舞台吊杆控制系统设计

1、目 录 摘要.1 关键词.1 Abstract.2 Key words.2 1 概述.3 1.1 舞台吊杆控制系统发展的状况.3 1.2 变频器技术的发展状况.4 1.3 PLC 发展状况 .5 1.4 本课题研究的意义.6 2 舞台吊杆控制系统整体设计.7 2.1 系统功能及结构框图.7 2.1.1 系统功能.7 2.1.2 系统结构框图.7 2.2 电动机的选型.7 2.3 变频器的选型.8 2.4 PLC 的选型 .9 3 舞台吊杆控制系统的实现.11 3.1 自动控制电路的设计.11 3.1.1 PLC 控制部分 .12 3.1.2 PLC 控制变频器 .13 3.1.3 变频器控制电

2、动机.14 3.2 手动控制电路的设计.16 3.3 配电系统电路设计.16 4 结论.17 参考文献.18 舞台吊杆控制系统设计 摘要摘要：现代化的影剧院，需要现代化的舞台设备。才能在科学技术日益更新的今天，凭 借自身的实力吸引更多观众。而在现代化舞台设备中占举足轻重地位的设备，便是舞台吊 杆。舞台吊杆是影剧院起吊景物、幕布、灯光等专用设备，此设备首先应安全，同时也应 具备灵活，操作简单、外形美观等。只有更新才适应未来发展的需要。因此笑者设计一套 舞台吊控制系统。 本文分析了舞台吊杆控制系统的主要信息，以模块化设计思想，利用手动和自动控制 电路来实现其功能。舞台吊杆控制系统的自动功能由控制器

3、 PLC 来控制变频器实现，手动 功能通过接触器逻辑电路来实现。每根吊杆用手动按钮来控制其上升和下降。 课题的第一部分介绍了舞台吊杆控制系统发展状况，变频器发展状况，PLC 发展状况及 课题研究的意义。第二部分介绍了舞台吊杆控制系统的整体设计。第三部分介绍了舞台吊 杆控制系统的实现，这是系统的核心部分。第四部分介绍了系统的结论。 关键词关键词：舞台吊杆；控制系统；变频器；PLC The control system of the stage boom design Abstract: Modern movie theaters need modern stage equipment. In a

4、n increasingly science and technology can update today, with their own strengths to attract more viewers. In modern stage equipment for a status of the equipment is launching stage. Stage bar is lifting features movie theaters, theater curtain, lighting, and other special equipment, the equipment sh

5、ould first security, but also should be flexible, simple to operate, shape aesthetic. Only updated to meet the needs of future development. So laugh design a set of control systems. This paper has analyzed the stage bar control system main information, the modular design thought, the use manual and

6、the automatic circuit realizes its function. The stage bar control system automatic function controls the frequency changer realization by controller PLC, the manual function realizes through the contact device logic circuit. Each bar controls its rise and the drop with the manual button. Part I int

7、roduced stage bar control systems development, transducer development, PLC development and task research significance. Part II introduced the overall design stage bar control systems. Part III introduced stage bar control systems achieved; this is the core of the system. Part IV introduced systems c

8、onclusion Key words：Stage Bar ;Control system ;Inverter ;PLC 1 概述 1.1 舞台吊杆控制系统发展的状况 舞台吊杆的主要任务是演出时的换景和载人，80 年代以前，由于经济条件的限制，大 多数舞台机械是定速控制。极少数使用的是直流调速，其调速成本高，造成使用不能普及。 舞台吊杆制定工作起步较因此早成型较晚，但标准的起点较高，对系统的兼容性和发展的 前瞻性考虑较多、较全面，得到较多制造商的支持。 舞台吊杆是一门依赖技术和设备的艺术，离开了设备，将一事无成。为此，舞台吊杆 界对科学的进步特别予以关注并且有一种独特的敏感。在当前网络技术大行

9、其道的局面下， 吊杆控制业同样不甘寂寞，也在探索搭建自己的网络系统。其实，舞台吊杆本来就是一个 控制回路众多的复杂的系统。随着技术的发展和对吊杆艺术性要求的不断提高，在电视 舞台上出现了大量的效果吊杆。这就出现了一台大型晚会上出现多根吊杆同时工作的情景。 这么多吊杆同时工作，控制信号的精度和同步都是一个令人头疼的问题。随着计算机技术 的发展，使得众多吊杆和器械统一在一个大型舞台下成为可能。这也是吊杆控制业发展网 络的初衷。 随着戏剧改革的不断演进，对舞台机械的功能要求也越发的增多。原先的机械以越来 越不能满足现在和将来的要求，面对现状，穷则变变则通，通则久。只有更新才是适应未 来发展的需要。以

