舞台机械控制毕业设计

毕业设计说明书1第一章舞台机械控制概述1.1舞台技术行业概述舞台是在剧院中为演员表演提供的空间，它可以使观众的注意力集中于演员的表演并获得理想的观赏效果。舞台通常由一个或多个平台构成，它们有的可以升降。舞台的类型有镜框式舞台、伸展式舞台、圆环型舞台和旋转型舞台。舞台技术包括舞台灯光技术，舞台吊杆技术等等。舞台技术所涉及的范围比较广，应用技术也比较多。从大的范围来说，剧场的舞台技术、布景制作技术、灯光技术、音响技术、绘景技术(指绘制布景表面效果)等都可以称作舞台技术，从小的范围来说，主要指布景制作技术，此外还包括幕布制作和流动性舞台机械制作技术。舞台技术，即是通过设计灯光、吊杆、舞台台面来使舞台艺术效果得以升华，充分给观众以最大的美的享受。为了说明本设计的意义，我们可以从舞台技术行业的发展来看，下面，我们将分别概述中外舞台技术行业的发展历程。舞台技术产业在西方发达国家发展得很快。17世纪的欧洲已经出现了具有乐池、多层包厢的观众厅和镜框台口、箱形舞台的剧场，这种剧场模式的影响延续至今。18世纪的音乐有了很大的发展，歌剧也应运而生，出现了莫扎特、罗西尼等天才音乐家，他们写下了不少歌剧，适合当时王公贵族文化生活的需要。18世纪中叶之后是历史学家以英国资产阶级革命作为近代史的开端，当时在文学、艺术和哲学的思潮更新迭起，欧洲的音乐经历了巴洛克时期发展到了浪漫时期，这时期的音乐人才辈出，群星璀璨，音乐到了一个黄金时代。音乐成为新兴资产阶级市民的文化生活所必须，歌剧也得到了广泛的发展，深为各阶层人民的喜爱。到了19世纪后半叶欧洲建造了一批古典剧场模式的观众厅和机械舞台、并且十分豪华的歌剧院，本世纪50年代发现该处包厢能消除声集中和“爬行”现象名胜，对音质有利。采用高升起的散座形式，无楼座；矩形平面(35×23平方米),镜框台口位于大边处。平矗的顶棚高为16米，其高宽长的比例为0.7:1:1.53,接近“黄金律”,对声场有利。厅的两侧为行列式的矮墙，其上有双园柱，它们向后墙逐渐呈扇形展开，使平面呈为扇形；它们为大厅提供了良好的反射声和扩散声；混响时间为1.6秒。视、听俱佳，适宜歌剧演出，尤宜瓦格纳的作品。舞台中安装了电力驱动的转台是典型的德国式十字形箱形机械舞台模式。贝鲁毅脱歌剧院是剧场建筑史和声学发展史上的一个里程碑。这种戾形平面、高升起散座形式和高空间的观众厅建筑模式的先河。2由于我国的舞台技术的发展相对滞后，所以在某些方面和国外的舞台设备相比存在一些不足，目前国外的舞台机械在整体工艺配置、机械设计水平、基础元器件、制造加工业、控制系统等方面要比国内做得好。国外的舞台机械的设计比较复杂，台上机械设备有：防火大幕、对开大幕、假台口、灯光渡桥、灯光吊笼、各类吊杆、幕类等，台下机械设备有：主升降台、侧车台、后车台、大转台、车台、车台补台、微动补台、升降乐池和栏杆等。还有一些特殊的舞台机械设备，比如，伸缩升降舞台、有电动折叠舞台、拼装式广场舞台、手动折叠舞台、手动升降舞台、组合式玻璃舞台、铝合金桁架等。目前舞台机械系统的控制方法多种多样，比较常见的有：采用STD工业控制机控制舞台机械设备、采用PLC控制的舞台机械控制系统、采用模糊控制的舞机械控制系统、采用计算机用控制的舞台机械控制系统等。1.1.2国内舞台技术行业概述随着人民生活水平地不断提高，使得观众对文化艺术的要求也随之增长。近年来，各个地方兴起了文化设施建设的热潮，迫切需用高技术设备来装备新建的剧场，从而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。传统的中国舞台艺术以戏曲为主，主要表现为在表演艺术的高度综合性、虚拟性和对程式的纯熟应用上。所以在传统的中国戏曲舞台，比如，宫廷戏台、民间寺庙等，并没有机械设备，然而西方戏剧在相当长的时期中主要依靠布景、道具和剧场建筑及设备。直N-十世纪初，随着镜框式舞台传入国内，在上海、广州、北京等地的剧场有了简单的舞台机械设备。比如：人力推动的小转台、手动吊杆等，但是设备极其简陋。从某种意义上讲，解放前我国舞台机械几乎是一片空白。新中国建立后，各种文化活动日益增多，使得中国传统戏曲与西方剧目在国内同时并举，促进了剧场的建设，同时对剧场和设备提出了新的要求。在五十年代初就兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了一定数量的舞台机械设备，如假台口、手动吊杆等。到了六、七十年代，我国建成了一大批相对规模较大的剧场，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。改革开放后，文艺活动进入了一个空前活跃、繁荣的阶段，大小剧团演出活动频繁；各具特色的文化节、戏剧节频频举行；国际间的文艺演出活动接连不断。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剧院等。毕业设计说明书3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、演播厅等的建设进入了高潮。在国内基础工业大力发展的基础上，国外新技术、新产品、新材料的不断涌入，使得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、车台等。这时，我国的舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距已逐渐缩小。近年来，由于科技的不断发展，特别是进入二十一世纪，嵌入式技术的迅猛发展，众多科技人员将嵌入式技术用于舞台机械的控制逐渐形成了现代化的舞台控制系统。1.2主要研究内容和完成的工作1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献，提高自身收集和查阅资料的能力2、完成硬件设计和相关系统原理图3、重点完成上位组态设计4、按量保质完成与毕业设计相关的外文资料的翻译5、按照兰州理工大学毕业设计格式要求，完成毕业设计说明书的撰写1.3毕业设计的主要内容、功能及技术指标以S7300为主控制器，设计一个典型的舞台吊杆设备的控制系统，重点完成在WinCC环境下的组态界面的开发，了解下位组态软件、HMI的工作原理及各自在控制系统中的关系，了解变频器的控制方式和具体的控制方法。1.3.1设计过程中需要考虑的信号和相关技术指标：a.急停信号分布如下：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。b.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c.定位吊杆、灯光吊杆的速度为0.3m/s,编码器每个脉冲对应2mmd.调速吊杆的调速范围0～50HZg.变频调速用端子控制，说明书中需要阐述总线控制方式与端子控制的区别。1.3.2上位组态设计要求：毕业设计说明书4进入主界面后，可以看到描述定义、运行抑制、运行画面等按钮，用户点击这些按钮，就可以进入各个分画面进行相应的操作。可以对设备进行相应的功能描述，为以后的操作提供参考。