李畅基于PLC的舞台吊杆控制系统设计

1、理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 李 畅 指导教师： 靳瑞敏 完成日期 2011 年 5 月 学院本科生毕业设计（论文） 基于基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计的舞台吊杆控制系统设计 design of stage lift control system based on plc 总计：毕业设计（论文）31 页 表 格： 3 个 插 图 ： 19 幅 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 design

2、of stage lift control system based on plc 学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李畅 学 号： 097409003 指 导 教 师（职称）： 靳瑞敏（副教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2011 年 5 月 理工学院 institute of technology 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 电气工程及其自动化专业 李畅 摘摘要要本课题研究目标是开发一套基于组态软件技术和 plc 控制技术 的舞台吊杆控制系统。具体方案是上位机选用工业控制机，下位机采用

3、欧姆龙 cpm1a 小型机，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。系统包括：集散式吊杆控制系统框架的构 建；上位机吊杆控制系统监控软件及画面的设计；下位机单台吊杆定位控制系 统的设计。设计的吊杆控制定位系统，改善了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的缺点。 关键词关键词舞台吊杆；组态技术；可编程控制器；定位控制 design of stage lift control system based on plc electrical

4、 engineering and automation specialty li chang abstract: boom is a suspension device, mounted above the stage, and use it to enhance king films, hanging curtain set, lighting and other stage equipment suspension. the research goal is to develop a set of configuration software-based technology and co

5、ntrol technology platform booms plc control system. host selection of specific programs is the industrial control machine, the next crew cpm1a minicomputer using omron, plc form a single distributed computer monitoring multiple network structure. pc monitoring and management from the role of a contr

6、olling role in the lower computer. systems include: distributed control system framework of boom; upper boom of the crane control system monitoring software and screen design; lower computer control system for positioning a single boom design. designed a plc-controlled single boom control positionin

7、g system. improve the traditional multi-stage boom control system using relays, contactors, control. the boom in the number of the theater a lot, the required relays, contactors, the large number of complex wiring, the control system and the shortcomings of poor reliability. key words: stage boom;co

8、nfiguration technology;programmable logic controller;positioning control 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 目目录录 1 引言.1 1.1 舞台吊杆简介.1 1.2 课题的背景.2 1.3 课题的目的和意义.2 1.4 系统的主要研究内容.3 2 控制系统的总体方案设计.3 2.1 控制系统的组成.3 2.2 控制系统基本原理.3 2.2.1 开环/闭环控制系统.3 2.2.2 控制参数和模式.4 2.3 硬件电路.5 2.3.1 主电路.5 2.3.2 plc 控制电路 .5 2.3.3 电流速度双闭环电路.6 2.

9、3.4 定位控制.6 2.4 变频器的选择.6 2.5 系统软件设计.7 2.5.1 上位机操作系统设计.7 2.5.2 下位机控制软件设计.8 3 可编程控制器控制软件设计.9 3.1 可编程控制器的工作原理及编程语言.9 3.2 plc 的选型与接线.10 3.3 控制系统流程图.11 3.4 控制系统梯形图.12 4 监控软件及画面设计.15 4. 1 组态王简介 .15 4.1.1 组态王软件的选择.15 4.1.2 组态王工作原理.17 4.2 建立组态王.18 4.2.1 设计图形界面.18 4.2.2 定义设备.19 4.2.3 构造数据库.19 4.2.4 建立动画连接.21

10、4.2.5 运行和调试.24 结束语.26 参 考 文 献.27 附录.28 致谢.30 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 1 1 引言 1.1 舞台吊杆简介 剧场是艺术表演的重要场所，舞台机械则是剧场中不可缺少的设备，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。良好的舞台机械设备 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 实现升降运动和水平运动;台下机械包括车台、转台、升降台等，主要完成平移、 转动和升降运动。舞台机械和其他机械(如起重运输机械等)一样，属于机电设 备的范围，其

11、技术规律基本相同，只不过它是服务于剧场舞台，产品的功能要 满足舞台演出的需要。舞台机械产品的技术构成和传统机械产品一样，以机械、 电气、液压和自动控制技术为基础。由于服务对象的特点，又与剧场建筑、文 艺演出有着密切联系，具有较强的综合性。因此，各种舞台机械产品除了遵循 一般机械产品的设计原则外，还应满足下述技术要求: （1）安全、可靠。在舞台空间中安置着众多的机械设备，当演出时，演员 的头上脚下都有舞台机械装置，对安全的要求十分突出。 （2）低噪音。舞台表演艺术的特殊环境，要求各种机械设备在运行过程中 应该是无噪音或低噪音，否则会干扰表演，影响演出质量。 （3）定位准确。舞台机械作为一种技术手

