七段式變頻調速在舞臺吊桿控制中的應用?

駱東松 武曉峰

（蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 蘭州 730050）

1 引言

舞臺機械設備分為臺上設備和臺下設備，臺上設備是整個控制系統中的主要組成部分，而吊桿又是臺上設備的核心設備，它控制著道具、幕布和燈具的升降、對開、左移、右移等操作。目前國內舞臺機械設備控制系統多采用傳統的定速控制，這種控制方式在吊桿快速啟停、定位時有很大的機械慣性和機械延時，存在很大誤差，很難滿足系統高精度要求［1～3］。同時在電機啟停時，滾筒卷揚鋼絲繩張力變化劇烈，產生有害沖擊，影響設備的使用壽命［4～10］。

針對上述問題，本文在Ethernet+PROFI?BUS-DP雙層網絡下，采用七段式變頻調速控制實現吊桿的位置和速度檢測的雙閉環控制。該方法最大化地實現了吊桿無極零速制動，增加了調速平穩性和擴大了調速范圍，減小了機械慣性和機械延時，降低了對設備的有害沖擊，使吊桿定位更加精準，人員操作更加安全［11～17］。

2 舞臺吊桿控制系統

吊桿是舞臺機械控制系統的核心部分，本文主要對吊桿子系統進行分析［18-20］。本系統采用“上位工控機（IPC）+可編程控制器（PLC）+變頻器+交流電機”的運動控制模式，其控制架構如圖1所示。

圖1 吊桿控制架構圖

操作臺人機交互采用工控機和工業級觸摸顯示器來實現對系統的監控和管理，通過Ethernet與系統主站（西門子S7-400）進行通信，為傳輸當前位置、當前速度、運行時間、設備負荷等參數提供安全保障；系統主站通過PROFIBUS-DP總線與系統從站（多功能變頻器）進行通信，主站下發指令給變頻器，變頻器帶動交流電機來驅動吊桿進行相應的運動；編碼器輸出信號到變頻器與PLC中，通過脈沖計數實現速度與位置的反饋，構成雙閉環控制系統。

3 吊桿的雙閉環控制

操作員通過IPC設置目標位置、目標速度和偏差值，通過編碼器進行速度檢測，將當前速度反饋給變頻器來實現速度閉環控制，同時將脈沖計數反饋給PLC，通過位置計算來確定吊桿運行的當前位置，當前位置與預設減速位置進行比較實現位置閉環控制。

3.1 吊桿位置閉環

吊桿的升降控制采用滾筒卷揚鋼絲繩單層纏繞牽引方式，為了避免吊桿在運行到極限位置出現突變數據，編碼器采用數據值的中間位置作為工作起始位。在吊桿運行過程中，西門子新型分布式I/O設備ET-200M將編碼器脈沖二進制信息反饋到CPU414-3 PN/DP主控制器，主控制器通過編碼器計數檢測吊桿位置，經過計算得到吊桿當前位置。當主控制器接收到測量值轉換的二進制碼后，調用

求出吊桿的當前位置。

式中C為編碼器輸出的當前測量值；Dir為編碼器旋轉方向系數，一般設置為吊桿上升為1，吊桿下降為-1；S0為吊桿的起始點值；MidP為編碼器中間位置值，該劇場使用的是16位編碼器，MidP=2n-1=216-1=32768，吊桿的起始點設置在舞臺12500mm，從起始點開始，吊桿升降編碼器均有16384圈連續工作行程。

當吊桿運行到預設減速位置附近（±30mm，預設位置值與反饋值的差值）時，PLC立即執行變速算法，通過PROFIBUS–DP總線下發減速命令到變頻器，變頻器驅動交流電機使吊桿平穩運行，達到無級變速，最終在預定誤差（±3mm）之內進行抱閘制動。

3.2 吊桿速度閉環

傳統定速控制方案存在一定的局限性。本文介紹的是上位機軟件速度控制的方法，可以有效地解決傳統定速控制的不足之處。在變速過程中，系統采用七段式速度控制，如圖2七段式速度給定曲線。