2、运行抑制：可以对舞台机械设备在运行画面里是否可以被选择运行进行设定，该设定可以保障系统控制的安全性。3、运行画面：提供各种设备运行功能的选择，包括电动操作、回零操作等；电动操作是指电动控制舞台各设备的升降、平移运动；回零操作是让吊杆运动到上极限位置，升降台运行到舞台面位置，用以消除位置误差。指导用户尽快熟悉操作画面及上位的工作环境，及时为操作人员提供有用的用户离开上位操作环境。注：界面中应当设计有对报警的显示处理界面。5第二章舞台控制系统的设计方案2.1设计总体思路舞台机械是舞台设备的主干，是影剧院礼演堂的重要组成部分，对舞台幕布、舞台灯光的设计起至关重要的作用!舞台机械设计的好坏直接影响到舞台的整体效果，他就好比一幢大楼的根基一样!而且舞台机械设计和安全也有很大的关系，舞台机械主要由舞台吊杆组成有幕布吊杆、灯光吊杆和景物吊杆!本控制系统主要是基于下位S7-300系列的PLC来完成对电机的运动控制，进而实现对舞台上的机械设备的运动控制。本控制系统主要侧重于舞台吊杆的运动控制，升降台和吊笼等其他机械运动由其他同学完成。系统整体框图如图2.1上位监控计算机上位监控计算机机械设备2.2舞台机械设备的组成2.2.1大幕设备舞台幕布是舞台上最能显示舞台气氛的设施之一，它能起装饰美化舞台的作用，全套幕布的设备直接影响到舞台的艺术效果和美感，幕的机械运动是通过悬舞台前沿的舞台吊杆的运动来实现的。幕布分为大幕，檐幕，二幕，三幕等。毕业设计说明书6不同场次的表演，幕布也有相应不同的机械运动，这就对控制幕布运动的吊杆设备提出了更高的要求，包括运行速率，安全程度等。2.2.2吊笼设备灯光吊笼是舞台布置侧光灯具的设备。吊笼为框架结构，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。灯光吊笼可按不同要求实现电动垂真升降、台深平移、台心平移及其任意组合运动。空中吊笼分多点和单点吊，单点吊机是空中杂技表演人员专用机械设备，演员可通过吊索在舞台上进行空中动作艺术表演。空中吊笼的驱动装置固定安装，通过安装转向滑轮来确定吊点位置。空中吊笼能随意组合同步或单独运行，在台口前根据需要可预留位置进行调整。空中吊笼对于滑道吊机空中飞人机械是为专业杂技提供双人对飞杂技。2.2.3吊杆设备舞台吊杆舞台吊杆是用来吊挂各种背景布或幕布的横杆，贯穿整个舞台，可以升降，平时是吊在舞台上，方观众不到的位置上，只有布置舞台时才降下来以便固定吊挂物。舞台吊杆以前是用人工操作，后来改为电动的，现在都是用微机控制了。一个舞台少则两道吊杆(台口一道，后幕一道),多则几道、十几道吊杆。升降吊杆是舞台机械中最为重要的设备之一，舞台面上的设备运动基本都是要靠吊杆的运动来实现，整个吊杆设备以主控制台为控制中心，与电机设备直接相连，因此在设计吊杆运行系统时，对于吊杆的安全性的考虑必不可少，比如故障自动保护，紧急停车，未经操作人员启动，设备应当静止等等。本设计中，考虑到不同演出场次对幕布，吊笼设备运动速度的不同要求，还设计了吊杆的调速运行，包括一段速，二段速，三段速等等。2.2.4舞台控制系统方案选择本课题控制的对象虽然不复杂，但是需要控制的设备众多，需要检测的信号数量也很多，而且需要实时显示控制的效果，因此肯定要有计算机参与控制，目前经常用于控制中的计算机类型有四种，下面分别介绍起各自的特点。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处7理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机的特点：(1)单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM(8031无)、128B个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。(2)系统结构简单，使用方便，实现模块化；(3)单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；(4)处理功能强，速度快。2、STD总线工业控制机STD总线已成为工业控制中的主流总线。采用STD总线的工业控制计算机按功能划分模板的小板结构，在高度模块化方面是一大突破。用户可根据需要，选用不同的功能模板组成各种应用系统。STD总线的工业控制计算机具有组合灵活、开发周期短、使用维护方便、可靠性高、性能价格比好等特点STD5000系列是历经多年实际应用考验逐步形成的系列产品，有8088、Z-80、MCS—51和MCS—96四种类型的CPU系列，有开入/开出、模入/模出、信号调理、系统支持等各种软件模板近60种，有功能较强的系统软件和高性能的实时控制组整软件等应用软件以及各种典型应用系统，该产品投入市场以来，受到各界用户欢迎。3、PC总线工业控制机PC总线工控机是基于通用计算机发展起来的工业控制机，其总线类型有：ISA(VL-BUS)以及PCI总线等。总线计算机由于价格低廉，使用灵活，软件资源丰富，因而用户众多。其软件开发的工作量低，pc机联网方便，容易构成多微机控制与管理一体化的综合系统，分级控制系统和集散控制系统。PLC=ProgrammableLogicController,可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。(1)实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。(2)范围广电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比毕业设计说明书8拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。(3)高速率PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5M~45Mbps之间。远远高于拨号上网和ISDN,比ADSL更快!足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。(4)永远在线PLC属于"即插即用",不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络!(5)便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!基于以上几种控制方式的比较，从控制的成本以及操作方面的简便性和系统实现方面来考虑，我们选择了PLC来实现系统的机械控制。下面我们就PLC的选型来做一个简单的描述。PLC目前的主要品牌美国AB,和利时，ABB,松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等(1)结构灵活(2)传输质量高、速度快、带宽稳定(3)范围广(4)低成本相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。