12、段，是为演出的各种运动服务， 因此对各种机械装置的升降、旋转、移动的停靠位置要求严格。 （4）控制系统良好。除了对控制系统的高可靠性外，还对控制系统的控制 模式提出较高要求，例如既可以手动控制，又可以自动控制;既可以单控，又可 以组控等1。 生活水平的提高，使得观众对文化艺术的要求随之增长，这对舞台电子技 术的发展提出了更高的要求。不但剧本内容要有创新，舞台美术也要追求不断 创出新意。文化科技是文化艺术的重要载体，要促进艺术舞台的活跃繁荣，就 需要灯光、音响、舞台机械等舞美技术手段的配合，需要不断吸收应用高新技 术，在舞台上展现出新的天地。现代化的剧场建设，不仅需要先进的技术，而 且必须是能形

13、成规模的成熟产品。目前发达国家舞台技术产业发展得很快。发 达的欧洲舞台机械很复杂，台上有：吊杆、吊点、灯光渡桥、灯光吊笼、防火 幕；台下有：升降台、车台、转台、升降乐池、升降台等等。转台有多种形式： 有的升降台中套转台，有的转台中合有升降台。最先进的舞台机械都由微机系 统或计算机加 plc 组成的系统进行控制。我国舞台技术产业起步较晚，大体是 70 年代以前为起步阶段，80 年代开始发展，90 年代前期，以歌舞厅的蓬勃发 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 2 展为标志，出现了第一个快速发展期，目前由于新建改建一批现代化剧场已列 入计划，加上由民俗文化村，世界之窗开创的含演出舞台的游乐性主题

14、公园的 建设方兴未艾，电视系统、礼堂、会堂、歌舞厅等对舞台技术的需求不断升级， 正迎来第二个快速发展期。计算机控制的融入更使得舞台技术的发展迎来了前 所未有的机遇。 1.2 课题的背景 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25

15、，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。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。 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

16、数记忆功能的发展过程。 1.3 课题的目的和意义 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 机械的主要设备为吊杆。根据剧场的规模，吊杆的数量大约在 30-60 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 控制系统己难以胜任6。 国内从事舞台机械研究单位主

17、要是行业内的生产企业，多数生产企业开发 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 3 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。 1.4 系统的主要研究内容 本文主要研究由组态技术、工控机和 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： （1）具有计算机自动控制功能和手动控制功能相结合的控制系统。两套控 制系统相互独立、互为备用。 （2）无论是计算机控制还是手动控制，吊杆

18、均能进行升降、定位(任意位 置)、调速，并具有单控/集控功能。 （3）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。 2 控制系统的总体设计方案 2.1 控制系统的组成 单从控制作用看，控制系统主要由控制部分和被控制部分组成。控制部分 就是接受控制信号和被控制部分的反馈信号，并对被控制部分发出控制指令信 号。被控制部分接受控制信号，发出反馈信号，并

19、在控制信号的作用下实现被 控运动。图 1 为典型的控制系统方框图。 干扰 给定值 图 1 典型控制系统方框图 2.2 控制系统基本原理 机械系统中所采用的控制系统，根据信号传递的路径可分为开环控制系统 控制器 执行 机构 被控 对象 检测 装置 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 4 和闭环控制系统。 （1）如果控制系统只是根据给定量进行控制，而被控制量在整个控制过程 中对控制作用不产生任何影响，则称这种控制为开环控制系统。这种系统只是 单方向地依一定的程序或规律实现控制，对应每一输入量就有一个输出值。输 出值的精度完全取决于系统的工作精度，易受各种干扰因素的影响，使输出值 有较大的误差。开

20、环控制系统的方框图如图 2 所示。 给定值 被控对象 图 2 开环控制系统方框图 （2）如果控制系统是根据被控对象的输出与输入量之间的偏差来进行控制， 通过检测输出、计算误差并用以纠正误差的控制系统，其被控对象的输出会通 过某种途径变换后反馈回输入端，这就是闭环控制系统因闭环控制系统是按反 馈控制原理进行的，又称为反馈控制系统。当系统在干扰因素作用下，使被控 制对象的输出偏离其期望值时而形成偏差，系统利用这个偏差，产生相应的控 制作用去消除偏差。因此，闭环控制系统具有抑制内部或外部各种干扰的能力， 控制精度较高。舞台机械中的位置控制有些场合需要闭环控制系统，包括速度 闭环控制和位置闭环控制。闭

