基于PLC的舞台吊杆控制系统设计

1、毕 业 论 文题目： 基于PLC的舞台吊杆控制系统设计 二级学院： 学院 专 业： 班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 评阅教师： 职称： 年 月目录 摘要：本课题研究目标是开发一套基于组态软件技术和可编程控制器（PLC）控制技术的舞台吊杆控制系统，具体方案上位机组态软件选用昆仑通态的MCGS软件，下位机选用西门子公司的S7-200PLC，配合变频器，编码器等实现精确控制舞台吊杆的控制系统。上位机起监控和管理作用，下位机根据上位机命令，或者本地操作实时控制监测舞台吊杆。本设计的吊杆控制系统，取代了传统的舞台吊杆控制系统多采用继电器，接触器的控制方式。采用PLC的控制系统，可以很方便

2、的实时，精确对舞台吊杆进行控制，另外本设计的安全保护措施也大大降低了系统失控造成的人员，财产等的损失，极大的保护了使用方的利益。关键词：组态软件，MCGS，PLC，舞台吊杆Abstract: The target of this project is to develop a set of configuration software technology and based on programmable logic controller (PLC) stage suspender control system control technology, the concrete scheme

3、of the PC configuration software selection of Kunlun on-state MCGS software, the selection of Siemens company S7-200PLC, with frequency converter, to achieve precise control system stage suspender control encoder etc. PC play a monitoring and management, lower computer according to the host command,

4、 or the local operation of real-time control and monitoring stage suspender. The control system of this design, to replace the traditional stage suspender control system uses the relay, contactor control mode. The PLC control system, can be very convenient to real-time, accurate in stage suspender c

5、ontrol, in addition to the design of the safety protection measures are also greatly reduced the system out of control due to the personnel, property loss, helps protect the use of parties.Key words: Configuration software, MCGS, PLC, stage suspender绪论改革开放以来，中国社会主义市场经济的蓬勃发展，我国人民的生活状况也发生了翻天覆地的变化，在人们物

6、质生活逐步富裕的同时，也开始追求精神文化事业的发展。近年来，全国各地特别是经济发达地区掀起起了文化设施建设的热潮，很多的剧场急需现代化设备来装备，各类剧场成为文化设施建设中的主角，这正是我国经济迅速发展、人民生活水平逐步提高和文化事业空前繁荣的具体体现。建造这些设施适应了频繁的文艺演出、各类形式的文化节、艺术活动和国际文化艺术交流不断增长的需要。应该说，国家大剧院的建设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步伐。国家大剧院舞台机械工程的技术文件已成为剧场建设舞台机械设计的一个良好的例证，并为规范舞台机械行业的技术和商业活动起到较大的作用。舞台设备发展到今天，是致力

7、于这方面研究的众多科技工作者是分不开的，我们有必要先回顾我国舞台机械设备的发展进程。解放之前，我国舞台机械的发展非常缓慢，设备极其简陋。随着新中国的建立，在物质生活水平提高的同时，人们迫切需要提高科学文化水平，党和政府非常重视人民群众文化事业的发展，早在五十年代初就兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了相当数量的舞台机械设备：手动吊杆，假台口，电动垂直吊杆等，虽然控制手段还比较落后，但毕竟有了自己的舞台设备。到了六、七十年代，我国建成了一大批相对规模较大的剧场，最典型的是北京的人民大会堂，另外还有广州的友谊剧院、长沙青年宫、杭州剧院等。这些剧院都设置了较先进的平衡手动吊杆和假台口、甚至还有升降池

8、。但在舞台机械这方面，还没有什么突破，不可否认，在舞台的发展方面，我国与发达国家还有相当大的差距。进入了八十年代以后由于我国经济条件好转，先后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：用于歌舞表演的中国剧院、用于戏剧表演的中央戏剧学院排练场、用于话剧演出的中国少儿艺术剧院等，这些舞台机械适应了不同的演出要求，丰富了人民的业余文化生活。进入九十年代处，我国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影剧院。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、活动假台口，还有灯光渡桥、灯光吊笼、天幕灯架等。台下舞台机械有机械伸降乐

9、池、活动假台口，还有灯光渡桥、舞台伸降台、车台。特别是后舞台还有移动式转台，该设备具有可以电动行走到主台并可以旋转的功能，技术含量较高，应用较方便。这是，我国舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距一逐渐缩小。第一章 课题相关背景介绍1.1课题简介随着社会主义精神文明建设的发展，人们对文化生活水平的要求也越来越高，为了配合这种步伐，全国各地都开始新建文化设施场所，出现了不少剧院、广场、展览中心等。剧院作为人们日常参与文化活动的主要场所，随着大大小小的商业和文艺演出、文化节、文艺庆典都不断出现，提高技能设备来改善剧院的环境、提高舞台控制系统都是非常有必要的，一个城市剧院设备的现代化也是这个城市现代

