常學(xué)軍

（國(guó)家大劇院 舞臺(tái)技術(shù)部，北京 100031）

前言

當(dāng)前的舞臺(tái)演出中，導(dǎo)演為了提升演出質(zhì)量和藝術(shù)效果，對(duì)演出場(chǎng)景變化的要求越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)舞臺(tái)臺(tái)面較為固定，并且造型、風(fēng)格較單一，整體舞臺(tái)技術(shù)水平較低，已不能滿足當(dāng)今流行的演出需要。而將PLC可編程控制器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用到舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制中，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的升降、平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，可使演出更加多姿多彩。

本文主要以旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，闡述運(yùn)用PLC控制技術(shù)在旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。

1 PLC可編程控制器簡(jiǎn)介

PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器簡(jiǎn)稱），是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的新型工業(yè)控制裝置，目的是用來(lái)取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成整體和擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，PLC分為整體式和模塊式兩種，但它們的組成是相同的。整體式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信接口、電源等組成；模塊式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信模塊、電源模塊、背板或機(jī)架等組成。無(wú)論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu)，其中I/O模塊可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械、電氣、控制三大部分構(gòu)成。

2.1 機(jī)械部分基本構(gòu)成

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)是控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象。它主要由轉(zhuǎn)盤臺(tái)面、托盤及支架、傳動(dòng)軸、減速箱、導(dǎo)輪等構(gòu)成。

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)臺(tái)面要完成360°旋轉(zhuǎn)，并能停在任意角度位置或絕對(duì)位置上。圖2是旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電氣控制部分構(gòu)成

電氣控制部分主要是旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中電路控制部分。它主要由變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、斷路器、電磁接觸器、繼電器、磁柵尺、磁頭、信號(hào)放大器等組成。此部分主要完成硬件邏輯控制關(guān)系。雖然PLC的軟繼電器完成了控制回路中的大部分邏輯控制功能，但是還有一部分控制功能要由硬件電氣元件完成。主要功能有以下幾點(diǎn)：

（1）控制動(dòng)力電源和制動(dòng)電源的通斷。如圖3所示。

圖3 動(dòng)力電源和制動(dòng)電源控制回路連接圖

（2）構(gòu)成就地控制回路。

（3）構(gòu)成安全保護(hù)回路，如互聯(lián)鎖、緊急停機(jī)等。

（4）給PLC輸入模塊傳送系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)，如圖4所示。

圖4 PLC數(shù)字量輸入線路圖

2.2.1 位移測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成及原理

在本例中，位移測(cè)量系統(tǒng)采用了日本Macome公司生產(chǎn)的MC位移測(cè)量系統(tǒng)。它由磁柵尺、磁頭和信號(hào)放大器三部分構(gòu)成。如圖5所示。

如圖6所示，磁柵尺的結(jié)構(gòu)為厚0.3 mm、寬35 mm的不銹鋼，其上粘有厚1.6 mm、寬20 mm的橡膠磁鐵。橡膠磁鐵的厚度方向20 mm的相等距離分布N極和S極相互吸引。

磁頭和信號(hào)放大器共同構(gòu)成信號(hào)感知器。磁柵尺上每10 mm間隔就有N極和S極磁場(chǎng)相互吸引磁化。信號(hào)感知器將磁場(chǎng)的量轉(zhuǎn)變?yōu)锳、B兩相相應(yīng)的信號(hào)，并通過(guò)連接信號(hào)放大器變?yōu)樽罡叻纸舛葹?.1 mm的脈沖信號(hào)。如圖7所示。

磁柵尺安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)的邊緣上，當(dāng)磁柵尺與磁頭之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)（最大反應(yīng)速度為10 m/s），磁頭感知磁柵尺上N極和S極磁場(chǎng)的變化，通過(guò)信號(hào)放大器將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為兩相的脈沖信號(hào)，輸出給分布式I/O的計(jì)數(shù)器模塊FM-350。最終PLC的CPU根據(jù)計(jì)數(shù)器模塊FM-350記錄下來(lái)的脈沖數(shù)，并通過(guò)位移算法計(jì)算出位移量。