10、往的所谓多功能舞台被认为能够容纳多种内容的文艺演出和其他活动， 如电影、会议、交响乐、歌剧舞剧、流行音乐和杂技演出等等。如此之多的功能集于一身， 必然会产生视觉的、听觉的、舞台演出条件等等的多方面缺陷。现代科学技术的重大突破 和发展，为剧场适应多种演出条件提供了可能性。舞台吊杆的预先设计和程序控制的运用， 使舞台吊杆成为剧场工程中为演出服务的一项重要的因素；舞台机械设备的水平和垂直移 动装置普遍使用并日臻完善。这些剧场科技的发明和革新，为剧场提供了优越的条件。运 用现代科学技术进行剧场设计思想逐渐形成，并越来越显示出它的生命力，为新型的、适 应不同剧种要求的剧场发展奠定了基础。现代多功能剧场的

11、适应性特点，实质上是产生于 工程技术方面而不是在建筑设计方面，它是运用现代的工程技术手段和计算机控制，使剧 场的某些部分根据表演艺术的演出要求，进行适应需要的调整和变动。 表演艺术是文明的表征、时代的心声,是生活的高度提炼和概括,而剧场是表演艺术的 载体,它是一门综合性很强的艺术,离不开各种造型艺术、科学和工程技术相佐.在历史上, 这两者都不断受到来自三方面力量的影响:其一是为各个时代政治、经济和社会文化因素所 左右;其二是受到文学艺术思潮起伏的震荡;其三是来自科学技术及生产力方面的强有力的 推动.这三方面的因素既相互影响,又都被笼罩在传统习惯的文化氛围中,表演艺术与剧场的 发展是人类文明演化

12、的一面镜子,这是历史 的普遍现象与一般规律。 “大幕升起时观众常 常对舞台布景发出赞美之声，从这里可以衡量对人类经历的形象化解释的爱好，它是架上 绘画所不能提供的。现代艺术的许多奇思异想在舞台上获得了新的价值，那是由于这样一 个事实：它们能有效的图示或象征一些思想，这些思想重新估价和阐明了支撑着今日现实 的力量。 ” 任何戏剧表演都在空间中进行，而舞剧舞台空间的概念，还包含了伴随舞蹈演员动作 空间的时间跨度性和舞台形象组合的延展性。由于舞剧的主要表演形式特性失去了语 言表达,但却大大的强化了形体语言的表现力。它虽然具有一定的特指性和限制，但同时也 具有了极大的抽象和意向性的表达空间。 “歌曲能

13、够生动地传递剧中人物的心声，而舞蹈的 力量则能够使言辞缺席的时刻充满强烈的感染力。 ”借助音乐语言形象的帮助，能引发观者 由抽象到具象的无限艺术联想，从而能更强烈的表现人类情感中最深层，最隐秘的情绪感 受。由于舞剧艺术形式的这种特性，这就要求舞剧舞台空间环境具有较大的宽泛性，无论 风格样式多么不同，设计者须在一个舞台空间中，合理巧妙的提供不同层次的动作空间， 而这种空间不但应利于肢体语言的展现，能最大限度的适应独舞、双人舞、群舞及场面的 组合空间调度和节奏变化，而且它的典型环境属性是随着戏剧情节的发展变化而改变的。 在戏剧表演不间断的情况下，舞美设计师常常利用灯光的变化等艺术手段，在一个相对固

14、 定的舞台空间环境中，当众转换布景形象，变化环境空间，而观众接受和认可了这种环境 的转换方式。 “在舞剧的结构上，打破了时空顺序和完整性，采用时空颠倒，时空交错，人 物的主观意识与客观行为互相穿插，有时干脆省略情节，留下空白，用隐喻、象征、变形 等手段展示人物的心理活动，形象空间中存在着形象组合的不确定性。 当前全国各地的文化事业随着经济建设的发展正呈蓬勃向上之势，各地纷纷立项建设 舞台，这些舞台显然不同于五、六十年代的类型。那时主要是适应大众对普及文化之急需， 但财力又不足，因此建设了各种舞台。因此，无论在舞台技术上或是舞台艺术上都应当是 “精品”，同时又是精神文明建设和文化建设的一个窗口，

15、具有导向性。现在的这类舞台 建设应该是能推动先进的、高层次文化的场所，它的功能应该是适应性的、现代的和完善 的。 舞台吊杆工程是典型的文化设施工程，它科学地整合了文艺创作及导演艺术、灯光音 响技术、游乐设备创意、工艺美术装潢和建筑工程配合以及自动化工程控制等等，是门类 庞杂、学科繁多的艺术与技术有机结合的系统。 综合上述，我们不难看到，舞台吊杆控制系统网络化是新一代舞台吊杆控制方式。它 具有过去任何一种控制方式无法比拟的优点，虽然当前的应用水平和普及率因受到各种因 素的制约还不高，但它的应用前景是不容质疑的。 1.2 变频器技术的发展状况 变频技术是应交流电动机无级调速的需要而诞生的。变频调速

