李本光

(杭州佳合舞臺設備有限公司,浙江杭州 310009)

大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)實踐研究

李本光

(杭州佳合舞臺設備有限公司,浙江杭州 310009)

舞臺是文化交流、娛樂大眾的重要場所,自動舞臺是科技發(fā)展的產(chǎn)物。自動舞臺運行的靈活性是評價舞臺優(yōu)劣的關(guān)鍵,而這與舞臺的控制系統(tǒng)息息相關(guān)。良好的大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)設計可以根據(jù)場所的需要,實現(xiàn)各種各樣的燈光、升降、旋轉(zhuǎn)效果。本文簡單介紹了大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)與PLC的選擇,并一某舞臺為例分析了其設計過程。

舞臺 控制系統(tǒng) PLC

1 大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)

1.1 舞臺機械網(wǎng)絡自動控制系統(tǒng)軟件主要功能

舞臺機械控制系統(tǒng)一般分為PLC軟件功能和上位機軟件功能。

PLC軟件有以下主要功能：權(quán)限控制，設置數(shù)據(jù)，設備互鎖，設備選擇(單控)，設備禁用，偏差檢查組(強制編組)，設備旁路，變頻器狀態(tài)顯示及復位報警，程控 I/II，場景運行介入(暫停/恢復、切到單控)，故障信息顯示等。上位機軟件有以下主要功能：設置設備名稱，設備場景數(shù)據(jù)設置及編場，劇目計時，設備信息顯示，主機信息顯示，日志記錄，打印系統(tǒng)信息，劇目下載等。

1.2 舞臺機械網(wǎng)絡自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

目前舞臺機械自動控制系統(tǒng)主要采用DCS分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以雙冗余可編程控制器中央處理器作為主站，通過高速工業(yè)網(wǎng)絡與上位機和下位機相聯(lián)，上位機采用雙冗余的工業(yè)控制計算機，下位機采用PLC遠程終端及矢量變頻器作為從站，直接控制和驅(qū)動舞臺機械設備的運行。

控制系統(tǒng)采用了兩級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，第一級是通過交換機聯(lián)結(jié)的工業(yè)以太網(wǎng)，主要用于主站PLC與上位機的通訊，使用TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。第二級采用現(xiàn)場總線PROFIBUS—DP光纖環(huán)網(wǎng)與下位機相聯(lián)，傳輸速率為12M，主要用于主站與下位機的通訊。

主控制系統(tǒng)主要由主控制臺提供正常情況下的全功能控制與操作，包括單體設備的控制、設備聯(lián)鎖、設備狀態(tài)監(jiān)視、預選擇設備、設定運行參數(shù)、編組運行、場景記憶、場景編輯、故障診斷、系統(tǒng)維護指南、在線幫助、聯(lián)機操作向?qū)У裙δ堋?/p>

2 大型舞臺PLC的選擇

PLC是大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)核心，它的選擇是舞臺機械化控制系統(tǒng)設計的重點。

2.1 PLC的類型

整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。

2.2 輸入輸出模塊的選擇

輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。

2.3 電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。

2.4 存儲器的選擇

由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個 I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。

2.5 冗余功能的選擇

(1)控制單元的冗余。重要的過程單元：CPU(包括存儲器)及電源均應1B1冗余。在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。

(2)I/O接口單元的冗余?？刂苹芈返亩帱cI/O卡應冗余配置。重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

3 大型舞臺機械網(wǎng)絡自動化控制系統(tǒng)實踐

3.1 自動舞臺系統(tǒng)的控制要求

某自動舞臺系統(tǒng)的控制要求如下：

(1)舞臺帷幕兩端和中間共有三個限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3，舞臺中間有圓形升降臺，升降臺上下兩端有限位開關(guān)SQ4、SQ5，舞臺上方有七盞聚光燈HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7。

(2)該舞臺有兩種工作方式：第一種方式是自動運行狀態(tài)，在自動狀態(tài)下舞臺自動運行；第二種方式是手動運行狀態(tài)，在手動狀態(tài)下舞臺可手動控制和檢修。工作方式由自動/手動切換開關(guān)來控制。