圖5 MC位移測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

圖6 磁柵尺結(jié)構(gòu)

圖7 信號(hào)放大器輸出脈沖信號(hào)A相、B相

2.3 PLC控制部分基本構(gòu)成

PLC控制部分作為控制的核心部分，主要由上位機(jī)（人機(jī)界面）、下位機(jī)（PLC控制模塊）、分布式I/O從站（包括各模塊）、通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。

PLC控制部分是旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、運(yùn)動(dòng)控制算法計(jì)算、報(bào)警信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

本控制系統(tǒng)主要采用了西門子S7系列產(chǎn)品。上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件應(yīng)用了WINCC V6.0，PLC硬件應(yīng)用了S7-400系列產(chǎn)品，PLC軟件部分采用西門子編程軟件Step 7編寫。

圖8 基本控制原理圖

3 旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

3.1 控制流程

假定旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)處于0°，現(xiàn)以旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)從0°到90°為例，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程。如圖8所示。

控制系統(tǒng)啟動(dòng)初始化完成后，如果沒(méi)有報(bào)警出現(xiàn)，系統(tǒng)進(jìn)入允許控制狀態(tài)。

操作人員由上位機(jī)輸入目標(biāo)位置90°和目標(biāo)運(yùn)行速度50%（假定速度）指令，PLC的CPU接受位置和速度指令后，PLC首先判斷系統(tǒng)狀態(tài)，包括互聯(lián)鎖、緊急停機(jī)、變頻器狀態(tài)等，然后，CPU根據(jù)速度指令和加減速算法預(yù)先計(jì)算出一條加減速曲線，模擬量輸出模塊AO再將加減速曲線變換成對(duì)應(yīng)的0～10 V模擬量值送給變頻器，變頻器收到模擬量值后輸出一對(duì)應(yīng)的頻率值。不同的頻率值會(huì)對(duì)應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)不同的速度，也就是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理。公式如下：

式（1）中，

n ——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s（轉(zhuǎn)/秒）；

f ——異步電動(dòng)機(jī)的頻率，Hz；

s ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；

p ——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)面做加減速運(yùn)行。同時(shí)，信號(hào)感知器開始以脈沖計(jì)數(shù)的形式將脈沖信號(hào)傳送給PLC。PLC根據(jù)脈沖值和位移算法計(jì)算出旋轉(zhuǎn)臺(tái)面所走過(guò)的角度，將此角度與指令90°進(jìn)行比差，當(dāng)它們之間的差值小于0.1°時(shí)，PLC 控制器發(fā)出停止信號(hào)給變頻器，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)停在90°的位置上。臺(tái)面位置控制回路原理如圖9所示。

圖9 PLC位置閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

圖10 遠(yuǎn)程控制框圖

圖11 就地控制框圖

3.2 控制方式

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式有遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種。

遠(yuǎn)程控制是從上位機(jī)（圖形控制系統(tǒng)）發(fā)出位置、速度指令給PLC，再由PLC控制變頻器，變頻器再驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)位置。現(xiàn)場(chǎng)控制是由電氣控制柜控制按鈕直接控制變頻器驅(qū)動(dòng)裝置，現(xiàn)場(chǎng)控制的運(yùn)行速度是非線性的，轉(zhuǎn)臺(tái)以某一固定速度運(yùn)行到目標(biāo)位置。如圖10、圖11所示。

3.3 上位機(jī)

上位機(jī)應(yīng)用了西門子公司的組態(tài)軟件WINCC V6.0來(lái)組態(tài)圖形控制界面，它可以在PC機(jī)windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行。操作員通過(guò)圖形控制界面對(duì)旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)發(fā)指令給下位機(jī)（PLC）。通過(guò)上位機(jī)的圖形控制界面很直觀地監(jiān)視旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)當(dāng)前的狀態(tài)，包括位置、速度、報(bào)警信息、運(yùn)行方向等信息。這些狀態(tài)信息數(shù)據(jù)都是上位機(jī)從下位機(jī)（PLC）現(xiàn)場(chǎng)采集而來(lái)，上位機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)處理后，在圖形控制界面上顯示，提供給操作員。圖12所示為旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)圖形控制界面。