21、环控制系统的方框图如图 3 所示。 比较环节 x(s) e(s) y(s) + b(s) 控制部分 图 3 闭环控制系统方框图 由于开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰 的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。而闭环控制系统不管出于什 么原因（外部扰动或系统内部变化） ，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应 的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参 数的变动很敏感。因此舞台机械中的位置控制有些场合需要闭环控制系统，包 括速度闭环控制和位置闭环控制。 控制器 执行 机构 被控 对象 给定环节校正及放大环 节 执行环节 被控 对象 测量环节

22、基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 5 2.3 控制参数和模式的选择 （1）舞台机械控制系统中的控制参数主要为速度、位置。 速度控制 速度控制在舞台机械中有两种情况。一种是调速，如舞台大幕、吊杆和转 台等，要求其运行速度在较大范围内变化，但是精度要求不高，可以采用开环 控制；另一种是速度精度调节，主要用于两台或以上设备的速度同步控制，要 求控制两台设备的运行速度，使它们之间的差值控制在许可的精度范围内，速 度控制精度要求较高，一般采用闭环控制。 位置控制 位置控制就是控制舞台机械准确地停止在设定的位置，又称定位控制。定 位精度要求不高且位置的固定可以利用行程开关、死程挡铁来实现。如果定位 精

23、度高或任意位置的自动定位，则需要通过专门的定位控制系统来实现。一般 这种控制系统设有速度负反馈和位置负反馈，如吊杆的任意位置定位控制系统。 （1）现代化的舞台机械控制系统应具备多种的操作模式，以保证系统的可 靠性、操作的方便性和多样性。 控制系统应采用计算机控制和手动控制相结合的控制方式，两套控制方 式各自独立，互为备用。 计算机控制对所有参控设备进行单台控制、编组控制、程序控制。并具 有动作记忆、场景记忆等功能。对设备的运行参数(速度、位置)可进行预置， 并能检查其值的有效性。 程序控制，又称场控。将整个剧目需要运行的设备设成多种场次，编成程 序，在计算机的控制下，按单场或全场两种方式运行；

24、单独控制，简称单控。 单独对选定设备进行控制；编组控制，又称集控。根据场景需要，对所需运行 的设备选定、编组，采取集中控制。 计算机控制应设双机冗余设计，互为备份，确保系统安全。 控制系统应具备多地控制，除了主控操作台以外，还应配备移动式、便 携式或垂吊式操作盘，以方便操作人员就地操作或应急操作。 控制系统应具备网络通信功能。 3 控制系统硬件设计 3.1 硬件电路设计 系统硬件构成如图 4 所示7，其各部分功能说明如下： 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 6 3.1.1 主电路 主电路由三相交流输入、变频驱动、吊杆机和制动单元几部分组成。由于 采用交一直一交电压型变频器，在吊杆负载作用下

25、，制动时回馈的能量不能馈 回电网，为限制泵升电压，采用受控能耗制动方式。 3.1.2 plc 控制电路 采用欧姆龙小型整体式 plccpm1a 型。plc 接收来自上位机或操作盘 的控制信号和变频器的状态信号，经程序判断与运算，向变频器发出运行方向、 启动、停止、加减速运行和制动等信号。 3.1.3 电流速度双闭环电路 采用安川 vs-616g5 变频器。变频器本身设有电流检测装置由此构成电流 闭环。通过和电机同轴连接的旋转编码器，产生 a、b 两相脉冲进入变频器， 在确认方向的同时，利用脉冲计数构成速度闭环。 3.1.4 定位控制 利用变频器 pg 卡(ta2.1)输出的脉冲信号 a 相和

26、b 相经分频引入 plc 的 高速输入端 00000 和 00001，构成位置负反馈。高速计数器的两相脉冲信号反 映吊杆相对原点的位置和转向。电机正转时自动加计数，电机反转时自动减计 数，plc 内置的高速计数器的当前值 sv 不断地与预置值 pv 比较，一旦 svpv，则吊杆停止运行，达到任意点定位的目的。 -3*380v a相脉冲 b相脉冲 公共端 00000 00001 com 正转 反转 指令1 指令2 点动 对锁 公共 l1 l2 l3 qf km r s t 1 2 5 6 7 8 11 u v w 4cn 12 vs-616g5 m 3 pc-b2 4cn e ta2 ta3(e