10、化的侧面反映，也是我国科学技术水平不断提高的具体体现。作为剧院非常重要的一部分舞台，按照专业分类可以分为三大系统：舞台机械及控制系统、灯光及控制系统和音响及控制系统。舞台机械设备为舞台演出提供运动、动作和位置变化的服务。与传统机械产品一样，舞台机械同样是以电气、机械、液压和自动控制技术为基础。当有良好的、精确的舞台机械控制与音响、灯光、演员、舞蹈及场景相配合，不仅能为整场表演添光增彩，还可以使人们得到完美的视听感受，陶冶人们的情操。本课题主要完成舞台吊杆控制系统的设计，分三层进行设计，上层是PC，中层是HMI控制，下层是选用西门子S7-200系列CPU226。由一个交流电机控制一道吊杆，下位机

11、与上位机连接，通过485通信可以实现多杆联动。PLC由于抗干扰能力强、可靠性高、编程简单方便等特点作为舞台吊杆的控制核心，若要调动舞台吊杆，只需要由上位机发送指令，下位机顺序执行就可以轻易地实现，这样做降低了工作难度，提高了工作效率。1.2课题的现状一场文艺演出和戏剧表演最重要的物质基础是剧院的舞台设备，少了它，正场演出都无法达到预期的效果。随着经济、科学技术和文化产业的不断发展，舞台形式也在不断变化发展中，从空间上可以分为开敞式舞台、近端式舞台和伸出式舞台三大类。舞台又布置台上机械和台下机械，为舞台演出提供更多的技术支持。吊杆就是一种装在舞台上空的机械，它的作用是提升舞台上的布景构件，挂设幕

12、布，悬挂舞台灯光设备等器具。目前，国内外常见的舞台吊杆有三大类，分别是：手动吊杆、电动吊杆和液压吊杆。手动吊杆是通过人力来驱动吊杆的，由于人力资源有限，所以手动吊杆的大部分载荷要通过施加平衡重来平衡掉。电动吊杆则是通过电动机驱动的吊杆，它还可以分为卷扬式电动吊杆和曳引式吊杆。液压吊杆是通过液压能来驱动吊杆的，它也分为两种，一种是液压缸驱动吊杆，还有一种是液压马达驱动吊杆。 现代化的剧院是广大人民群众接收文化熏陶的一个重要通道，剧院的舞台机械设备也随之增多，也带来了更多的技术功能要求，各式各样的问题也不断出现，如舞台吊杆的数量不断增加，随之带来的是继电器、接触器数量庞大，复杂的接线问题和难控制等

13、问题。由于PLC具有编程简单方便、抗干扰能力强、可靠性高的特点，被广泛地应用在工业控制中。将PLC应用到舞台吊杆控制系统中，对吊杆的控制管理都非常有帮助。1.3国外研究现状在西方文明史中，最早的戏剧在古希腊的雅典诞生，然后流传到古罗马，这些戏剧是依靠白天的自然光源在露天剧场演出，包括三个部分：乐池、景屋和观众席，乐池就是表演、舞蹈、歌唱的地方；景屋就是最早的换衣间和道具储藏室；观众席一般环绕在乐池的周围，依山而建，摆放着整齐的长椅方便观众观看演出。文艺复兴时期，文学艺术空前繁荣，戏剧内容更加丰富多彩，也推动着戏剧舞台的发展。 17世纪的欧洲打破了以往传统的露天剧场局限，剧院里开始出现镜框台口、

14、箱型舞台和多层包厢的观众厅，这对日后舞台形式的发展起到了潜移默化的作用。18世纪，欧洲各大主要城市纷纷效仿建造意大利式的剧场，深受社会各界的好评。最具代表性的要属有歌剧麦加之称的米兰歌剧院了，拥有马蹄形的观众厅和六层环绕的包厢，观众厅设计为对声场非常有利的“黄金律”，许多著名的歌剧都在此演出。19世纪后半叶，欧洲兴建了一批非常豪华的歌剧院，延续了古典剧场的传统模式也增加了舞台机械设备，如安装了起吊布景机械的巴黎歌剧院和水压式的机械升降台的布达佩斯国立歌剧院。50年代，为了达到更好的视听效果，舞台中安装了电力驱动的转台。第二次科技革命进一步推动了生产技术的发展，舞台机械技术、照明技术等科学成就被

