大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)踐研究

李本光

(杭州佳合舞臺(tái)設(shè)備有限公司,浙江杭州 310009)

大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)踐研究

李本光

(杭州佳合舞臺(tái)設(shè)備有限公司,浙江杭州 310009)

舞臺(tái)是文化交流、娛樂大眾的重要場(chǎng)所,自動(dòng)舞臺(tái)是科技發(fā)展的產(chǎn)物。自動(dòng)舞臺(tái)運(yùn)行的靈活性是評(píng)價(jià)舞臺(tái)優(yōu)劣的關(guān)鍵,而這與舞臺(tái)的控制系統(tǒng)息息相關(guān)。良好的大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)場(chǎng)所的需要,實(shí)現(xiàn)各種各樣的燈光、升降、旋轉(zhuǎn)效果。本文簡(jiǎn)單介紹了大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)與PLC的選擇,并一某舞臺(tái)為例分析了其設(shè)計(jì)過(guò)程。

舞臺(tái) 控制系統(tǒng) PLC

1 大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1.1 舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要功能

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)一般分為PLC軟件功能和上位機(jī)軟件功能。

PLC軟件有以下主要功能：權(quán)限控制，設(shè)置數(shù)據(jù)，設(shè)備互鎖，設(shè)備選擇(單控)，設(shè)備禁用，偏差檢查組(強(qiáng)制編組)，設(shè)備旁路，變頻器狀態(tài)顯示及復(fù)位報(bào)警，程控 I/II，場(chǎng)景運(yùn)行介入(暫停/恢復(fù)、切到單控)，故障信息顯示等。上位機(jī)軟件有以下主要功能：設(shè)置設(shè)備名稱，設(shè)備場(chǎng)景數(shù)據(jù)設(shè)置及編場(chǎng)，劇目計(jì)時(shí)，設(shè)備信息顯示，主機(jī)信息顯示，日志記錄，打印系統(tǒng)信息，劇目下載等。

1.2 舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

目前舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用DCS分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以雙冗余可編程控制器中央處理器作為主站，通過(guò)高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)和下位機(jī)相聯(lián)，上位機(jī)采用雙冗余的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)采用PLC遠(yuǎn)程終端及矢量變頻器作為從站，直接控制和驅(qū)動(dòng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行。

控制系統(tǒng)采用了兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是通過(guò)交換機(jī)聯(lián)結(jié)的工業(yè)以太網(wǎng)，主要用于主站PLC與上位機(jī)的通訊，使用TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。第二級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS—DP光纖環(huán)網(wǎng)與下位機(jī)相聯(lián)，傳輸速率為12M，主要用于主站與下位機(jī)的通訊。

主控制系統(tǒng)主要由主控制臺(tái)提供正常情況下的全功能控制與操作，包括單體設(shè)備的控制、設(shè)備聯(lián)鎖、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、預(yù)選擇設(shè)備、設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、編組運(yùn)行、場(chǎng)景記憶、場(chǎng)景編輯、故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)指南、在線幫助、聯(lián)機(jī)操作向?qū)У裙δ堋?/p>

2 大型舞臺(tái)PLC的選擇

PLC是大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)核心，它的選擇是舞臺(tái)機(jī)械化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.1 PLC的類型

整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；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(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。

2.2 輸入輸出模塊的選擇

輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)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(yīng)用要求應(yīng)一致。

2.3 電源的選擇

PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源。如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。

2.4 存儲(chǔ)器的選擇

由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè) I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。

2.5 冗余功能的選擇

(1)控制單元的冗余。重要的過(guò)程單元：CPU(包括存儲(chǔ)器)及電源均應(yīng)1B1冗余。在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。

(2)I/O接口單元的冗余。控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。重要檢測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。根據(jù)需要對(duì)重要的I/O信號(hào)，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

3 大型舞臺(tái)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)踐

3.1 自動(dòng)舞臺(tái)系統(tǒng)的控制要求

某自動(dòng)舞臺(tái)系統(tǒng)的控制要求如下：

(1)舞臺(tái)帷幕兩端和中間共有三個(gè)限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3，舞臺(tái)中間有圓形升降臺(tái)，升降臺(tái)上下兩端有限位開關(guān)SQ4、SQ5，舞臺(tái)上方有七盞聚光燈HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7。

(2)該舞臺(tái)有兩種工作方式：第一種方式是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在自動(dòng)狀態(tài)下舞臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行；第二種方式是手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在手動(dòng)狀態(tài)下舞臺(tái)可手動(dòng)控制和檢修。工作方式由自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)來(lái)控制。

