施耐德电气自动化解决方案在剧院舞台项目中的应用

罗 毅，李银川，周 杰

（1.东莞环宇激光工程有限公司电气部，广东 东莞 518001；2.施耐德电气（中国）有限公司，北京 100102）

1 概述

本文所述舞台项目为室内剧院舞台，以LED显示屏、水中升降舞台、升降舞台和吊杆系统为主要设备，使用中配合演出剧情，通过控制设备的不同动作表现演出的艺术效果。

针对舞台功能要求，控制系统采用施耐德公司“触摸屏+PLC（可编程序逻辑控制器）+升降专用变频器”的综合解决方案，配合以VB语言开发的小巧而灵活的上位机监控软件，融合Ethernet技术、Modbus通讯及CANopen总线，通过PLC控制及机电液一体化技术，实现上位计算机、PLC及现场智能仪器快速、稳定地通讯，从而完成对舞台现场设备及数据的实时监控。

已建成投入使用的剧院舞台能实现LED屏准确升降定位，舞台升降、旋转，水中升降舞台升降伸缩，吊杆及纱幕的组合变化，实现舞台与舞美、演员、场景、灯光等的协调变换功能，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩。

2 系统介绍

2.1 舞台设备组成

该剧院舞台组成包括台面运动设备和后台液压水泵系统。台面运动设备包括巨幅LED显示屏、升降舞台、景杆、灯吊、水中升降舞台等。

根据演出场景变化安排，在演出过程实现台面设备的升降、移动升降、旋转、升降旋转、伸缩升降等运动。在大型演出中，协调各部分动作，可呈现延时、同步、阶梯等多变运动情况，使演出内容丰富多彩。

2.2 位置控制实现

舞台设备多为升降设备，如LED屏、升降舞台、水中升降舞台、灯吊、纱幕等，对这些设备的控制主要是进行定位，保证演出过程各设备能平稳、精确地启动和停止。

位置控制回路原理如图1所示。

图1a可见，操作人员通过上位机或触摸屏设定设备工作位置，发命令给PLC；编码器反馈设备当前实际位置，被PLC高速计数模块接受；PLC通过比较设定值和当前值，给变频器速度命令，从而实现控制电机拖动舞台设备执行升降动作。

图1b可见，操作人员通过上位机或触摸屏设定设备工作位置，发命令给PLC；电子尺反馈设备当前实际位置，被PLC模拟量输入模块接受；PLC通过比较设定值和当前值，给比例阀开度信号，从而实现控制油缸拖动舞台设备执行升降动作。

3 控制系统设计

舞台控制系统采用施耐德电气提供的整体解决方案，以施耐德Modicon M 258控制器为核心。控制系统结构如图2所示。

3.1 系统网络结构

系统分为监控层（操作层）、控制层和设备层。监控层采用VB+工控机和HM I（触摸屏）；控制层采用施耐德PLC；设备层主要由变频器、编码器、电机、数字I/O单元、模拟量I/O单元等组成。

监控层和控制层之间通过工业以太网组网，施耐德M 258控制器、HM ISTU 855触摸屏均支持工业标准的Modbus TCP/IP通讯协议。

控制层和设备层（变频器）之间通过CANopen总线通信，施耐德M 258控制器、ATV 71、ATV 32变频器内置CANopen通讯协议。CANopen通讯速率最大可达1M bps，在闭环控制系统中保证了反馈响应的实时性，同时，节省现场线缆连接，提高了控制网络的抗干扰能力。

3.2 典型架构控制分析

以巨幅LED显示屏的控制为例。该巨幅屏重约2 t，提升高度11 m，提升速度25 m/min，要求提升过程定位误差在2 cm之内。

控制方案采用专用的起升同步功能块（Ho isting AFB），LED屏的升、降采用两台卷扬机双边起吊拖动（见图3），升降过程通过编码器的位置反馈，控制两台卷扬机起吊速度保持一致，保证LED屏升降过程不倾斜。

施耐德ATV 71变频器可外接编码器卡，M 258控制器与ATV 71变频器通过CANopen通讯交换数据，读取编码器位置反馈数据，控制两台变频器起、停及实时调整运行频率，保证LED屏两边起吊高度一致。

M 258控制器采用SoMachine编程软件平台，支持IEC61131的5种编程语言，拥有大量的行业应用功能块，如上文提到的起升同步功能块（见图4），方便技术人员编程调试。

实际运行证明，采用施耐德控制方案调试运行的LED屏，定位精度可以保证在1 cm之内，启动和减速过程运行平稳，两边倾斜误差控制范围在1 cm之内。

3.3 控制系统特点

（1）触摸屏、PLC、变频器等均内置了丰富的通讯接口和通讯协议，包括标准Modbus RTU、Modbus TCP/IP以及专用CANopen运动控制总线，可实现各设备间通讯的无缝连接，提高系统的实时响应性。

（2）SoMachine编程软件符合IEC61131-3标准，除常用的LD、IL和SFC编程语言外，还支持ST、FBD和CFC编程语言，使得电气工程师开发程序更加灵活、方便，提高开发效率。

（3）SoM achine编程平台提供丰富的设备控制库和编程指令，并提供丰富的应用功能块，缩短程序开发周期。

4 结语

此剧院舞台控制系统采用施耐德公司整体电气解决方案，是目前国内低成本舞台控制设计中的典型案例。经过调试已投入使用，系统运行平稳、可靠，已参与多场舞台演出，经受住了多次大型演出的考验。

[1]起重机大车自动纠偏功能卡.施耐德电气.

[2]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）

[3]段慧文.现代舞台机械控制系统.演艺设备与科技，2005（4）

[4]谢音.城市多功能影剧院舞台机械配置方案.应用技术研究，1998（6）

[5]周铭，杨惠中.功能舞台电气控制系统的研究与设计.机电工程，1999：14（3）