16、技术一直是随着电力电 子技术和控制技术的发展而发展。自 20 世纪 60 年代始，电力电子器件从 SCR（晶闸管） 、 GTO 门极可关断晶闸管、BJT（双极型功率晶体管） 、MOSFET（金属氧化物场效应管） 、 SIT（静电感应晶体管） 、SITH（静电感应晶闸管） ， MGT（MOS 控制晶体管） 、 MCT（MOS 控制晶闸管）发展到今天的 IGBT（绝缘栅双极型晶体管） 、HVIGBT（耐高压 绝缘栅双极型晶闸管） ，器件发展的同时促使电力变换技术也不断发展。20 世纪 70 年代， 脉宽调制变压变频（PWMVVVF）调速的研究引起了人们的高度重视。电力晶体管(GTR)的 成功开发,

17、为变频调速技术的发展和普及奠定了基础。20 世纪 80 年代，科研人员对作为变 频技术核心的 PWM 模式优化问题做了进一步的研究，并得出诸多优化模式，其中以鞍型 波 PWM 模式效果最佳，且美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并得以 广泛应用。绝缘体双极型晶体管投入应用,其工作频率技术比 GTR 提高了一个数量级。从 而使变频调速技术又迈进一步。变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制 系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化、控 制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器是运动控制系统的重要功率变换部件，并因 变频器能提供可控的高

18、性能变压变频的交流电而在交流转动领域得以迅猛发展。 变频器在经历大约 30 年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器 的应用及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在 不断地提高变频器的可靠性，以实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化及 无公害化等。衡量一台变频器性能的优劣：一要看其输出交流电压的谐波对负载的影响； 二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗（即效率） 。 众所周知,由于直流调速系统具有良好的静,动态性能指标,长期以来,调速传动领域基本 上被直流电动机调速系统所垄断.但这种系统也有其自身的缺点,如容量、电压

19、、电流和转速 的上限值均受到变相条件制约,控制系统结构复杂,在一些大容量的调速系统无法应用,同时 维护工作量大,而交流电动机有一些故有的特点:结构简单,造价低,容量,电压,电流和转速不像 直流那样受限。随着交流电动机调速理论的突破和变频器性能的不断完善从而使变频器调 速成为交流调速的主流。 随着电力电子器件的自关断化、模块化，变流电路开关模式的高频化，以及全数字化 控制技术和微型计算机（如单片机）的应用，变频器的体积越来越小，性能越来越高，功 能不断加强。目前，中小容量（600kVA 以下）的一般用途变频器已经实现了通用化。 变频技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的饿所有

20、技术部 门中。我国在变频技术方面应积极开展如下工作： 应用变频技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益 和社会效益； 大力发展变频技术，必须把我国变频技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平 的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求； 规范我国变频技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平。 1.3 PLC 发展状况 可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC，只能进行记数、定时及开 关量的逻辑控制。在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例 如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、

21、压力、流量的设定与控制等，工业现 场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最 有效的工具之一。硬件选购目前市场上的 PLC 产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJJ,德国的 SIEMENS，韩国的 LG 等。近几年，PLC 产品的价 格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用 PLC 的重要原因。随着计算 机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围， 具有了 PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控、通讯联网等多方面的功能， 它已变成了实际意义上的一种工业

22、控制计算机。人们曾将计算机直接用于工业控制，但是 由于以下两大问题没解决好而难于发展：一是 I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和 工业现场设备连接限制了应用：二是计算机的 I/O 功能、开关逻辑处理功能不够丰富和强 大。现在的 PLC 成功地解决了这两方面的问题，可以让 PLC 和 外部设备直接进行物理的 连接。计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大运算功能，使其能够完成复 杂的控制功能，这也是 PLC 能够迅速发展的原因。 PLC 通常在两个方向上发展：一是朝 体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展，使 PLC 的使用范围不断扩大，达 到了遍地开花的 程度；二是朝大

23、型化、网络化、多功能方向发展，不断提高其功能，以便 与现代网络相连接，组建大型的控制系统。具体技术方面，PLC 在以下几个方面得到了发 展： 在 PLC 编程语言方面。为了完成复杂的控制功能，发展了功能块流程图语言、与计算 机兼容的高级语言、专用 PLC 语言等多种语言。现在，大多数 PLC 公司已开发了图形化 编程组态软件。该软件提供了简洁、直观的图形符号及注释信息，使得用户控制逻辑的表 示更加直观明了，操作和使用也更加方便。 I/O 模块智能化和专用化。各模块本身具有 CPU，能独立工作，可与 PLC 主机并行操 作，在可靠行、适应性、扫描速度和控制精度等方面都对 PLC 做了补充。 网络

24、通信功能标准化。由于可用 PLC 构成网络，因此，各种 PC、图形工作站、小型 机等都可以作为 PLC 的监控主机和工作站，能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持及信 息打印功能。 机电一体化。可靠性高、功能强、体积小、重量轻，容易实现机电一体化，知识 PLC 发展的重要方向。 控制与管理功能一体化。随着 VLSI 技术和计算机技术的发展，在一台控制器上可同 时实现控制功能和信息处理功能及网络通信功能。采用分布式系统可现广泛意义上的控管 一体化。 PLC 是综合了计算机技术、自动控制技术和通信的一种新型的、通用的自动控制装置。 它具有功能强、可靠高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等一

