舞台控制系统的设计与应用

1 舞台控制系统简介 在目前国内大多数剧场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，体现表演中的艺术效果。对于吊杆系统，其动作方式较为灵活多样，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，如何使吊杆能够平稳、精确的启动和停止，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进行位置控制，通常控制精度较低；二是采用高端变频器如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，又降低了的设备成本，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，操作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，进行不同方式的运动；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行吊杆控制，适合于在装台时使用。 操作中，操作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，运行指定的距离，在本次设计中，通过变频器内部功能完成。同时，为避免吊杆的冲顶与过度下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)进行急停控制，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)进行显示。 3 舞台位置控制实现 3.1 系统构成 控制系统的结构如图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进行编程，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卡与下位机进行通讯；下位机为西门子S7-300 PLC，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网络进行连接，PLC与触摸屏之间通过MPI网络连接。 图1 控制系统结构图 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馈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；其次降低了工程成本，是目前国内外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，也是吊杆精确定位的保证。目前国内的实现方式主要有两种(如图2)：一是切换电机后，将电机的反馈编码器信号直接引入PLC中，由PLC的高速计数模块进行计数，通常采用双相双计数方式。这种方式的成本较低，但是当电机制动，有轻微颤动的情况发生时，某些PLC的计数值会有较大的误差出现，同时，为提高定位精度，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满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，由变频器进行位控，既提高了准确性，又构成了闭环系统，使控制性能变硬，此种控制通常使用的是SEW变频器，但其价格较高，增加了工程成本。而本次设计由于提出要求较高，但成本较低，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，其具体方法本文不再详细说明。 图2 位置控制实现方式 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 为保证人身安全与设备安全，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止输出，这样执行环节较多，造成的安全隐患也更大。而采用方式二的设计方法，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，可以实现在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具有大数据量处理能力，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，并通过反馈的编码器信号，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量；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，则在传送出接收时，都要首先进行乘法或除法运算。 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，那么当选择十道吊杆同时进行固定位移动作时，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的处理能力有较高的要求，如果在一个执行周期内完成这些工作，PLC要进行大量的乘除法运算，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。 应当注意的是，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，从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，因此是要坚决避免的。对其处理方法：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，在一个场景布置结束后，要立刻切入下一个场景，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；切换器则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需要判断以下几种情况：一是应选定而实际未被选择的吊杆，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。 图3 切换检查流程 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，因为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，第三个周期能够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，这显然无法满足要求。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，满足快速切换的要求。 5 结论 此系统采用变频器实现位置控制功能，是目前国内低成本舞台控制设计中的首个应用实例。其运行平稳，停车无震颤，定位精度达到±3mm，完全达到了设计要求。 在近半年的应用中，经历了多次大型演出的考验，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. 影视剧场舞台机械与自动控制系统的发展趋势与应用实例. 灯光技术与应用,2005,(2) [2] 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,(4) [3] SIMENS S7-300系统参考手册[M]. 西门子自动化与驱动集团 [4] STEP7 V5.2编程手册[M]. 西门子自动化与驱动集团 [5] 段慧文.现代舞台机械的控制系统.演艺设备与科技,2005,10(4): 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