27、) 电源+12v 电源0v a相脉冲监视输出 a相脉冲输入（+） a相脉冲输入（-） b相脉冲输入（+） b相脉冲输入（-） pc ta1 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 a相脉冲监视输出 b相脉冲监视输出 b相脉冲监视输出 图 4 系统硬件构成 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 7 3.2 plc 的选型与接线 cpm1a 系列 plc 的主机按 i/0 点数分，有 10 点、20 点、30 点、40 点四 种。根据控制系统输入、输出信号数量的实际情况，选用输入、输出点数为 20 点的 plc，具体型号为 cpm1a-20cdr-a10。 吊杆的上升/下降启动信号从 plc 的输

28、入端输入，通过 plc 的逻辑运算输 出给变频器，变频器再驱动电机正/反转，从而使吊杆上升或下降。反映吊杆位 置和运行方向的编码器输出脉冲 a, b 分别接到 plc 的 00000, 00001 端。另外， 吊杆控制的选择开关、确认按钮和上下极限行程开关都作为 plc 的输入信号接 到 plc 的输入端子。plc 的输出信号有效反映电动机正反转的控制信号和显示 吊杆是否处在原位的状态信号。单台 plc 控制一台吊杆的 i/o 口分配表如和接 线图如表 2 和图 6 所示。 表 2 plc i/o 口分配表 i/o 地址功能i/o 地址功能 000000a 相脉冲000006上升按钮 0000

29、01b 相脉冲000007下降按钮 000002z 相脉冲000008上限位 000003手动/自动000009下限位 000004预演/演出000010确认按钮 输 入 000005停止按钮 010010原点指示010012下降 输出 010011上升 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 8 相脉冲 相脉冲 相脉冲 手动/自动 预演/演出 停止按钮 上升按钮 下降按钮 上限位 下限位 确认按钮 相脉冲 00000 00001 00002 00003 00004 00005 00006 00007 00008 00009 00010 com com 相脉冲 01002 01001 01000

30、 原点指示 上升 下降 km1 km2 图 6 单台 plc 控制一台吊杆的 i/o 口分配表和接线图 3.3 变频器的选择 通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的 装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（dc） 。 然后再把直流电（dc）变换为三相或单相交流电（ac） 。变频器同时改变输出 频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的 n0，使电机运行曲线平行下移。 因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可 以启动重载负荷。 变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术， 价格昂贵但性能良好，内部结

31、构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机， 而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的 体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还 会得到更广泛的应用。 本设计选用 vs-616g5 频器。它是根据现代控制理论，采用磁通检测和神 经网络控制技术，直接控制电机的转矩。它在低速下（1%额定转速）即使不采 用 pg 反馈，也可提高启动转矩和无故障运行，当增加 pg 控制时，可以实现无 级调速。由 plc 发出 4-20ma 或其他标准信号直接输出给变频器的速度给定输 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 9 入端，不用编额外的程序，就可以把给定变

32、量的值送给输出变量。操作方便， 接线简单。 采用 plc 和变频器实现吊杆常规控制的基础上，通过对变频器和 plc 芯 片的合理选择和设计，利用安川 vs-616g5 型变频器可编制速度曲线的特点， 大大提高了吊杆的控制水平，并改善了吊杆运行的速度，使吊杆达到了较为理 想的控制和运行效果。并利用变频器 pg 卡输出的脉冲信号构成位置反馈，实 现吊杆的精确位移控制。通过 plc 程序设计实现位置检测装置，提高了系统的 可靠性精度。该系统具有先进、可靠、经济的特色。 4 控制系统软件设计 4. 1 上位机操作系统设计 上位机操作系统(人机界面)采用组态王6. 5组态软件开发。软件工作平台为 win

33、dows/xp。人机界面的组态过程分为: 组态画图的设计；创建数据库并建 立i/0口分配连接；动画链接及命令语言的编写；联机调试和运行。 （1）监控软件应具备的功能8： 监控软件主要解决人机界面问题。随着技术的发展，监控软件被赋予了以 下内容： 如何与采集和控制设备之间进行数据交换； 使来自设备的数据与计算机画面上的图关联起来； 能处理数据报警和系统报警问题； 保存历史数据并支持历史数据查询； 能生成并能打印输出各类数据报表； 具有与第三方程序的连接，方便数据共享。 （2）舞台机械控制系统监控软件应具有的功能： 与上位机之间能数据交换，以实现资源共享和数据备份； 与控制器之间数据交换； 参数设

