舞台灯光论文

舞台灯光论文 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 无锡太湖学院 毕业(论文) LC 题目: 舞台灯光云台的P 专业 学 号: 0922114 学生姓名: 宗 笑 指导教师:(职称: ) 2012年5月25日 I 无锡太湖学院学士学位论文 无锡太湖学院本科毕业设计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)舞台灯光云台PLC姿态控制与实现是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其 级: 学 号: 作者姓名: 月 II 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 无锡太湖学院 信 机 系 计算机科学与技术 专业 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 一、题目及专题: 1、题目 2、专题二、课题来源及选题依据 本课题源于歌舞厅或舞台摇头灯光的变幻控制，对灯光摇头(云台)的主轴左右旋转和仰角方向控制，实现X-Y轴的双向360?球面投射。 本课题研究舞台灯光摇头(云台)的姿态控制，利用2路步进电机与PLC结合，利用BCD码盘参数，选择工作状态和组合关系，改变步进电机速度和方向，对灯头任意旋转，达到灯光投射方向变幻目的。在云台旋转控制应用领域，对机械传动轨迹设计和控制器选择有两类办法:1.利用步进电机与单片计算机作控制器方式;2.利用步进电机与PLC结合的方式。由于步进电机是开环控制，用单片机开发可以降低成本，控制比较灵活，但对编程能力要求高，还要求制PCB版和焊接，调试难度大，开发周期长。用PLC解决虽然成本比较高，但系统可靠、编程简单、开发周期短，在不需要动态特性高的场合，采用步进电机+PLC构成 的控制系统是一种不错的选择。 设计参数:2相步进电机、电机转矩1.0Nm，配套步进电机驱动器， FX2n-8MT或类似PLC，驱动电源、BCD码盘、控制键、接近开关等构成主系 III 无锡太湖学院学士学位论文 统。 三、本设计(论文或其他)应达到的要求: ? 熟悉舞台灯光旋转云台的工作原理; ?选择合适的三菱FX2n-MT系列PLC指令系统与编程方法; ? 熟悉步进电机的工作原理和驱动方式; ? 掌握光电传感器、接近开关的工作原理与选型; ?完成系统设计与软件编程; ? 掌握Protel绘图软件包，完成电子版绘制的电路图; 四、接受任务学生: 姓名 五、开始及完成日期: 自2011年11月7日 至2012年5月25日 六、设计(论文)指导(或顾问): 指导教师签名 签名 签名 教研室主任 〔学科组组长研究所所长〕 签名 2011年11月7日 IV 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 摘要 随着科技的发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。PLC的一般特点:抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC总的发展趋势是:高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。 关键词 PLC 舞台灯 控制系统 步进电机 V 无锡太湖学院学士学位论文 Abstract With the development of science and technology, both in daily life, or in the development of industry and agriculture, PLC has a wide application. The general features of PLC: strong anti-interference ability, high reliability, simple programming and convenient, easy to use, easy maintenance, design, construction, commissioning period is short, easy to realize mechatronics. PLC is the general development trend: high function, high speed, high integration, high capacity, small volume, low cost, strong ability of communication network. This paper discussed in detail the stage lighting head (PTZ) attitude control, using 2 step motor combined with PLC, using the BCD encoder parameters, selection of work state and the combination mode, change the stepper motor speed and direction of rotation of the cap, arbitrary, changeable and to reach the purpose of the projection direction of the light. This paper introduces the working principle of the control system, the hardware of the system consists of the description, selection of hardware make a detailed explanation. Combined with the characteristics of PLC, the reasonable planning of the work process of the control system, and according to the program of ladder diagram system process preparation. The application of PLC to the design stage lights attitude control can give full play to the reliability and anti-jamming of PLC. The stage lights have been greatly improved in the