25、系列优点， 近年来在工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控 制三大支柱之一。PLC 的最终目标是用于实践，提高生产力。如今，应用 PLC 已经成为世 界潮流，PLC 将在我国得到更全面的推广应用。 PLC 的特点 1）控制能力强，可靠性高，抗干扰能力强。 2) 编程方便易学。 3) 适用于恶劣的工业环境。 4) 与外部设备连接方便。 5) 体积小、重量轻、功耗低。 6) 性价比高。 7) 模块化结构，扩展能力强。 1.4 本课题研究的意义 近年来，民众的文化生活日新月异，对文化设施的需求迅速增长，舞台吊杆的发展遇 到了前所未有的机遇。同时，国外舞台吊杆以其技术先

26、进、质量可靠的优势充斥国内外市 场，国产舞台吊杆极其企业虽然也有很大发展，但还是受到了严重的挑战。人们的生活水 平提高了，对娱乐场所的要求也高了，为了满足人们的要求必须要不断更新舞台的发展事 业。研究本系统是为了我国的舞台事业更上一层楼，丰富人们的文化生活水平。 以前的舞台吊杆系统都是便向于复杂、而且极易出错的。大多数舞台机械是定速控制。 项目控制过程中往往出现的位置误差较大的问题，进行了反复试验和误差分析，才使吊杆 位置控制的精度完全达到设计标准。 随着自动化技术的发展从有机械能动到对舞台机械的起动、制动与运行速度变化的要 求促使舞台机械行业 有了较大的发展，特别是使用方便、耗资较少的交流变

27、频调速技术发 展，使得调速设备的使用越来越多，越来越频繁。目前舞台机械中已广泛使用交流调速方 式控制的有转台、车台、升降台、吊杆、大幕等。该系统采用自动和手动技术设计了舞台 吊杆控制系统。 2 舞台吊杆控制系统整体设计 2.1 系统功能及结构框图 2.1.1 系统功能 本系统设计的是舞台吊杆控制系统的体系结构，并对组成该系统的舞台吊杆控制系统 进行了研究。在舞台机械设备中，在大型的影剧院，一场演出往往需要调动大量的舞台背 景，有时要控制多路的吊杆同时工作。操作人员要在现场不断变换舞台背景，控制室人员 要不断地和现场人员进行协调，这给舞台控制带来了很大不便。所以需要设计一套比较简 单的系统来实现

28、这些功能是很有必要的。根据用户的需要利用自动控制电路和手动控制电 路来实现这些功能。 自动功能由控制器PLC来控制变频器实现，这是设计的核心内容，自动控制部分的原理 是给变频器通入三相380V交流电，使变频器工作。变频器的作用是改变其输出电压的频率 来改变电动机的转速。只需要改变三相相序中的二相就可以改变电机的正反转，电动机的 正反转对应于舞台吊杆的上升和下降。电动机的转速大则舞台吊杆上升和下降的幅度大。 在三相交流电和变频器中间加上空气开关，空气开关的作用可以接通和分断正常电流和过 负荷电流还可以接通和分断短路电流的开关电器。空气开关在电路起到了控制作用外，还 具有一定的保护功能，如电动机的

29、过负荷、过载、短路、欠压等。 手动功能通过接触器逻辑电路来实现，实际电路中，可在主电路中用两个接触器的主 触点实现正转相序和反转相序接线，在控制电路中控制正转接触器线圈得电，其主触点闭 合，电动机正转，或者控制反转接触器线圈通电，主触点闭合，电动机反转。如图3-6是按 钮控制正、反转的控制电路，其主电路中的接触器KM1和KM2构成正、反转的相序接线。在 图3-6的控制电路中，按下正向启动按钮SB2，正向控制接触器KM1线圈得电动作，其主触点 闭合，电动机正向转动；按下停止按钮SB1，电动机停转；按下反向启动按钮SB3，反向接 触器KM2线圈得电动作，其主触点闭合，给电动机送入反向相序电源，电动

30、机反转。用手动 和自动控制电路控制吊杆的上升和下降。用限位开关来控制吊杆运动范围。舞台吊杆控制 系统主要由舞台吊杆控制器、现场设备、PLC、显示器等组成。 2.1.2 系统结构框图 下面来具体说明每部分的功能：工控机相当于人机界面，各种信号的输入经过工控机 以输送信号。RS-232 是支持 Mod bus 通讯协议，RS-485 支持用户自定义协议。LG- PLC/G7E-RY08A（3）是来控制吊杆的，扩展 PLC 是为了系统的需要，增加了 PLC 的 I/O 口， 增加 PLC 的功能。PLC 在此相当于开关的作用来控制变频器，PLC 控制变频器采用的是多段 速度控制变频器。接触器 KM

