s。可以构建环形冗余工业以太网。最大的网络重构时间为0.3 秒。自适应功能自动检测出信号传输速率（10 M 或100 Mbit/s）。自协商是高速以太网的配置协议，通过协商确定数据传输速率和工作方式。使用SNMP-OPC 服务器对支持SNMP 协议的网络设备进行远程管理。点对点连接（Point-to-Point Connections）可以连接 S7 PLC 和其他串口设备。使用CP 340，CP 341、CP 440、CP 441 通信处理模块，或CPU 31xC-2PtP 集成的通信接口。接口有20mA（TTY），RS-232C 和RS-422A/RS-485。通信协议有ASCII 驱动器、3964（R）和RK 512（只适用于部分CPU）。使用通信软件PRODAVE 和编程用的PC/MPI 适配器，通过PLC的MPI 编程接口，可以实现计算机与S7-300/400 的通信。通过AS-i 网络的过程通信，AS-i 是执行器-传感器接口（Actuator Sensor Interface）的简称，位于最底层。AS-i 每个网段只能有一个主站。AS-i 所有分支电路的最大总长度为100m，可以用中继器延长。可以用屏蔽的或非屏蔽的两芯电缆，支持总线供电。DP/AS-i 网关（Gateway）用来连接PROFIBUS-DP 和AS-i 网络。CP 342-2 最多可以连接62 个数字量或31 个模拟量AS-i 从站。最多可以访问248 个DI 和186 个DO。可以处理模拟量值。西门子的“LOGO！”微型控制器可以接入AS-i 网络，西门子提供各种各样的AS-i 产品。3.4.2通信接口介绍计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。接口的信号内容 实际上RS-232-C 的25 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9 条引线。接口的电气特性 在RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V 。噪声容限为2V。即 要求接收器能识别低至+3V 的信号作为逻辑“0”，高到-3V 的信号 作为逻辑“