圖12 旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)圖形控制界面

圖13 PLC硬件組態(tài)圖例

西門子WINCC軟件是上位機(jī)的一種組態(tài)軟件。它主要是完成項(xiàng)目的圖形化監(jiān)視界面的編輯、各種數(shù)據(jù)信息歸檔、監(jiān)視過(guò)程變量的變化過(guò)程，與PLC進(jìn)行通訊等功用。

3.4 下位機(jī)

下位機(jī)PLC主要完成旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)在硬件方面采用西門子S7-400系列。它主要由機(jī)架、背板、電源模塊、CPU模塊、通信模塊等組成，如圖13所示。電源模塊、CPU模塊、通信模塊等都安裝在機(jī)架的背板上。電源模塊給機(jī)架背板上所有其他模塊提供電源；CPU模塊主要是執(zhí)行內(nèi)部的程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并掃描外部輸入輸出點(diǎn)，按設(shè)計(jì)要求控制各個(gè)輸出點(diǎn)，再由外部執(zhí)行元件實(shí)施具體的動(dòng)作；通信模塊主要是完成與上位機(jī)或者是其他站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的功用。

在PLC軟件部分，本設(shè)計(jì)應(yīng)用西門子STEP 7編程軟件進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的編程，編程語(yǔ)言采用梯形圖編程。圖14為梯形圖編程部分程序。

圖14 PLC編程示例

3.5 分布式I/O從站

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的分布式I/O作為PLC主站的從站，主要是完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)Profi bus-DP總線將采集的數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器。它由數(shù)字量輸入模塊（SM321）、數(shù)字量輸出模塊（SM322）、模擬量輸出模塊（SM332）、ET-200M和計(jì)數(shù)器模塊FM350-1組成。如圖15所示。

圖15 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分布式I/O從站構(gòu)成圖

3.6 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信

旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)采用了工業(yè)以太網(wǎng)和Profi bus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式。如圖16所示。

圖16 本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通信用來(lái)與上位機(jī)PC之間通信。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)主要是與現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。

4 旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件編程

在CPU模塊中循環(huán)運(yùn)行的是用戶編寫的程序。程序主要利用西門子STEP7 編程軟件，根據(jù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制設(shè)計(jì)思路編寫而成。在編程語(yǔ)言方面主要有梯形圖、語(yǔ)句表、功能塊圖三種編程語(yǔ)言。本例所采用的是梯形圖編程。圖17、圖18為梯形圖編程實(shí)例。

從程序內(nèi)容上講，主要分為邏輯控制部分和運(yùn)動(dòng)控制算法部分。所有的程序都在PLC一個(gè)循環(huán)掃描周期內(nèi)執(zhí)行。一個(gè)循環(huán)掃描過(guò)程周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。在這個(gè)掃描過(guò)程中，PLC將所有的輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，然后，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備給外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖19為PLC掃描循環(huán)的過(guò)程示意圖。

圖17 數(shù)字量輸入程序段

圖18 部分PLC主循環(huán)程序段

圖19 PLC循環(huán)掃描工作過(guò)程

5 系統(tǒng)的安全保護(hù)

為保證人身安全與設(shè)備安全，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上加入了安全保護(hù)功能。一是緊急停止保護(hù)方式；二是互聯(lián)鎖保護(hù)方式。

在旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行期間，如有緊急情況發(fā)生時(shí)，即可按下緊急停止按鈕，使PLC切斷控制回路，變頻器停止輸出，設(shè)備停止運(yùn)行。

互聯(lián)鎖保護(hù)，主要是當(dāng)旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)與其他設(shè)備有互聯(lián)鎖關(guān)系時(shí)，禁止轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行，這樣就保護(hù)了設(shè)備的安全。

6 結(jié)論

綜上所述，在旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用西門子PLC集成控制系統(tǒng)，運(yùn)用PLC定位對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的角度和絕對(duì)位移控制。操作員從圖形控制界面直接輸入角度或絕對(duì)位移，即可對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的位置控制。這種設(shè)計(jì)給操作人員及導(dǎo)演帶來(lái)了許多方便，也使舞臺(tái)在演出中的變化更加豐富。

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