stability, economy and maintenance. Keywords PLC stage lighting control system stepping motor VI 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 目录 摘 要 .................................................................................................................................... .......................... V Abstract ........................................................................................................................... ......................... VI 目 录 .................................................................................................................................... ............... VII 第1章绪 论 .................................................................................................................................... .......................1 1.1 舞台灯光云台的研究课题背景与意 义 ................................................................................................1 1.2 舞台灯光的历史发展概 况 ....................................................................................................................1 1.2.1 国外历史发展概 况 .....................................................................................................................1 1.2.1 国GX-Developer 程软件的界 面 .............................................................................................22 4.5.3梯形图程序设 计 ........................................................................................................................24 VII 无锡太湖学院学士学位论文 第5章结论与展 望 ............................................................................................................................................ 27 5(1结论 ................................................................................................................................................... 27 谢 辞 .................................................................................................................................................. 28 参考文 献 .................................................................................................................................................... 29 附件:电路 图 ............................................................................................................................................ 30 VIII 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 第1章绪论 1.1 舞台灯光云台的研究课题背景与意义 随着技术的不断进步，计算机控制灯光系统的优势已影响到艺术的各个层面。舞台灯光是戏剧演出不可分割的一个组成部分，舞台灯光的发展，是随着戏剧艺术的发展、剧场建筑和科学技术的发展而不断发展的。 近年来，随着与舞台灯光有关的电子技术、光学技术、自动化技术及新型材料、新工艺等方面的发展，也直接推进了舞台灯光技术的发展。主要现在两个方面:一是为多样化演出的自由多变空间创造了各种灵活多变的照明条件;二是在加强光的可控与可塑性方面，努力向自动化、网络化等方面发展。自从卤钨灯出现后，舞台常用的照明灯具90%被卤钨光源所代替，这使得剧场最基本的照明灯种类无论在光效、显色、寿命、体积等方面都得到了显著改善。 随着科技的发展，各种高光效、长寿命的气体放电灯不断问世，并很快运用于舞台灯光照明。同时舞台照明灯具在光源革新和新光学、新材料、新工艺的综合设计中，不仅提高了光效，缩小了灯体，减轻了重量，增加了品种，更重要的是灯具的控制性能大大提高。如目前出现的高强度的各种灯具，有的甚至达到百米以外射距，还出现了运用高科技电脑控制的电脑灯。这些智能化灯具可以快速换色，选择图案、调光以及灯体或平面反光镜的自由转动而改变射角等多种功能。 在调光方面，可控硅调光器的出现替代了长期使用的电阻器(节光器)变压器。舞台调光由直接控制强电而转向由弱电控制强电。随着演出多样化的要求，调光设备的控制形式也变得多种多样，特别是计算机引进舞台灯光控制系统，它不仅在安全可靠、快速多样、操作简化、存储量大等方面给管理人员带来很大的方便，更重要的是最大限度地满足了艺术照明的要求。 