基于SIMATIC S7-1500H的舞臺機械冗余控制系統

侯俊杰 白彥斌

甘肅工大舞臺技術工程有限公司 甘肅 蘭州 730050

引言

近年來，隨著文化產業的迅速發展，現代舞臺機械控制系統的功能越來越完善，同時系統結構也變得尤為龐雜，故障率隨之增加，所以對舞臺機械控制系統安全可靠運行的要求也愈發嚴格[1]。為此行業中各大企業針對如何降低控制系統故障率提出了多種解決方案，比如目前廣泛應用的操作臺冗余，這種方案就能夠避免因為單個操作臺故障而引起的系統停機。因此，可以利用PLC冗余來避免因為單個PLC故障引起停機、利用網絡通信冗余避免因網絡故障引起停機、利用分布式IO、變頻器、接觸器、斷路器等硬件冗余避免因為這些電氣元件故障而引起停機等[2]。隨著冗余程度的增高，系統的可靠性將越來越強。事實上，成本也會隨之增加，所以選擇主要元器件進行冗余配置具有成本優勢，而且能夠規避大部分系統故障。

在舞臺機械控制系統中，PLC就是整個控制系統的大腦與核心。所以對PLC進行冗余備份，是提高控制系統可靠性的有效手段[3]。目前，采用的PLC冗余方式分為2種，即軟冗余和硬冗余。西門子公司在這兩方面均給出了解決方案。在S7-1500H冗余系統中主、備CPU切換時間＜100ms，功能強大，可靠性高，目前已在隧道照明、污水處理、冶金、煤礦、化工等行業得到了普遍應用[4-6]。

本文針對舞臺機械控制系統的特點，分別從硬件設計和軟件設計這兩個方面實現了控制系統的硬冗余和軟冗余，研究了一種基于SIMATIC S7-1500H的舞臺機械冗余控制系統。

1 系統概述

規范的品字形劇場舞臺機械通常可分為臺上設備與臺下設備兩個部分，臺上設備主要以卷揚類為主，臺下主要以升降、推拉、旋轉（升降臺、車臺、轉臺）為主[7]。舞臺機械控制系統則是用于控制臺上、臺下設備安全運行的控制系統。傳統的舞臺機械控制系統通常是“PLC+I/O從站+變頻器”形式，本文所研究的舞臺機械控制系統則是“冗余PLC+現場PLC+分布式I/O+變頻器”的形式。

冗余PLC系統的整體構建是通過兩臺CPU組建閉合的PROFINET環網， CPU之間使用兩根雙工光纖電纜通過同步模塊連接在一起。PROFINET環網中的所有終端設備都具有MRP介質冗余協議，否則無法建立具有MRP介質冗余性的環形拓撲工業以太網冗余結構。在整個環網冗余系統中，冗余PLC為冗余管理器，其余設備為冗余客戶端。其網絡結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 網絡結構拓撲圖

該冗余控制系統首先通過硬件設計搭建硬冗余，然后利用編程軟件實現軟冗余配置、運動控制、冗余故障的監控及報警。

本文將以贛州文化藝術中心項目為例，進行硬件設計和軟件設計。該劇院包含吊桿、燈桿等臺上設備、側車臺、后車臺等臺面設備以及樂池升降臺、主升降臺等臺下設備，共計160臺套。臺上柵頂層設備與臺下基坑設備距離較遠，設備數量多，控制要求比較繁雜。針對該項目上述特點，下面進行冗余控制系統設計。

2 冗余控制系統硬件設計

硬件系統設計運用了用戶層、控制層、現場層的三層結構設計思想。用戶層設備通過工業以太網與控制層進行數據交換，控制層與現場層變頻器采用PROFIBUS-DP總線連接。硬件網絡結構拓撲圖如圖2所示，以下將對三層結構進行詳細闡述。

圖2 硬件網絡結構拓撲圖

2.1 用戶層

用戶層設備主要由主控臺、移動站、觸摸屏、緊急控制盒、遠程運維中心這幾類控制終端組成。各控制終端相互冗余，數據實時同步。控制系統能夠保證當前有且僅有一個控制終端處于控制模式，其余均為監控模式。用戶可自由切換控制終端。

