舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现 论文

　　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统。

　　三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

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　　① 熟悉舞台灯光旋转云台的工作原理；

　　②选择合适的三菱FX2n-MT系列PLC指令系统与编程方法； ③ 熟悉步进电机的工作原理和驱动方式；

　　④ 掌握光电传感器、接近开关的工作原理与选型； ⑤完成系统设计与软件编程；

　　⑥ 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

　　II

　　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。

　　本文详细讨论舞台灯光摇头（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方式，改变步进电机速度和方向，对灯头任意旋转，达到灯光投射方向的变幻目的。本文详细介绍了该控制系统的工作原理，描述了系统的硬件组成，对硬件的选型做出了较详细的说明。结合PLC的工作特点，对控制系统的工作流程进行了合理的规划，并且根据系统流程编写的梯形图程序。把PLC应用到舞台灯姿态控制的设计中能够充分发挥PLC的可靠性和抗干扰性。使舞台灯在稳定性、经济性以及维护性上都得到了很大的提升。

　　关键词 PLC 舞台灯 控制系统 步进电机

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　　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

　　IV

　　目录

　　摘要 ............................................................................................................................................................. III Abstract .................................................................................................................................................... IV 目录 ...................................................................................................................................................... V

　　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 国内历史发展概况 .....................................................................................................................2

　　1.3设计任务 .................................................................................................................................................2

　　1.3.1 任务研究的主要内容 .................................................................................................................2

　　1.3.2 任务分析 .....................................................................................................................................2

　　第2章设计方案 ...................................................................................................................................................3

　　2.1 工作原理与方案选择 ............................................................................................................................3

　　2.2 舞台灯摇头分析 ....................................................................................................................................3

　　2.3系统硬件分析 .........................................................................................................................................4

　　2.3.1 系统硬件框图 .............................................................................................................................4

　　2.3.2 三菱FX2n简介 ..........................................................................................................................5

　　2.3.3 步进电机简介 .............................................................................................................................6

　　(1) 什么是步进电机 ............................................................................................................................................6

　　1) 控制换相顺序..................................................................................................................................................6

　　2) 控制步进电机的转向 ......................................................................................................................................6

　　3) 控制步进电机的速度 ......................................................................................................................................6

　　第3章PLC的介绍和使用 ..................................................................................................................................7

　　3.1 PLC的概述 .............................................................................................................................................7

　　3.2 PLC的由来 .............................................................................................................................................7

　　3.3 PLC的定义 .............................................................................................................................................8

　　3.4 PLC的工作原理和过程 .........................................................................................................................8

　　3.5 PLC的结构 .............................................................................................................................................9

　　第4章主要硬件选型 ......................................................................................................................................... 11

　　4.1 PLC的选择 ........................................................................................................................................... 11

　　4.2步进电机的选择 ...................................................................................................................................15

　　4.2．1步进电机的简介 .....................................................................................................................15

　　4.2.1选择步进电机的条件 ................................................................................................................16

　　4.4步进电机的驱动 ...................................................................................................................................18

　　4.4.1 步进电机工作原理 ...................................................................................................................18

　　4.4.2 步进电机的控制 .......................................................................................................................20

　　4.4.3可编程控制器(PLC)程序 ..........................................................................................................20

　　4.5 程序设计 ..............................................................................................................................................21

　　4.5.1 GX Developer软件介绍 ............................................................................................................21

　　4.5.2 GX-Developer 程软件的界面 .............................................................................................22

　　4.5.3梯形图程序设计 ........................................................................................................................24

　　V

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　　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

　　VI

　　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。主要表现在两个方面：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

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　　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，内燃椽烛，这是中国人造光源之始。

　　1.2.1 国内历史发展概况

　　中国宋代以后，舞台上就曾使用过人工照明，清代张岱的《陶庵梦忆》有文字记载，彩灯也始于宋代。刘辉吉在演出《唐明皇游月宫》时就使用过灯光变化。清代后期，宫中和民间都在演出“灯彩戏”。光绪十年(1884)慈禧寿诞时，一次演出就用去蜡烛448枝，而民间演出的《牛郎织女》也用了许多喜鹊灯。辛亥革命后，中国剧场一般使用汽灯或电灯照明。从1933年上海上演《怒吼吧，中国！》时起，中国舞台上开始建立了舞台聚光投射系统。1954年后，先后建成了一些符合国际标准的剧场，引进并建立了中国自己的舞台灯光系列，发展了中国独特的幻灯表现艺术。

　　1.3设计任务

　　1.3.1 任务研究的主要内容

　　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方式，改变步进电机速度和方向，对灯头任意旋转，达到灯光投射方向的变幻目的。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和Protel绘图软件的使用。

　　1.3.2 任务分析

　　根据本次毕业设计的课题和设计的主要任务，我们可以知道，要设计的系统的主要功能就是基于PLC控制舞台灯实现3600的摇头功能，再通过BCD码盘控制不同的状态。 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编程指令和通信协议，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。

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　　第2章设计方案

　　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：

　　① 利用工控机实现；

　　② 利用单片机实现；

　　③ 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

　　舞台灯机械结构如图2-2所示。

　　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

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　　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。

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　　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。

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　　● 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。

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　　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；

　　9、成本可与继电器控制系统竞争；

　　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

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　　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

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　　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

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　　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。

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　　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

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　　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PLC为从站,组成简易PLC网络；2)1台PLC为主站,其他同型号PLC为从站,构成主从式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

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　　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

　　选择PLC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

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