1.2 舞台灯光的历史发展概况 1.2.1 国外历史发展概况 16世纪欧洲如在室外夜间演出，则用浸过树脂的绳子制成篝灯作为光源。15,16世纪间，意大利布景师进行了色光照明的试验。17世纪初意大利人在演出中做过控制灯光骤暗的各种试验。而法国古典主义演出中也做过如何表现一昼夜时间变化的尝试。18世纪以来，演出时熄灭观众席场灯、只留舞台灯光，已形成惯例。1755年德累斯顿剧院演出歌剧《耶奥》时，舞台上点燃蜡烛达8000枝之多。19世纪以来，光源变化迅速。1808年伦敦兰心剧场首先用上了煤气灯。因为煤气灯可以利用管道统一控制并可有明暗变化从而得以推广。英国人H.德拉蒙特发明了石灰灯，在舞台上能产生类似日光或月光的光色。1870年英 1 无锡太湖学院学士学位论文 国使用了石灰灯作为追光，后又以油漆涂在石灰灯的玻璃罩上获得色光效应。1846年巴黎歌剧院第一次使用电弧光源，后又利用电弧光制作出彩色丝绸滤光片并创造了用5个连续的灯光变化来表现从日落至日出全过程的舞台形象。20世纪初，钨丝灯泡问世后，为舞台提供了发光集中的聚光灯，并为表现舞台空间、创造舞台气氛提供了有利条件。调光器的发明，灯光系统的统一管理以及滤色片的使用，都加强了舞台灯光的表现力。1920年意大利人M.佛尔吐尼设计了一种柔光光线反射系统，利用从丝织品上反射出来的电弧光源来摹拟自然界的光色表现天空的幻觉。 据文字记载，1102年后，中国北宋的汴梁，每逢元宵节都演出“百戏”，看台楼下用坊木垒成舞台，台两旁的垛楼上各挂灯球一枚，大有丈余， 因此，要选择步进电机和驱动器、BCD码盘等，要掌握步进电机的工作原理和驱动方式。给出系统组成结构，设计系统电气原理图， PLC编程指令和通信，用Protel绘制电子板的系统原理图。在设计时，给予充分的思考和周密的设计布置。最终完成设计论文。 2 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 第2章设计 2.1 工作原理与方案选择 舞台灯光控制系统的要求后，我们开始时制定了三个方案: ? 利用工控机实现; ? 利用单片机实现; ? 利用PLC控制; 首先，若使用工控机，它具有功能强、可靠性好的优点。工控机的运算功能比较强，稳定性也很强，它对环境的要求比较低，在完成某些具体的功能时，都有现成的模块能够使用。但由于它价格贵，用户承受有困难，并且在这个系统中有点大材小用，所以把它否定了。 单片机是一种集成电路芯片，单片机系统一般是根据具体的控制要求，通过专业人员设计，以印刷电路板(PCB)为基础，将单片机和其它芯片、器件等组合在一起，设计并固化相应的软件，最终构成的控制系统。再有单片机运算功能不强，也没有那么多的功能模块可提供使用，所以把它否定了。 PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的基本结构包括:电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。所以PLC功能完善、使用方便、抗干扰能力和可靠性能力都强。故选用PLC控制。 2.2 舞台灯摇头分析 -2所示。 舞台灯机械结构如图2 图2-2-1 摇头灯的机械结构示意图 在底座的Z 轴电机驱动灯架在水平方向转动,安装在灯架上的Y轴电机驱动灯体在垂直方向转动，这样通过恰当控制Z轴和Y 轴电机的位置、速度，灯光可以在一个半球面 3 无锡太湖学院学士学位论文 实现任意轨迹[1]。实物图如图2-2-2所示。 图2-2-2 舞台灯实物图 2.3系统硬件分析 2.3.1 系统硬件框图 由机械结构可知，通过三菱FX2n-32MT对2路步进电机进行控制，从而实现舞台摇头灯的各部分按照一定组合进行旋转运动，达到灯光投射方向的变幻目的。系统硬件框图如图2-3-1所示。 4 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 图2-3-1系统硬件框图 该控制电路包含PLC、BCD拨码盘、步进电机、驱动芯片等，通过PLC和步进电机的组合控制电机转动，然后带动机械部分灯光旋转达到柔性调整灯光的变幻目的。 工作原理 通过三菱FX2n-32MT对2路高精度步进电机进行控制，通过输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动芯片驱动步进电机，从而驱动摇 头灯的各部分按照一定组合进行旋转，达到柔性调整灯光的变幻目的。 2.3.2 三菱FX2n简介 FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2n系列具备如下特点:最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 ? 控制规模:16~256点。 ? 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。 ? CPU运算处理速度0.08μS/基本指令。 ? 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。 ? 基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能(晶体管输出型) 。 ? 快速断开端子块，其采用优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。 ? 时钟功能和小时表功能，所有的FX2N PLC中都有实时时钟标准。 ? 持续扫描功能，为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。 ? 输入滤波器调节功能，可以用输入滤波器平整输入信号(在基本单元中x000到x017)。 ? 注解记录功能，元件注解可以记录在程序寄存器中。 ? 在线程序编辑，在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。 5 无锡太湖学院学士学位论文 ? RUN/STOP 开关，面板上运行/停止开关易于操作。 ? 远程维护，远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 ? 密码保护，使用一个八位数字密码保护您的程序。 2.3.3 步进电机简介 (1) 什么是步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 (2) 步进电机的特点 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 (3) 步进电机的工作原理 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下: 1) 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。 