大型舞臺機械網絡自動化控制系統實踐研究

李本光

【摘 要】 舞臺是文化交流、娛樂大眾的重要場所，自動舞臺是科技發展的產物。自動舞臺運行的靈活性是評價舞臺優劣的關鍵，而這與舞臺的控制系統息息相關。良好的大型舞臺機械網絡自動化控制系統設計可以根據場所的需要，實現各種各樣的燈光、升降、旋轉效果。本文簡單介紹了大型舞臺機械網絡自動化控制系統與PLC的選擇，并一某舞臺為例分析了其設計過程。

【關鍵詞】 舞臺 ?控制系統 ?PLC

1 大型舞臺機械網絡自動化控制系統

1.1 舞臺機械網絡自動控制系統軟件主要功能

舞臺機械控制系統一般分為PLC軟件功能和上位機軟件功能。

PLC軟件有以下主要功能：權限控制，設置數據，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，設備場景數據設置及編場，劇目計時，設備信息顯示，主機信息顯示，日志記錄，打印系統信息，劇目下載等。

1.2 舞臺機械網絡自動控制系統構成

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

控制系統采用了兩級網絡結構，第一級是通過交換機聯結的工業以太網，主要用于主站PLC與上位機的通訊，使用TCP/IP數據傳輸協議。第二級采用現場總線PROFIBUS—DP光纖環網與下位機相聯，傳輸速率為12M，主要用于主站與下位機的通訊。

主控制系統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、設備聯鎖、設備狀態監視、預選擇設備、設定運行參數、編組運行、場景記憶、場景編輯、故障診斷、系統維護指南、在線幫助、聯機操作向導等功能。

2 大型舞臺PLC的選擇

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

2.1 PLC的類型

整體型PLC的I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統;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的I/O點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。

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頻繁，電感性低功率因數負荷場合，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應根據產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的發展，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硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統、2重化或3重化冗余容錯系統等。

（2）I/O接口單元的冗余。控制回路的多點I/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 大型舞臺機械網絡自動化控制系統實踐

3.1 自動舞臺系統的控制要求

某自動舞臺系統的控制要求如下：

（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，在自動狀態下舞臺自動運行;第二種方式是手動運行狀態，在手動狀態下舞臺可手動控制和檢修。工作方式由自動/手動切換開關來控制。

（3）系統上電默認自動運行狀態，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閉，當帷幕完全關閉并碰到帷幕中間限位開關后停止關閉。在自動運行狀態下，任意時刻按下停止按鈕，系統完成當前動作后停止，再次按下開幕按鈕系統繼續完成未執行的動作;按下自動/手動切換開關系統將切換到手動狀態。

（4）在手動運行狀態下，可以對帷幕的打開和關閉，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檢修聚光燈;按下自動/手動切換開關系統將切換到自動狀態。

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，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構性能不好。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動裝置，轉向驅動裝置。帷幕開合電機選用Y90L-2型號電機。

3.2.2 轉向控制系統中反饋環節器件

對于給步進電機控制系統所要加的反饋控制系統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所要求的控制效果。

3.2.3 主電機速動控制中調速方式

采用直流電動機，用IGBT降壓斬波調速。在脈寬調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速，而且采用直流斬波技術構成的無極調速系統，啟停時對直流系統無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩定的特點。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：內置電源（輸入模塊不需外接電源，它由內置電源供電）、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。可以增加基本單元的I/O點數，內置電源。

擴展模塊：擴展I/O點數，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。

參考文獻

[1]劉泳慷，丁剛毅，李立杰.動態舞臺數字仿真及控制系統的設計與實現[J].計算機仿真，2013年6期.

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