1 舞臺(tái)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 在目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)劇場(chǎng)及室外固定演出舞臺(tái)中，以吊桿系統(tǒng)與升降舞臺(tái)為主要設(shè)備，配合演出的情節(jié)動(dòng)作，體現(xiàn)表演中的藝術(shù)效果。對(duì)于吊桿系統(tǒng)，其動(dòng)作方式較為靈活多樣，有多種的運(yùn)動(dòng)方式，通過(guò)其不同的動(dòng)作，使演出表現(xiàn)出不同的效果。其中多組吊桿的協(xié)同運(yùn)動(dòng)應(yīng)用最為廣泛，在大型演出中，延時(shí)、同步、階梯等運(yùn)動(dòng)情況出現(xiàn)頻繁，如何使吊桿能夠平穩(wěn)、精確的啟動(dòng)和停止，是舞臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)所要解決的主要問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)的舞臺(tái)控制系統(tǒng)的控制方式主要有兩種，一是采用低端變頻器做為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，由PLC進(jìn)行位置控制，通?？刂凭容^低；二是采用高端變頻器如SEW公司的產(chǎn)品，通過(guò)變頻器內(nèi)部集成的控制塊實(shí)現(xiàn)位置控制，但設(shè)備投資較大。國(guó)內(nèi)某禮堂的改造采用施奈德公司的ATV71產(chǎn)品，自主開(kāi)發(fā)了位置控制功能，即實(shí)現(xiàn)了高的控制精度，又降低了的設(shè)備成本，具有很高的推廣價(jià)值。 2 控制流程 控制方式包括臺(tái)控、程控和近控三種。臺(tái)控方式時(shí)，操作人員通過(guò)觸摸屏選擇需要運(yùn)動(dòng)的吊桿，最多可選擇四組十個(gè)吊桿，進(jìn)行不同方式的運(yùn)動(dòng)；程控方式是在演出前編制好各個(gè)場(chǎng)次的吊桿運(yùn)動(dòng)程序，在演出中，選擇好場(chǎng)次后，按下運(yùn)行即可；近控是在舞臺(tái)上使用手持式控制盒進(jìn)行吊桿控制，適合于在裝臺(tái)時(shí)使用。 操作中，操作人員在控制臺(tái)上選定吊桿，此時(shí)PLC的遠(yuǎn)程I/O控制切換器將選定的吊桿電機(jī)切換到指定的變頻器上，并通過(guò)DP網(wǎng)絡(luò)將設(shè)定的速度與啟停信號(hào)發(fā)送給變頻器。 在程控方式時(shí)，吊桿需按設(shè)定，運(yùn)行指定的距離，在本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)變頻器內(nèi)部功能完成。同時(shí)，為避免吊桿的沖頂與過(guò)度下落而加設(shè)的限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，均接入變頻器中，通過(guò)變頻器的可編程邏輯控制卡（CI卡）進(jìn)行急停控制，并將位置、限位信號(hào)通過(guò)DP網(wǎng)傳送給PLC，以便通過(guò)觸摸屏和上位機(jī)（IPC）進(jìn)行顯示。 3 舞臺(tái)位置控制實(shí)現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)構(gòu)成 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制臺(tái)、切換器、變頻驅(qū)動(dòng)裝置等。 上位機(jī)使用康泰克工控機(jī)，采用Microsoft公司的VC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)吊桿選擇、位置設(shè)定與監(jiān)控、場(chǎng)次編制、動(dòng)畫(huà)顯示等功能，通過(guò)西門(mén)子公司的5611卡與下位機(jī)進(jìn)行通訊；下位機(jī)為西門(mén)子S7-300 PLC，由西門(mén)子公司的STEP7軟件編制，做為系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)吊桿位置存貯、命令發(fā)送、通訊主站等功能。從站由十臺(tái)施奈德ATV71變頻器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)位置控制、限位動(dòng)作、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等功能；觸摸屏采用PROFACE公司產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)臺(tái)控時(shí)的吊桿選定、零位設(shè)置等功能。上位機(jī)、PLC和變頻器之間通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，PLC與觸摸屏之間通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)連接。 