31、的线圈通过辅助常开触头闭合通电来保证电动机的运行。位置 检测是用来检测吊杆的。上限位开关用来控制吊杆运动的最高点，下限位开关用来控制吊 杆运动的最低点。 下面来具体说明每部分的功能：工控机相当于人机界面，各种信号的输入经过工控机 以输送信号。RS-232 是支持 Mod bus 通讯协议，RS-485 支持用户自定义协议。LG- PLC/G7E-RY08A（3）是来控制吊杆的，扩展 PLC 是为了系统的需要，增加了 PLC 的 I/O 口， 增加 PLC 的功能。PLC 在此相当于开关的作用来控制变频器，PLC 控制变频器采用的是多段 速度控制变频器。接触器 KM 的线圈通过辅助常开触头闭合通

32、电来保证电动机的运行。位置 检测是用来检测吊杆的。上限位开关用来控制吊杆运动的最高点，下限位开关用来控制吊 杆运动的最低点。 2.2 电动机的选型 在变频调速系统的设计中，电动机的选择也是至关重要的一环。对于电动机，此系统 应根据舞台吊杆（负载）的重量来选择电动机的功率、频率、额定转速、额定电流、额定 电压、容量。每根舞台吊杆的重量有500Kg。电动机的选择包括电动机的类型、型式、额 定转速和额定功率的选择，其中主要的是电动机额定功率的选择。负载功率的计算，舞台 吊杆作为负载作垂直移动的设备所需要的功率为： - 1#控制系统 8#控制系统 图 2-1 系统结构框图 （2-1） 3 10 VW

33、p 式中，P为电动机功率；W为额定负载的重量；V为提升速度；为机械效率 其中W=500Kg*10.0N/Kg，V=0.2m/s =0.75 可以算得电动机的容量为: （2-2）33 . 1 10 75 . 0 2 . 05000 3 p 根据计算电动机的容量可知电动机有一定的裕量，但是额定的电动机的功率只有 1.5KW的，所以选用1.5KW的电动机。电动机用来升降吊杆，达到换景片的作用。而且电 机还单独横向移动位置，并可以去掉吊杆，单用钢丝绳升降布景，起到特殊的用途。 电动机类型选择的基本原则是在满足工作机械拖动系统要求的前提下，所选电动机应 尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此

34、，在选用电动机种类时，若工作 机械对拖动系统无过高要求，应优先考虑选用交流电动机。 选择电动机的容量时，应注意：所选择的电动机容量应大于负载所需功率；电动机的 启动转矩必须大于负载所需启动转矩；电源电压下降10%时转矩仍能满足启动或运行中的 需要；考虑传动装置的效率和负载波动等因素时，必须要有一定的裕量；从电动机温升角 度考虑，为不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内；与负载性质相配合， 对电动机应选用合适的工制。 RS-232 工控机 LGPLC/G7ERY08A（3） 1#变频 器 1#接触 器 1#电机 1#上 限位 开关 1#下 限位 开关 8#上 限位 开关 8#下 限位

35、 开关 位置检 测 RS-485 8#变频器 8#接触 器 8#电机 2.3 变频器的选型 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的。 电动机利用变频器进行调速转动时，应合理选择变频器的容量及其外围设备。通用变 频器的选择包括变频器的类型选择和容量选择两个方面。总的原则是，首先满足工艺要求， 其次是尽可能节省资金。根据控制功能，通过变频器可分为三种类型：普通功能型 U/F 控 制变频器，具有转矩控制功能的高功能型 U/F 控制变频器和矢量控制高性能型变频器。变 频器类型的选择要满足负载的要求。对于风机、等平方转矩，低速下

36、负载转矩较小，通常 可选择普通功能型的变频器。 对于恒转矩类负载或有较静态转速精度要求的转动系统，采用具有转矩控制功能的高 功能型变频器则是比较理想的。原因是这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不 怕负载冲击，具有挖土机特性。 变频器容量选择,实际应用中通常根据电动机的额定电流和额定功率来决定变频器的容 量。变频器的选型原则是变频器的额定容量所使用的电动机功率大于实际使用的电动机的 额定功率；变频器的额定输出电流大于电动机的额定电流；变频器的额定输出电压大于电 动机的额定电压。为选择适当的变频器，必须知道要使用的电机的参数，如：电动机容量、 电动机额定电流、电动机效率、电动机功率因数等参

37、数。 驱动所必需的，如：速度设置范 围、运行方式、加减速时间、加减速转矩、临界转矩、特殊性能，如提升能力等。单电动 机驱动：高性能变频器为使驱动系统得良好的动态性能和静态性能，一般都采用矢量控制 模式，这时应遵循以下原则：一台变频器只允许驱动一台电动机； 变频器的额定电流必须 大于所驱动的电动机的额定电流；舞台机械使用中一般换场时间要求很短，多数不允许电 动机起动时间太长（多在几秒20 秒期间） ，一般变频器的过载能力为额定电流的 150%， 持续 60S，如果瞬时负载超过了变频器的过载耐量，即使变频器与电机的额定容量相符， 也应选择大一档的变频器。当电动机的负载非常轻时，即使电动机的负载电流