2) 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3) 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 (4)步进电机的分类 常见的步进电机分为三种:永磁式(PW)、反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积比较小，步进角一般为7.5?或15?;反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5?，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代就已淘汰;混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般为1.8?，五相步进角一般为0.72?这种步进电机的应用最为广泛。在本设计中可选用两相混合式步进角为1.8?的步进电机。 6 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 第3章PLC的介绍和使用 3.1 PLC的概述 可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。 3.2 PLC的由来 早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并从用户角度提出了招标研制新一代工业控制器(可编程序逻辑控制器)的十条要求，即: 1、编程方便，现场可修改程序，可迅速重新设计; 2、可靠性高于继电器控制装置，对环境的适应性高; 3、维修简单，采用模块化结构; 4、体积小于继电器控制装置，能量消耗小; 5、能与中央处理系统进行通信，以便监视系统运行状态和情况; 6、系统能接受按钮及限位开关的信号流; 7、输出信号能直接驱动电动机起动器及电磁阀线圈; 8、在扩展时，原系统只要很小变更，并在很短时间内变更完毕; 、成本可与继电器控制系统竞争; 9 10、用户程序存储器容量至少能扩展到4000个存储字节或存储单元。 这就是著名的GM10条， 1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美 7 无锡太湖学院学士学位论文 国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。 3.3 PLC的定义 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer) 的简称混淆， 所以将可编程控制器简称PLC。 可编程控制器一直在迅速发展中，因此到目前为止，尚未对其下最后的定义。国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的如下定义: “可编程控制器是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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系 统联 成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其 软件需根据控制要求进行设计编制。 3.4 PLC的工作原理和过程 PLC虽然以微处理器为核心，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同，危机一般采用等待命令和中断的工作方式，而PLC则是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直到程序结束，然后重返回第一条指令，开始下一轮扫描。每次完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作，如此周而复始。 PLC工作过程大体分三个阶段:输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。 输入刷新阶段 PLC在此阶段首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其存入内存中各对应的输入状态映像寄存器中，这一过程称为输入刷新。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，在程序执行阶段，即使输入 8 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 端状态有变化，输入状态映像寄存器中的内容也不发生变化。变化了的输入信号状态只能在下一周期的输入刷新阶段被读入。 程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条命令，所需的执行条件可以从输入映像寄存器中和元件状态寄存器中读入，经过相应的运算处理后，将结果再写入元件映像寄存器中，因此对于每一个元件来说，元件映像寄存器中所存的内容会随着程序的执行进程而改变。 输出刷新阶段 当程序所有指令执行完毕，输出状态映像寄存器的通断状态在CPU的控制之下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式，推动外部相应执行元件工作。 3.5 PLC的结构 PLC是以微处理器为核心的电子系统，索然厂家品种繁多，功能和指令系统存在差异，但其结构和工作原理大同小异，它一般由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出接口、电源、I/O扩展接口、外部设备接口、编程器等几个主要部分构成。 一、中央处理单元CPU CPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC运算和控制的中心，主要任务是 1、诊断电源，内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 2、用扫描的方式采集由现场输入装置送来的数据和状态，并存入寄存器中。 3、运行状态时，按用户程序中存放的先后顺序逐条读取指令，经编译后，按指令规定的任务完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据，并更新所有标志位的状态和输出映像寄存器的内容。 4、将存于数据寄存器中的数据处理结果和输出映像寄存器的内容送至输出电路。 5、按照PLC中系统程序所赋予的功能按接收并存储从编程器输入的用户程序 和数据，响应各种外部设备的工作请求。 