(5)适用面广德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO,S7-200(CN),S7-1200,S7-300,S7-400,工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。(1)SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。(2)SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要毕业设计说明书9求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200采用模块化结构，具备高速(0.6~0.1μs)的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时，模块更换，等等);多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口(MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。是用于中、高档性能范围的可编程序控采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级(功能逐步升级)的CPU,并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。3、系统设计基本原则：(1)最大限度地满足控制要求充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。(2)保证系统的安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。(3)力求简单、经济、使用与维修方便在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。要适应发展的需要，适当考虑今后控制系统发展和完善的需要。考虑到实验室现有设备以及设计要求，同时S7-300的性能也较好，所以我们在本次设计中选用SIEMENSS7-300系列的PLC。毕业设计说明书2.3上位监控软件的选择2.3.1上位监控开发平台的比较论证上位监控系统的开发一般可采用编程语言或组态软件实现。首先要求设计者精通一到多种编程语言的应用；其次，要对所连接的各种硬件和通讯协议有比较详细的了解，同时必须开发与硬件配套的驱动程序，不仅开发周期长，而且对技术人员的编程专业水平要求较高。但对于专业人士且系统监控要求较低时，成本较低。组态软件是一种基于Windows操作系统的二次开发平台，具有二次开发方便、开发周期短、通用性强、可靠性高等优点。与编程语言相比，最大的优势在于对开发人员的专业编程水平要求较低。除此之外，组态软件还具有强大的图形功能，对于当前国际上主流的工控产品都配备了良好的驱动程序，方便用户上下位通讯连接，非常适于设计人员高效、快捷地把整个工艺过程制作成形象逼真的监控画面，以动画的形式显示各个监控设备的状态，对报警事件的记录和报表的方便生成是组态软件的又一突出优点。综合两种开发方案，考虑下位已有的硬件平台和本人的编程能力，决定选用目前工控领域广泛使用的组态软件作为上位监控系统的开发平台。2.3.2国内外主流组态软件性能比较及组态软件的选择目前较为流行的组态软件，国外的有Intellution公司的iFIX(3.0)、GE公司的Cimplicity(6.0)、Wonderware公司的InTouch(7.1)、Siemens公司的WinCC(5.0)及Rockwell公司的RSView32等。国内的有北京亚控公司的组态王(6.5)及金佳诺公司的世纪星等这其中Intellution公司和Wonderware公司是专门从事监控软件工作的，在市场占领绝大一部分份额；Cimplicity和WinCC是GE和Siemens公司自动化产品的配套产品，正努力推向市场。在此仅对其中几种组态软件从图形及组态方案、数据点管理、网络功能、通信功能等方面进行比较。是所有这些软件中功能最为强大的，所以它对硬件的要求也就最高。它可以不用任何别的工具就能实现监控和此外的设备管理工作，对于复杂的监控系统来说它是仅有的选择。如果硬件(计算机)与软件价格相比的话，提高硬件配置的花费也就算不上什么了。Tag点“任意”扩展，完整的Tag扩展方案，这些特点在某种程度上也可以降低成本。方便的组态功能，运行时数据源可改变，为设计人员毕业设计说明书提供方便，更灵活地实现控制。有专门的技术支持可以为设计人员解决很多问题，与工程人员一起面对工业现场的棘手问题。图形功能最强的，具有图形分层功能，它也采用内嵌的VBA。为了解决运行速度问题，它采用了多线程技术，这使其对硬件的要求不是很高。正是因为其特有的多线程技术，形成了相对复杂的软件结构，使设计人员学习起来比较困难。功能最为简单，设计人员容易掌握。因为都是内部函数，且语句格式又可以直接获取，所以脚本的编写也很方便。功能要求不高时，性能较好。在没有大量嵌入ActiveX,或者嵌入的ActiveX没有错误时，可以很好地运行，响应很快是运行速度最快的软件，这也是其一直都是监控软件主流之一的主要原因。同时对于熟练的软件编程人员来说，InTouch的功能也可以更为完善，使用ActiveX技术，嵌入自编的插问，可以使其功能大大扩展，弥补报表、管理上的欠缺，加入的控件对运行速度不会有太大的影响，能保证系统的性能，但这样的话，对编程人员的要求就更高了。1)WinCC是由西门子公司开发的上位机组态软件，主要用于对生产过程进行监控，其下位机编程软件主要采用西门子公司的step7WinCC基于Microsoft公司的Windows2000或WindowsNT操作系统，安装在Windows2000下时，需同时安装sp2以上版本的补丁SIMATICWinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性，WinCC是一个在MicrosoftWindows2000和WindowsXP下使用的强大的HMI系统。HMI代表“HumanMachineIn(人机界面)”,即人(操作员)和机器(过程)之间的界面。自动化过程(AS)保持对过程的实际控制。一方面影响WinCC和操作员之间的通讯，另一方面影响WinCC和自动化系统之间的通讯。2)突出的优点：多功能通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用;可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。实例证明WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢毕业设计说明书铁行业、运输行业、水处理和污水净化。3)WinCC用于实现过程的可视化，并为操作员开发图形用户界面。1、WinCC允许操作员对过程进行观察。