切換器用來(lái)在選中吊桿時(shí)，根據(jù)PLC指令將相應(yīng)電機(jī)的電源及編碼器反饋信號(hào)切至指定變頻器，通過(guò)此種設(shè)計(jì)首先保證了當(dāng)某臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，其它變頻器仍能帶動(dòng)吊桿正常工作，使演出正常工作；其次降低了工程成本，是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的先進(jìn)技術(shù)。 3.2 位置控制實(shí)現(xiàn) 位置控制功能是舞臺(tái)控制系統(tǒng)中最重要的功能，也是吊桿精確定位的保證。目前國(guó)內(nèi)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種（如圖2）：一是切換電機(jī)后，將電機(jī)的反饋編碼器信號(hào)直接引入PLC中，由PLC的高速計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，通常采用雙相雙計(jì)數(shù)方式。這種方式的成本較低，但是當(dāng)電機(jī)制動(dòng)，有輕微顫動(dòng)的情況發(fā)生時(shí)，某些PLC的計(jì)數(shù)值會(huì)有較大的誤差出現(xiàn)，同時(shí)，為提高定位精度，在接近定位位置時(shí)，電機(jī)需要平穩(wěn)減速，要求PLC實(shí)時(shí)發(fā)出速度指令，這要求有較好的算法才能同時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定與精度的要求，但也會(huì)增加程序的復(fù)雜性。二是將電機(jī)的編碼器信號(hào)引入變頻器中，由變頻器進(jìn)行位控，既提高了準(zhǔn)確性，又構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，使控制性能變硬，此種控制通常使用的是SEW變頻器，但其價(jià)格較高，增加了工程成本。而本次設(shè)計(jì)由于提出要求較高，但成本較低，故采用施奈德的ATV71變頻器，在加裝提供的可編程控制卡（CI卡）后，利用codesys編程后可實(shí)現(xiàn)位控和限位控制，其具體方法本文不再詳細(xì)說(shuō)明。 在ATV71變頻器上加裝的可編程控制卡（CI卡）相當(dāng)于一個(gè)小型的PLC，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移和絕對(duì)位移兩種位置控制方式，由PLC來(lái)決定使用哪種方式。 3.3 限位保護(hù)功能 為保證人身安全與設(shè)備安全，必須加設(shè)吊桿的上、下限位，在采用方式一設(shè)計(jì)時(shí)，限位信號(hào)傳送到PLC中，PLC再發(fā)送指令使變頻器停止輸出，這樣執(zhí)行環(huán)節(jié)較多，造成的安全隱患也更大。而采用方式二的設(shè)計(jì)方法，限位信號(hào)直接進(jìn)入變頻器，施奈德ATV71變頻器自身模塊提供了上、下限位保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)在到達(dá)限位位置時(shí)自動(dòng)停車(chē)功能。 根據(jù)舞臺(tái)應(yīng)用的特殊要求，在吊桿到達(dá)限位位置時(shí)，應(yīng)該僅允許反向運(yùn)行，以便脫離限位信號(hào)并保證不會(huì)發(fā)生沖頂情況，此功能同樣可以通過(guò)在CI卡上的程序編制加以實(shí)現(xiàn)。 4 軟件實(shí)現(xiàn) 在吊桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要將吊桿的當(dāng)前位置、運(yùn)動(dòng)速度等在觸摸屏與計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，并且要時(shí)刻監(jiān)測(cè)變頻器與吊桿的狀態(tài)，因此通過(guò)DP網(wǎng)有大量的數(shù)據(jù)交換，這就要求PLC具有大數(shù)據(jù)量處理能力，以及編制的程序有較高的執(zhí)行效率。 4.1 位置控制軟件實(shí)現(xiàn) 本次設(shè)計(jì)使用了絕對(duì)位移的控制方式，因此在控制某一吊桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要區(qū)分是走固定位移還是任意位置，PLC據(jù)此將所選吊桿的當(dāng)前位置及設(shè)定到達(dá)位置（在選擇固定位移時(shí)）傳送到指定變頻器的CI卡上，再由CI卡上的程序確定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，并通過(guò)反饋的編碼器信號(hào)，確定當(dāng)前吊桿的位置。運(yùn)動(dòng)中，CI卡要將吊桿位置數(shù)值傳送回PLC中，以便觸摸屏與計(jì)算機(jī)加以顯示。 在PLC中，吊桿的位置信息是以絕對(duì)位置保存的，這樣首先可以節(jié)省字的使用數(shù)量；其次觸摸屏與上位機(jī)在讀取位置信息時(shí)，可以直接讀取地址。而當(dāng)與變頻器通訊時(shí)，由于傳送的是編碼器的脈沖值，則在傳送出接收時(shí)，都要首先進(jìn)行乘法或除法運(yùn)算。 