智能化一體吊機及其控制系統研究

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）

0 引言

傳統的舞臺機械吊機通常采用集中式控制方法，即將多臺設備的控制和驅動部分集中在統一的電氣柜中，這種控制方式的優點是便于管理，能集中控制多臺設備，實現同步運行的目標。由于集中控制方式除了需要布置電源線外，還要將現場的I/O 信號、編碼器信號反饋至電氣柜，因此布線比較繁雜，還可能存在強、弱電線路之間的電磁干擾問題，如果項目后期需要增減設備，就會面臨大量困難，因此只能應用于靈活性較差的特定劇場。針對上述問題，該文采用分布式和集中式相結合的控制方法，從硬件和軟件2 個方面設計了一種靈活、便捷的智能化一體吊機控制系統。

1 系統概述

智能化一體吊機控制系統采用集中式和分布式相結合的混合式設計方法，將各個吊機的驅動控制設備分散安裝在各個智能化一體吊機卷揚機旁的模塊化控制箱中，PLC 控制柜僅通過電源供電電纜及PROFINET 網絡通信電纜與分布式設備連接，這樣就通過通信網絡使物理分散的分布式設備構成統一整體。智能化一體吊機的控制方式分為本地就近控制和集中遠程控制。本地就近控制功能由設備自身變頻器來實現，用戶通過模塊化控制箱上的按鈕來給變頻器發送控制指令；集中遠程控制則是用戶通過人機交互給PLC 發送集中控制指令，然后由PLC 統一調度，實現多臺設備編組同步運行的功能。

2 硬件設計

2.1 單臺設備硬件配置

智能化一體吊機的本地就近控制功能通過變頻器來實現，變頻器應具備PLC 功能，可編寫簡易邏輯控制程序，同時還應具有足夠數量的I/O 端子及編碼器接口（用于接收數字量輸入信號、模擬量輸入信號以及增量型旋轉編碼器速度反饋信號）。在多臺吊機同步編組運行時，還應具有PROFINET 接口或可以配置使用的PROFINET 通信卡（與PLC 和其他PROFINET 設備建立通信）。該文選用德國NORD SK540E 系列變頻器，該變頻器可滿足智能化一體吊機的功能需求，具體功率型號可以根據電機功率以及載荷要求進行選型。

根據NORD SK540E系列變頻器硬件配置對I/O端子進行分配，見表1，電氣原理圖設計如圖1 所示。當變頻器控制吊機運行時，先通過安全斷路器QF 將三相電接入變頻器，用于切斷或接通變頻器電源。電機M 通過端子X2與變頻器連接。當吊機運行時，需要準確地對吊機的位置進行定位，使用編碼器并接入端子X6。為避免因鋼絲繩松弛、設備超程等而引發一系列的安全問題，設置了松繩信號及極限信號檢測X4、限位信號檢測X5（松繩信號與極限信號均接于圖1 變頻器的X4 端子，因此將松繩信號與極限信號放在一起描述）。

當變頻器控制電機運行時，本地/遠程轉換開關狀態為本地，按下上升SB1 或下降SB2 按鈕，運行輸出繼電器KA1、抱閘輸出繼電器KA2 線圈得電，其常開觸點閉合，抱閘接觸器KM1 線圈得電，常開觸點閉合，整流塊將交流（AC）轉化為直流（DC），電機抱閘打開，設備可正常運行。當按下急停按鈕SB0 時，繼電器KA0 斷電，KA0 的常開觸電斷開，變頻器使能斷開，安全功能被觸發，控制狀態變為安全轉矩關斷（STO），設備停止運行。

2.2 多臺同步PLC 控制系統硬件配置

由于單臺設備的演藝形式比較單一，因此不能滿足復雜多變的演藝需求。當需要實現多臺設備定位或編組同步運行等復雜運動控制功能時，就需要通過在PLC 控制器中編寫復雜邏輯控制算法來滿足相關要求。常見的PLC 品牌有西門子、施耐德、AB（羅克韋爾）以及ABB 等。其中，西門子PLC 因其優越的性能在舞臺機械控制行業得到了廣泛應用。S7-1500 PLC 具有更快的處理速度、更高的診斷能力和安全性，其CPU 模塊集成了1～3 個PROFINET接口，支持與其他以太網設備進行通信。因此該控制系統選用西門子S7-1500 PLC 作為控制器，與智能化一體吊機進行PROFINET 通信。而人機交互可以根據用戶需求選擇主控臺、移動站以及觸摸屏等控制方式，PLC 控制系統網絡結構如圖2 所示。