15、广泛地应用到乐池、镜框台口、箱型舞台中，舞台文化艺术产业空前发展。美国的剧院舞台也效仿英国的舞台技术，到了20世纪和21世纪才开始发展自己的舞台技术，并形成了一套自己特有的风格。总之，国外的舞台机械设备发展还是比较早的，经过几百年的发展演变，更多的科学技术成果被应用到舞台控制系统中，通过各种升降、推拉、转功能的转换使舞台艺术表演更加完美，对现代舞台机械的发展影响深远。1.4国内研究现状我国的戏剧发展可以追溯到汉代，宋元南戏、元杂剧、明清传奇、京剧都是不同时代的代表。这些传统戏曲演出主要讲究的是唱、念、打、做的配合，大都采用敞开式舞台，如果需要场景更换之类的都是靠人为的拉动、推送完成，与同一时期

16、的西方国家相比，我们的舞台设施建设远远落后于他们。直到20世纪初，我国才学习西方舞台形式，建设了镜框式箱型舞台，北京、上海、广州等大城市的剧院开始启用一些简单的电动设备，还出现了人力小转台、手动吊杆等，这些都促进了我国舞台机械的发展。但是电动设备还是有其自身局限性的，比如它不能调速，也不能进行定位控制，难免使戏剧演出时受设备的影响而达不到完美效果。20世纪50年代，我国的传统戏剧开始走向世界，在国际性舞台上绽放光彩。同时，西方的歌剧、戏剧等剧种也在国内舞台上表演，对我国的舞台设备有了更多的要求，我们必须与国际接轨，促进剧场建设和舞台设备的建设。因此，许多文化设施场所开始安装舞台机械设备，以北京

17、首都剧场为例，它在剧场建设了假台口、转台和电动吊杆等机械设备。20世纪70年代末期，国内各地的剧院也如法炮制，设置了台上设备和台下设备，采用液压技术的驱动系统还有计算机控制的控制系统来满足不同演出的要求。中央戏剧学院在我国的舞台建设方面开创了三个第一，第一个升降乐池，第一个气垫式车台，还有第一台拥有八块升降台的鼓筒形转台，同时防火幕、天幕吊杆和定速吊杆等机械设备。实践证明，这些舞台机械设备的安置对舞台艺术表演起到了非常大的帮助。进入20世纪90年代以后，随着工业的大力发展和科学技术的进步，文化产业也不断发展，对文艺舞台的设备要求也越来越高。我国引进了外国的先进舞台技术并结合自身特点运用到国内舞

18、台建设中，使舞台机械设备的功能更多样化。跨入21世纪后，计算机数字控制系统被广泛运用到舞台控制系统中，最具代表性的就是舞台吊杆，具备了定点定位和无极调速等功能，为舞台机械设备的发展开创了新篇章。第二章 控制方案2.1 系统整体设计现就本设计做如下整体说明,本设计使用组态软件为昆仑通态的MCGS，下位机PLC选用西门子公司的S7-200系列CPU226，因为这款PLC有2个通信口COM0与COM1。口0可以与上位PC机通信，口1可以和HMI通信，口0和口1都用西门子默认提供的PPI协议，这样PLC能同时和PC机及HMI通信。不论PC机还是HMI都可以直接与下位PLC进行数据交换，来控制舞台吊杆。

19、在本地安装一个控制箱，箱上装有上升按钮、下降按钮与急停按钮。上升按钮与下降按钮都是一直按下去吊杆才上升或下降，当松开时吊杆停止运行。只有急停按钮是点动方式即按一次吊杆就停止。吊杆运行状态通过I0.2与I0.3来判断，当I0.2为低电平0，I0.3为低电平0时，代表吊杆处于上升状态；当I0.2为低电平0，I0.3为高电平1时，代表吊杆处于下降状态，当I0.2为高电平1，I0.3为高电平1时，代表吊杆处于停止状态。舞台吊杆运行位置通过编码器反馈个PLC，PLC通过高速计数器HSC5的模式0记录脉冲数据来反映舞台吊杆当前位置。当下载完PLC程序后，本设计有自动学习功能，即下载完PLC程序，舞台吊杆从

