舞台控制系统的设计与应用.docx

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1、舞台控制系统的设计与应用lihan导语：介绍了一种新的舞台控制系统的设计与应用.1舞台控制系统简介在目前国内大多数戏院及室外固定演出舞台中，以吊杆系统与升降舞台为主要设备，配合演出的情节动作，表达表演中的艺术效果。对于吊杆系统，其动作方式较为灵敏多样，有多种的运动方式，通过其不同的动作，使演出表现出不同的效果。其中多组吊杆的协同运动应用最为广泛，在大型演出中，延时、同步、阶梯等运动情况出现频繁，怎样使吊杆可以平稳、准确的启动和停顿，是舞台自动控制系统所要解决的主要问题。国内的舞台控制系统的控制方式主要有两种，一是采用低端变频器做为驱动设备，由PLC进展位置控制，通常控制精度较低；二是采用高端变

2、频器如SEW公司的产品，通过变频器内部集成的控制块实现位置控制，但设备投资较大。国内某礼堂的改造采用施奈德公司的ATV71产品，自主开发了位置控制功能，即实现了高的控制精度，又降低了的设备本钱，具有很高的推广价值。2控制流程控制方式包括台控、程控和近控三种。台控方式时，操纵人员通过触摸屏选择需要运动的吊杆，最多可选择四组十个吊杆，进展不同方式的运动；程控方式是在演出前编制好各个场次的吊杆运动程序，在演出中，选择好场次后，按下运行即可；近控是在舞台上使用手持式控制盒进展吊杆控制，合适于在装台时使用。操纵中，操纵人员在控制台上选定吊杆，此时PLC的远程I/O控制切换器将选定的吊杆电机切换到指定的变

3、频器上，并通过DP网络将设定的速度与启停信号发送给变频器。在程控方式时，吊杆需按设定，运行指定的间隔，在本次设计中，通过变频器内部功能完成。同时，为防止吊杆的冲顶与过度着落而加设的限位开关信号，均接入变频器中，通过变频器的可编程逻辑控制卡CI卡进展急停控制，并将位置、限位信号通过DP网传送给PLC，以便通过触摸屏和上位机IPC进展显示。3舞台位置控制实现3.1系统构成控制系统的构造如图1所示，主要包括控制台、切换器、变频驱动装置等。上位机使用康泰克工控机，采用Microsoft公司的VC进展编程，实现吊杆选择、位置设定与监控、场次编制、动画显示等功能，通过西门子公司的5611卡与下位机进展通讯

4、；下位机为西门子S7-300PLC，由西门子公司的STEP7软件编制，做为系统的控制中心，实现吊杆位置存贮、命令发送、通讯主站等功能。从站由十台施奈德ATV71变频器构成，实现位置控制、限位动作、驱动电机等功能；触摸屏采用PROFACE公司产品，实现台控时的吊杆选定、零位设置等功能。上位机、PLC和变频器之间通过Profibus-DP网络进展连接，PLC与触摸屏之间通过MPI网络连接。切换器用来在选中吊杆时，根据PLC指令将相应电机的电源及编码器反应信号切至指定变频器，通过此种设计首先保证了当某台变频器出现故障时，其它变频器仍能带动吊杆正常工作，使演出正常工作；其次降低了工程本钱，是目前国内外

5、普遍采用的先进技术。3.2位置控制实现位置控制功能是舞台控制系统中最重要的功能，也是吊杆准确定位的保证。目前国内的实现方式主要有两种如图2：一是切换电机后，将电机的反应编码器信号直接引入PLC中，由PLC的高速计数模块进展计数，通常采用双相双计数方式。这种方式的本钱较低，但是当电机制动，有细微颤抖的情况发生时，某些PLC的计数值会有较大的误差出现，同时，为进步定位精度，在接近定位位置时，电机需要平稳减速，要求PLC实时发出速度指令，这要求有较好的算法才能同时知足稳定与精度的要求，但也会增加程序的复杂性。二是将电机的编码器信号引入变频器中，由变频器进展位控，既进步了准确性，又构成了闭环系统，使控

6、制性能变硬，此种控制通常使用的是SEW变频器，但其价格较高，增加了工程本钱。而本次设计由于提出要求较高，但本钱较低，故采用施奈德的ATV71变频器，在加装提供的可编程控制卡CI卡后，利用codesys编程后可实现位控和限位控制，其详细方法本文不再具体讲明。在ATV71变频器上加装的可编程控制卡CI卡相当于一个小型的PLC，通过编程可实现相对位移和绝对位移两种位置控制方式，由PLC来决定使用哪种方式。3.3限位保护功能为保证人身平安与设备平安，必须加设吊杆的上、下限位，在采用方式一设计时，限位信号传送到PLC中，PLC再发送指令使变频器停顿输出，这样执行环节较多，造成的平安隐患也更大。而采用方式

