施耐德電氣自動化解決方案在劇院舞臺項目中的應用

羅 毅，李銀川，周 杰

（1.東莞環宇激光工程有限公司電氣部，廣東 東莞 518001；2.施耐德電氣（中國）有限公司，北京 100102）

1 概述

本文所述舞臺項目為室內劇院舞臺，以LED顯示屏、水中升降舞臺、升降舞臺和吊桿系統為主要設備，使用中配合演出劇情，通過控制設備的不同動作表現演出的藝術效果。

針對舞臺功能要求，控制系統采用施耐德公司“觸摸屏+PLC（可編程序邏輯控制器）+升降專用變頻器”的綜合解決方案，配合以VB語言開發的小巧而靈活的上位機監控軟件，融合Ethernet技術、Modbus通訊及CANopen總線，通過PLC控制及機電液一體化技術，實現上位計算機、PLC及現場智能儀器快速、穩定地通訊，從而完成對舞臺現場設備及數據的實時監控。

已建成投入使用的劇院舞臺能實現LED屏準確升降定位，舞臺升降、旋轉，水中升降舞臺升降伸縮，吊桿及紗幕的組合變化，實現舞臺與舞美、演員、場景、燈光等的協調變換功能，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩。

2 系統介紹

2.1 舞臺設備組成

該劇院舞臺組成包括臺面運動設備和后臺液壓水泵系統。臺面運動設備包括巨幅LED顯示屏、升降舞臺、景桿、燈吊、水中升降舞臺等。

根據演出場景變化安排，在演出過程實現臺面設備的升降、移動升降、旋轉、升降旋轉、伸縮升降等運動。在大型演出中，協調各部分動作，可呈現延時、同步、階梯等多變運動情況，使演出內容豐富多彩。

2.2 位置控制實現

舞臺設備多為升降設備，如LED屏、升降舞臺、水中升降舞臺、燈吊、紗幕等，對這些設備的控制主要是進行定位，保證演出過程各設備能平穩、精確地啟動和停止。

位置控制回路原理如圖1所示。

圖1a可見，操作人員通過上位機或觸摸屏設定設備工作位置，發命令給PLC；編碼器反饋設備當前實際位置，被PLC高速計數模塊接受；PLC通過比較設定值和當前值，給變頻器速度命令，從而實現控制電機拖動舞臺設備執行升降動作。

圖1b可見，操作人員通過上位機或觸摸屏設定設備工作位置，發命令給PLC；電子尺反饋設備當前實際位置，被PLC模擬量輸入模塊接受；PLC通過比較設定值和當前值，給比例閥開度信號，從而實現控制油缸拖動舞臺設備執行升降動作。

3 控制系統設計

舞臺控制系統采用施耐德電氣提供的整體解決方案，以施耐德Modicon M 258控制器為核心。控制系統結構如圖2所示。

3.1 系統網絡結構

系統分為監控層（操作層）、控制層和設備層。監控層采用VB+工控機和HM I（觸摸屏）；控制層采用施耐德PLC；設備層主要由變頻器、編碼器、電機、數字I/O單元、模擬量I/O單元等組成。

監控層和控制層之間通過工業以太網組網，施耐德M 258控制器、HM ISTU 855觸摸屏均支持工業標準的Modbus TCP/IP通訊協議。

控制層和設備層（變頻器）之間通過CANopen總線通信，施耐德M 258控制器、ATV 71、ATV 32變頻器內置CANopen通訊協議。CANopen通訊速率最大可達1M bps，在閉環控制系統中保證了反饋響應的實時性，同時，節省現場線纜連接，提高了控制網絡的抗干擾能力。

3.2 典型架構控制分析

以巨幅LED顯示屏的控制為例。該巨幅屏重約2 t，提升高度11 m，提升速度25 m/min，要求提升過程定位誤差在2 cm之內。

控制方案采用專用的起升同步功能塊（Ho isting AFB），LED屏的升、降采用兩臺卷揚機雙邊起吊拖動（見圖3），升降過程通過編碼器的位置反饋，控制兩臺卷揚機起吊速度保持一致，保證LED屏升降過程不傾斜。

施耐德ATV 71變頻器可外接編碼器卡，M 258控制器與ATV 71變頻器通過CANopen通訊交換數據，讀取編碼器位置反饋數據，控制兩臺變頻器起、停及實時調整運行頻率，保證LED屏兩邊起吊高度一致。

M 258控制器采用SoMachine編程軟件平臺，支持IEC61131的5種編程語言，擁有大量的行業應用功能塊，如上文提到的起升同步功能塊（見圖4），方便技術人員編程調試。

實際運行證明，采用施耐德控制方案調試運行的LED屏，定位精度可以保證在1 cm之內，啟動和減速過程運行平穩，兩邊傾斜誤差控制范圍在1 cm之內。

3.3 控制系統特點

（1）觸摸屏、PLC、變頻器等均內置了豐富的通訊接口和通訊協議，包括標準Modbus RTU、Modbus TCP/IP以及專用CANopen運動控制總線，可實現各設備間通訊的無縫連接，提高系統的實時響應性。

（2）SoMachine編程軟件符合IEC61131-3標準，除常用的LD、IL和SFC編程語言外，還支持ST、FBD和CFC編程語言，使得電氣工程師開發程序更加靈活、方便，提高開發效率。

（3）SoM achine編程平臺提供豐富的設備控制庫和編程指令，并提供豐富的應用功能塊，縮短程序開發周期。

4 結語

此劇院舞臺控制系統采用施耐德公司整體電氣解決方案，是目前國內低成本舞臺控制設計中的典型案例。經過調試已投入使用，系統運行平穩、可靠，已參與多場舞臺演出，經受住了多次大型演出的考驗。

[1]起重機大車自動糾偏功能卡.施耐德電氣.

[2]于建平.影視劇場舞臺機械與自動控制系統的發展趨勢與應用實例.燈光技術與應用，2005（2）

[3]段慧文.現代舞臺機械控制系統.演藝設備與科技，2005（4）

[4]謝音.城市多功能影劇院舞臺機械配置方案.應用技術研究，1998（6）

[5]周銘，楊惠中.功能舞臺電氣控制系統的研究與設計.機電工程，1999：14（3）