20、最上端运行到最下端停止后，PLC记录本次脉冲数作为以后吊杆运行参数使用，此次脉冲数当作吊杆运行最大距离的起始参数。脉冲数据通过PLC的I0.4输入。当变频故障时通过开关量接到PLC输入端I0.7。变频器故障时禁止系统运行，直到故障解除，系统可以正常运行。手/自动按钮为I1.1输入,当I1.1为低电平时代表手动状态，为高电平时代表自动状态。另外，本系统设计有上、下限位报警停止功能。上限位报警开关量为I0.0,下限位报警开关量为I0.1，当系统异常运行不可控时，只要运行到上或下限位使限位开关接触闭合，就可以自动锁定吊杆防止吊杆脱落造成不必要的财产及人员损失。开关量输出Q0.0设计为交流电机通电/断

21、电控制，当Q0.0闭合同时Q0.1闭合时电动机正传；当Q0.0闭合同时Q0.2闭合时电动机反传；当Q0.0断开，无论Q0.1,Q0.2处于什么状态，电机失电不运行，需要注意的是Q0.1与Q0.2不可同时为1即不可同时将上升按钮、下降按钮按下，这样会使AC 380V交流电短路，造成事故。本设计还扩展了一块EM235模块，此模块是模拟量4路输入，模拟量1路输出模块。模拟量输入用来检测电机电流，当电机电流超过设定的报警限时系统报警并且禁止系统运行，直到解除报警状态，才允许系统运行，保证了电机及系统的安全。模拟量输出接到变频器输入端子，通过上位机给定参数，来执行变频器调速功能。系统主要设备列表见表2-

22、1.设备数量西门子PLC S7-200 CPU2261模拟量扩展模块EM2351交流接触器3交流电动机1220V继电器若干行程限位开关2光电码盘1按钮3线材若干变频器1触摸屏1PC机1232To485转换器1电流互感器1表2-1 设备列表2.1.1 系统整体结构介绍图2-1 系统结构框图系统整体结构设计框图如图2-1所示，主要由三部分构成，最上层以PC作为上位机，也可以由HMI控制PLC，中层的下位机选用的是西门子S7-200系列的226CPU PLC，PLC扩展模拟量采集模拟量数据。最下层是通过继电器、交流接触器、变频器控制交流电机，脉冲信息的接收部分由PLC的高速计数器完成，最后设置行程开

23、关用于防止超出极限位置。2.1.2 调整控制系统介绍图2-2 调整控制系统流程图如图2-2所示为PLC调整控制系统流程图，PLC上电启动后先初始化程序，接下来采集相关数据，判断PLC运行状态手动或自动状态。1.自动状态，如果为自动状态，先读取设置的参数，判断电机是否供电，若未供电不运行，若已经供电判断是否是上升命令，若不是上升命令判断是否是下降命令，若不是下降命令，判断是否是停止命令，若不是停止命令则返回继续判断是否是上升命令，如此循环。如果是上升命令则按照给定的速度上升，并且时刻判断是否到达设定的安全距离，如果到达安全距离则以缓慢的速度上升，直到上升到给定高度，停止运行，过程执行完毕。如果是

24、下降命令则按照给定的速度下降，并且时刻判断是否到达设定的安全距离，如果到达安全距离则以缓慢的速度下降，直到下降到给定高度，停止运行，过程执行完毕。如果是停止命令，执行停止命令，运行停止，过程执行完毕。2.手动状态，如果为手动状态，先检测电机是否供电，若未供电不运行，如果已经供电，判断是否是上升命令，若非上升命令，判断是否是下降命令，若非下降命令，判断是否是停止命令，若非停止命令，则返回到继续判断是否是上升命令，如此循环。如果是上升命令按照给定速度上升，判断是否有停止命令，当有停止命令时，执行停止命令，运行停止，过程执行完毕。如果是下降命令按照给定速度下降，判断是否有停止命令，当有停止命令时，执

25、行停止命令，运行停止，过程执行完毕。如果停止命令，执行停止命令，运行停止，过程执行完毕。若是系统运行是出现异常情况，如图2-3所示： 图2-3 系统运行异常流程图系统上电初始化后，时刻判断系统是否运行异常根据相应报警情况执行相应程序。1.当出现上限报警时，锁定吊杆禁止系统运行并给出上限报警信息。2.当出现下限报警时，锁定吊杆禁止系统运行并给出下限报警信息。3.当出现变频故障时，锁定吊杆禁止系统运行并给出变频报警故障信息。4.当出现电机电流报警时，锁定吊杆禁止系统运行并给出电机电流报警信息。5.若未发生任何报警，则继续循环监测是否有报警信息。2.1.3主控系统介绍系统主控系统主要由PC机、PLC

