PLC自动控制舞台

1、第1章 绪 论1.1 课题研究背景随着城市化进程的加快和人口大量聚集，使得生活节奏加快。如今，舞台在人们周围随处可见；比如学校，大厦，剧场，小区等。舞台是文化交流，娱乐大众，自我展现的重要场所；可以使人心身愉悦，减轻压力。而自动舞台是科技发展的必然产物，形式上和技术上都要优于传统舞台。自动舞台运行的灵活性是评价舞台优劣的关键，而这与舞台的控制系统息息相关。可以根据场所的需要，设计出各种各样的灯光，升降台，旋转台等。给人创造更好的视觉享受。1969 年美国数字设备公司（DEC）研制书上世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简

2、称PLC（programmable logic controller）。70 年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC 从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）.但由于PC 容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程器的缩写。1985 年国际电工委员会（IEC）对PLC 的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来

3、在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC 是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用： （1）逻辑运算 （2）弱电控制强电。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。 具有： （1）可靠性高、抗干扰能力强 （2）设计、安装容易，维护工作量少 （3）功能强、通用性好 （4）开发周期短，成功率高 （5）体积小，重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优

4、点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。因此，进行自动舞台PLC控制系统的设计，可以推动舞台的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 课题设计的内容 本设计将在以下几个方面对自动舞台的控制系统进行研究和论证。 （1） 自动舞台类型的选择。综合自动舞台的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究舞台帷幕的开合、灯光

5、的顺序运行、升降台的上升，和下降。设置自动和手动两种状态，自动状态要求自动运行，手动状态要求手动运行和检修。 （2） 自动舞台硬件系统的设计。本课题设计的自动舞台要求运行迅速准确度高，在舞台帷幕两端和中间以及升降台上下两端选用工业自动控制上大量运用的具有耐摩擦、寿命长、接触性能好的位置开关，运用开关量信号输入给PLC 来实现控制。在硬件系统的设计过程中主要考虑了自动舞台的经济实用、稳定、灵活、美观的需要。 （3） 自动舞台控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的PLC 编程语言梯形图，梯形图的编程能直观明了的设计自动舞台控制的要求，梯形图的编写运用 SWOPC-FXGP/WIN-C

6、编程软件，此软件支持全部的三菱 FX 系列的 PLC，并且具有强大的诊断功能，能更快的查找出故障的原因，从而大大缩短的维修时间。1.3 课题设计的目的和意义随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，使得社会竞争加剧，学习和工作的压力加大，生活节奏加快，精神上压抑。而舞台是文化交流，娱乐大众，自我展现的重要场所；可以使人心身愉悦，减轻压力。自动舞台是科技发展的必然产物，形式上和技术上都要优于传统舞台，给人在视觉上有更好的冲击效果。可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经

7、成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。自动舞台控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC 对程序设计，提高了舞台的控制水平，并改善了舞台的样式。 第2章系统控制方案的确定2.1 自动舞台的概述 自动舞台是将灯光、美术、机械融为一体的新型舞台，是一种可控的技术型舞台，是科技发展带来的舞台艺术。 现代城市中的自动舞台形式已十分丰富，按功能的不同可以分为音乐舞台，聚光灯舞台，机械升降、旋转舞台，以及综合性舞台等。2.2 采用PLC 控制自动舞台的优点（1）控制方式上看：PLC 软接线，

8、只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 （2）工作方式上看：PLC 串行工作，不受制约。 （3）控制速度上看：PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。 （4）定时、记数看：PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。 （5）可靠、维护看: PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。2.3 系统设计的基本步骤在自动舞台控制系统的设计过程中主要考虑以下几点： （1）深入了解和分析自动舞台的工艺条件和控制要求。 （2）确定I/O 设备。根据自动舞台控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮

9、、位置开关等，常用的输出设备有电机、灯光等。（3）根据I/O 点数选择合适的PLC 类型。 （4）分配I/O 点，分配PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。 （5） 设计自动舞台的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个自动舞台系统设计的核心工作。 （6） 将程序输入PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。 2.4 系统控制方案 自动舞台示意图如图2-1 所示： 图2-1 自动舞台示意图自动舞台系统的控制要求如下： （1） 舞台帷幕两端和中间共有三个限位开关SQ1、SQ2、SQ3，舞台中间有圆形升降台，升降台上下两端有限位开关SQ4

10、、SQ5，舞台上方有七盏聚光灯HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7。 （2） 该舞台有两种工作方式：第一种方式是自动运行状态，在自动状态下舞台自动运行；第二种方式是手动运行状态，在手动状态下舞台可手动控制和检修。工作方式由自动/手动切换开关来控制。 （3） 系统上电默认自动运行状态，按下开幕按钮，帷幕打开；当帷幕完全打开并碰到帷幕左右两端的限位开关时停止打开；同时舞台上方的聚光灯以1秒的速率按HL1亮，HL2、HL3亮，HL4、HL5亮，HL6、HL7亮的方式依次点亮，后亮前保持，直至全部点亮；在聚光灯全部点亮的同时升降台上升，当升降台碰到上限位开关后升降台停止上升。在舞台完