(3)系統(tǒng)上電默認自動運行狀態(tài)，按下開幕按鈕，帷幕打開；當帷幕完全打開并碰到帷幕左右兩端的限位開關(guān)時停止打開；同時舞臺上方的聚光燈以1秒的速率按HL1亮，HL2、HL3亮，HL4、HL5亮，HL6、HL7亮的方式依次點亮，后亮前保持，直至全部點亮；在聚光燈全部點亮的同時升降臺上升，當升降臺碰到上限位開關(guān)后升降臺停止上升。在舞臺完全開啟后，按下閉幕按鈕，升降臺下降，當升降臺碰到下限位開關(guān)后升降臺停止下降；同時聚光燈以1秒的速率按HL7、HL6滅，HL5、HL4滅，HL3、HL2滅，HL1滅的方式依次熄滅；在聚光燈全部熄滅的同時帷幕關(guān)閉，當帷幕完全關(guān)閉并碰到帷幕中間限位開關(guān)后停止關(guān)閉。在自動運行狀態(tài)下，任意時刻按下停止按鈕，系統(tǒng)完成當前動作后停止，再次按下開幕按鈕系統(tǒng)繼續(xù)完成未執(zhí)行的動作；按下自動/手動切換開關(guān)系統(tǒng)將切換到手動狀態(tài)。

(4)在手動運行狀態(tài)下，可以對帷幕的打開和關(guān)閉，升降臺的上升和下降進行點動控制和檢修，通過聚光燈檢修開關(guān)檢修聚光燈；按下自動/手動切換開關(guān)系統(tǒng)將切換到自動狀態(tài)。

3.2 設計方案分析

3.2.1 電機

該舞臺的電氣控制采用直流電機來實現(xiàn)，升降臺電機選用YTD-200型號電機。具體到采用幾個電機比較合理進行了考慮如下：若采用一個電機，對于舞臺的方向性控制不好，故不宜采用。若采用兩個電機，一方面對舞臺的方向性控制不好，另一方面舞臺的鋼結(jié)構(gòu)性能不好。若采用三個電機，對舞臺的方向性具有了一定的控制力，但考慮到三臺電機對舞臺的支撐性能不夠好。

由于以上三種情況故而至少選用四臺電機，既滿足了對舞臺方向性的控制要求又滿足了對舞臺的支撐性能要求。介于以上對電機數(shù)目的選擇，對該設計應采用4套動力裝置，每套動力裝置中有主驅(qū)動裝置，轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置。帷幕開合電機選用Y90L-2型號電機。

3.2.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)器件對于給步進電機控制系統(tǒng)所要加的反饋控制系統(tǒng)有兩種辦法可以選擇，線性位移傳感器占用空間比較大，考慮到舞臺設計的要求，在都能滿足條件的情況下，我們選擇比較簡單實用且占用空間比較小的多圈電位器來實現(xiàn)所要求的控制效果。

3.2.3 主電機速動控制中調(diào)速方式

采用直流電動機，用IGBT降壓斬波調(diào)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉(zhuǎn)速，而且采用直流斬波技術(shù)構(gòu)成的無極調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。對于以上分析對該舞臺主電機的速度控制部分選擇直流電動機，用IGBT降壓斬波的調(diào)速方式。

3.2.4 PLC選擇

我設計的自動舞臺模型共有14個輸入，11個輸出，因此，選用型號為日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N—48MR：48點I/O接口，電源為220V，存儲器為8K。

FX2N系列是一種超小型疊裝式PLC，它由基本單元、擴展單元、擴展模塊和特殊功能模塊組成。

基本單元：內(nèi)置電源(輸入模塊不需外接電源，它由內(nèi)置電源供電)、I/O模塊及CPU與存貯器，是PLC的核心部分。既可單獨使用，又可與擴展單元、擴展模塊組合使用?？梢栽黾踊締卧腎/O點數(shù)，內(nèi)置電源。

擴展模塊：擴展I/O點數(shù)，但電源由基本單元或擴展單元供電。每臺基本單元或擴展單元最多可聯(lián)接2臺擴展模塊。

特殊功能模塊：FX2N-48NT，用于通信；FX2N-3A，可提供2路模擬量輸入，1路模擬量輸出，來選用。

[1]劉泳慷,丁剛毅,李立杰.動態(tài)舞臺數(shù)字仿真及控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機仿真,2013年6期.

[2]張明金.基于PLC控制的舞臺藝術(shù)燈設計[J].機電工程技術(shù),2010年12期.