圖2 吊桿速度、加速度曲線

EF段速度曲線v1(t)=vmax-k(t-tE)2是一條拋物線，其中vmax是最大運行速度；其加速度曲線是一條斜線段；

FG段速度曲線是一條斜率為-aF的直線段；其加速度曲線是一條直線段；

GH段速度曲線是一條拋物線；其加速度曲線是一條斜線段。

該七段式速度給定曲線主要應用在吊桿制動部分，即對應曲線EFGH段，曲線啟動段ABCD與制動段對稱。因為速度和加速度曲線是聯系變化的，可以求得：

在t=tH時 ，，解得

在t=tG時 ，解 得

由圖2可知：吊桿的速度是平滑無極過渡，加速度也是連續線性變化，這樣可以避免滾筒卷揚機械設備纏繞鋼絲繩時受力突變，從而降低機械延時，改善系統的穩定性，增加設備使用壽命。由其對應公式可知：速度閉環控制電機制動時間是由vmax、aF和k決定的，而該劇院吊桿最大運行速度為0.8m/s，最大加速度aF為定值，只要在上位軟件中設定k的數值，吊桿的速度控制曲線就會接近理想曲線。

4 吊桿控制的軟件設計

吊桿的控制系統軟件主要由兩部分組成：1）上位監控軟件；2）下位PLC控制程序設計。IPC用于發送變速算法計算得出的數據給PLC，PLC給變頻器指令，變頻器驅動交流電機進行無極調速；給定吊桿的運行模式、目標位置、目標速度、偏差值等參數；實時顯示吊桿的當前位置、當前速度、運行時間、運行負荷等參數；實時地將吊桿運行的數據及參數進行入庫，為以后的操作、診斷做參照依據。下位PLC控制程序實現吊桿的一些其他邏輯關系，保證吊桿的啟停動作、定位操作。

4.1 上位監控軟件設計

上位監控軟件在Visual Studio 2013平臺運用C#編程技術進行開發，設計整個舞臺的控制界面，編譯舞臺控制系統的代碼。系統主要功能包括登錄操作、裝臺模式、演出模式、故障報警、系統同步等。圖3為舞臺設備控制畫面。

圖3 舞臺設備控制畫面

為了滿足設備傳輸數據量大、實時性高的要求，在C/S架構之下，IPC與PLC之間通過TCP/IP進行以太網通訊傳輸數據。其中，裝臺模式包含設備設置、系統狀態、設備狀態等子模塊。設備設置可以對所有舞臺設備進行相應的上下目標位、偏移量、運行最大速度（%）等進行設置，他們的默認值是其相應的最大值；可以選擇運行模式，包括位置模式、速度模式、校準模式。軟件方便安全地實現單根吊桿和多根吊桿的啟動，停止操作，實現吊桿的單控和集控操作，并且能夠實時反饋當前吊桿位置。燈具控制部分實現單一燈具的6方向自由度控制，以及實時可視化選取受控。系統狀態可以讀出系統IO狀態、網絡狀態、搖桿IO狀態。演出模式可以進行選擇劇目，對劇目進行上移下移排序，不同劇目可以選擇不同場景，編寫場景名稱、場景描述后進行劇目下載，實現不同劇目相應設備的自動運行，節約了人力資源。

4.2 下位PLC控制程序設計

舞臺機械設備控制系統下位PLC控制程序采用西門子TIA Portal V13軟件進行結構化編程。吊桿設備運行流程圖如圖4所示。

圖4 吊桿運行流程圖

本系統有兩個PLC主站，主站1控制臺上設備，主站2控制臺下設備，兩個主站DP口之間要互相通訊傳遞信息，共同完成舞臺系統控制任務。主站1的DP總線子網“PROFIBUS_1”的地址設置為2，分 配 IP地 址 192.168.70.201。 在 主 站 1（414-3PN/DP）的 OB1中 調 用 SFB12，主 站 2（414-3PN/DP）的OB1中調用SFB13實現兩個PLC之間的S7通訊。如圖5兩個主站變量表。

圖5 主站變量表

5 結語

本文提出的舞臺吊桿變頻調速雙閉環控制方法在工大舞臺吊桿試驗平臺進行了多次吊桿定位監控試驗，并且已經在敦煌大劇院應用。在10次實驗中，吊桿定位在3000mm，七段式變速控制曲線與傳統的定速控制比較，圖6是在兩種控制方式下的位置曲線。

圖6 兩種控制方式實驗數據

從圖中看出運行結果驗證了該方法的可行性與可靠性。使用七段式變速控制算法進行舞臺吊桿的控制，實現了吊桿無極零速制動，極大降低了吊桿運行時的運動慣性和機械延時的定位誤差。

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