切換矩陣系統在舞臺吊桿變頻器中的應用

董改花

（蘇州經貿職業技術學院，江蘇蘇州 215009）

1 引言

隨著國家對文化產業投資逐漸加大以及群眾對文化市場參與度的逐步提高，各地新建劇院舞臺中的機械設備越來越多，其中舞臺吊桿［1］是各類劇場中最常用的必需設備。就舞臺中的常見臺上設備吊桿來說，幾十道甚至上百道吊桿很正常。通常，一臺吊桿設備需配備一臺變頻器，幾十道舞臺吊桿就需要配置相應數量的變頻器。這樣配備投資很大，而且一對一配置的話，一旦某一臺變頻器出現故障，則對應的吊桿就不能正常動作，安全性能受到很大影響。

通過對舞臺現場的觀察，發現大部分劇院雖然有幾十道吊桿，但同時需要的最大動作數一般少于8道，而且都是短時間工作制，吊桿啟動后不是上升就是下降，在到達目標位置后，這道吊桿就停止工作，等待下一個命令的執行。如果能夠有一個系統，只配備n（n＜＝8）臺變頻器（一般為同時需要的最大動作數），通過這個系統來切換啟動所有的吊桿，則不但可以大大節約成本，而且能夠大幅度地提高安全性能。即當某一個變頻器有故障時，還有冗余變頻器能夠啟動其對應的吊桿。這個系統就稱之為電氣切換矩陣控制系統［2］。

2 用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統設計思路

舞臺上吊桿設備反映系統狀態的主要參數是上、下限位，松、亂繩信號，矯正限位，反映速度和位置的編碼器及電機三相及制動線。這些參數要求在一臺變頻器對一臺吊桿設備時直接輸入到變頻器中，如圖1所示。

圖1 舞臺吊桿與變頻器一對一連接圖

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統設計思路是把m臺吊桿的參數傳輸到n臺變頻器，很明顯m要大于或遠大于n。PLC通過輸入輸出端子，啟動中間繼電器及交流接觸器來控制選擇要動作的吊桿電機，使變頻器能夠控制所選擇的吊桿電機，同時該吊桿的位置、速度等實時數據通過電氣切換矩陣控制系統傳輸到變頻器。用于變頻器的電氣切換矩陣系統邏輯圖如圖2所示。

圖2 系統邏輯圖

本系統選用SIMATIC S7-200系列PLC，具體選用PLC型號［3-4］根據吊桿電機及所需同時動作的吊桿數的多少來選配。本文模擬一個小型劇場來設計一個用于變頻器的電氣切換矩陣系統。該劇院有舞臺吊桿20道，功率為11kW，根據工藝要求，演出時最多同時動作4道吊桿。為了完成4切20電氣矩陣切換，需PLC輸出點DO（n×m）20×4共80個點。為了確保矩陣切換的成功，需PLC輸入點DI（n×m）20×4共80個點。當PLC輸出后，外圍電氣回路由中間繼電器及交流接觸器來完成切換。

3 用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統設計

3.1 軟件設計

本系統選擇SIMATIC S7-200系列PLC作為開發軟件。首先選用CPU226模塊，具有24點輸出/16點輸入，可連接7個擴展模塊，提供1000mA的總線電流。根據要求至少需80個輸入點與80輸出點。擴展2個32點輸入與32點輸出的EM223模塊，同時預留一定的開關點，再加上一個8點輸入與8點輸出的EM223模塊。PLC模塊如圖3所示。

圖3 系統PLC模塊圖

用于變頻器的電氣切換矩陣系統控制程序采用主程序、子程序來編寫。主程序完成某一變頻器所需切換吊桿所對應輸出端子DO的輸出。子程序完成對輸出吊桿所對應變頻器在外圍電氣回路執行后以及反饋后信息的確認。

為了使某一變頻器對應的吊桿選中，需要在PLC輸出一個開關量信號，這個開關量的輸出能夠對應某一變頻器所對應的一道吊桿電機的唯一信號。如前所述的模型是4個變頻器切換20道吊桿，經計算需要80個輸出開關量。根據CPU226與上一層主控模塊通訊，在CPU226或擴展模塊EM223輸出對應的一個DO點，而最多可以同時有4道吊桿的條件下可以輸出4個DO信號。由于一個變頻器只能在同一時間動作一道吊桿，在程序中應設置互鎖程序［5］，避免出現一個變頻器同時動作多道吊桿電機。用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統主程序流程如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖

3.2 PLC外圍的電氣回路設計

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統外圍電氣回路設計圖如圖5所示。

圖5 PLC外圍電氣回路設計圖

系統在PLC輸出對應吊桿電機的DO點后，臺上吊桿設備反映系統狀態的主要參數是上、下限位，松、亂繩信號，矯正限位、反映速度和位置的編碼器（3個通道）及電機三相及制動線（5個通道）。這些信號通過由中間繼電器及交流接觸器所組成的矩陣來實現多對少的切換。根據統計上述信號需13個通道來處理，再需要一個切換確認信號，共需14個通道，本系統選用RXL4A6B2BD型中間繼電器，帶4個通道。交流接觸器根據功率選擇LC1-D2510M5N，自帶一個常開通道，一個交流接觸器選配交流接觸器輔助觸頭4通道，型號為LC1-DN40C。由于中間繼電器需帶動下一級的中間繼電器及交流接觸器，實際上只能計算3個通道，為了實現14個通道的切換，每個回路需要2個中間繼電器及一個交流接觸器，還有一個通道的余量。（備注：一個交流接觸器還有3通道的大電流觸點）。中間繼電器與接觸器在設計完成后安放于電氣控制柜中。

通過以上分析，以本文模擬的小型劇場為例，4臺變頻器切換20臺吊桿電機控制系統共需要40個中間繼電器，20個交流接觸器，其總成本低于1臺變頻器成本。因此用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統節約了共15臺變頻器成本，是原有變頻器一對一控制成本的四分之一。如果對于大型劇場則節約成本相應會更多，因此本系統具有極其重要的實際價值。

4 結束語

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統投入應用后，不但大大節省了成本，而且由于各個變頻器相互冗余，原有設備的可靠性也大大增強。取得了很好的經濟效益及社會效益。應當注意的是，由于電氣切換矩陣強弱電混合布線設計，并放置在控制柜內，難免會受到變頻器及接觸器動作時的電壓干擾，從而造成切換錯誤現象。在演出中，這種情況的發生極易造成對臺上演員的人身傷害，因此應堅決避免。對其處理方法：一是要加設抗干擾設備，在切換信號發出端加裝濾波電容，過濾接觸器吸合釋放時產生的干擾；二是在切換電機后，PLC務必要有切換檢查程序，確保正確切桿。

［1］蔣 偉，任 慧.舞臺機械設備控制技術［M］.中國廣播電視出版社，2009.

［2］陳積遠.舞臺吊桿變頻矩陣切換控制系統［J］.長沙鐵道學院學報（社會科學版），2010：225-226.

［3］龔建興，吳愛梅.PLC在舞臺吊桿控制系統中應用［J］.電氣傳動自動化，2001，（4），48-50.

［4］張子毅.基于PLC的吊桿控制系統的設計［J］.甘肅科技，2003：24-26.

［5］蔡華鋒，廖冬除，席自強，丁穩房.矩陣電路在舞臺吊桿控制系統中應用［J］.湖北工業大學學報，2007：14-16.