过程以图形化的方式显示在屏幕上。每次过程中的状态发生改变，都会更新显示2、WinCC允许操作员控制过程。例如，操作员可以从图形用户界面预先定义设定值或打开阀。3、一旦出现临界过程状态，将自动发出报警信号。例如，如果超出了预定义的限制值，屏幕上将显示一条消息。在使用WinCC进行工作时，既可以打印过程值，也可以对过程值进行电子归档。这使得过程的文档编制更加容易，并允许以后访问过去的生产数据。人机界面产品的定义连接可编程序控制器(PLC)、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，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的数字设备，由硬件和软件两部分组成。HMI为英文Human-MachineInterface的缩写。流行在586及其兼容机上建立控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows98/NT2000中文操作系统作为操作平台，充分利用了Windows的图形功能完备、界面一致性好、易学易用等特点，具有功能完备的人机接口界面和面向对象的开发环境，便于高效、快捷地把整个工艺过程构成监控画面，以动画的形式显示各个控制设备的状态；在报警和历史趋势方面的功能，方便了对系统的监控；具有较强的网络功能，通过传统的DDF和扩展的NerDDE的方法，可与本机及其他计算机中的应用程序实时交换数据，便于系统的综合管理。而随着软件开发级别的升高，组态王系列组态软件也在逐步完善并开始拓展更广泛的市场。综合两种开发方案，考虑下位已有的硬件平台和本人的编程能力，决定选用目前工控领域广泛使用的组态软件作为上位监控系统的开发平台。2.4变频器控制方式的选择变频器控制方式分为：总线控制与端子控制。现场总线控制系统是用开放的现场总线控制通讯网络，将自动化最低层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统，现在多数变频器支持Modbus、Profibus等总线控制具体的参数在上位机上进行设定，操作较为简单控制方式灵活。但同一个网上所接变频器数量是有限的，而且需要在变频器上安装通讯卡。大多数变频器的面板都可以取下，安置到操作方便的地方，面板和变频器之间用延长线相联接，从而实现了距离较远的控制，如图2.2所示。〇〇OO〇○S总线控制变频器控制面板(图2.2)是变频器的运转指令，通过其外接输入端子从外部输入开关信号(或电平信号)来进行控制的方式，由按钮、选择开关、继电器、PLC或DCS的继电器模块替代操作键盘的运行键、停止键、点动键或复位键，可以远距离控制变频器运转。其功能实现较为灵活，不需要安装通讯卡，直接在控制端子上实现。控制量的给定可以用模拟量给定，也可以用数字量给定。2.4.3设计选择在本设计中，根据实际需要以及对经济性的考虑，选择端子控制，因为它实现起来虽没有总线控制简单，但控制灵活，而且更适合于远程控制。2.5上位组态与下位PLC通讯方式的选择2.5.1工业以太网通讯方式工业以太网(IndustrialEthernet)是一个开放的(SIMATIC@open)用于工厂管理和单元层的通讯系统。工业以太网被设计为对时间要求不严格用于传输大量数据的通讯系统，可以通过网关设备来连接远程网络。硬件连接：此种方式使用西门子S7-300上扩展的CP243-1以太网模块，PC上可以使用普通以太网卡或者西门子公司提供的CP1613等以太网卡方式，PLC和PC之间通过以太网线进行连接。适用场合：一般用于对通讯速度要求较高的场合；通讯距离在局域网允许距离之内。2.5.2Profibus-DP通信方式硬件连接：此种方式使用西门子PLC上的DP接口(可以是CPU上集成的DP接口或者扩展的DP通讯模块),计算机上扩展一块CP5611或者CP5613等通讯卡。毕业设计说明书卡和PLC的DP接口之间使用西门子标准的网络接头和通讯电缆进行连接。一般一块通讯卡通过DP总线可以连接多台PLC,使用该方式通讯时，需要在本机上安装STEP7编程软件和Simaticnet6.0(或以上版本)的通讯配置软件和授权。并通过STEP7编程软件为PLC上的DP接口配置为DP协议(Slave站);通过SetPG/PCinterface接口为CP5611(或者CP5613卡)配置为DP协议(做master站);MPI(Multi-Point)为多主站的通信方式。在西门子公司的可编程控制器、操作员界面和编程器上都集成有MPI口，可与PC机、S7-300建立小型的MPI网。由于S7-300只能作为MPI从站，所以装有组态王的PC机与S7-300仍为主/从协议。PC机通过MPI卡(如CP5611通讯卡)接入MPI网中作为主站。硬件连接：此种方式使用S7200PLC上的编程口，计算机上插一块西门子公司的CP5611(或CP5613等MPI通讯卡——具体根据带PLC类型和数量，由西门子公司确定使用何种通讯卡),通讯卡和PLC之间建议使用西门子提供的标准转换接头和通讯电缆实现硬件连接；此种链路常规通讯距离为50米，超过时请咨询西门子购买中继器扩展通讯链路长度。2.5.4设计选择工业以太网通讯方式一般适用于对通讯速度要求较高的场合，且通讯距离要求在局域网允许距离之内，技术含量较高。而在本设计中，舞台吊杆的运动不需要那么高的通讯速度。Profibus-DP通讯方式适用场合一般是数据交换量少，速度要求较高的场合；并且造价也较高，而MPI通讯卡方式一般适用于一台PC和多个PLC进行通讯的场合；或者多台PLC和多台PC进行链接(MPI为多点接口协议，支持多个上位PC进行MPI通讯)。根据本设计在实际舞台控制中的要求的考虑，选择适用Profibus-DP通讯卡通信方式。毕业设计说明书第三章硬件电气部分设计3.1S7-300PLC各模块介绍S7-300系列PLC的CPU类型从CPU312C到CPU318-2DP类型不等。下面简单作以描述，见图3.1CPU系列号产品图片描述选型型号24VDC电源，内置10DI/6DO,带集成功能，MPI;包括插槽号标签和2把钥匙；CPU运行需要MMC紧凑型CPU,32kBRAM,24VDC电源，内置16DI/16D0,带集成功能，要MMC主/从组合接口；/PROFINET接口；PROFIBUS-DP主/从接口，MPI,存储卡插槽，后备电池保护外壳；,包括插槽号标签和2把钥匙318-2AJ00-OABO3.1.2数字量信号输入/输出模块S7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m(屏蔽电缆)或600m(非屏蔽电缆)。交流输入(24-230V)、交\直流输入，点数分为2、点、16点、32点。有多种型号可选。2、数字量输出模块(SM322)分为晶体管、继电器和可控硅输出，点数分为8、16、32点，有多种型号可3、数字量输入/输出模块(SM323)分8入/8出和16入/16出两种。