26、、交流接触器、电动机、变频器等构成。工作过程为，操作员可以通过上位机设置好参数后自动运行系统，系统分为手动、自动两大模式。在手动模式下操作员可以根据现场运行情况自由控舞台吊杆的上升、下降或停止。在自动模式下操作员可以根据经验设置好参数后自动运行。本系统有安全保护措施，能最大限度的减小危险的发生。现就主控系统的设备作如下功能说明：1. 上位PC机主要负责实时监测系统的重要参数，通过人机界面，操作员可以设置系统运行状态，运行参数等，查看报警信息。2. PLC主要负责上位机与最下端设备数据转换、交换，上位机发来的数据信息首先与PLC进行交换，由PLC进行转换传递给底端设备；底端设备的数据也首先传送给

27、PLC，再由PLC传递给上位机。PLC的功能还有进行逻辑运算。3. 交流接触器主要功能为控制380V交流电动机的启动、停止、电机转向控制。4. 电动机主要为控制舞台吊杆升、降、停运动。5. 变频器负责对电动机的调速控制，及变频故障时给出故障信号，再由PLC反馈给上位机。2.1.4定位控制系统介绍定位控制系统用到的主要设备有：行程限位开关、光电码盘、变频器等。定位控制也要分手动与自动两种情况来说明。自动状态下，因为变频器可以实现对电机的连续调速，所以在此状态下，设置好参数后，系统自动监测如果吊杆距离设定的高度很远，那么吊杆将按照之前设置的最大运动速度快速运动，直到运动到设定的安居距离之内，再由变

28、频器调速将电机调到低速运行状态，使吊杆低速缓慢运行，直到运行到设定的高度再停止吊杆运动。如果设定的高度在安全距离内，那么吊杆将以低速运行，到达指定位置后停止。这个安全距离一定要设置一个合法值，否则当吊杆在自动运行时，监测不到安全距离，系统将不能做到精确定位。手动状态下，操作员可以设置吊杆运行速度后再对吊杆进行控制。不论是自动状态还是手动状态，操作员可以在任意时刻对吊杆进行停止控制，这是为了应对突发事件，可以迅速停止吊杆的设计。在任何状态下有行程限位开关可以保护吊杆运行超过非法位置，保证吊杆在可控范围内。光电码盘用来监测电机的运行速度情况，操作员发出运动命令后，通过光电码盘反馈给上位机的速度信号

29、，可以验证电动机是否是按照命令运行的。另外，光电码盘在精确定位控制中起到了至关重要的作用，码盘的精度对与总精度也是一个很重要的数据。因为这个码盘最后反映给PLC 的就是脉冲数据，而这个脉冲数据又直接对应于吊杆的单位运动距离，所以，对于马盘的选择也很重要。2.1.5通信系统介绍本设计采用工业上通用的485总线通信方式实现多杆联动，这种通信方式的通信距离可以达到几十米甚至到上千米。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因

30、此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。通信协议使用西门子公司提供的默认PPI协议。PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口，通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不能主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量，但在一个网络中，主站不能超过32个。PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传

31、和下载程序和西门子人机界面与PC通信。通过这种方式可以实现多杆联动。2.2 系统设计功能指标根据实际情况，本系统设计拟定了一下功能指标：（1） 可由交流电机驱动舞台吊杆实现上下移动。（2） 通过变频器进行调速。（3） 由于吊杆一般是在舞台空中运行的，吊杆本身以及承载的重物下面就是舞台，舞台上可能有演出者，如果发生意外失控后果难以想象，所以在必须设有警报死锁功能防止系统失控，保证舞台吊杆的安全运行。（4） 为了更便捷的管理控制舞台吊杆，可以接上触摸屏或者上位机进行可视化操作。（5） 一般舞台都设有较多的吊杆以满足不同演出的需要，本系统设计通过485通信实现多杆联动，大大减少了人力物力资源，经济可

32、靠。（6） 能实现动作纪录保持，可通过上位机进行读取用作分析或者回放。第三章 硬件设计3.1 PLC的型号选择及优点德国的西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，比如在冶金、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、S7-1200、S7-300、S7-400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。西门子小型机有S7-200

33、：处理速度0.81.2ms ；存贮器2k ；数字量248点；模拟量35路 。3.1.1工作原理当PLC通电运行后，其工作过程一般分为以下三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个主要阶段。每完成上述三个阶段就称作一个扫描周期。在其整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。3.1.2优点1.可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线大大减少。与此同时，系统的维修简单，维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如：冗余的设计。断电保护，故障诊断和信息保护及恢复。PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的

