大型舞台机械网络自动化控制系统实践研究

李本光

【摘 要】 舞台是文化交流、娱乐大众的重要场所，自动舞台是科技发展的产物。自动舞台运行的灵活性是评价舞台优劣的关键，而这与舞台的控制系统息息相关。良好的大型舞台机械网络自动化控制系统设计可以根据场所的需要，实现各种各样的灯光、升降、旋转效果。本文简单介绍了大型舞台机械网络自动化控制系统与PLC的选择，并一某舞台为例分析了其设计过程。

【关键词】 舞台  控制系统  PLC

1 大型舞台机械网络自动化控制系统

1.1 舞台机械网络自动控制系统软件主要功能

舞台机械控制系统一般分为PLC软件功能和上位机软件功能。

PLC软件有以下主要功能：权限控制，设置数据，设备互锁，设备选择（单控），设备禁用，偏差检查组（强制编组），设备旁路，变频器状态显示及复位报警，程控 I/II，场景运行介入（暂停/恢复、切到单控），故障信息显示等。上位机软件有以下主要功能：设置设备名称，设备场景数据设置及编场，剧目计时，设备信息显示，主机信息显示，日志记录，打印系统信息，剧目下载等。

1.2 舞台机械网络自动控制系统构成

目前舞台机械自动控制系统主要采用DCS分布式系统结构，以双冗余可编程控制器中央处理器作为主站，通过高速工业网络与上位机和下位机相联，上位机采用双冗余的工业控制计算机，下位机采用PLC远程终端及矢量变频器作为从站，直接控制和驱动舞台机械设备的运行。

控制系统采用了两级网络结构，第一级是通过交换机联结的工业以太网，主要用于主站PLC与上位机的通讯，使用TCP/IP数据传输协议。第二级采用现场总线PROFIBUS—DP光纤环网与下位机相联，传输速率为12M，主要用于主站与下位机的通讯。

主控制系统主要由主控制台提供正常情况下的全功能控制与操作，包括单体设备的控制、设备联锁、设备状态监视、预选择设备、设定运行参数、编组运行、场景记忆、场景编辑、故障诊断、系统维护指南、在线帮助、联机操作向导等功能。

2 大型舞台PLC的选择

PLC是大型舞台机械网络自动化控制系统核心，它的选择是舞台机械化控制系统设计的重点。

2.1 PLC的类型

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

2.2 输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

2.3 电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。

2.4 存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

2.5 冗余功能的选择

（1）控制单元的冗余。重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

（2）I/O接口单元的冗余。控制回路的多点I/O卡应冗余配置。重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

3 大型舞台机械网络自动化控制系统实践

3.1 自动舞台系统的控制要求

某自动舞台系统的控制要求如下：

（1）舞台帷幕两端和中间共有三个限位开关SQ1、SQ2、SQ3，舞台中间有圆形升降台，升降台上下两端有限位开关SQ4、SQ5，舞台上方有七盏聚光灯HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7。

（2）该舞台有两种工作方式：第一种方式是自动运行状态，在自动状态下舞台自动运行;第二种方式是手动运行状态，在手动状态下舞台可手动控制和检修。工作方式由自动/手动切换开关来控制。

（3）系统上电默认自动运行状态，按下开幕按钮，帷幕打开;当帷幕完全打开并碰到帷幕左右两端的限位开关时停止打开;同时舞台上方的聚光灯以1秒的速率按HL1亮，HL2、HL3亮，HL4、HL5亮，HL6、HL7亮的方式依次点亮，后亮前保持，直至全部点亮;在聚光灯全部点亮的同时升降台上升，当升降台碰到上限位开关后升降台停止上升。在舞台完全开启后，按下闭幕按钮，升降台下降，当升降台碰到下限位开关后升降台停止下降;同时聚光灯以1秒的速率按HL7、HL6灭，HL5、HL4灭，HL3、HL2灭，HL1灭的方式依次熄灭;在聚光灯全部熄灭的同时帷幕关闭，当帷幕完全关闭并碰到帷幕中间限位开关后停止关闭。在自动运行状态下，任意时刻按下停止按钮，系统完成当前动作后停止，再次按下开幕按钮系统继续完成未执行的动作;按下自动/手动切换开关系统将切换到手动状态。

（4）在手动运行状态下，可以对帷幕的打开和关闭，升降台的上升和下降进行点动控制和检修，通过聚光灯检修开关检修聚光灯;按下自动/手动切换开关系统将切换到自动状态。

3.2 设计方案分析

3.2.1 电机

该舞台的电气控制采用直流电机来实现，升降台电机选用YTD-200型号电机。具体到采用几个电机比较合理进行了考虑如下：若采用一个电机，对于舞台的方向性控制不好，故不宜采用。若采用两个电机，一方面对舞台的方向性控制不好，另一方面舞台的钢结构性能不好。若采用三个电机，对舞台的方向性具有了一定的控制力，但考虑到三台电机对舞台的支撑性能不够好。

由于以上三种情况故而至少选用四台电机，既满足了对舞台方向性的控制要求又满足了对舞台的支撑性能要求。介于以上对电机数目的选择，对该设计应采用4套动力装置，每套动力装置中有主驱动装置，转向驱动装置。帷幕开合电机选用Y90L-2型号电机。

3.2.2 转向控制系统中反馈环节器件

对于给步进电机控制系统所要加的反馈控制系统有两种办法可以选择，线性位移传感器占用空间比较大，考虑到舞台设计的要求，在都能满足条件的情况下，我们选择比较简单实用且占用空间比较小的多圈电位器来实现所要求的控制效果。

3.2.3 主电机速动控制中调速方式

采用直流电动机，用IGBT降压斩波调速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速，而且采用直流斩波技术构成的无极调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。对于以上分析对该舞台主电机的速度控制部分选择直流电动机，用IGBT降压斩波的调速方式。

3.2.4 PLC选择

我设计的自动舞台模型共有14个输入，11个输出，因此，选用型号为日本三菱公司生产的FX2N—48MR：48点I/O接口，电源为220V，存储器为8K。

FX2N系列是一种超小型叠装式PLC，它由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊功能模块组成。

基本单元：内置电源（输入模块不需外接电源，它由内置电源供电）、I/O模块及CPU与存贮器，是PLC的核心部分。既可单独使用，又可与扩展单元、扩展模块组合使用。可以增加基本单元的I/O点数，内置电源。

扩展模块：扩展I/O点数，但电源由基本单元或扩展单元供电。每台基本单元或扩展单元最多可联接2台扩展模块。

特殊功能模块：FX2N-48NT，用于通信;FX2N-3A，可提供2路模拟量输入，1路模拟量输出，来选用。

参考文献

[1]刘泳慷，丁刚毅，李立杰.动态舞台数字仿真及控制系统的设计与实现[J].计算机仿真，2013年6期.

[2]张明金.基于PLC控制的舞台艺术灯设计[J].机电工程技术，2010年12期.