38、在变频器的 额定电流以内，比电动机容量小的多的变频器也不能够使用。因不同容量的电动机电感量 不同，所以虽负载电流相同，但容量大的电动机波动电流大，容易造成过流跳闸。电动机 的额定电流最小应为其驱动变频器额定电流的 1/4；变频器应用矢量控制模式驱动普通电动 机时；要对电动机在冷却状态下进行参数辨识多电动机驱动：当一台变频器驱动多台电动 机时，应选择 U/F 控制模式，并使变频器额定电流大于所驱动多台电动机额定电流总和。 此系统中利用变频器改变频率来改变电动机的转速，给变频器通 380V 的三相交流电 压。变频器与电机的额定容量相符，也应选择大一档的变频器。所以此系统选择变频器的 容量为 2.2

39、KW，变频器容量为 2.2KW 对应变频器的型号为 F1500-G0022T3B。所以选择 F1500-G0022T3B 型号变频器。 在舞台机械控制中，变频器的应用方式有以下几种： 1) 一台变频器拖动一台电机恒载运转；如升降台、吊杆、大幕控制； 2）一台变频器同时成组拖动2台电机同时运行；如转台、车台等； 3）多台变频器各带一台电机同步运行: 如升降台、车台的多电机多轴传动等 此系统采用的是第一种方式。 2.4 PLC 的选型 PLC 控制技术集计算机技术、自动控制技术、通信技术于一 身、其最终目标是应用 于实践、提高生产力。一个完整的 PLC 应用系统包含两方面的内容：PLC 控制系统和

40、人机 界面。PLC 控制系统对控制现场进行参数采集并完成控制功能,人机界面是人与控制系统进 行信息及数据交流的一个窗口。近十几年来，国内外众多生产厂家提供了多种系列、功能 各异的 PLC 产品，已有几十个系列、几百种型号。PLC 品种繁多,其结构形式、性能、I/O 点数、用户程序存储器容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格等各有不同，适用场 合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对提高 PLC 控制系统的技术、经济指标起着重要的 作用。机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使 用方便及最佳的性能价格比。PLC 容量包括两个方面：一是 I/O 的点数；二是用户存

41、储器 的容量（字数） 。在选择存储容量时，一般按实际需要 10%-25%考虑裕量。对于开关量控 制系统，存储器字数为开关量 I/O 乘以 8；对于有模拟量控制功能的 PLC，所需存储器字 数为模拟内存单元数乘以 100。 PLC 的种类繁多，目前市场上常见的 PLC 有：三菱、欧姆龙、西门子和 LG- PLC， 它们的特点比较如表 2-1 所示。 表 2-1 PLC 对比表 厂家 三菱 欧姆龙西门子LG 产电 规格 型号 FX1S FX1N CPM2AS7-200MK120S MPUH8S/2357H8S/235580C32（8Bit MPU） H8S/2398 ASIC None I/O A

42、SIC I/O ASICArithmetic ASICNone RAM 内部 8K32K*2（16 Bit） 32K*2Byte（16Bit ） 128K Byte（8Bit） 1M Byte（8Bit） *2 ROM 内部 128K Byte(16Bit） 闪存 128K（8Bit） EPROM128K（8Bit ） 内部 256K Byte 时钟 （频率） 19.6608Mhz/20Mhz16 Mhz-20Mhz 扩展方 式 None 总线口（限制）总线总线 LED 驱动方 式 连续更新连续更新直接更新直接更新 抗干扰 1000Vp-p Impulse Noise 1500Vp-p Imp

43、ulse Noise 2000Vp-p Fast Transient 2000Vp-p Fast Transient 绝缘AC1500V(1minute)AC2300V(1minute ) AC1500V(1minute)AC1500V(1mi nute) AC Fail None - None-None 各个厂家生产的 PLC 型号各有千秋，但综合以上的表格可知选择 LG 公司生产的 MK- 120S 比较适合此系统的需要。本系统采用 LGMaster-K120s 系列 PLC 主单元 标准型：20/30/40/60 点 DR 类型，DRT 类型(DRT 类型针对位置功能具有 4 点晶体管输

44、出) 总共可扩展 120 点(可以连接 3 个扩展模块；仅可以接一个通讯模块) 附件功能：丰富的通讯通道和功能（总共 3 通道） 支持内置的 RS232C/RS-485/编程口(总共 3 通道) 因为此型号 PLC 组成的控制系统输入信号有 36 点，输出信号有 24 点。其中外部输入 元件包括：3 个按钮开关，2 个选择开关，外部输出元件：8 个抱闸线圈，8 个接触器。输 出信号要有两个用于舞台吊杆的升、降也就相对于电动机正、反转来控制接触器 KM1，KM2；1 个用于变频器调速控制接触器 KM3。接触器 KM 的线圈通过辅助常开触头 闭合通电，来保证电动机的运行。 根据系统要求输入输出，1