二、存储器 PLC内部存储器有两类: 一类是系统程序存储器，用以存放系统程序(包括系统管理程序、监控程序、模块化应用功能子程序以及对用户程序做编译处理的编译解释程序等)。 一类是用户存储器，包括用户存储区及工作数据存储区。其中用户程序存储区主要存放用户已编制好或正在调试的应用程序;工作数据存储区则包括存储各种输入端状态采样结果和各输出状态运算结果的输入/输出映像寄存器区、定时器/计数器的设定值和经过值存储区、各种内部编程元件状态及特殊标志位存储区，存放暂存数据和中间运算结果的数据寄存器区等等。 三、输入/输出接口 9 无锡太湖学院学士学位论文 输入/输出接口是将PLC与现场各种输入、输出设备连接起来的部件。 输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备(如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等)的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 输出接口则相反，它将CPU处理过的输出数字信号传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯等输出设备获得或是去工作所需的电压或电流。 四、电源 PLC的电源是指将外部输入的交流经过整流、滤波、稳压等处理后转换为满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源模块。输入、输出接口电路的电源彼此相互独立，以避免或减小电源间的干扰。 现在许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，这种电源稳压性能好、抗干扰能力强，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且可以为输入设备或输出设备的传感器提供标准电源。 五、编程器 编程器是人与PLC联系和对话的工具，是PLC最重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入，读出、检查、修改、调试用户程序，也可以用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的参数设置。 六、I/O扩展接口 若主机(基本单元)的I/O接口不能满足 输入输出设备点数需要时，可以通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与基本单元相连，以增加I/O点数。 七、外部设备接口 外部设备接口可将编程器、上位计算机、图形监控系统、打印机、条码判读器等外部设备与主机CPU连接，以完成相应操作。 10 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 第4章主要硬件选型 4.1 PLC的选择 在选择PLC的时候，应该仔细的分析工艺过程，控制要求，明确控制任务和范围，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，所需存储器的容量，确定PLC的功能，外部设备特性等，然后综合分析后选择性价比较高的PLC，详细的说应该 注意一下几点: 一、输入输出(I/O)点数的估算 I/O点数估算应该考虑适当的余量，通常情况下要根据输入输出的点数，再加 10%~20%的可扩展余量，作为输入输出点数估算数据，实际订货时还需要根据制造PLC 厂商产品的特点，对输入输出点数进行确定。 二、存储器容量的估算 存储器容量是可编程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的容量，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，需要在程序调试才能知道。 为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常用存 存储器内存容量的估算大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数，外加25%的余量。 三、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性能的选择。根据本课题所设计的自动门控制系统的要求，主要介绍一下几种功能的选择。 (1)运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算，计时和计数功能;普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算，数据传输等;大型PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或者上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应该从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传输和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等，要显示数据时需要译码编码等运算。 (2)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要的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。 (3)通信功能 大中型PLC系统支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP),需要时应该能与工 11 无锡太湖学院学士学位论文 厂管理网(TCP/IP)相连接，通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS2232C/422A/423/485)、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等;大中型PLC通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗 配置,通信总线应符合国际标准,通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中,上级的网络通信速率应大于1Mbps,通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式:1)PC为主站,多台同型号 ,组成简易PLC网络;2)1台PLC为主站,其他同型号PLC为从站,构PLC为从站 成主从式PLC网络;3)PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网;4)专用PLC网络(各厂商的专用PLC通信网络)。 