3.1.3模拟量信号输入/输出模块S7-300的模拟量I/0模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出模块SM334和SM335。(1)输入信号为电压(支持多种电压范围选择)、电流(支持多种电流范围选则)、热电阻和热电偶(支持多种分度号),点数分为2点、4点、8点。有多种型号可选。(2)输入模块上有量程卡(A、B、C、D四个位置),需根据量程范围选择正确位置。每两个通道共用一个量程卡。(3)转换数据表示方法：转换精度为9～15位(与模块型号有关),采用16位二进制补码定点数表示。最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。转换数据的表示方法与其他PLC相比较特殊，使用时应注意技术手册的说明。2、模拟量输出模块(SM332)输出信号为电压(支持多种电压范围选择)、电流(支持多种电流范围选则),毕业设计说明书点数分为2点、4点、8点，精度分为9～15位。有多种型号可选3、模拟量输入/输出模块(SM334、SM335)分4入/2出和4入/4出两种，精度分为8或12位。3.1.4通信处理器模块(CP)S7-300支持工业以太网、PROFIBUS(现场总线)、AS(自动化系统)、MPI(多点接口)及点对点连接等通信网络。有多种通信网络接口模块可选。CP340、CP341、CP342、CP3433.1.5功能模块(FM)用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，如：定位模块(FM353、FM354)、闭环控制模块(FM355)、计数器模块(FM350),等等。3.1.6接口模块(IM)用于S7-300机架扩展，分为用于CPU机架的和用于扩展机架的接口模块。例如：IM360、IM361、IM365、IM153等。3.2变频器3.2.1交流异步电动机变频调速原理1、交流异步电动机调速交流电动机的同步转速表达式为：式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2、变频器的结构与原理变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功毕业设计说明书率因数、过流/过压/过载保护等功能。3.2.2变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。变频调速装置主要有两大类：①一类是矢量控制的变频调速装置，高精度、高性能，可以和直流调速相媲美，但其控制技术复杂，价格高，因而应用还不广泛；②另一类是通用变频调速装置，结构简单，效率高、功率因数高，应用广泛，其中尤以脉宽调制(PWM)变频调速装置最为普遍，一般仅作开环和在调速要求不高的场合使用。对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置。最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图3-2。恒压恒频中间直流环节变压变频o-o-AC整流DC逆变AC(图3-2)交-直-交(间接)变压变频器由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”,所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件(P-MOSFET,IGBT等)组成的脉宽调制(PWM)逆变器，简变压变频器，如图3-3。毕业设计说明书恒压恒频(CVCF)AC不变压变频变压变频CC调压调频(图3-3)交-直-交PWM变压变频器变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：(1)在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。(2)输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。(3)逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。(4)采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器(Cycloconveter)。VVVFO-交一交变频AC交一交变频AC(图3-4)交-交(直接)变压变频器常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路，如图3-5。VF十负载(图3-5)交-交变压变频器每一相的可逆线路3.2.3变频器的控制方式矢量控制：是基于理论上认为异步电动机与直流电动机具有相同的转矩产生机理。矢量控制方式就是将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流，分别进行控制，同时将两者合成后的定子电流输出给电动机。因此，从原理上可得到与直流电动机相同的控制性能。采用转矩矢量控制功能，电动机在各种运行条件下都能输出最大转矩，尤其是电动机在低速运行区域。现在的变频器几乎都采用无反馈矢量控制，由于变频器能根据负载电流大小和相位进行转差补偿，使电动机具有很硬的力学特性，对于多数场合已能满足要求，不需在变频器的外部设置速度反馈电路。这一功能的设定，可根据实际情况在有效和无效中选择一项即可。与之有关的功能是转差补偿控制，其作用是为补偿由负载波动而引起的速度偏差，可加上对应于负载电流的转差频率。这一功能主要用于定位控制。1、变频器的输入方法变频器运行的控制信号也叫操作指令，如起动、停止、正转、反转、点动、复位等。与频率给定方式类似，变频器操作指令的输入方式也有以下两种：(1)键盘操作即通过面板上的键盘输入操作指令。大多数变频器的面板都可以取下，安置到操作方便的地方，面板和变频器之间用延长线相联接，从而实现了距离较远的控制，如图3-6所示。毕业设计说明书w探邦面板Q)现距离操作(图3-6)面板操作(2)操作指令通过外接输入端子从外部输入开关信号来进行控制，如图3-7所示。基本控制蹦XXsXXsX∈控制端(图3-7)面板操作由于外部的开关信号可以在远离变频器的地方来进行操作，因此，不少变频器把这种控制方式称为“远控”或“遥控”操作方式。变频器在出厂时，设定的都是键盘操作方式，用户如需要采用外接输入控制，在使用前必须通过功能预置进行2、变频器对外接输入端子的安排外接输入控制端接受的都是开关量信号，所有端子大体上可以分为两大(1)基本控制输入端运行、停止、正转、反转、点动、复位等。这些端子的功能是变频器在出厂时已经标定的，不能再更改。RJ(2)可编程控制输入端变频器可能接受的控制信号多达数十种，但每个拖动系统同时使用的输入控制端子并不多。为了节省接线端子和减小体积，变频器只提供一定数量的“可编程控制输入端”,也称为“多功能输入端子”。其具体功能虽然在出厂时也进行了设置，但并不固定，用户可以根据需要进行预置。常见的可编程功能如多档转速控制、多档加/减速时间控制、升速/降速控制等；例如，艾默生TD3000系列变频器的多功能输入端子有8个(X1～X8)。