3 軟件設計

3.1 單臺設備軟件設計

圖1 智能化一體吊機電氣原理圖

單臺設備的運動控制除了實現基本啟、停功能外，還需要實現運動過程中的所有安全功能。當用戶按下模塊化控制箱上的上升或下降按鈕時，設備能執行相應的提升或下降動作，在運動過程中，如果檢測到減速開關信號，就開始低速運行；如果檢測到急停、限位、松繩以及極限等開關信號，則立刻停止運行。其本地就近控制流程如圖3 所示。由于單臺設備沒有配備專門的人機交互設備，因此其精準停位功能需要通過PLC 控制系統來實現。

表1 變頻器I/O 端子分配

3.2 PLC 控制系統軟件設計

3.2.1 系統組態

通過西門子TIA Portal 編程軟件對所有PROFINET 設備進行組態，并根據對應的MAC 地址分配PROFINET 名稱后才能讓PLC 對PROFINET I/O 設備進行一一識別，以便其可以訪問所有的分布式PROFINET I/O 設備。

圖2 PLC 控制系統網絡結構圖

3.2.2 設備停位功能

單臺設備的停位功能是指用戶在設備行程范圍內任意設定目標位置，使設備自動運行至該位置的功能。停位功能的實現主要運用了變頻器的POSICON 定位功能，即利用變頻器自身的位置控制環來實現。PLC 接收到人機交互設備下發的目標位置與速度后，由PLC 進行運算處理，將目標位置換算為脈沖數下發至變頻器，變頻器通過自身位置控制環調節控制電機自動運行，到達指定位置后停止運行。

3.2.3 多臺設備同步控制功能

單臺設備的應用場合存在較大的局限，如果要起吊大型表演道具，就需要多臺設備配合起吊，起吊過程中所有吊點必須保持實時位置同步，否則將有可能造成道具出現變形損壞的問題，因此同步控制功能至關重要。同步控制功能如下：首先，用戶通過人機交互界面對需要進行同步控制的設備進行編組，并設定同步運行的目標位置和運行速度。其次，由通信將編組數據報文發送至PLC，通過PLC 中編寫的同步控制算法來控制從機速度，實現編組設備同步運行的目標。這種同步控制算法采用了主從跟隨同步控制的方式，在該控制算法中，PLC 會默認將編組中的第一個設備作為主機，其余設備作為從機，從機以主機的實時位置作為參考，當從機位置落后于主機位置時，則加速追趕；當從機位置超前于主機位置時，則減速等待；當從機位置與主機位置保持同步時，則以相同的速度同步運行。同步控制算法結構如圖4 所示。

圖3 單臺設備本地就近控制流程圖

圖4 同步控制算法結構圖

4 應用測試

該控制系統自研發成功至今，已在很多項目中得到了應用。為進一步驗證智能化一體吊機及其控制系統的性能，以某酒樓宴會廳工程為例，在滿載情況下，現場隨機選取5 臺設備進行單臺設備停位精度測試和多臺設備同步定位精度測試，測試數據記錄見表2。

由表2 可知，單臺設備停位精度測試項目中的設定位置與實際位置的最大誤差為2 mm；多臺設備同步定位精度測試項目中組內設備最大絕對差值為3 mm。根據舞臺機械設計規范（停位精度允許誤差為小于或等于3 mm，同步精度允許誤差為小于或等于5 mm）可知，該設備的停位精度和同步定位精度均符合設計標準。

表2 龍的酒樓宴會廳工程設備性能測試記錄

5 結語

該文通過采用“集中式+分布式”的設計思想將智能化一體吊機設計為標準化模塊化的單獨設備，大大提升了系統設計的靈活性，降低了施工布線的難度，減少了工作量。同時，也有效避免了強、弱電在長距離布線過程中的電磁干擾問題。當用戶需要增加或減少設備數量時，只需要進行簡單的增添或移除工作，尤其在項目后期需要改造時，能非常方便、快捷地增、減設備，極大地減少了工作量。