为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应该选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。 (4)编程功能 离线编程方式:PLC和编程器共用一个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。 五种标准化变成语言:顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语言表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言变成方式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 (5)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。 (6)处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看,处理速度应越快越好,如果信号持续时间小于扫描时间,则PLC将扫描不到该信号,造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前,PLC接点的响应快、速度高,每条二进制指令执行时间约0.2,0.4Ls,因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期)应满足:小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。 四、机型的选择 (1)PLC的类型 12 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 PLC按结构分为整体型和模块型两类型，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/0点数固定， 因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/0卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置系统控制的I/0点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。[6] (2)经济的考虑 LC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展 选择P 性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。点当数增加到一数值后，相应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对PLC选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的系统属于小型控制系统，结合经济性的考虑因此选用整体型PLC。 三菱FX2n系列PLC为小型高功能PLC。型号FX2n-32MT，如图5-1所示。 图4-1 FX2n-32MT实物 13 无锡太湖学院学士学位论文 14 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 4.2步进电机的选择 4.2(1步进电机的简介 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响， 即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号， 步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 步进电机是机械结构中最重要的部分，起着“四肢”的作用。它是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。它具有快速启动和停止的能力，当负荷不超过步进电机提供的动态转矩值时，它就可能在瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速仅与脉冲频率有关，每转一周有固定的步数，并且可控制运转方向和运转速度。因此，其快速启动、精确步进、能直接接收数字量 而不必进行模数转换以及体积小的特点，用于电脑灯的通道定位是十分合适的。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的， 15 无锡太湖学院学士学位论文 即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 4.2.1选择步进电机的条件 步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确 定，步进电机的型号便确定下来了。 1、 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机)等。 2、 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3倍 P=2πnM/60 其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单 位为牛顿?米P=2πfM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数(简称PPS)。 根据本课题的研究内容，我们选择众为兴公司的43BYG系列二相步进电机及配套驱 动器，电机型号:56BYGH630A。 技术规格: 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力由于日常生活中，人们最熟悉的数制是十进制，因此专门规定了一种二进制的十进制 16 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 码，称为BCD码，它是一种以二进制表示的十进制数码。 二进制编码的十进制数，简称BCD码(Binarycoded Decimal)。这种方法是用4位二进制码的组合代表十进制数的0，1，2，3，4，5，6 ，7，8，9 十个数符。4位二进制数码有16种组合，原则上可任选其中的10种作为代码，分别代表十进制中的0，1，2， 3，4，5，6，7，8，9 这十个数符。最常用的BCD码称为8421BCD码，8.4.2.1 分别是4位二进数的位取值。 1.BCD拨码盘的构造 BCD拨码盘的构造如图4-3所示。 图4-3-1 BCD拨码盘阵列的构造 它由处于前面板的拨码盘和处于后侧板的接线端组成。