基于PLC的分布式舞臺(tái)布光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦作師范高等專科學(xué)校 物理與電子工程學(xué)院 李 慧

基于PLC的分布式舞臺(tái)布光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦作師范高等專科學(xué)校 物理與電子工程學(xué)院 李 慧

近年來，許多城市為提升城市品位和滿足市民休閑娛樂需求，紛紛興建了現(xiàn)代化的劇院和電視臺(tái)演播廳。現(xiàn)代化的劇院和電視臺(tái)演播廳的舞臺(tái)演出已從單一的專題報(bào)告會(huì)和晚會(huì)等形式向節(jié)目?jī)?nèi)容豐富化、演出形式多樣化的方向發(fā)展。因此，舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到舞臺(tái)演出的展現(xiàn)效果。

本文，筆者針對(duì)大多數(shù)舞臺(tái)布光控制系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外舞臺(tái)布光控制的技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了一種接線簡(jiǎn)單、可靠性與穩(wěn)定性較高、便于維護(hù)的新型舞臺(tái)布光控制系統(tǒng)。即采用西門子S7-300系列PLC架構(gòu)組成的分布式I/O系統(tǒng)，利用Profibus總線作為通訊網(wǎng)絡(luò)總線，既能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制線路，又能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，有效地保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.工程概況與系統(tǒng)功能要求。該控制系統(tǒng)是以福建省某劇院工程為背景設(shè)計(jì)的，劇院舞臺(tái)演出面積為640 m2，觀眾區(qū)面積為375 m2，共設(shè)置35道吊桿，懸掛64個(gè)舞臺(tái)燈具。工程方對(duì)舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)提出了以下幾點(diǎn)要求：

（1）舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)要能可靠、方便、快捷、安全地對(duì)舞臺(tái)吊桿和舞臺(tái)燈具的位置和姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

（2）舞臺(tái)吊桿要能實(shí)現(xiàn)4路集群控制或單桿控制功能，控制精度為2～3 mm。

（3）舞臺(tái)吊桿要有沉底限位保護(hù)和沖頂限位保護(hù)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹。根據(jù)工程方提出的功能要求和工程的實(shí)際情況，由于工程中的舞臺(tái)吊桿與舞臺(tái)燈具的安裝位置非常分散，若采用以往的設(shè)計(jì)方法需要將控制柜和各吊桿控制箱、燈具控制箱用電纜連接起來，不僅控制線路非常繁雜，而且經(jīng)濟(jì)性也較差，同時(shí)可靠性也不高。為了使舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化配置，筆者設(shè)計(jì)的舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)采用分布式控制技術(shù)，把裝有西門子CPU 313C-2DP模塊的總控制柜放置在設(shè)備層的中央，各輸入、輸出設(shè)備分布放置，利用Profibus總線實(shí)現(xiàn)總控制柜和控制對(duì)象之間的通訊，對(duì)控制系統(tǒng)中的各舞臺(tái)吊桿和舞臺(tái)燈具進(jìn)行集中管理和分散控制。這種控制方式不僅有效地保障了舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)的可靠性，而且有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制線路。控制系統(tǒng)采用變頻器與編碼器相結(jié)合的位移測(cè)量方法，不僅提高了定位精度，而且能夠檢測(cè)出吊桿的具體位置。舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)的總框架如圖1所示。

圖 1 舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)總框架

（1）系統(tǒng)的組成。從圖1可以看出，該系統(tǒng)主要由工控機(jī)、總控柜、吊桿控制柜、變頻器、位移檢測(cè)部分、吊桿提升機(jī)、燈具控制柜以及燈具等部分組成。工控機(jī)是布光師進(jìn)行布光操作的平臺(tái)，也是該布光操作控制系統(tǒng)的信息管理中心。總控柜的作用是接收工控機(jī)發(fā)出的控制命令后，進(jìn)行邏輯控制的核心，總控柜的313C-2DP模塊是舞臺(tái)吊桿與舞臺(tái)燈具的總控制器，控制整個(gè)布光控制系統(tǒng)的運(yùn)行。吊桿控制柜負(fù)責(zé)舞臺(tái)吊桿的選號(hào)和吊桿的動(dòng)作控制。燈具控制柜負(fù)責(zé)舞臺(tái)燈具的選號(hào)和動(dòng)作控制。變頻器組是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)吊桿精確定位、運(yùn)行距離檢測(cè)、多個(gè)吊桿同步運(yùn)行、吊桿制動(dòng)、電源缺相、過壓、過流、故障報(bào)警等功能的參與設(shè)備，由于工程方提出該新系統(tǒng)不僅能控制任意一根吊桿上升或下降，而且能使任意4道吊桿同時(shí)上升或下降，所以系統(tǒng)采用4個(gè)變頻器組成4通道來輔助實(shí)現(xiàn)任意4個(gè)道吊桿同時(shí)上升或下降。位移檢測(cè)部分的核心部件是旋轉(zhuǎn)編碼器，用來采集吊桿運(yùn)行的高度信息和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度等信息。吊桿提升機(jī)負(fù)責(zé)控制吊桿進(jìn)行上升或下降，選用電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。