11、全开启后，按下闭幕按钮，升降台下降，当升降台碰到下限位开关后升降台停止下降；同时聚光灯以1秒的速率按HL7、HL6灭，HL5、HL4灭，HL3、HL2灭，HL1灭的方式依次熄灭；在聚光灯全部熄灭的同时帷幕关闭，当帷幕完全关闭并碰到帷幕中间限位开关后停止关闭。在自动运行状态下，任意时刻按下停止按钮，系统完成当前动作后停止，再次按下开幕按钮系统继续完成未执行的动作；按下自动/手动切换开关系统将切换到手动状态。 （4） 在手动运行状态下，可以对帷幕的打开和关闭，升降台的上升和下降进行点动控制和检修，通过聚光灯检修开关检修聚光灯；按下自动/手动切换开关系统将切换到自动状态。2.5 自动舞台控制系统的原

12、理图 在自动舞台中，通过按钮开关信号来控制PLC；再通过PLC控制电机和聚灯。 自动舞台控制系统的原理图如图2-2 所示：图2-2 自动舞台控制系统的原理图第3章 系统硬件设计3.1 可编程控制器(PLC)的选型 1. PLC概述 PLC 是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。 PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一般不考虑的。而 PLC 则要考虑

13、信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是 PLC 实现控制的两个基本要点。PLC 可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。 PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的I/O 接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能 （1）逻辑处理功能； （2）数据运算功能； （3）准确定时功能； （4）高速计数功能； （5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能； （6）程序与数据存储功能； （7）联网通信功能； （8）自检测、自诊

14、断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC 几乎也都可以做到。像PLC 这样。有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。2. PLC工作原理（1）PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式（2）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。（3）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。（4）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。（5）元件映象

15、寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（6）扫描周期的长短由三条决定:CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令条数（7）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。3. PLC选型 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 - 7 - PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设

16、计相应的控制系统。 （1）输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。 （2） 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I

17、/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的PLC 内存容量选择应能存储2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。 （3）控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。 控制功能 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC 的处理速度和节省存储器容量。 编

18、程功能 离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU 和编程器有各自的 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC 中常采用。 五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图

19、形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语 - 8 - 言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。 诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对 PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC 的CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 （4） 机型的选择通过对输入/输出点的选择、对存储

20、容量的选择、对I/O 响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。 该控制系统选用三菱公司FXON 系列的PLC。它体积小,重量轻,使用寿命长, 编程和维护方便,故障率低,通过扩展模块的连接, 可以增加输入/ 输出点数。我设计的自动舞台模型共有 14 个输入,11 个输出,因此,选用型号为 FX2N-32MR的PLC。其实物图如图3-1 示。图3-1三菱FX2N-32MR的PLC3.2 电动机的选型本设计中选用三相异步电动机，三相异步电机是交流电机的一种，又称感应电机。它具有结构简单、制造容易、坚固耐用，维修方便、成本较低、价格便宜等一系列优点。其实物图如图3-3示。 （1）帷幕开合电机选用Y

21、90L-2型号电机。此型号电机效率高、节能、启动转矩高、噪声低、振动小、运行安全可靠。其实物图如图3-2示： 图3-2 Y90L-2异步电机实物图 （2） 升降台电机选用YTD-200型号电机。此型号电机噪声低、振动小、牵引效果较好、运行安全可靠。其实物图如图3-3示： 图3-3 YTD-200异步电机实物图 3.3 硬件接线图 电机接线图如图3-4所示：图3-4 电机接线图外部硬件的接线图3-5所示：图3-5 PLC外部硬件接线图3.4 I/O 分配表如表3-1,3-2 表3-1 输入地址表序号输入编号说明1X0自动/手动切换开关SA12X1开幕按钮SB13X2闭幕按钮SB24X3停止按钮S

22、B35X4帷幕拉开检修按钮SB46X5帷幕关闭检修按钮SB57X6升降台上升检修按钮SB68X7升降台下降检修按钮SB79X10帷幕左端限位开关SQ110X11帷幕右端限位开关SQ211X12帷幕中间限位开关SQ312X13升降台上限位开关SQ413X14升降台下限位开关SQ514X15聚光灯检修开关SA2表3-2 输出地址表序号输出编号说明1Y0帷幕拉开KM12Y1帷幕关闭KM23Y2升降台上升KM34Y3升降台下降KM45Y4聚光灯HL16Y5聚光灯HL27Y6聚光灯HL38Y7聚光灯HL49Y10聚光灯HL510Y11聚光灯HL611Y12聚光灯HL7 第4章 系统软件设计4.1系统工作

23、过程分析 （1）上电系统默认自动运行状态。（2）按下开幕按钮SB1，系统自动运行直至舞台完全开启。 （3）按下闭幕按钮SB2，系统自动运行直至舞台完全关闭。（4）在自动状态下按下停止按钮SB3，系统完成当前动作后停止运行。 （5）任意时刻按下自动/手动切换开关SA1，系统切换为手动状态；再按 自动/手动切换开关SA1，系统切换回自动状态。（6）手动状态下可以通过检修按钮对帷幕的打开和关闭，升降台的上升和 下降进行自动控制和检修，通过聚光灯检修开关SA2检修聚光灯。 系统工作流程如图4-2所示：图4-2 系统工作流程图第5章 结束语本系统主要以可编程控制器 PLC为核心，利用可编程控制器 PLC 强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制自动舞台的功能