基于PLC的分布式舞臺布光控制系統設計

焦作師范高等專科學校 物理與電子工程學院 李 慧

基于PLC的分布式舞臺布光控制系統設計

焦作師范高等專科學校 物理與電子工程學院 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，紛紛興建了現代化的劇院和電視臺演播廳。現代化的劇院和電視臺演播廳的舞臺演出已從單一的專題報告會和晚會等形式向節目內容豐富化、演出形式多樣化的方向發展。因此，舞臺布光操作控制系統性能的優劣直接影響到舞臺演出的展現效果。

本文，筆者針對大多數舞臺布光控制系統存在的問題，結合目前國內外舞臺布光控制的技術現狀，設計出了一種接線簡單、可靠性與穩定性較高、便于維護的新型舞臺布光控制系統。即采用西門子S7-300系列PLC架構組成的分布式I/O系統，利用Profibus總線作為通訊網絡總線，既能簡化系統的控制線路，又能提高系統的數據傳輸速率，有效地保障了系統的穩定性與可靠性。

一、系統總體方案設計

1.工程概況與系統功能要求。該控制系統是以福建省某劇院工程為背景設計的，劇院舞臺演出面積為640 m2，觀眾區面積為375 m2，共設置35道吊桿，懸掛64個舞臺燈具。工程方對舞臺布光操作控制系統提出了以下幾點要求：

（1）舞臺布光操作控制系統要能可靠、方便、快捷、安全地對舞臺吊桿和舞臺燈具的位置和姿態進行調整。

（2）舞臺吊桿要能實現4路集群控制或單桿控制功能，控制精度為2～3 mm。

（3）舞臺吊桿要有沉底限位保護和沖頂限位保護。

2.系統設計方案介紹。根據工程方提出的功能要求和工程的實際情況，由于工程中的舞臺吊桿與舞臺燈具的安裝位置非常分散，若采用以往的設計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，而且經濟性也較差，同時可靠性也不高。為了使舞臺布光操作控制系統達到最優化配置，筆者設計的舞臺布光操作控制系統采用分布式控制技術，把裝有西門子CPU 313C-2DP模塊的總控制柜放置在設備層的中央，各輸入、輸出設備分布放置，利用Profibus總線實現總控制柜和控制對象之間的通訊，對控制系統中的各舞臺吊桿和舞臺燈具進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布光操作控制系統的可靠性，而且有效地簡化了系統的結構與控制線路。控制系統采用變頻器與編碼器相結合的位移測量方法，不僅提高了定位精度，而且能夠檢測出吊桿的具體位置。舞臺布光操作控制系統的總框架如圖1所示。

圖 1 舞臺布光操作控制系統總框架

（1）系統的組成。從圖1可以看出，該系統主要由工控機、總控柜、吊桿控制柜、變頻器、位移檢測部分、吊桿提升機、燈具控制柜以及燈具等部分組成。工控機是布光師進行布光操作的平臺，也是該布光操作控制系統的信息管理中心。總控柜的作用是接收工控機發出的控制命令后，進行邏輯控制的核心，總控柜的313C-2DP模塊是舞臺吊桿與舞臺燈具的總控制器，控制整個布光控制系統的運行。吊桿控制柜負責舞臺吊桿的選號和吊桿的動作控制。燈具控制柜負責舞臺燈具的選號和動作控制。變頻器組是該系統實現舞臺吊桿精確定位、運行距離檢測、多個吊桿同步運行、吊桿制動、電源缺相、過壓、過流、故障報警等功能的參與設備，由于工程方提出該新系統不僅能控制任意一根吊桿上升或下降，而且能使任意4道吊桿同時上升或下降，所以系統采用4個變頻器組成4通道來輔助實現任意4個道吊桿同時上升或下降。位移檢測部分的核心部件是旋轉編碼器，用來采集吊桿運行的高度信息和電機轉動的速度等信息。吊桿提升機負責控制吊桿進行上升或下降，選用電磁制動三相異步電動機。

（2）舞臺吊桿的安裝與設置。以操作1號吊桿下降為例，在第1選號通道選擇1號吊桿后，利用軟件與PLC已建立的虛擬通道將PLC相關輸出點置位，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的繼電器線圈吸合，繼電器的常開點閉合，常開點上的220 V電壓被送到交流接觸器矩陣中對應的交流接觸器線圈，交流接觸器線圈得電，使得交流接觸器主常開觸點和輔助常開觸點閉合，主常開觸點為吊桿動作做好準備，輔助常開觸點反饋信號給PLC。當點擊下降按鈕后，利用軟件與PLC已建立的虛擬通道，將下降對應的PLC內部變量置位，通過PLC內部程序處理，利用profibus通訊軟件將變頻器的R1A和LI3的開關閉合。R1A處開關的閉合使得抱匣繼電器的線圈得電，常開觸點閉合，220 V經過常開觸點送到電機的抱匣處，使得電機的抱匣打開，LI3的閉合使得變頻器輸出U-W-V線序的380 V電壓，經電抗器與1KM1到達電機，電機開始反向轉動。當信號上升時，LI4的閉合使得變頻器輸出U-V-W線序的380V電壓，經電抗器與1KM1到達電機，電機開始正轉。舞臺吊桿位置檢測主要通過位置檢測部分來完成。位置檢測部分由變頻器和旋轉編碼器等部分組成。旋轉編碼器安裝在舞臺吊桿提升機轉軸上，當舞臺吊桿提升機轉動時，旋轉編碼器也隨之轉動并發出正脈沖或者負脈沖信號，這些脈沖信號送入變頻器的編碼器卡內，經內部程序處理轉換后得到相應吊桿位置值并送到PLC模塊中，工控機中的監控軟件通過讀取CPU模塊值來獲得相應吊桿當前所處的位置。

（3）舞臺燈具的安裝與設置。在監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相關輸出點置位，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，經光耦隔離，送入AT89C51芯片中。燈具控制板上的4位撥碼開關確定了此燈具控制板的選號范圍，也送入到AT89C51芯片中，2個信號進行比較后，如果一致，該燈具將被選上。按下燈具的動作按鍵，同樣利用軟件與PLC已建立的虛擬通道，將燈控柜上的PLC相關輸出點置位，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，經光耦隔離，送入AT89C51芯片中。經單片機內部程序處理后，在相應的管腳輸出電壓，經過光耦隔離送到ULN2004集成模塊中，來驅動相應的繼電器動作，進而驅動燈具進行水平、俯仰、調焦等調整。

二、系統軟件設計

為實現劇院方提出的要求，需要設計單根吊桿定位控制、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。通過此流程可以對舞臺中任意燈具的水平、俯仰、焦距位置進行調節，使之調整到最佳的位置。

圖 2 燈具控制程序流程

三、結論

該舞臺布光操作控制系統經過模擬仿真實驗、現場安裝和調試后，進行了1個月的試運行，并順利通過了驗收。該系統符合設計要求，即簡化了系統的控制線路，又提高了系統的數據傳輸速率，并且運行可靠穩定，受到了劇院方面的一致好評。