拨码盘由上下两个拨盘按钮和夹在按钮中间的拨位数码指示器组成。拨位数码指示器是可随拨盘的拨动进行转动0,9十个数字,用以显示拨码盘当前数值。上面的拨码按钮为增量按钮,每按下一次,拨码盘正相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值加1,连续按十次,数据将被还原;下面的拨码按钮为减量按钮,每按下一次,拨码盘反相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值减1。接线端向外引出标有8、4、2、1、A的五个引脚。在实际应用中,BCD拨码盘可以直接插入BCD拨码盘插座中使用,也可以采取从5个引脚上分别焊接引线的方式使用。 BCD拨码盘的接线端是当前拨码盘位置的反映,拨码盘数码显示的数值直接影响8、4、2、1四个引脚与公共引脚A的导通状态,例如,当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为7时,图1中的4、2、1引脚均与A导通,8引脚与A不导通;当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为4时,仅有4引脚与A导通,其余三个引脚与A均不导通。拨码盘从0拨到9,A引脚与8、4、2、1四个引脚的导通的状态如表4-3所示。此表中的0表示输入控制线A与输出线不通,表中的1表示输入控制线A与输出线相通。 表4-3 BCD拨码盘状态表 17 无锡太湖学院学士学位论文 从表中可以看出,8、4、2、1四个端子与A是否导通所对应的数值与其BCD码完全一致。 2.BCD拔码盘的接口方法 实际应用BCD拨码盘时,如果A端接高电平,8、4、2、1引脚需要经下拉电阻拉低,这样,这四个引脚不与A接通时为低电平,与A接通时为高电平。从8、4、2、 4、1引脚上读到的数值即为拨码盘输入对应的BCD码。如果A端接低电平,8、2、1引脚需经上拉电阻拉高,这样,这四个引脚不与A接通时为高电平,与A接通时为低电平。从8、4、2、1引脚上读取数据并取反后,才能得到与拨码盘输入对应的BCD码。接口方法如图4-3-2所示。 图4-3-2 BCD接口方法 4.4步进电机的驱动 4.4.1 步进电机工作原理 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个 18 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用.步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。其工作原理如下: 设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐。然后在A相继续通电的情况下 接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。即转子顺时针转过了15?。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐，转子从图 (b)的位置又转过了15?。这样，如果按A?A、B?B?B、C?C?C、A?A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15?。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A?A、C?C?C、B?B?B、A?A…的顺序通电，则电机转 子逆时针方向转动。 图6-1 步进电机工作原理图 19 无锡太湖学院学士学位论文 4.4.2 步进电机的控制 步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。 图4-4-2所示的是一个步进电机的驱动电路，Y6为脉冲信号，可控制步进电机的转数，Y5为方向信号，可控制电机的转向。 图4-4-2:步进电机驱动电路 4.4.3可编程控制器(PLC)程序 程序如图4-4-3所示。程序中，C235为高速计数器单元，用来存放总圈数值;C112为计数单元，存放步长设置数;Cll6为计数单元，存放程速设置数。指令PLS为上升沿检出指令，确保按键可靠工作。指令PIsY为脉冲输出，Cll6是脉冲输出频率，决定步进电机速度;C112是脉冲频率输出个数，决定步进电机步长;Yl为脉冲输出口。指令DCNT为32位计数器，C235是存线圈的计数值。指令RET为寄存器清除(C235清零)。 20 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 图4-4-3 PLC程序梯形图 4.5 程序设计 4.5.1 GX Developer软件介绍 GX Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列、A系列(包括运动控制CPU)、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。 GPPA格式的文档，当选择FX系该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、 列时，还能将程序存储为FXGP(DOS)、FXGP(WIN)格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换。该编程软件能够将Excel、Word等软件编辑的说明性文字、数据，通过复制、粘贴等简单操作导入程序中，使软件的使用、程序的编辑更加便捷。 21 无锡太湖学院学士学位论文 此外，GX Developer编程软件还具有以下特点。 (1) 操作简便 ? 标号编程。用标号编程制作程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。 ?功能块。功能块是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易，此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序使得顺序输入错误。 ?宏。只要在任意的回路模式上加上名字(宏定义名)登录(宏登录)到文档，然后输入简单的命令，就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 (2) 能够用各种方法和可编程控制器CPU连接 ?经由串行通信口与可编程控制器CPU连接; ?经由USB接口与可编程控制器CPU连接; ?经由MELSEC NET/10(H)与可编程控制器CPU连接; ?经由MELSEC NET(II)与可编程控制器CPU连接; ?经由CC-Link与可编程控制器CPU连接; ?经由Ethernet与可编程控制器CPU连接; ?