34、编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言。编程出错率大大降低。2.易操作性PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。3.灵活性PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能

35、模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用而拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。PLC选择西门子公司的CPU226型号。CPU226技术规范CPU特性如表3-1所示。 型号订货号CPU 226XM DC/DC/DC6ES7 216-2AF21-0XB0CPU 226XM AC/DC/继电器6ES7 216-2BF21-0XB0总体特性外形尺寸 (长 x宽H x 高)重量功耗196 mm x 80 mm x 62 mm550 g11 W196 mm x 80 mm x 62 mm660 g17 WCPU 特性本机数字输入本机数字输出24 路数字量输入16 路数字量输出2

36、4 路数字量输入16 路数字量输出高速计数器 (32-位值)总数单相计数器个数两相计数器个数脉冲输出模拟电位器时间中断边沿中断可选择的输入滤波器时间脉冲捕捉时钟 (时钟精度)6 个高速计数器6 个都是30 kHz 时钟速率4 个都是20 kHz 时钟速率2 个，20 kHz 脉冲速率2 个，8 位分辨率2 个，1 ms 分辨率4 个上升沿和/或 4 下降沿7 个，范围 0.2 ms 12.8 ms14 个脉冲捕捉输入25oC 时，2 分种/月 0oC 55oC 时，7 分种/月6 个高速计数器6 个都是 30 kHz 时钟速率4 个都是 20 kHz 时钟速率2 个，20 kHz 脉冲速率2

37、个，8 位分辨率2 个，1 ms 分辨率4 个上升沿和/或 4 下降沿7 个，范围 0.2 ms 12.8 ms14 个脉冲捕捉输入25oC 时，2 分种/月0oC 55oC 时，7 分种/月程序空间 (永久保存)数据块空间: (永久保存)永久保存由超级电容或电池保存扩展模块的数量最大的数字量 I/O最大的模拟量 I/O8192 字5120 字5120 字5120 字7 个模块25632 AI和32 AO8192 字5120 字5120 字5120 字7 个模块25632 AI和32 AO内部存储器位掉电永久保存由超级电容或电池保存256 位112 位256 位256 位112 位256 位定

38、时器总数由超级电容或电池保存1 ms10 ms100 ms256 定时器64 定时器4 定时器16 定时器236 定时器256 定时器64 定时器4 定时器16 定时器236 定时器计数器总数由超级电容或电池保存布尔量执行速度传送字的执行速度定时器/计数器执行速度单精度数学运算执行速度实数运算执行速度超级电容的数据保存时间256 计数器256 计数器0.37 s 每条指令34 s 每条指令50 s 64 s 每条指令46 s 每条指令100 s 400 s 每条指令190 小时/典型，40oC时最小120 小时256 计数器256 计数器0.37 s 每条指令34 s 每条指令50 s 64

39、s 每条指令46 s 每条指令100 s 400 s 每条指令190 小时/典型，40oC时最小 120 小时本机通讯通讯口数电气接口隔离 (外部信号到逻辑电路)PPI/MPI 波特率自由口波特率2 口RS-485 不隔离9.6, 19.2, 和 187.5 k 波特0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 和 38.4 k 波特2 口RS-485不隔离9.6, 19.2, 和187.5 k 波特0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 和 38.4 k 波特每网络段最大电缆长度直到 38.4 k 波特187.5 k 波特最大站数每个

40、网络段 / 每个网络最大主站数PPI 主站模式 (NETR/NETW)MPI 连接1200 m1000 m32 站 / 126 站32 主站是共 4 个; 2 保留：一个 给 PG ，另一个给 OP1200 m1000 m32 站 / 126 站32 主站 是共 4 个; 2 保留：一个给 PG ，另一个给 OP可选的卡存储器卡 (永久保存)电池卡 (数据保存时间)程序、数据和组态200 天/典型程序、数据和组态200 天/典型表3-1 S7-200 226 PLC CPU特性电源如表3-2所示，输入特性如表3-3所示，输出特性如表3-4所示。电源电源电压允许范围输入电流 仅 CPU / 最大