(3)系統(tǒng)上電默認(rèn)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，按下開幕按鈕，帷幕打開；當(dāng)帷幕完全打開并碰到帷幕左右兩端的限位開關(guān)時(shí)停止打開；同時(shí)舞臺(tái)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(diǎn)亮，后亮前保持，直至全部點(diǎn)亮；在聚光燈全部點(diǎn)亮的同時(shí)升降臺(tái)上升，當(dāng)升降臺(tái)碰到上限位開關(guān)后升降臺(tái)停止上升。在舞臺(tái)完全開啟后，按下閉幕按鈕，升降臺(tái)下降，當(dāng)升降臺(tái)碰到下限位開關(guān)后升降臺(tái)停止下降；同時(shí)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(shí)帷幕關(guān)閉，當(dāng)帷幕完全關(guān)閉并碰到帷幕中間限位開關(guān)后停止關(guān)閉。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，任意時(shí)刻按下停止按鈕，系統(tǒng)完成當(dāng)前動(dòng)作后停止，再次按下開幕按鈕系統(tǒng)繼續(xù)完成未執(zhí)行的動(dòng)作；按下自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)系統(tǒng)將切換到手動(dòng)狀態(tài)。

(4)在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，可以對(duì)帷幕的打開和關(guān)閉，升降臺(tái)的上升和下降進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制和檢修，通過(guò)聚光燈檢修開關(guān)檢修聚光燈；按下自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)系統(tǒng)將切換到自動(dòng)狀態(tài)。

3.2 設(shè)計(jì)方案分析

3.2.1 電機(jī)

該舞臺(tái)的電氣控制采用直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，升降臺(tái)電機(jī)選用YTD-200型號(hào)電機(jī)。具體到采用幾個(gè)電機(jī)比較合理進(jìn)行了考慮如下：若采用一個(gè)電機(jī)，對(duì)于舞臺(tái)的方向性控制不好，故不宜采用。若采用兩個(gè)電機(jī)，一方面對(duì)舞臺(tái)的方向性控制不好，另一方面舞臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)性能不好。若采用三個(gè)電機(jī)，對(duì)舞臺(tái)的方向性具有了一定的控制力，但考慮到三臺(tái)電機(jī)對(duì)舞臺(tái)的支撐性能不夠好。

由于以上三種情況故而至少選用四臺(tái)電機(jī)，既滿足了對(duì)舞臺(tái)方向性的控制要求又滿足了對(duì)舞臺(tái)的支撐性能要求。介于以上對(duì)電機(jī)數(shù)目的選擇，對(duì)該設(shè)計(jì)應(yīng)采用4套動(dòng)力裝置，每套動(dòng)力裝置中有主驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置。帷幕開合電機(jī)選用Y90L-2型號(hào)電機(jī)。

3.2.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)器件對(duì)于給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)所要加的反饋控制系統(tǒng)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(tái)設(shè)計(jì)的要求，在都能滿足條件的情況下，我們選擇比較簡(jiǎn)單實(shí)用且占用空間比較小的多圈電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的控制效果。

3.2.3 主電機(jī)速動(dòng)控制中調(diào)速方式

采用直流電動(dòng)機(jī)，用IGBT降壓斬波調(diào)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且采用直流斬波技術(shù)構(gòu)成的無(wú)極調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。對(duì)于以上分析對(duì)該舞臺(tái)主電機(jī)的速度控制部分選擇直流電動(dòng)機(jī)，用IGBT降壓斬波的調(diào)速方式。

3.2.4 PLC選擇

我設(shè)計(jì)的自動(dòng)舞臺(tái)模型共有14個(gè)輸入，11個(gè)輸出，因此，選用型號(hào)為日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N—48MR：48點(diǎn)I/O接口，電源為220V，存儲(chǔ)器為8K。

FX2N系列是一種超小型疊裝式PLC，它由基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊組成。

基本單元：內(nèi)置電源(輸入模塊不需外接電源，它由內(nèi)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(dú)使用，又可與擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊組合使用。可以增加基本單元的I/O點(diǎn)數(shù)，內(nèi)置電源。

擴(kuò)展模塊：擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，但電源由基本單元或擴(kuò)展單元供電。每臺(tái)基本單元或擴(kuò)展單元最多可聯(lián)接2臺(tái)擴(kuò)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(lái)選用。

[1]劉泳慷,丁剛毅,李立杰.動(dòng)態(tài)舞臺(tái)數(shù)字仿真及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2013年6期.

[2]張明金.基于PLC控制的舞臺(tái)藝術(shù)燈設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2010年12期.