经由计算机接口与可编程控制器CPU连接; (3)丰富的调试功能 ?由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。通过该软件可进行模拟在线调试，不需要与可编程控制器连接。 ?在帮助菜单中有CPU出错信息、特殊继电器/特殊寄存器的说明等GX-Developer 程软件的界面 双击桌面上的 “GX -Developer” 图标， 即可启动GX Developer，其界面如图 4-5-2.1所示。GX-Developer 的界面由项目标题栏、下拉菜单、快捷工具栏、编辑窗口、管理窗口等部分组成。在调试模式下，可打开远程运行窗口，数据监视窗口等。 22 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 -5-2.1 GX-Developer 编程软件的界面 图4 创建新工程: 选择[工程]-[创建新工程]菜单项， 或者按[Ctrl]+[N]键操作，在出现的创建新工程对话框中选择PLC类型，如选择FX2N系列PLC后，单击[确定]，如图4-5-2.2所示。 23 无锡太湖学院学士学位论文 图4-5-2.2 创建新工程对话框 4.5.3梯形图程序设计 本课题是根据BCD拨码开关的不同状态，通过PLC控制两个步进电机的正反转和转速的。 BCD拨码开关对应的电机状态如表4-5所以。 表4-5 电机状态表 PLC控制舞台灯摇头程序梯形图如图4-5-3所示。 24 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 图4-5-3 控制程序梯形图 当常开触点X001变为常闭触点时，线圈MO通电，驱动器启动。Y001线圈通电，同时由Y002给驱动频率为300HZ的12800个脉冲信号，从而1号步进电机慢速正转;当X004的常开触点接通后，辅助继电器M1通电，M1常闭触点断开，Y001线圈断电，从而1号步进电机慢速反转;当X004和X005同时通电时，Y001线圈通电，由Y002给驱动频率为500HZ的12800个脉冲信号，从而1号步进电机快速正转;当X003的常开触点接通后，辅助继电器M2通电，M2常闭触点断开，Y001线圈断电，从而1号步进电机快速反转;当X003和X005同时通电时，Y004线圈通电，由Y005给驱动频率为300HZ的12800个脉冲信号，从而2号步进电机慢速正转;当X003和X004同时通电时，辅助继电器M4通电，M4常闭触点断开，Y004线圈断电，从而2号步进电机慢速反转;当X003 、X004和X005同时通电时，Y005线圈通电，由Y005给驱动频率为500HZ的12800个脉冲信号，从而2号步进电机快速正转;当X002的常开触点接通后，辅助继电器M6通电，M6常闭 触点断开，Y004线圈断电，从而2号步进电机快速反转。 25 无锡太湖学院学士学位论文 26 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 第5章结论与展望 5(1结论 通过本设计的亲自实验，我不仅把知识融会贯通，而且还丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。 此次毕业设计，我的课题是舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现，设计采用三菱 FX2n-32MT，实现对两相步进电机的控制，从而驱动灯光任意旋转变幻目的。 本课题的难点是如何对步进电机驱动芯片进行控制。由于电机大致分为两类，驱动芯片的接法就有所不同，从而给设计带来一点困难。在老师耐心的帮助下对设计不断的完善，基本上熟悉了其功能，完成了对步进电机的控制，从理论上是可行的。 通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发的掌握方面都能向 前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。 本次设计肯定还有很多不经如人意的地方希望各位专家和教授给予指正。 27 无锡太湖学院学士学位论文 谢 辞 我在论文写作期间，翻阅了大量的参考书，也浏览了许多与PLC 密切相关的网站，有些比较棘手的问题解决了，但仍有一些难题没有解决，这些难解决的问题都是在xxxx教授的精心指导下所完成的，在这里，我对xxxx教授的指导表示感谢。xxxx教授知识渊博、思维敏锐，总揽全局的眼光使我在学习工作中收到了非常大的启发。 感谢我的同学，他们也给了我很多真挚的帮助，和他们在一起的日子是我在大学期间非常快乐的时光。 最后，对于评阅了本论文初稿的老师和在论文期间给予我宝贵意见和建议的老师，表示衷心的感谢。他们在课题中参与的讨论，启发了我的思维，帮我解决了所遇到的技术难点;没有他们的热心帮助，我想我的的论文会出现很多技术上的错误或难点，内容也将会更加肤浅。 在此，也一并感谢所有帮助过我使我能够完成课题，然而却无法一一列出他们名字的人们! 特别感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授～ 28 舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 参考文献 [1] 谷爱昱.摇头灯中步进电机控制系统[J].维特电机，2004，4.32-33. [2] 王庆祝 马玉泉等.步进电机控制系统的设计[J].河北科技师范学院学报，2005.9，19(3):8-11. [3] 刘宝廷. 步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.130-180. [4] 杨公源，黄琦兰.可编程控制器应用与实践[M].北京:清华大学出版社，2007 [5] 胡国清，刘文艳.工程控制理论[M].北京:机械工业出版社，2004 [6] 于庆广.可编程控制器原理与系统设计[M].北京:清华大学出版社，2004 [7] 江秀汉，汤楠.PLC可编程控制器原理及应用[M].北京:机械工业出版社，1998 [8] 陈爱弟.Pretel99实用教程[M].北京:人民邮电出版社，2000. [9] SIEMENSAG[M].programming with step t v5.2，2002年 [10] Gedye R，Smith F，Westaway K，et al.Use of Microwave Ovens for Rapid Orbanic Synthesis[J].Tetrahedron Lett，1986，27:279. [11] J. D. Wale. Hybrid stepping motors and drives [J] .Power engineering Journal，2001 , (2) :5-12. 29 无锡太湖学院学士学位论文 附件:电路图 30