而可以预置的功能有33种；安川CIMR一G7A变频器的多功能输入端子有10个(S3～S12),而可以预置的功能多达78种。3、多档转速控制(1)输入控制端的“多档速”功能变频器可以设定若干档工作频率，其频率档次的切换是由外接的开关器件改变输入端子的状态和组合来实现的。例如，当端子S1、S2、S3被预置为多档转速的信号输入端时。通过继电器KA1、KA2、KA3的不同组合，可输入7档转速的信号，如图3-8(a)所示。转速档次与各输入端子状态之间的关系如图3-8(b)所示。输入端子状态速档1234567(3-8)(a)多档速控制图(图3-8)(b)端子状态与转速档次各档的工作频率(转速)究竟为多大，则根据需要进行预置。(2)多档转速的控制特点变频器在实现多档转速控制时，需要解决如下问题：一方面，变频器每个输出频率档次需要由三个输入端的状态来决定；另一方面，操作人员切换转速所用开关器件通常为按钮开关或触摸开关，每个档次只有一个触点。所以，必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态之间的变换问题，如图3-9所示。毕业设计说明书VKA1KA1EE违选择按钮违选择按钮(b)变频器电路图(图3-9)多档速控制特点针对这种情况，通过PLC来进行控制是比较方便的。3.2.5变频器容量选择选择变频器的容量一般应以KVA数为单位，但由于交流电动机的额定电压为某一固定值，相应的变频器开关元件的耐压值也就确定了，开关元件的工作电流就成为影响变频器容量的唯一参数，这样变频器容量的选择就可以转化为其电流的选择。实用中一般是根据电动机的电流情况来确定变频器的额定电流。在变频器的输入端，还需接入输入滤波器对变频器的输入信号进行滤波，以便调速过程能够平滑、稳定的进行。在本设计中，输入滤波器选用VW3-A58402。变频器所选型号见表3-3主要控制对象电动机功率变频器型号I/0扩展板型号数量调速吊杆ATV-58HD12N4VW3-A58202VW3-A584022(表3-1)其中，VW3-A58202是一种带有编码器输入卡的I/0扩展卡。3.2.6变频器的外配线路选择通过对变频器资料的查询，变频器的外配电路连接如下图3-10所示：图3-10变频器的外配电路——电动机。在本设计中采用图b)所示接线方式。3.2.7变频器的端子接线图1、与电动机的连线供电电源接电动机图3-11变频器功率端子接线图3-11为变频器功率端子接线图，L1、L2、L3为供电电源进线，U、V、W接电动机，在实际接线时还要注意制动电阻的选择。2、输入量的给定在本设计中，变频器的接线采用多档转速控制法。图3-12为调速吊杆(采用数字量控制)变频器控制端子接线图。LI1为正转给定，LI2为反转给定，LI3是为变频器的三个数字量速度控制端，通过继电器KA1、KA2、KA3的不同组合，可输入7档转速的信号，转速档次与各输入端子状态之间的关系可参见图3-8(b)所示。变频器故障信号通过KM1输出。编码器输出信号通过(A,A-,B,B-)输入变频器，实现速度闭环控制。编码器要用外部24VDC电源供电。图3-12变频器控制端子接线3.3电磁抱闸装置三相异步电动机切除电源后依靠惯性还要转动一段时间(或距离)才能停下毕业设计说明书来，而生产中起重机的吊钩或卷扬机的吊篮要求准确定位；万能铣床的主轴要求能迅速停下来；升降机在突然停电后需要安全保护和准确定位控制…等等。这些都需要对拖动的电动机进行制动，所谓制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转(或限制其转速)。制动的方法一般有两类：机械制动和电气制动。利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法叫机械制动。机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开),克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮.电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。1、电磁抱闸的结构：制动电磁铁由铁心、衔铁和线圈三部分组成。闸瓦制动器包括闸轮、闸瓦和弹簧等，闸轮与电动机装在同一根转轴上。电动机得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。断开开关或接触器，电动机失电，同时电磁抱闸线圈也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。2、电磁抱闸机构的连线：线1243图3-13变频器控制端子接线其中KM1,KM2为控制电机正反转的线圈。电磁抱闸制动的特点优点：电磁抱闸制动，制动力强，广泛应用在起重设备上。它安全可靠，不会因突然断电而发生事故。毕业设计说明书缺点：电磁抱闸体积较大，制动器磨损严重，快速制动时会产生振动。3.4编码器的工作原理绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。。。。。。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。3.4.2增量脉冲编码器(旋转型)由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差 (相对于一个周波为360度),将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN)推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-,B、B-,Z、Z-连接，由于带有对称负信号电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。毕业设计说明书是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器每转输出600(我们用老板没有说)个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A相、B相、Z)。电源的工作电压为(+5～+24V)直流电源。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。工作原理：当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转.Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转3.4.4编码器的连线十十A一号编码器图3-14变频器控制端子接线其中A为速度值输出，反馈给PLC的DI模块3.4.5编码器选型编码器选型和数量如表3-2所示：主要控制对象电动机功率电动机数量编码器型号编码器数量毕业设计说明书定速吊杆2E6B2-CWZ6C2(表3-2)共用到2个编码器，其中每个用变频器控制的被控对象要用2个编码器，1路输出信号给变频器，1路输出信号给PLC。