45、 片 Master-K120S 只有 6 个公共端，此系统需要控制 8 台变 频器，所以选用一台 Master-K120S 的 PLC 作为基本单元。再用 K7M-DRT60U 串行 3 台 扩展单元 G7E-RY08A，这样输入信号就有 36 个，输出信号就有 48 个，这样就可以满足系 统了。 3 舞台吊杆控制系统的实现 由前面叙述可知，本舞台吊杆控制系统主要实现舞台吊杆的上升和下降控制，吊杆可 以单根动作或者同时有多根吊杆一起动作，为了方便用户不同情况下的不同需要，本系统 同时设计了自动控制部分和手动控制部分，下面将具体介绍自动和手动的电路详细实现过 程。 3.1 自动控制电路的设计 本

46、系统由主机单元及外围电路组成。硬件部分以 PLC 作为控制中心，其外围电路分 为输入电路部分，变频器部分，接触器部分，电机输出四大部分。系统控制 8 台电机的 正转、反转、停对应于吊杆的升、降、停。自动功能有控制器 PLC 来控制变频器实现， 采用多段速改变变频器的调速。用键盘显示可以在舞台吊杆控制系统中能实现远距离控 制并具有零电压保护，在变频器与电动机之间接入接触器。 这部分是此设计的核心内容，自动控制部分的原理是给变频器通入三相 380 交流电， 使变频器工作。变频器的作用是改变其输出电压的频率来改变电动机的转速。只需要改 变三相相序中的二相就可以改变电机的正反转，电动机的正反转对应于舞

47、台吊杆的上升 和下降。电动机的转速大则舞台吊杆上升和下降的幅度大。在三相交流电和变频器中间 加上空气开关，空气开关的作用可以接通和分断正常电流和过负荷电流还可以接通和分 断短路电流的开关电器。空气开关在电路起到了控制作用外，还具有一定的保护功能， 如电动机的过负荷、过载、短路、欠压等。图 3-1 为自动控制电路图，这里分析 1 号吊 杆的变频器工作方式，在 1 号变频器控制系统中，其端子定义 OP2，OP3，OP4 为多段 速端子 1，多段速端子 2，多段速端子 3 分别与 PLC 输出信号端子相接。OP6 为正转指 令，当闭合的时候正转，打开的时候停止。OP7 为反转指令，当闭合的时候反转，

48、打开 的时候停止。CM 为 OP2-OP7 及 24V 电源公共端。PLC 在此相当与开关的作用来控制变 频器。PLC 的输出端分别与变频器的输入端相连。DC24V 电源在连接输入时提供外部电 源。给抱闸线圈通电时产生磁场电动机具备运动的条件。当它不通电时电动机将被锁死， 即使你给电动机加三相交流电，电动机也不会正常运行，此时将会堵转而烧掉。只有给 抱闸线圈通电时电动机才可以正常运转。所以要将抱闸线圈接入 380V 交流回路里，此 回路要用 PLC 输出口来实现控制其开通和关断。其余的吊杆控制同 1 号控制方式一样。 图 3-1 自动控制电路（a） 图 3-1 自动控制电路（b） 3.1.1

49、PLC 控制部分 图 3-2 是 PLC 控制部分的结构框图，PC 是人机界面的输入，RS-232 是支持 Mod bus 通讯协议，RS-485 支持用户自定义协议。LG-PLC/G7E-RY08A（3）是来控制吊杆的，扩 展 PLC 是为了系统的需要，增加了 PLC 的 I/O 口，增加了 PLC 的功能。位置检测是用来 检测吊杆的。 图 3-2 PLC 控制部分结构框图 由于此系统只用 PLC 本机是不够系统要求的，因此需要扩展。PLC 扩展模块的使用， 不但增加了 I/O 点数，还增加了 PLC 的许多控制功能。PLC 本机的 I/O 点具有固定的 I/O 地址，可以把扩展的 I/O

50、模块接至主机右侧来增加 I/O 点数。扩展模块 I/O 地址有扩展模块 在 I/O 链中的位置决定。输入与输出模块的地址不会冲突，模拟量控制地址也不会影响数 字量控制模块。以 PLC 本机为主机，以 G7E-RY08A 为扩展单元的连接如下： 图 3-3 主机与扩展模块的连接 在此系统中 PLC 的作用就相当与开关的作用，来控制变频器。由于此系统要用到自动 控制电路，自动功能由核心控制器 PLC 来控制。根据控制系统的需要，选用 MASTERK120S 系列可编程控制器来控制系统。采用交流 380V 电源供电，主模块有 36 点数字量输入，24 点数字量输出。PLC 控制系统有 8 组变频器与

51、电机，每组由一台变频器 控制一台电机组成。 输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作 次数的限制，是保证 PLC 的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行器件的问题。 虽然这个问题说起来比较简单，但是集成电路的发热问题是影响其集成度的重要因素。所 幸的是，现在的 PLC 产品已经完全有能力 驱动这些元器件，并提供可多种输出方式且动 作次数可保证上万次无故障的产品。 3.1.2 PLC 控制变频器 如图 3-4 中当利用变频器构成自动控制系统时，往往需要与 PLC 等上位机配合使用， 如电机控制、电梯控制、包装机控制等。变频器的外围设备用来构成更好的调