34、置。每一场景所需机械设备的运行模式，以什么速度运行，到什 么位置停止，延时多少时间等参数需要通过监控软件预先设定好； 各机械设备的运行参数以图形或数字方式表达出来； 处理各种报警信息。 （3）监控软件的设计原则 在软件设计阶段，设计者应遵循以下原则进行： 可靠性。作为工控软件，可靠性应该是最重要的，特别是应用在舞台等 人员较多的场合，轻者造成设备损坏，重者造成人身伤亡。当可靠性与其他功 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 10 能相冲突时，应坚持设计的可靠性。 实时性。例如吊杆在高速运行时，速度为 1 m/s 以上，监控软件必须实 时反映吊杆位置的变化，这就要求监控软件具有很高的实时性。 易

35、用性和可操作性。监控软件作为人机的接口，相当于舞台机械控制系 统的“脸”，对那些不了解具体系统的人来说，他所看到是运行中的监控软件。 同时操作人员大多数是通过监控软件来完成操作。因此，监控软件应具有良好 的操作界面，完善的功能，并易于操作使用。 可管理性。作为人机接口，用户在使用过程中经常会提出一些新的要求， 因此软件应易于修改，便于管理，不能出现改动一处导致另一处运行的不正常。 容错性。用户的操作失误是不可避免的，监控软件应具有容错性，实 现无操作失误。 （4）监控程序模块简表 监控程序的组成按功能分可分为三大部分:数据管理模块；包括所有和数据 库打交道的功能子模块(如用户管理、剧目管理、场

36、景管理和故障日志管理等)； 数据监听模块；包括和 plc 进行数据交换的功能子模块(如数据的读与写等)； 数据处理模块；包括来自 plc 的数据分析功能子模块(如位置分析和状态分析 等)9。如表 1 所示。 表 1 监控程序模块简表 用户管理 剧目管理 场景管理 数据管理模块 故障日志管理 读数据 数据监听模块 写数据 设备位置分析 上位机监控程序 数据处理模块 设备状态分析 4.2 下位机控制软件设计 下位机plc软件可以采用编程器编写、输入，也可以采用计算机辅助编程。 omron先后开发了多种编程软件，可以利用plc的编程软件在计算机上编程， 然后下载到plc中。本设计拟采用omron高性

37、能小型机cpmia，它功能齐全、 性价比高，成为近年来畅销的高功能小型机。 4.2.1 可编程控制器的工作原理及编程语言 plc采用循环扫描工作方式，工作过程一般包括5个阶段：内部处理、与编 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 11 辑器等的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如图5示。 开始 内部处理 通信处理 run方式？ 输入扫描 执行用户程序 输出处理 否 图 5 plc 的工作原理 在图 5 当 plc 处于 run（运行）时，执行所有阶段；当处于 stop（停止） 时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理。可编程控制器的输入处理、执 行用户程序和输出处理过程

38、主要是： （1）输入处理：程序执行前，plc 将全部输入端子的通、断状态写入输入 映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不 变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这些变化。 （2）程序处理：对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其 它软元件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出，从 0 步开始顺序运 算，每次运算结果都写入到有关的映像寄存器中，各软元件的内容随着程序的 执行在不断变化。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。 （3）输出处理：全部指令执行完毕，将输出映像寄存器的通、断状态向输 出锁存寄存器传送，成为 plc 的实际输出。

39、plc 内的外部输出触点对输出软元 件的动作有一个响应时问，即要有一个延迟才动作。 可编程控制器是通过程序对系统进行控制的，所以各种机型的 plc 都有自 己的编程语言。plc 的编程语言有梯形图语言、语句表语言、逻辑功能图等。 （1）梯形图语言 梯形图编程语言是一种图形语言，由若干图形符号的组合。梯形图编程语 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 12 言具有继电器控制电路的形象、比较直观的优点，熟悉继电器控制的技术人员 很容易掌握。因此，各种机型的 plc 都把梯形图作为第一编程语言。 （2）语句表语言 语句表语言类似于计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能。 指令语句是 plc

