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东莞旋转舞台位置控制设计实现

发布时间:2019年04月22日    点击数:
旋转舞台系统构成

控制系统的结构如图1所示,主要包括控制台、切换器、变频驱动装置等。

上位机使用康泰克工控机,采用Microsoft公司的VC进行编程,实现吊杆选择、位置设定与监控、场次编制、动画显示等功能,通过西门子公司的5611卡与下位机进行通讯;下位机为西门子S7-300 PLC,由西门子公司的STEP7软件编制,做为系统的控制中心,实现吊杆位置存贮、命令发送、通讯主站等功能。从站由十台施奈德ATV71变频器构成,实现位置控制、限位动作、驱动电机等功能;触摸屏采用PROFACE公司产品,实现台控时的吊杆选定、零位设置等功能。上位机、PLC和变频器之间通过Profibus-DP网络进行连接,PLC与触摸屏之间通过MPI网络连接。

切换器用来在选中吊杆时,根据PLC指令将相应电机的电源及编码器反馈信号切至指定变频器,通过此种设计首先保证了当某台变频器出现故障时,其它变频器仍能带动吊杆正常工作,使演出正常工作;其次降低了工程本钱,是目前国内外普遍采用的先进技术。

限位保护功能

为保证人身安全与设备安全,必须加设吊杆的上、下限位,在采用方式一设计时,限位信号传送到PLC中,PLC再发送指令使变频器停止输出,这样执行环节较多,造成的安全隐患也更大。而采用方式二的设计方法,限位信号直接进进变频器,施奈德ATV71变频器自身模块提供了上、下限位保护功能,可以实现在到达限位位置时自动停车功能。

根据舞台应用的特殊要求,在吊杆到达限位位置时,应该仅答应反向运行,以便脱离限位信号并保证不会发生冲顶情况,此功能同样可以通过在CI卡上的程序编制加以实现。

位置控制实现

位置控制功能是舞台控制系统中最重要的功能,也是吊杆精确定位的保证。目前国内的实现方式主要有两种(如图2):一是切换电机后,将电机的反馈编码器信号直接引进PLC中,由PLC的高速计数模块进行计数,通常采用双相双计数方式。这种方式的本钱较低,但是当电机制动,有稍微颤抖的情况发生时,某些PLC的计数值会有较大的误差出现,同时,为进步定位精度,在接近定位位置时,电机需要平稳减速,要求PLC实时发出速度指令,这要求有较好的算法才能同时满足稳定与精度的要求,但也会增加程序的复杂性。二是将电机的编码器信号引进变频器中,由变频器进行位控,既进步了正确性,又构成了闭环系统,使控制性能变硬,此种控制通常使用的是SEW变频器,但其价格较高,增加了工程本钱。而本次设计由于提出要求较高,但本钱较低,故采用施奈德的ATV71变频器,在加装提供的可编程控制卡(CI卡)后,利用codesys编程后可实现位控和限位控制,其具体方法本文不再具体说明。

在ATV71变频器上加装的可编程控制卡(CI卡)相当于一个小型的PLC,通过编程可实现相对位移和尽对位移两种位置控制方式,由PLC来决定使用哪种方式。

软件实现

在吊杆运动时,需要将吊杆确当前位置、运动速度等在触摸屏与计算机上实时显示,并且要时刻监测变频器与吊杆的状态,因此通过DP网有大量的数据交换,这就要求PLC具有大数据量处理能力,以及编制的程序有较高的执行效率。

位置控制软件实现

本次设计使用了尽对位移的控制方式,因此在控制某一吊杆运动时,首先要区分是走固定位移还是任意位置,PLC据此将所选吊杆确当前位置及设定到达位置(在选择固定位移时)传送到指定变频器的CI卡上,再由CI卡上的程序确定电机的运动方式,并通过反馈的编码器信号,确定当前吊杆的位置。运动中,CI卡要将吊杆位置数值传送回PLC中,以便触摸屏与计算机加以显示。

在PLC中,吊杆的位置信息是以尽对位置保存的,这样首先可以节省字的使用数目;其次触摸屏与上位机在读取位置信息时,可以直接读取地址。而当与变频器通讯时,由于传送的是编码器的脉冲值,则在传送出接收时,都要首先进行乘法或除法运算。

由于在PLC与CI卡间传送的位置信息是编码器的脉冲值,因此,每一个位置信息需要两个字的存贮空间,那么当选择十道吊杆同时进行固定位移动作时,为保证动作的一致性,就需要通过DP网向变频器发送四十个字的位置信息,并要接收二十个字的位置信息,这对PLC的处理能力有较高的要求,假如在一个执行周期内完成这些工作,PLC要进行大量的乘除法运算,因此对PLC的性能要求很高。

吊杆电机切换实现

切换器的应用是为了根据要求,将电机切换至相应的变频器,同时也要将电机的编码器信号、限位信号等同时切换至变频器。

应当留意的是,由于切换器采用的是电子电路板设计,并放置在控制柜内,难免会受到变频器及接触器动作时的电压干扰,从而造成的切换错误现象,在演出中,这种情况的发生极易造成对台上演员的人身伤害,因此是要果断避免的。对其处理方法:一是要加设抗干扰设备,在切换信号发出端加装滤波电容,过滤接触器吸合开释时产生的干扰。二是在切换电机后,PLC务必要有切换检查程序,确保正确切杆。

在程控时,由于某些演出的场次切换很快,在一个场景布置结束后,要立即切进下一个场景,由于吊杆在运动时,是不答应切换下一场景的,因此,有些切换要求在几秒内完成,这就需要PLC在这个时间段内完成切换检查程序,然后才能答应下一场景运行。

切换检查程序的流程如图3。PLC先发送检测的杆号,采用8421编码;切换器则返回此杆号对应的变频器号,直接对应PLC远程I/O的输进点。检测时要将所有的吊杆都扫描一遍,PLC需要判定以下几种情况:一是应选定而实际未被选择的吊杆,二是同一吊杆被多个变频器选定,三是一个变频器上有两个及以上的吊杆被选定。

检测时,PLC发送杆号后,通常要隔两个周期才能读回切换器的返回信号,由于硬件电路需要一定的时间建立电平信号,取西门子S7-300程序执行时均匀的扫描时间为50毫秒,按50个吊杆计算,第三个周期能够检测完一个吊杆的变频器选择情况,那么就需要费时约7.5秒左右,这显然无法满足要求。因此在程序设计时,考虑在执行切换检查程序时,中止其它所有功能块的执行,仅几个重要的故障情况由中断程序执行,这样,可以使此时的PLC扫描时间缩短为10毫秒左右,全部执行完成仅需1.5秒左右,满足快速切换的要求。

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