实时的将被控对象的速度和位置信号反馈给上位控制系，以达到检测和控制作用。3.5断路器空气断路器俗称自动开关(空气开关即空开)或低压断路器。它是一种自动切断电路故障用的保护电器。它可以在电动机主回路同时实现短路、过载和欠电压的保护。功能上相当于刀开关、熔断器、热继电器、和欠电压继电器的组合作用。断路器一般使用在非频繁的接通和断开电源的场合。开关全部封装在盒内，手柄或操作按钮漏出盒外。扳动手柄或按下按钮即可实现“分”与“合”的操作。断路器种类很多，外形各异。断路器操作大多是手动式的。扳动式可将手柄扳到“分”与“合”的位置；按钮式一般有“分”与“合”两个按钮，并且与机械上实现互锁。断路器的价格较高，在设计电路时，若无必要，可选用闸刀开关和熔断器的组合来代替。断路器的选用应考虑以下内容：1、按照不同用途需要选用保护型式(即断路器的脱扣器形式).2、开关额定电流的选用：1)壳架额定电流是指主触头长期允许通过的电流，其值应大于或等于电路实际工作电流。2)塑料外壳式断路器用作配电支路负载端或电动机的保护开关，具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、使用安全，适合于独立安装等优点。其操作多为扳动式或按钮式。大容量的塑料外壳式断路器可增设欠电压脱扣器、分励脱扣器和电动机传动操作机构等。塑料外壳式断路器常用来作电动机的过载与短路保护，其选用原则是：断路器额定工作电压等于或大于电路额定电压；断路器额定电流等于或大于电路计算负载电流；断路器额定短路通断能力等于或大于电路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算；断路器欠电压脱扣器额定电压等于电路额定电压；断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压；长延时电流整定值等于电动机额定电流。塑料外壳式断路器品牌种类繁多国产典型型号为DZ20,它有四种性能形式，以Y型为基本型称为一般型。C型(经济型)、J型(较高型)和G型(高通断能力型)断路器是Y型的派生产品。在本设计中，根据舞台机械吊杆的实际需要，所毕业设计说明书选用低压断路器为DZ系列DZ20-100,其额定工作电压为380V,壳架等级电流为3.6接触器接触器是一种适用于低压配电系统中远距离控制、频繁操作交、直流主电路及大容量控制电路的自动控制开关器件。主要应用于自动控制交、直流电动机，电热设备，电容器组等设备应用十分广泛。接触器具有强大的执行机构，大容量的主触头及迅速熄灭电弧的能力。当系统发生故障时，应根据故障检测原件所给出的动作信号，迅速、可靠的切断电源，并有低压释放功能。与保护电器组合可构成各种电磁起动器，用于电机的保护及控制。接触器的分类有几种不同方式，如按操作方式分，有电磁继电器、气动接触器和电磁气动接触器；按灭弧介质分，有空气电磁式接触器、油浸式接触器和真空接触器等；按主触头控制的电流分，有交流接触器、直流接触器、切换电容接触器等。其中应用最广泛的时空气电磁式交流接触器和空气电磁式直流接触器，习惯上简称为交流接触器和直流接触器。接触器由磁系统、触头系统、灭弧系统、释放弹簧机构、辅助触头及基座等几部分构成。接触器的选用主要是选择型式、主电路参数、控制电路参数和辅助电路参数，以及按电寿命、适用类别和工作制选用，另外需要考虑负载条件的影响。1、形式的确定形式的确定主要是确定极数和电流种类，电流种类由系统主电流种类确定三相交流电路中一般选用三极接触器。一般场合下选用空气电磁式接触器；易燃易爆场合下应选用防爆型及真空接触器等。2、主电路参数的确定主电路参数的确定主要是额定工作电压、额定工作电流(或额定控制功率)、额定通断能力和耐受过载电流能力。接触器可以在不同的额定工作电压和额定工作电流下工作。但在任何情况下所选定的额定工作电压都不能高于接触器的额定绝缘电压，所选定的额定工作电流(或额定控制功率)也不得高于接触器在相应工作条件下的额定工作电流(或额定控制功率)。接触器的额定通断能力应高于通断时电路中实际可能出现的电流值。耐受过载电流能力也应高于电路中可能出现的工作过载电流值。电路中的这些数据都可通过不同的使用类别及工作制来反映，当按使用类别和工作制选用接触器时实际上已考虑了通断能力和过载电流能力。3、控制电路参数和辅助电路参数的确定接触器的线圈电压应按选定的控制电路电压确定。接触器和辅助触头种类和一般应根据系统控制要求确定所需辅助触头种类(常开或常闭)、数量和组合形式，同时还应注意辅助触头的通断能力和其他额定参数4、电寿命和使用类别的选用接触器的电寿命参数一般由制造厂给出。根据以上对接触器选用规则的分析，结合本设计在实际中的应用，接触器选用CJ20-40型接触器。3.7熔断器熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分段电路的电器，也可以说它是一种利用热效应原理工作的电流保护器件。广泛应用于低压配电系统及用电设备中做短路和过电流保护，是电工技术中应用最普遍的保护器件之一。熔断器串于被保护电路中，能在电路中发生短路或严重过电流是快速自动熔断，从而切断电路电源，起到保护作用。熔断器互相配合或与其他开关电器的保护特性配合，在一定短路电流范围内可满足选择性保护要求。熔断器与其他开关电器组合构成各种熔断组合器件，如熔断器式隔离器、熔断器式刀开关、隔离器熔断器组和负荷开关等。熔断器的主要参数有额定电压、额定电流、额定分段电流等，当有上下级熔断器选择性配合要求时应考虑过电流选择比。选用时，首先应根据实际使用条件确定熔断器的类型，包括合适的使用类别和分段范围，在保证使熔断器的最大分段电流大于线路中可能出现的峰值短路电流有效值的前提下，选定熔断体的额定电流。同时应使熔断器的额定电压不应低于线路额定电压。但当熔断器用于直流电路时，应注意制造商提供的制造数据。一般全范围熔断器(g类熔断器)兼有过电流保护功能主要用于做配电主干线路及电缆、母线等的短路保护和过电流保护；而部分范围熔断器(a类熔断器)的作用主要用于照明电路和电动机等设备的短路保护。由于低倍过电流不能使这种熔断器动作，故在使用时应另外配用热继电器等过电流保护元件。用于保护电机的熔断器，应按电动机的启动电流倍数考虑躲过电动机启动电流的影响，一般选熔断体额定电流Ife为电动机额定电流Ime的(1.5～3.5)倍。对于不经常启动或启动时间不长的电动机，选较小倍数；对于频繁启动的电动机较大倍数。根据实际电动机启动电流的计算，在本设计中，熔断器选用RT20-000-80。由于变频器具有短路电流的自保护功能，故在本设计中控制调速吊杆的电动机保护电路中不需要安装熔断器。3.8热继电器热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，具有电动机容许过载相近的反时限动作特性，主要与接触配合使用，用于对三相异步电动机的过电流和断相保护。