由于在PLC與CI卡間傳送的位置信息是編碼器的脈沖值，因此，每一個(gè)位置信息需要兩個(gè)字的存貯空間，那么當(dāng)選擇十道吊桿同時(shí)進(jìn)行固定位移動(dòng)作時(shí)，為保證動(dòng)作的一致性，就需要通過(guò)DP網(wǎng)向變頻器發(fā)送四十個(gè)字的位置信息，并要接收二十個(gè)字的位置信息，這對(duì)PLC的處理能力有較高的要求，如果在一個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)完成這些工作，PLC要進(jìn)行大量的乘除法運(yùn)算，因此對(duì)PLC的性能要求很高。 4.2 吊桿電機(jī)切換實(shí)現(xiàn) 切換器的應(yīng)用是為了根據(jù)要求，將電機(jī)切換至相應(yīng)的變頻器，同時(shí)也要將電機(jī)的編碼器信號(hào)、限位信號(hào)等同時(shí)切換至變頻器。 應(yīng)當(dāng)注意的是，由于切換器采用的是電子電路板設(shè)計(jì)，并放置在控制柜內(nèi)，難免會(huì)受到變頻器及接觸器動(dòng)作時(shí)的電壓干擾，從而造成的切換錯(cuò)誤現(xiàn)象，在演出中，這種情況的發(fā)生極易造成對(duì)臺(tái)上演員的人身傷害，因此是要堅(jiān)決避免的。對(duì)其處理方法：一是要加設(shè)抗干擾設(shè)備，在切換信號(hào)發(fā)出端加裝濾波電容，過(guò)濾接觸器吸合釋放時(shí)產(chǎn)生的干擾。二是在切換電機(jī)后，PLC務(wù)必要有切換檢查程序，確保正確切桿。 在程控時(shí)，由于某些演出的場(chǎng)次切換很快，在一個(gè)場(chǎng)景布置結(jié)束后，要立刻切入下一個(gè)場(chǎng)景，由于吊桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)，是不允許切換下一場(chǎng)景的，因此，有些切換要求在幾秒內(nèi)完成，這就需要PLC在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成切換檢查程序，然后才能允許下一場(chǎng)景運(yùn)行。 切換檢查程序的流程如圖3。PLC先發(fā)送檢測(cè)的桿號(hào)，采用8421編碼；切換器則返回此桿號(hào)對(duì)應(yīng)的變頻器號(hào)，直接對(duì)應(yīng)PLC遠(yuǎn)程I/O的輸入點(diǎn)。檢測(cè)時(shí)要將所有的吊桿都掃描一遍，PLC需要判斷以下幾種情況：一是應(yīng)選定而實(shí)際未被選擇的吊桿，二是同一吊桿被多個(gè)變頻器選定，三是一個(gè)變頻器上有兩個(gè)及以上的吊桿被選定。 檢測(cè)時(shí)，PLC發(fā)送桿號(hào)后，通常要隔兩個(gè)周期才能讀回切換器的返回信號(hào)，因?yàn)橛布娐沸枰欢ǖ臅r(shí)間建立電平信號(hào)，取西門(mén)子S7-300程序執(zhí)行時(shí)平均的掃描時(shí)間為50毫秒，按50個(gè)吊桿計(jì)算，第三個(gè)周期能夠檢測(cè)完一個(gè)吊桿的變頻器選擇情況，那么就需要費(fèi)時(shí)約7.5秒左右，這顯然無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在執(zhí)行切換檢查程序時(shí)，中止其它所有功能塊的執(zhí)行，僅幾個(gè)重要的故障情況由中斷程序執(zhí)行，這樣，可以使此時(shí)的PLC掃描時(shí)間縮短為10毫秒左右，全部執(zhí)行完成僅需1.5秒左右，滿(mǎn)足快速切換的要求。 5 結(jié)論 此系統(tǒng)采用變頻器實(shí)現(xiàn)位置控制功能，是目前國(guó)內(nèi)低成本舞臺(tái)控制設(shè)計(jì)中的首個(gè)應(yīng)用實(shí)例。其運(yùn)行平穩(wěn)，停車(chē)無(wú)震顫，定位精度達(dá)到±3mm，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 在近半年的應(yīng)用中，經(jīng)歷了多次大型演出的考驗(yàn)，運(yùn)行良好，在低預(yù)算舞臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有極高的推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： [1] 于建平. 影視劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械與自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用實(shí)例. 燈光技術(shù)與應(yīng)用,2005,（2） [2] 劉基順,田廣軍,高恒倫. 西門(mén)子PLC混合網(wǎng)絡(luò)在劇院多功能廳的應(yīng)用. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005,（4） [3] SIMENS S7-300系統(tǒng)參考手冊(cè)[M]. 西門(mén)子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán) [4] STEP7 V5.2編程手冊(cè)[M]. 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