40、用户程序的基础元素，由助记符、操作数组成。由多条语句的 组合构成语句表。 语句表语言不如梯形图形象、直观，但是在使用简易编程器时，必须把梯 形图程序转化为语句表才能输入。 编程器是 plc 重要的编程设备。它不仅可以用来编写程序，还可以用来输入数 据、检查和监控 plc 的运行。随着计算机技术的发展 plc 的编程环境越来越完 善，使 plc 的学习、设计、调试更方便，更快捷。 4.2.2 控制系统流程图 如图 7 所示为单根吊杆的控制系统流程图。单根吊杆的运行有手动(无计数 功能)和自动运行(有计数功能)两种模式，自动运行又预演和正式演出。预演是 一种人工干预的手动停止的模式，目的就是通过预

41、演确定吊杆正式演出时的停 止位置，通过预演确定停止位置是否合适，如果合适，按确认键，记忆下来， 为正式演出所用，否则，再一次预演，直到找到合适位置。正式演出是一种自 动到位停止的运行模式。当吊杆从原点开始下降，下降到预演所记忆的位置或 是从上位机中输入的位置时，将自动停止。这里，为了避免误差积累，预演和 正式演出都是从原位开始运行。如果吊杆因故障或突然停电而不在原位，可以 通过手动调整的方式复位1011。 否 预演 plc 上电 吊杆在原点 自动运行 吊杆下降 手动停止 预演/演出 、 手动调整 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 13 图 7 plc 控制系统流程图 4.2.3 控制系统梯

42、形图 程序分析以单根吊杆的梯形图为例。plc上电后吊杆在原点位置，如果手 动/自动按钮000003被按下，程序跳到手动程序块执行，如果按钮000003没有被 按下，则跳到自动程序快执行。单根吊杆的主程序流程图如图8所示。 手动模式下按下上升按钮（下降按钮）000006（000007） ，吊杆上升，当吊 杆上升到所需高度时，按下停止按钮，吊杆停在该位置，如果吊杆一直上升 （下降） ，则达到最高位置（最低位置）时，在限位开关的作用下也会停止。手 动运行时的子程序如图 9 所示。 自动模式下在预演情况下通过高速计数器把值送入到plc中，确定吊杆的 位置。在演出的情况下，比较器不断比较吊杆的实际高度和

43、设定高度，当两者 相等时，吊杆停止上升（下降） 。如果设定高度大于吊杆所能达到高度的最大 （最小）值，则吊杆上升到最大（最小）值后会在限位开关的作用下停止，并 通过继电器输出报警。 自动定位 上升回远点 位置记忆 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 14 图8 主程序 图9 手动模式程序 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 15 图10 自动模式程序 5 监控软件及画面设计 5. 1 组态王简介 组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以 及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流 汇集在一起，实现最优化管理。它基于 microsoft wi

44、ndows xp/nt/2000 操作系 统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时 信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、 提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适 用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控 管理系统的开发。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 16 4.1.1 组态王软件的选择 目前的微机监控系统中，制作上位机的监控程序方法有多种，如 vb, vc 等可视化编程工具制作控制界面，调用 mscomm 控件或利用 windows apt 函 数进行上下位机串口通讯

45、；或直接利用工业组态软件来制作上位机程序。由于 本系统涉及变量较多，功能要求齐全，所以选用工业组态软件来开发。当前流 行的组态软件很多，如工 ntouch，fix 组态王、虎翼、开物 2000 等，其中 组态王 6. 51 性价比高，网络通讯功能比较完善，能满足本系统要求，故采用之。 组态王的主要功能如下： （1）丰富的画面显示组态功能 组态软件应提供给用户丰实方便的作图工具。因为大中型控制系统要有大 量的图形画面，而这些图形画面对开发人员是费时费力的组态软件应提供大量 常用的工业设备图符、仪表图符等还应提供趋势图、历史曲线图等。 （2）强大的通讯功能 “组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外

46、部设备，目前能连接 plc、智 能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备，为实现和外部设备的通讯， 组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的通讯接口。如图 11 所示， 在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和 发送数据指令。 组态王的大部分驱动程序采用组件(com)技术，这种方式使驱动和组态王 构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。 （3）软件环境的选择 随着面向图形的 windows 操作系统普及。基于 windows 环境的组态 软件不断出现，极大地丰富了监控系统的显示画面，但实时性、可靠性与多任 务存在着矛盾，侧重监