7、二的设计方法，限位信号直接进入变频器，施奈德ATV71变频器自身模块提供了上、下限位保护功能，可以实如今到达限位位置时自动停车功能。根据舞台应用的特殊要求，在吊杆到达限位位置时，应该仅允许反向运行，以便脱离限位信号并保证不会发生冲顶情况，此功能同样可以通过在CI卡上的程序编制加以实现。4软件实现在吊杆运动时，需要将吊杆的当前位置、运动速度等在触摸屏与计算机上实时显示，并且要时刻监测变频器与吊杆的状态，因此通过DP网有大量的数据交换，这就要求PLC具有大数据量处理才能，以及编制的程序有较高的执行效率。4.1位置控制软件实现本次设计使用了绝对位移的控制方式，因此在控制某一吊杆运动时，首先要区分是走

8、固定位移还是任意位置，PLC据此将所选吊杆的当前位置及设定到达位置在选择固定位移时传送到指定变频器的CI卡上，再由CI卡上的程序确定电机的运动方式，并通过反应的编码器信号，确定当前吊杆的位置。运动中，CI卡要将吊杆位置数值传送回PLC中，以便触摸屏与计算机加以显示。在PLC中，吊杆的位置信息是以绝对位置保存的，这样首先可以节省字的使用数目；其次触摸屏与上位机在读取位置信息时，可以直接读取地址。而当与变频器通讯时，由于传送的是编码器的脉冲值，那么在传送出接收时，都要首先进展乘法或者除法运算。由于在PLC与CI卡间传送的位置信息是编码器的脉冲值，因此，每一个位置信息需要两个字的存贮空间，那么中选择

9、十道吊杆同时进展固定位挪动作时，为保证动作的一致性，就需要通过DP网向变频器发送四十个字的位置信息，并要接收二十个字的位置信息，这对PLC的处理才能有较高的要求，假如在一个执行周期内完成这些工作，PLC要进展大量的乘除法运算，因此对PLC的性能要求很高。4.2吊杆电机切换实现切换器的应用是为了根据要求，将电机切换至相应的变频器，同时也要将电机的编码器信号、限位信号等同时切换至变频器。应当留意的是，由于切换器采用的是电子电路板设计，并放置在控制柜内，难免会受到变频器及接触器动作时的电压干扰，进而造成的切换错误现象，在演出中，这种情况的发生极易造成对台上演员的人身伤害，因此是要坚决防止的。对其处理

10、方法：一是要加设抗干扰设备，在切换信号发出端加装滤波电容，过滤接触器吸合释放时产生的干扰。二是在切换电机后，PLC务必要有切换检查程序，确保正确切杆。在程控时，由于某些演出的场次切换很快，在一个场景布置完毕后，要立即切入下一个场景，由于吊杆在运动时，是不允许切换下一场景的，因此，有些切换要求在几秒内完成，这就需要PLC在这个时间段内完成切换检查程序，然后才能允许下一场景运行。切换检查程序的流程如图3。PLC先发送检测的杆号，采用8421编码；切换器那么返回此杆号对应的变频器号，直接对应PLC远程I/O的输入点。检测时要将所有的吊杆都扫描一遍，PLC需要判定以下几种情况：一是应选定而实际未被选择

11、的吊杆，二是同一吊杆被多个变频器选定，三是一个变频器上有两个及以上的吊杆被选定。检测时，PLC发送杆号后，通常要隔两个周期才能读回切换器的返回信号，由于硬件电路需要一定的时间建立电平信号，取西门子S7-300程序执行时平均的扫描时间为50毫秒，按50个吊杆计算，第三个周期可以检测完一个吊杆的变频器选择情况，那么就需要费时约7.5秒左右，这显然无法知足要求。因此在程序设计时，考虑在执行切换检查程序时，中止其它所有功能块的执行，仅几个重要的故障情况由中断程序执行，这样，可以使此时的PLC扫描时间缩短为10毫秒左右，全部执行完成仅需1.5秒左右，知足快速切换的要求。此系统采用变频器实现位置控制功能，

12、是目前国内低本钱舞台控制设计中的首个应用实例。其运行平稳，停车无震颤，定位精度到达3mm，完全到达了设计要求。在近半年的应用中，经历了屡次大型演出的考验，运行良好，在低预算舞台控制系统的设计中，有极高的推广价值。参考文献：1于建平.影视戏院舞台机械与自动控制系统的开展趋势与应用实例.灯光技术与应用,2005,22刘基顺,田广军,高恒伦.西门子PLC混合网络在剧院多功能厅的应用.计算机应用,2005,43SIMENSS7-300系统参考手册M.西门子自动化与驱动集团4STEP7V5.2编程手册M.西门子自动化与驱动集团5段慧文.当代舞台机械的控制系统.演艺设备与科技,2005,104:45-49.6娄海峰,马建林.人民大会堂舞台专用电动吊杆系统.艺术科技,2000,4:4-7