2.2 控制層

控制層設備包括SIEMENS S7-1500H冗余系統、臺上設備控制器CPU1516、臺下設備控制器CPU1513以及PROFIBUS-DP通信模塊CM1542-5。SIEMENS S7-1500H冗余系統的兩個CPU通過兩條冗余連接進行同步，兩個 CPU 會并行處理相同的項目數據和相同的用戶程序，如果一個 CPU出現故障，另一個 CPU會接替它對過程進行控制。CPU1516自帶PROFIBUS-DP通信接口，可直接與臺上設備變頻器進行通信，而CPU1513則需要通過通信模塊CM1542-5與臺下設備變頻器進行通信。

控制層之間采用閉合環網連接，當環網中的某一節點斷開，仍能夠保持環網設備之間的通信。

2.3 現場層

現場層設備包括分布式I/O設備以及臺上、臺下設備的變頻器。分布式I/O設備采用SIMATIC ET200MP，ET200MP通過PROFINET通信接口模塊IM155-5與現場PLC進行通信；變頻器采用Nidec Unidrive M701系列，變頻器與現場PLC采用PROFIBUS-DP通信。

2.4 硬件總體設計

根據上述硬件選型，再結合贛州文化藝術中心現場環境特點，設計出的該項目的冗余控制系統網絡圖如圖3所示。其中由于臺上設備層與臺下設備層跨距較大，網線鋪設距離過長將會導致傳輸信號不穩定、傳輸速率慢甚至接收不到信號，所以在環網中運用了具有MRP介質冗余協議的西門子交換機XC208，它既能夠與其他環網設備構成環網冗余結構，又能夠起到一定的信號放大作用，同時還可以將環網之外的其他網絡設備隔離開，使環網中傳輸的數據不被其他端口轉發，有效提高網絡通信效率的同時保障環網通信數據不受外部網絡影響。

圖3 贛州文化藝術中心冗余控制系統網絡圖

3 冗余控制系統軟件設計

硬冗余搭建完成后，需通過軟件設計配置軟冗余。軟件設計主要包括系統硬件組態、運動控制、上位機監控界面設計三個部分。

3.1 系統硬件組態

根據該項目的冗余控制系統網絡圖，在SIEMENS TIA Portal V16軟件環境中搭建系統的硬件組態，將冗余系統的PROFINET環形網絡結構、PLC與變頻器的PROFIBUS-DP通信網絡搭建起來，分別將兩個冗余CPU的介質冗余角色組態為“Manager（Auto）”，PROFINET環網中的其他所有PROFINET設備都組態為“客戶端”介質冗余。并設定PLC的IP地址、變頻器的PROFIBUS地址等[8]。

3.2 運動控制設計

舞臺機械運動控制最基本的控制方式有兩種：速度模式和位置模式。速度模式即設備自由運動且速度可調；位置模式即設備通過用戶設定設備的目標位置和運行速度

自動運行至目標位置的功能。無論哪種運動模式，安全功能始終擁有最高優先級，當系統檢測到急停、極限、松繩等安全信號時立刻停止運行。運動控制流程圖如圖4所示。

圖4 運動控制流程圖

3.3 上位機軟件設計

上位機監控畫面采用C#進行設計開發，主要包括設備管理、設備及系統狀態監控、劇目管理、編組管理、系統管理這幾個功能板塊，用戶可通過上位機切換控制模式、監控終端、用戶權限等。上位機軟件需要安裝在裝有Windows系統的工業PC機上，上位機與PLC采用UDP通信。裝臺模式下上位機監控界面如圖5所示。

圖5 上位機監控界面-裝臺模式

4 系統驗證

為驗證該冗余系統的功能和性能測試，對該系統進行了模擬故障試驗，測試項目及結果如表1所示。通過上述試驗驗證，該冗余控制系統能夠有效避免因單一PLC故障、網絡斷開、交換機故障、同步光纖斷開、分布式IO故障引起的系統停機，且主備PLC在切換過程中不會中斷對設備的控制，極大地保障了舞臺藝術表演的效果。

表1 冗余功能測試

5 結束語

本文通過將西門子S7-1500H冗余系統應用于舞臺機械控制系統中，有效避免了因PLC故障或網絡斷開而引起的停機和數據丟失的風險，確保了系統的高可用性和可靠性。該冗余控制系統在贛州文化藝術中心大劇院投入應用至今，其高度有效性和可靠性保障著該劇院舞臺機械設備高負荷安全運行。同時該冗余控制系統的成功應用為舞臺機械冗余控制系統提供了更好的解決方案，為后續舞臺機械控制系統往更可靠、安全、穩定發展奠定了基礎。