41、负载冲击电流 (最大)隔离 (输入电源到逻辑电路)保持时间 (从断开电源)内部熔断 (用户不能替换)20.4 28.8 VDC150/1050 mA，24 VDC10 A，28.8 VDC不隔离 10 ms，24 VDC3 A, 250 V, 慢速熔断85 264 VAC47 63 Hz40/160 mA，240 VAC80/320 mA，120 VAC20 A，264 VAC1500 VAC80ms，240VAC, 20ms，120 VAC 3 A, 250 V, 慢速熔断+5 V 扩展I/O模块电源 (最大)1000 mA1000 mA24 VDC 传感器电源输出电压范围 最大电流纹波躁声

42、电流限制隔离 (传感器到逻辑电路)15.4 28.8 VDC400 mA和电源相同约1.5A不隔离20.4 28.8 VDC400 mA峰峰值小于 1V (最大)约1.5A 不隔离表3-2 S7-200 226 PLC 电源输入特性主机输入数输入类型24 输入汇型/源型 (IEC Type 1)24 输入汇型/源型 (IEC Type 1)输入电压允许的最大连续值浪涌标称值逻辑 1 信号 (最小)逻辑 0 信号 (最大)30 VDC35 VDC/ 0.5 s24 VDC/ 4 mA, 标准值15 VDC/ 2.5 mA, 最小5 VDC/ 1 mA, 最大30 VDC35 VDC/ 0.5 s

43、24 VDC/ 4 mA, 标准值15 VDC/ 2.5 mA, 最小5 VDC/ 1 mA, 最大隔离 (现场侧到逻辑电路)光电隔离隔离组500 VAC ，1 分钟13 点和 11 点500 VAC ，1 分钟13 点和 11 点输入延时滤波输入和中断输入0.2 12.8 ms, 用户可选0.2 12.8 ms, 用户可选HSC 时钟输入速率单相逻辑 1 电平 = 15 30 VDC逻辑 1 电平 = 15 26 VDC两相逻辑 1 电平 = 15 30 VDC逻辑 1 电平 = 15 26 VDC20 kHz30 kHz10 kHz20 kHz20 kHz30 kHz10 kHz20 kH

44、z连接2线接近开关传感器 (Bero)允许漏电流最大 1 mA最大 1 mA电缆长度不屏蔽 (不是 HSC)屏蔽屏蔽的 HSC 输入300 m500 m50 m300 m500 m50 m输入同时接通的数量40 oC55 oC24 输入24 输入24 输入24 输入表3-3 S7-200 226 PLC 输入特性输出特性主机输出数输出类型16 输出固态 -MOSFET16 输出继电器-干触点输出电压允许范围标称值最大电流时逻辑 1 信号带 10 K 负载时逻辑 0 信号20.4 28.8 VDC24 VDC20 VDC,最小 0.1 VDC, 最大5 30 VDC 或 5 250 VAC-输出

45、电流逻辑 1 信号输出组数输出接通个数 (最多)每组 - 水平安装 (最多)每组 - 垂直安装 (最多)每组的最大电流灯负载接通电阻 (触点电阻)每点的漏电流浪涌电流过载保护0.75 A216886 A5 W0.3最大 10 A8 A ，100 ms (最大)无2.00 A3164/5/74/5/710 A30 W DC/200 W AC当开始使用时，最大 0.2-触点闭合时 7 A无隔离 (现场侧到逻辑电路)光电隔离隔离电阻线圈到触点的隔离触点间的隔离组500 VAC ，1 分钟-8 点-当开始使用时，最小 100 M1500 VAC，1 分钟750 VAC， 1 分钟4 点 / 5 点 /

46、 7 点感性负载嵌位重复的能量吸收 <0.5 LI2 x 开关速率嵌位电压限制1 W, 所有通道L+ 48 V-输出延时Off 到 On (Q0.0 和 Q0.1)On 到 Off (Q0.0 和 Q0.1)Off 到 On (Q0.2 和 Q1.7)On 到Off (Q0.2 和 Q1.7)2 s, 最大10 s, 最大15 s, 最大100 s, 最大-开关频率 (脉冲串输出)Q0.0 和 Q0.120 kHz，最大1 Hz，最大继电器开关延时机械寿命 (无负载)带标称负载时触点寿命-10 ms，最大10,000,000 开/关 循环100,000 开/关 循环电缆长度不屏蔽屏蔽15