（2）舞臺(tái)吊桿的安裝與設(shè)置。以操作1號(hào)吊桿下降為例，在第1選號(hào)通道選擇1號(hào)吊桿后，利用軟件與PLC已建立的虛擬通道將PLC相關(guān)輸出點(diǎn)置位，輸出24 V控制電壓到吊桿切換控制板上，使吊桿切換控制板上相應(yīng)的繼電器線圈吸合，繼電器的常開點(diǎn)閉合，常開點(diǎn)上的220 V電壓被送到交流接觸器矩陣中對(duì)應(yīng)的交流接觸器線圈，交流接觸器線圈得電，使得交流接觸器主常開觸點(diǎn)和輔助常開觸點(diǎn)閉合，主常開觸點(diǎn)為吊桿動(dòng)作做好準(zhǔn)備，輔助常開觸點(diǎn)反饋信號(hào)給PLC。當(dāng)點(diǎn)擊下降按鈕后，利用軟件與PLC已建立的虛擬通道，將下降對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)部變量置位，通過PLC內(nèi)部程序處理，利用profibus通訊軟件將變頻器的R1A和LI3的開關(guān)閉合。R1A處開關(guān)的閉合使得抱匣繼電器的線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，220 V經(jīng)過常開觸點(diǎn)送到電機(jī)的抱匣處，使得電機(jī)的抱匣打開，LI3的閉合使得變頻器輸出U-W-V線序的380 V電壓，經(jīng)電抗器與1KM1到達(dá)電機(jī)，電機(jī)開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)信號(hào)上升時(shí)，LI4的閉合使得變頻器輸出U-V-W線序的380V電壓，經(jīng)電抗器與1KM1到達(dá)電機(jī)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)。舞臺(tái)吊桿位置檢測(cè)主要通過位置檢測(cè)部分來完成。位置檢測(cè)部分由變頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器等部分組成。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在舞臺(tái)吊桿提升機(jī)轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)舞臺(tái)吊桿提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)出正脈沖或者負(fù)脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)送入變頻器的編碼器卡內(nèi)，經(jīng)內(nèi)部程序處理轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)吊桿位置值并送到PLC模塊中，工控機(jī)中的監(jiān)控軟件通過讀取CPU模塊值來獲得相應(yīng)吊桿當(dāng)前所處的位置。

（3）舞臺(tái)燈具的安裝與設(shè)置。在監(jiān)控軟件中選擇要操作的燈具后，利用軟件與PLC已建立的虛擬通道，將燈控柜上的PLC相關(guān)輸出點(diǎn)置位，并向外輸出電壓，這些電壓被送到燈具控制板的接線端子上，經(jīng)光耦隔離，送入AT89C51芯片中。燈具控制板上的4位撥碼開關(guān)確定了此燈具控制板的選號(hào)范圍，也送入到AT89C51芯片中，2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較后，如果一致，該燈具將被選上。按下燈具的動(dòng)作按鍵，同樣利用軟件與PLC已建立的虛擬通道，將燈控柜上的PLC相關(guān)輸出點(diǎn)置位，向外輸出電壓，這些電壓也被送到燈具控制板的接線端子上，經(jīng)光耦隔離，送入AT89C51芯片中。經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部程序處理后，在相應(yīng)的管腳輸出電壓，經(jīng)過光耦隔離送到ULN2004集成模塊中，來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)燈具進(jìn)行水平、俯仰、調(diào)焦等調(diào)整。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)劇院方提出的要求，需要設(shè)計(jì)單根吊桿定位控制、吊桿4路集群控制和燈具控制程序等程序。限于篇幅的原因，本文，筆者在這里只給出了燈具控制的流程，如圖2所示。通過此流程可以對(duì)舞臺(tái)中任意燈具的水平、俯仰、焦距位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之調(diào)整到最佳的位置。

圖 2 燈具控制程序流程

三、結(jié)論

該舞臺(tái)布光操作控制系統(tǒng)經(jīng)過模擬仿真實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試后，進(jìn)行了1個(gè)月的試運(yùn)行，并順利通過了驗(yàn)收。該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，即簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制線路，又提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且運(yùn)行可靠穩(wěn)定，受到了劇院方面的一致好評(píng)。