47、视的系统选择 windows 环境。而基于 dos 系统的组 态软件图形功能弱，但实时性、可靠性好。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 17 图 11 计算机与外部设备通讯 （4）高效的数据采集功能 组态王对通讯程序做了多种优化处理，尽量使通讯瓶颈对系统的影响最小， 同时保证数据传递的及时和准确。 （5）高效的故障诊断与恢复功能 在工业现场中，由于通讯故障而引起的损失可能是巨大的，为了将这种 损失降为最小，组态王精心优化了通讯故障的诊断机制，可以在极短的时间(1- 2 个采集周期)内报告故障的发生，并诊断出出现故障的地方，非常有助于现场 工程师及时排除故障。 组态王的自动恢复功能是指:当下

48、位机被更换或恢复运行后，不需要现场 工程师对软件系统作任何干预，组态王通过短时间的尝试后，可以自动恢复与 下位机的通讯。自动恢复功能对于保障系统可靠运行是非常必要的，当一台下 位机发生故障时，组态王会自动优化通讯链，使得它与其它下位机之间的通讯 几乎不受影响，保证了通讯的高效率。 （6）先进的报警和事件管理功能 完善的“监控和数据采集系统”应当能检测到非正常状态的发生，并将报警 信息按照正确的顺序登录到数据库，并且不能丢失任何数据，以便事后对它进 行分析。组态王是通过报警和事件这两种情形通知操作人员过程的活动情况。 组态王事件驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整地记录， 即使突

49、然发生大量的报警也不会遗漏。 报警是过程状态出现问题时发生的警告，同时要求操作人员做出响应。 组态王报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点，并提供了多种报警 管理功能，包括基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新 增死区和延时概念等功能，以及通过网络的过程报警管理。 （7）广泛的数据获取和处理功能 一般地，工业现场设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，保证 工厂的运行，但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。 组态王能够将数据从不同的数据源取过来，并直观、形象地显示出来，供操作 和管理人员操作和分析。 （8）强大的网络和冗余功能 组态王基于网络的概念，可

50、运行在基于 tcp/ip 网络协议的网上，使用户 能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。另外，随着网络的无限蔓延， 组态王每一台数据采集站从工业现场采集的数据，可以被网络上所有其他站点 直接访问，使数据在任何时间、任何地点畅通无阻。同时支持分布式网络报警、 分布式历史数据库等，功能强大，稳定可靠。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 18 组态王的网络是一种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上， 可以将整个应用程序分配给多个服务器，可以提高项目的整体容量并改善系统 的性能。 4.1.2 组态王工作原理 组态王与现场的 i/o 设备直接进行通讯，如图 12 所示。 装有组态王的 计

51、算机 通信电缆 i/o设备 输入 输出 图 12 组态王与现场的 i/o 设备进行通讯图 组态王与现场的 i/o 设备直接进行通讯。i/o 设备的输入提供现场的信息， 例如产品的位置、机器的转速、炉温等等。 设备的输出通常用于对现场的控制，例如启动电动机、改变转速、控制阀 门和指示灯等等。有些 i/o 设备(如 plc)，其本身的程序完成对现场的控制，程 序根据输入决定各输出的值。 输入输出的数值存放在 i/o 设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。 大多数 i/o 设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道，组 态王通过这些通讯通道读写 i/o 设备的寄存器，采集到的数据可用

52、于进一步的 监控。不需要读写 i/o 设备的寄存器，组态王提供了一种数据定义方法，定义 了 i/0 变量后，可直接使用变量名来进行系统控制、操作显示、趋势分析、数 据记录和报警显示12。 5.2 建立组态王 针对舞台吊杆控制的技术要求，综合系统的软硬件因素，力求达到系统的 最优配置，本项目采用集散式控制系统。上位机选用工业控制机，上位机操作 系统(人机界面)采用组态王 6.51 组态软件开发软件13，工作平台 windows/xp。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 19 5.2.1 设计图形界面 进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个 画面上生成互相关联的静态或

53、动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的 类型丰富的图形对象组成的。系统为用户提供了矩形(圆角矩形)、直线、椭圆 (圆)、扇形(圆弧)、点位图、多边形(多边线)、文本等基本图形对象，及按钮、 趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。提供了对图形对象在窗口 内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、 鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。 “组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。 用户构图时可以像措积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时 支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发