52、速系统或节 能系统，选用外围设备常常是为了提高系统的安全性和可靠性，提高变频器的某种性能； 增加对变频器和电动机的保护，减小变频器对其他设备的影响。本系变频器的外围设备主 要有：电源断路器、交流接触器等等。 变频器的输出信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的运行 信号（数字输入信号） 。变频器通常利用与 PLC 连接，得到这些运行信号。常用的 PLC 输 出有两种类型：接触器接点输出和晶体管输出。本系统采用的是输出用的是接触器接点输 出。在使用接触器接点输出的场合，为防止出现因接触不良而带来的误动作，要考虑接点 容量及接触器的可靠性。 主机 PLC 模块 1 G7E- R

53、Y08 A 模块 2 G7E- RY08 A 模块 3 G7E- RY08 A PC LGPLC/G7ERY08A（3） 位置检 测 RS-485 输入 输出 LN RS-232 自动功能由核心控制器PLC来控制变频器。PLC控制变频器采用多段速控制。变频器 的端子定义OP2，OP3，OP4为多段速端子1，多段速端子2，多段速端子3分别与PLC输出 信号端子相接。若输入信号端子与CM短接表示“1”，输入信号端子与CM断开表示“0”。 变频器控制的舞台吊杆系统中，变频器只完成调速功能，而逻辑控制部分是由 PLC 来 完成的。PLC 负责处理各种信号的逻辑关系，从而向变频器发出启停等信号，同时变频

54、器 也将本身的工作状态信号送给 PLC，形成双向联络关系 图 3-4 PLC 控制变频器部分图 3.1.3 变频器控制电动机 各种系列的变频器都有其标准接线端子，这些接线端子与其自身功能的实现密切相关。 变频器接线主要包括主电路和控制电路接线。交流电源通过断路器或漏电保护的断路器连 接至主电路电源端子（R、S、T） ，电源的连接不需要考虑相序。交流电源最好通过一个电 磁接触器连接至变频器。不要用主电源开关的接通和断开来启动和停止变频器运行，而应 使用控制端子 FWD/REV 或控制面板上的 RUN/STOP 键。不要将三相变频器连接至单相电 源。变频器输出端子（U、V、W）按正确相序连接三相电

55、动机。当运行命令和电动机的旋 转方向不一致时，可在 U、V、W 三相中任意更改两相接线，或将控制电路端子 FWD/REV 更换一下。从负载端看进去。电动机逆时针旋转时转向为正转。不要将功率因 数校正电容器或浪涌吸收连接至变频器的输出端。更不要将交流电源连接至变频器的输出 端。PE 是变频器接地端子或接地点，为了安全和减小噪声，接地端子必须接地。接地导线 应尽量粗，距离应尽量短并应采用变频器系统的专用接地方式。CM 为公共端，是所有开 关量输入信号的参考点。FWD、REV 为输入正反转操作命令，FWD-CM 闭合时为正转命 令，REV-CM 闭合时为反转命令，如果 FWD-CM 和 REV-CM

56、 同时闭合，则减速停止。在 此设计中 OP6 对应于 FWD，OP7 对应于 RVE。变频器实际系统中往往不是独立运行而是 相互连锁的，共同完成系统的变频调速控制。 1 多段速调速：“多段速”是变频器内部设置好七种速度（其频率值、加速度时间等可 通过对数修改） ，由定义的“多段速端子 1” 、 “ 多段速端子 2 ” 、 “多段速端子 3 ” 调用。这三个端子与“CM”短接或断开的状态组合分别调用“多段速”中的任一段速 度。 2.自动循环运行：“自动循环运行”是指“多段速“自动循环运行”，所给出“运行”指 令后，变频器按用户设定好的“各段速”的加减速时间、运行时间、运行频率、运行 方向自动运行

57、；如果运行达到设定值，变频器自动进行段速之间的转换，在变频器自 动运行过程中，如果不给出“停机”指令或没有到达设定值，变频器就会按照所设定 的功能码参数一直循环运行。 3V/F 控制：本控制有三种 V/F 曲线控制模式，用于提高低频时的输出转矩。V/F 曲线适 用于风机泵类场合。 4通讯参数：该功能用于选择变频器的通讯类型。 0：上位机通过 485 接口进行通讯，控制变频器。 1：485 通讯控制盒通过 485 进行通讯，远程操作变频器。该种控制方式下，485 通讯控制 盒默认的通讯波特率为 9600bit，不可更改。 电动机在的动作时由于系统的需要，电动机的转速要改变所以采用多段速调速。电动 机调速传动时，变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制， 不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。 图 3-5 变频器控制电机图 3.2 手动控制电路的设计 生产实践中，很多设备需要两个相反的运行方向，例如主轴的正向和反向转动，机床 工作台的前进后退，起重机吊钩的上升和下降等，这些两个相反方向的运动均可通过电动