47、0 m500 m150 m500 m表3-4 S7-200 226 PLC 输出特性3.2 I/O地址分配I/O地址分配如图3-1所示，Q0.0电机供电输出，Q0.1电机正转，Q0.2电机反转，Q0.3报警输出。I0.0舞台吊杆上限位，I0.1舞台吊杆下限位，I0.2舞台吊杆运行状态1，I0.3舞台吊杆运行状态2，I0.4舞台吊杆脉冲输入，I0.5舞台吊杆本地上升按键，I0.6舞台吊杆本地下降按键，I0.7变频故障反馈，I1.0系统运行状态，I1.1手/自动切换，I1.2舞台吊杆急停按钮。AIW0模拟量输入为电机电流输入。AQW0模拟量输出为变频控制输出。图3-1 舞台吊杆I/O分配3.3 P

48、LC外部接线图PLC的外部接线是简单而又比较枯燥乏味的工作。但也需要比较细心的，容不得马虎大意。稍有大意，接错线就有可能烧坏设备，而这些设备又都是比较贵重的。因此，接好线最好还是要反复检查确认所有接线都正确在逐个通电，避免因为马虎大意造成不必要的损失。这里需要说明的是所有输入输出都用继电器隔离，防止外部电路故障烧坏PLC，模拟量输入采用工业标准的4-20mA输入，EM235接线时，将RA与A短接。未用的模拟量输入将端口短接，防止干扰。接线图如图3-2所示。图3-2 PLC外部接线图电机控制用两路交流接触器控制任意改变AC 380V交流电的任意两项电，来实现交流电机的正反转控制。用第三路交流接触

49、器控制电机通电与否。接线图如图3-3所示图3-3 交流电机正反转控制接线图3.4光电旋转码盘光电旋转码盘结构图如图3-4所示。其工作原理原理为，在这个码盘上，最外沿边缘上有一些规则的小凸槽和凹槽，在如图3-4的右半部分的码盘黑色正方形代表凸槽，白色的代表凹槽。码盘通过中心轴固定在电机轴上，当电机转动时，码盘也与电机以相同的角速度转动，那么在码盘最外沿的凸槽就会遮挡住其一侧的发光管发出的光，使另一侧的接收部分接收不到对面发来的光，这时PLC的I0.4就会读到一个脉冲。随着电机的转动，当下一个凹槽转动过来后，不能遮挡住发光管的光线，那么此时PLC的I0.4读到的电平信号为低电平信号。电机继续转动又

50、迎来凸槽，如此往复永动下去，PLC的I0.4就能读到很多个脉冲，来记录电机的转动情况，即舞台吊杆的位置。现举例说明本设计如何实现精确定位，假如舞台吊杆的最大行程为4000mm,码盘转动一周为50个脉冲，交流电机带动齿轮绳索转动一周为10mm。那么每个脉冲代表转动绳索长度为0.2mm。转动使舞台吊杆到达最大行程4000mm，需要20000个脉冲，电机需要转动400转。在这样的理论精度下，在通过变频器调速，当舞台吊杆快要达到设定高度时，通过变频器使电动机按照设定的很低速度运行，慢慢到达指定位置，最后停止运行并锁定吊杆。正是因为有很高的理论上的精度，才能做到实际情况下的高精度定位。图3-4 光电旋转

51、码盘结构图3.5变频器变频器选用ABB公司的PowerFlex 40p交流变频器22D-UM001A-ZH-P。控制接线图如图3-5所示。模拟量输入控制采用0-10V控制，PLC的扩展模块EM235也同样配置成0-10V电压输出。这样可以方便的进行连续调速，即当EM235输出10V电压时，电机的转动速度最大；当EM235的输出为0V时电机的转动速度最小。接线端子如表3-5所示。端子说明R/L1,S/L21-相输入R/L1,S/L2，T/L33-相输入U/T1接电动机U/T1V/T2接电动机V/T2W/T3接电动机W/T3P2,P1直流母线电感线圈连接端（只对C型框架的变频器）C型框架的变频器在

52、端子P2，P1之间有一个跳线，只有当连接直流母线电感线圈时才可拆除此跳线。如果没有连接跳线或电感线圈，变频器无法上点。DC+,DC-直流母线连接端BR+,BR-动态电阻连接端GND安全接地点-PE 表3-5 变频器接线端子 图3-5 变频器控制接线图第四章 PLC软件设计4.1PLC编程软件西门子S7-200PLC编程软件使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6编程软件，软件界面如图4-1所示。STEP 7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。图4-1 V4.0 STE

53、P 7 MicroWIN SP6编程软件编译环境4.1.1软件特点STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的相关帮助。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。4.1.2编辑本段STEP 7的硬件接口PC/MPI适配器用于连接安装了STEP 7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5Mbit/s。除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。4.1.3基本功能STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。1.在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算