54、结果。创建单台吊杆控 制系统的图面如图13所示。 图 13 舞台吊杆控制图画 5.2.2 定义设备 组态王把那些需要与之变换数据的设备或程序都作为外部设备。外部设备 包括：下位机(plc、仪表、模块、板卡、变频器等)，它们一般通过串行口和上 位机交换数据；其他 windows 应用程序，它们之间一般通过 dde 交换数据； 外部设备还包括网络上的其他计算机。 只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过 i/o 变量和它们交换数据。 为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成 设备的连接。 本设计使用欧姆龙 c 系列 plc(当作仿真 plc)和组态王通信。仿真 plc 可

55、 以模拟 plc 为组态王提供数据。假设仿真 plc 连接在计算机的 com1 口。如 图 14 所示为定义 i/o 设备的最终界面图。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 20 图 14 定义 i/o 设备界面图 设备定义完成后，可卧在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备 plc。在 定义数据库变量时，只要把 i/o 变量连结到这台设备上，它就可以和组态王交 换数据了。 5.2.3 构造数据库 数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式 反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速进达生产现场，所有这 一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位

56、机的桥 梁。在 view 运行时，它含有全部数据变量的当前值。变量在画面制作系统组 态王画面开发系统中定义，定义时要指定变量名和变量类型，某些类型的变量 还需要一些附加信息。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典 记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。 进入“变量属性”话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库 的管弹工作。 在“变量名”处输入变量名。上升按钮”，在变量类型处选择变量类型：i/o 离散，初始值为“关”，连接设备设置为“plc”，寄存器设置为“walldm”，数 据类型设置为“bit”，读写属性设置为“读写”，采集频率为“100ms”， 其他设置 不变，单

57、击“确定”完成设置。如图 15 所示。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 21 图 15 设置上升按钮 “下降按钮”， “暂停按钮”， “停止按钮”的设置除变量名改变外，其他的设置 同“上升按钮”的设置。下面继续定义一个变量。 在“变量名”处输入变量名“吊杆动作”，在变量类型处选择变量类型：内存 实数，变化灵敏度设置为：0，初始值设置为：3.000000，最小值设置为：0， 最大值设置为：1000000000，状态设置为“保存数值”，其他设置不变，单击“确 定”完成设置。如图 16 所示。 “吊杆位置”， “高度”的设置除变量名改变外，其他的设置同“吊杆动作” 的设置。下面继续定义一个变量

58、。 在“变量名”处输入变量名“自动控制”，在变量类型处选择变量类型：内存 离散，初始值为“关”，其他设置不变单击“确定”完成设置。如图 17 所示。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 22 图 16 设置吊杆动作按钮 图 17 自动控制按钮 “运行标志”， “上限报警”， “下限报警”的设置除变量名改变外，其他的设置 同“自动控制”的设置。至此，所有的变量己全部设置完成，接下来就可以进行 动画连接了。 基于 plc 的舞台吊杆控制系统设计 23 5.2.4 建立动画连接 定义动画连接是指在画面的圈形对象与数据库的数据变量之间建立一种关 系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示

59、出来；或者由软 件使用者通过图形对象改变数据变量的值。 “组态王”提供了 21 种动画连接方式 如表 3 所示： 表 3 动画连接方式表 属性变化线属性变化、填充属性变化、文本色变化 位置与大小变化填充、缩放、旋转、水平移动、垂直移动 值输出模拟值输出、离散值输出、字符串输出 值输入模拟值输入、离散值输入、字符串输入 特殊闪烁、隐含 滑动杆输入水平、垂直 命令语言按下时、弹起时、按住时 一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际 中任意的动画显示需要。 创建动画连接时各变量的设置： （1）电机的变量名窗口的问号标志设置 “运行标志”并且把开启时颜色设 置为“绿色”，关闭时

60、颜色为“红色”。 （2）吊杆的变量名窗口中选中“吊杆动作”；设置移动距离向上为：270， 向下为：0；对应值最上边为：6，最下边为：0。 （3）吊线中的其中一根的变量名窗口中选中“高度”；设置最小时的对应值 为：0，占据百分比为：10，最大时的对应值为：6，占据百分比为：100；设置 变化方向为由下到上。由于另外一根吊线与已设置的吊线在高度上处于一致， 且两根吊线的长度相等，所起的作用也完全一样；因此，两根吊线的设置完全 一样。 （4）上限图案的变量名窗口中选中“上限报警”，单击副属性 000 项，点 击“修改”，弹出“修改”对话框，设置阀值为：0，画面属性的类型颜色均为“绿 色”。设置副属性