基于PLC的分布式舞台布光控制系统设计

焦作师范高等专科学校 物理与电子工程学院 李 慧

基于PLC的分布式舞台布光控制系统设计

焦作师范高等专科学校 物理与电子工程学院 李 慧

近年来，许多城市为提升城市品位和满足市民休闲娱乐需求，纷纷兴建了现代化的剧院和电视台演播厅。现代化的剧院和电视台演播厅的舞台演出已从单一的专题报告会和晚会等形式向节目内容丰富化、演出形式多样化的方向发展。因此，舞台布光操作控制系统性能的优劣直接影响到舞台演出的展现效果。

本文，笔者针对大多数舞台布光控制系统存在的问题，结合目前国内外舞台布光控制的技术现状，设计出了一种接线简单、可靠性与稳定性较高、便于维护的新型舞台布光控制系统。即采用西门子S7-300系列PLC架构组成的分布式I/O系统，利用Profibus总线作为通讯网络总线，既能简化系统的控制线路，又能提高系统的数据传输速率，有效地保障了系统的稳定性与可靠性。

一、系统总体方案设计

1.工程概况与系统功能要求。该控制系统是以福建省某剧院工程为背景设计的，剧院舞台演出面积为640 m2，观众区面积为375 m2，共设置35道吊杆，悬挂64个舞台灯具。工程方对舞台布光操作控制系统提出了以下几点要求：

（1）舞台布光操作控制系统要能可靠、方便、快捷、安全地对舞台吊杆和舞台灯具的位置和姿态进行调整。

（2）舞台吊杆要能实现4路集群控制或单杆控制功能，控制精度为2～3 mm。

（3）舞台吊杆要有沉底限位保护和冲顶限位保护。

2.系统设计方案介绍。根据工程方提出的功能要求和工程的实际情况，由于工程中的舞台吊杆与舞台灯具的安装位置非常分散，若采用以往的设计方法需要将控制柜和各吊杆控制箱、灯具控制箱用电缆连接起来，不仅控制线路非常繁杂，而且经济性也较差，同时可靠性也不高。为了使舞台布光操作控制系统达到最优化配置，笔者设计的舞台布光操作控制系统采用分布式控制技术，把装有西门子CPU 313C-2DP模块的总控制柜放置在设备层的中央，各输入、输出设备分布放置，利用Profibus总线实现总控制柜和控制对象之间的通讯，对控制系统中的各舞台吊杆和舞台灯具进行集中管理和分散控制。这种控制方式不仅有效地保障了舞台布光操作控制系统的可靠性，而且有效地简化了系统的结构与控制线路。控制系统采用变频器与编码器相结合的位移测量方法，不仅提高了定位精度，而且能够检测出吊杆的具体位置。舞台布光操作控制系统的总框架如图1所示。

图 1 舞台布光操作控制系统总框架

（1）系统的组成。从图1可以看出，该系统主要由工控机、总控柜、吊杆控制柜、变频器、位移检测部分、吊杆提升机、灯具控制柜以及灯具等部分组成。工控机是布光师进行布光操作的平台，也是该布光操作控制系统的信息管理中心。总控柜的作用是接收工控机发出的控制命令后，进行逻辑控制的核心，总控柜的313C-2DP模块是舞台吊杆与舞台灯具的总控制器，控制整个布光控制系统的运行。吊杆控制柜负责舞台吊杆的选号和吊杆的动作控制。灯具控制柜负责舞台灯具的选号和动作控制。变频器组是该系统实现舞台吊杆精确定位、运行距离检测、多个吊杆同步运行、吊杆制动、电源缺相、过压、过流、故障报警等功能的参与设备，由于工程方提出该新系统不仅能控制任意一根吊杆上升或下降，而且能使任意4道吊杆同时上升或下降，所以系统采用4个变频器组成4通道来辅助实现任意4个道吊杆同时上升或下降。位移检测部分的核心部件是旋转编码器，用来采集吊杆运行的高度信息和电机转动的速度等信息。吊杆提升机负责控制吊杆进行上升或下降，选用电磁制动三相异步电动机。

（2）舞台吊杆的安装与设置。以操作1号吊杆下降为例，在第1选号通道选择1号吊杆后，利用软件与PLC已建立的虚拟通道将PLC相关输出点置位，输出24 V控制电压到吊杆切换控制板上，使吊杆切换控制板上相应的继电器线圈吸合，继电器的常开点闭合，常开点上的220 V电压被送到交流接触器矩阵中对应的交流接触器线圈，交流接触器线圈得电，使得交流接触器主常开触点和辅助常开触点闭合，主常开触点为吊杆动作做好准备，辅助常开触点反馈信号给PLC。当点击下降按钮后，利用软件与PLC已建立的虚拟通道，将下降对应的PLC内部变量置位，通过PLC内部程序处理，利用profibus通讯软件将变频器的R1A和LI3的开关闭合。R1A处开关的闭合使得抱匣继电器的线圈得电，常开触点闭合，220 V经过常开触点送到电机的抱匣处，使得电机的抱匣打开，LI3的闭合使得变频器输出U-W-V线序的380 V电压，经电抗器与1KM1到达电机，电机开始反向转动。当信号上升时，LI4的闭合使得变频器输出U-V-W线序的380V电压，经电抗器与1KM1到达电机，电机开始正转。舞台吊杆位置检测主要通过位置检测部分来完成。位置检测部分由变频器和旋转编码器等部分组成。旋转编码器安装在舞台吊杆提升机转轴上，当舞台吊杆提升机转动时，旋转编码器也随之转动并发出正脉冲或者负脉冲信号，这些脉冲信号送入变频器的编码器卡内，经内部程序处理转换后得到相应吊杆位置值并送到PLC模块中，工控机中的监控软件通过读取CPU模块值来获得相应吊杆当前所处的位置。

（3）舞台灯具的安装与设置。在监控软件中选择要操作的灯具后，利用软件与PLC已建立的虚拟通道，将灯控柜上的PLC相关输出点置位，并向外输出电压，这些电压被送到灯具控制板的接线端子上，经光耦隔离，送入AT89C51芯片中。灯具控制板上的4位拨码开关确定了此灯具控制板的选号范围，也送入到AT89C51芯片中，2个信号进行比较后，如果一致，该灯具将被选上。按下灯具的动作按键，同样利用软件与PLC已建立的虚拟通道，将灯控柜上的PLC相关输出点置位，向外输出电压，这些电压也被送到灯具控制板的接线端子上，经光耦隔离，送入AT89C51芯片中。经单片机内部程序处理后，在相应的管脚输出电压，经过光耦隔离送到ULN2004集成模块中，来驱动相应的继电器动作，进而驱动灯具进行水平、俯仰、调焦等调整。

二、系统软件设计

为实现剧院方提出的要求，需要设计单根吊杆定位控制、吊杆4路集群控制和灯具控制程序等程序。限于篇幅的原因，本文，笔者在这里只给出了灯具控制的流程，如图2所示。通过此流程可以对舞台中任意灯具的水平、俯仰、焦距位置进行调节，使之调整到最佳的位置。

图 2 灯具控制程序流程

三、结论

该舞台布光操作控制系统经过模拟仿真实验、现场安装和调试后，进行了1个月的试运行，并顺利通过了验收。该系统符合设计要求，即简化了系统的控制线路，又提高了系统的数据传输速率，并且运行可靠稳定，受到了剧院方面的一致好评。