三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流(过载或断相)现象，但只要过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许温升，这种过电流是允许的，如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加速电机绝缘老化，甚至烧坏电动机。因此在电动机回路中应设置电动机保护装置，常用的电动机保护装置种类很多，但使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式热继电器均为三相式，并有带断相保护和不带断相保护两种。选用热继电器时应根据使用条件、工作环境、电动机的形式及其运行条件及要求，电机启动情况及负荷情况等几个方面综合加以考虑，必要时应进行合理计算。在本设计中，根据实际需要，热继电器选用JR20-10型第四章下位软件设计4.1S7-300PLC的寻址及指令系统的寻址(地址分配)1、基于槽编址的寻址基于槽位编址的寻址为默认设置。机架号为0～3,0号机架为CPU机架，其机架上的槽号为1～11,槽号1放置电源模块(PS),槽号2放置CPU模块(CPU),槽号3放置接口模块(IM),槽号4～11放置其它模块每个槽分配4个字节数字量地址(共32位)和16字节的模拟量2、用户定义寻址使用用户定义寻址可以从CPU控制的地址区域中自由分配任何所选则模块的地址。应注意，只有某些型号的CPU支持用户定义寻址。3、信号模块寻址(1)数字量输入：b)I+B+字节地址(0、1、2…)c)I+W+字的低字节地址(0、2、4...)如I0.0,IB0,IWO(字地址为0、2、4、….偶数地址，即IWO由IB0和IB1(2)数字量输出：b)Q+B+字节地址c)Q+W+字地址.偶数字节地址)等。(3)模拟量输入：I+W+字地址如IW256(字地址为偶数字节地址)(4)模拟量输出：Q+W+字地址如QW288(字地址为偶数字节地址)。4、位(状态)存储区寻址依CPU型号，存储器大小为128～2048B不等，支持位寻址、字节寻址、字寻址和双字寻址。(字地址为偶数地址0、2、4…,双字地址为0、4、8…)等。5、定时、计数器存储区寻址依CPU型号，可有64～256个定时器，32～256个计数器。定时器标识符为T,计数器标识符为C。如：T0,CO等。4.1.2S7-300PLC编程语言及指令系统S7-300使用STEP7软件编程，STEP7是S7-300/400PL是在STEP5编程语言基础上发展起来的，其指令功能非常丰富。标准STEP7软件包提供的编程语言有梯形图(LAD)、功能图(FBD)以及指令表(STL)。各语言中的部分指令在STEP7中可互相转换。此外，可选编程语言软件还支持顺序功能图(Graph)、结构文本(ST)、连续功能图(CFC,仅S7-400PLC支持)等。指令是程序的最小单位，指令的有序排列就构成用户程序。(1)位逻辑指令〈常用部分〉或状态非)、=(0UT,输出)、NOT(取反)、A((程序行与)、0((程序行或)其功能及用法与FP1对应指令相同，梯形图程序也与FP1相同，但指令语句程序略有不同，按先“与”后“或”的次序运算。(2)定时/计数指令(常用部分)a)接通延时定时器(S_ODT)S—启动端R—复位端TV—定时时间(1~9990s)Q—输出端b)加减计数器(S_CUD)工作过程与FP1的计数器类似，设定值为0~999。CD、CU—计数端S—计数设置端PV—计数设定值R—复位端Q—输出端毕业设计说明书CV—16进制当前值CV_BCD—BCD码当前值。计数当前值不为零时，计数器状态输出为1(0N),否则为0(OFF)。当计数设置端S为1时，将计数设定值(PV端规定)送如计数器。然后，计数端每接通一次，计数值加或减1。当计数值为0时，计数器状态输出由1(0N)变为0(OFF)。当复位端(R端)为1(ON)时，计数器复位。(3)装入指令与传送指令A)装入指令(L)装入指令L将源操作数装入累加器1中，累加器1中的原有数据移入累加器a)传送指令(T)传送指令T将累加器1中的内容传送至目的存储器中，累加器1的内容不变。b)梯形图中的传送指令(MOVE)(4)比较指令比较指令用于比较累加器1与累加器2中的数据大小，被比较的两个数的数据类型应相同。数据类型可以是整数(I)、双字整数(D)或浮点数(R、即实数)如果比较条件满足，则ROL为1,否则为0。比较条件包括==、<>、>、<、>=、<=。CPU状态寄存器中的CCO和CC1位用来表示两个数的大于、小于和等于关系(00相等、01为小于、10为大于)。(5)运算指令a)整数运算指令单字加、减、乘、除指令：+I、-I、*I、/I双字加、减、乘、除指令b)浮点数加、减、乘、除指令(6)移位指令包括单字左、右移位、双字左、右移位，循环左、右移位，用法与其它PLC类似。(7)字逻辑运算指令(8)跳转指令包括无条件跳转(JU)、条件跳转(JC、JNC)、等于0跳转(JZ)、不等于大于等于0跳转(JPZ)、毕业设计说明书小于等于0跳转(JMZ)等。4.2S7-300PLC编程4.2.1STEP7组态与编程软件简介1、STEP7的硬件接口要求方式1:使用PC/MPI适配器，实现计算机的RS232口与PLC的MPI口的连接。方式2:在计算机上配置专用通信接口卡，如CP5611等，接口卡上提供MPI/PROFIBUS-DP接口，从而实现计算机与PLC的连接。方式3:在PLC上配置以太网通信模块，如CP343等，通过以太网交换机实现计算机与PLC之间的连接。2、STEP7的硬件组态硬件组态包括系统组态、CPU参数设置及模块参数设置等。a)系统组态：从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插b)CPU的参数设置：可以设置CPU模块的多种属性。如启动特性、扫描监视时间等。c)模块的参数设置：可以对各模块的可调参数进行设置。4.2.2硬件组态与参数设置1、项目的创建使用SIMATICManager(项目管理器)中的新项目向导(STEP7Wizart:NEWProject)来创建新项目。包括CPU模块型号选择、需要生成的逻辑块(至少要生成作为主程序的组织块OB1)、项目名称等。2、项目的分层结构在项目中，所有的组态数据及程序均在分层结构中以对象的形式保存。第一层为项目，第二层为站(Station),站是硬件组态的起点。S7Program中包含：源文件(Soure)、块(Block)和符号表(Symbols)。用户编写的各种程序以块的形式存储在块对象内。“S7Program”文件夹是编写程序的起点。3、项目创建的具体步骤(1)创建一个新的项目点击STEP7程序运行画面中的“file”菜单选项，选择“new”选项，弹出以下画面，在“name”里面输入项目名称ZHY,“type”类型选project,即建立一个新项目ZHY。WIRWjotignsWindovwHelpUsexprojects|Libraries]Multiprojectsl