一种剧院车台自动化控制系统的解决方案

翟锡葵

[摘要]介绍西门子自动化和驱动的产品在剧院舞台车台系统的应用，以及舞台车台控制系统的选型、组成、功能、特点、难点和关键点。

[关键词]剧院；舞台机械；无线；车台；定位；制动器控制

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.04.009

现代的大剧场通常是城市的标志性建筑，且“品”字形舞台的大剧院在大剧院中有较高的占比，可以承接歌剧、话剧、舞剧、音乐剧、戏剧、音乐会和综艺节目等文艺形式的演出。舞台机械是演出场所用于在演出中实现布景、道具、灯光设备和演出人员的更迭变换和上场、下场的专业设备，可以实现升、降、平移、旋转、翻转等运动形式以及以上运动形式的组合。

1.舞台工艺要求

本文要介绍的舞台车台位于“品”字形舞台的左右两侧，每侧各配置5台，共10台。在侧车台下面有10台对应的侧补偿台。

某“品”字形舞台大剧院的台下舞台机械工艺设备布置平面图如图1所示。侧车台可以经过本侧相邻的侧辅助升降台（预先降低侧车台厚度）驶到中间的主舞台升降台上，还可以经过对面的侧辅助升降台和侧补偿台（预先降低侧车台厚度）驶到另一边的侧车台或侧补偿台上。经过侧补偿台、侧辅助升降台的抬升和降低，侧车台以保持整个舞台平面高度不变的形式左右穿越整个舞台，也可以只由侧补偿台抬升其上面的侧车台。如此，侧车台可以在舞台平面以上由一边驶到另一边，从而实现左右穿越整个舞台。侧车台还可以驶到主舞台升降台上锁定后随同主舞台升降台一起升降，实现特殊的演出效果。侧车台运行速度为O～0.5m/s，可调速。2控制设备的选型及系统构成

从以上工艺要求可以看出，项目要求侧车台必须是无拖缆的、且最好是无线遥控的舞台车台。车台还要进行精确定位的运行，并要求与其他相关工艺设备进行运动协调与安全连锁控制。由于车台设备厚度尺寸所限，要求在只有大约17cm高的空间内安装全部的电气检测、电气控制、电气传动（如控制系统、驱动装置、电动锁定装置、安全边、限位开关以及电源单元等）和机械传动系统（电动机、减速机、换向器、万向轴等），因此，设备的正确选型非常重要。

2.1无线控制方案的确定

对于无线网络，经过比较，在传输速率、传输距离和客户端数量等方面，无线局域网均可满足工艺要求，并且随着当前以太网在工业控制领域的发展，无线局域网WLAN是无线工业控制的潮流和方向之一，因此，最终选定IEEES02.11标准的无线局域网方案，并根据工艺布局特点采用星形网络拓扑结构。

西门子SIMATIC NETXI业无线以太网IWLAN设备支持3种IEEES02.11标准，并具有以下的优点：

（1）坚固：金属机架、高防护等级IP65、防震、防-颤、宽的温度范围20℃～+60℃；这样可以直接安装在控制柜外，方便安装天线。

（2）可靠：循环的数据通信（确定性）、支持冗余、无线连接监控、稳定的无线连接。

（3）针对工业应用开发的工业特性。

本项目的无线工业以太网通讯采用1个W788-1PRO接入点和10个W744-1PRO客户端（分别位于每一个侧车台中）构成，结合系统运行的空间，采用缺省的全向天线传输，整个系统构成如图2所示。

2.2控制系统方案的确定

由于本项目的工艺功能及其控制要求的特点，并结合上述无线工业以太网系统的要求，最终确定采用基于PROFINET的控制网络。PROFINET作为一个基于工业以太网的实时网络，兼容国际以太网标准IEEE802.3，可以基于无线工业以太网进行安全、可靠、实时的数据通讯。西门子的最新产品全面支持PROFINET。PROFINET具有如下特性：

（1）PROFINET是开放的国际标准，使用现行的IT标准，全面支持TCP/IP协议，从管理层至现场层均可实现直接的访问操作，能同时保障纵向及横向集成。

（2）用于控制器、分布式外围设备以及运动控制的实时通讯，具有可伸缩性，因此可提供极短的响应时间，能满足与自动化相关的所有包括时钟同步实时要求。用PROFINET在实时状态下实现分散式和分布式自动化系统的同步运行，可用于高性能运动控制。

（3）通过PROFINET可将分布式现场设备PROFINETIO直接连接到工业以太网上，这样就能在外围设备与控制器之间进行快速数据交换，且能提供较好的诊断方法。

如上所述，由于在侧车台中的控制系统的安装空间被限制在了17cm的高度范围内，笔者也考虑过常规的交一直一交传动方案和不同品牌厂商的产品，如CT公司的UNIDRIVE sP系列产品、sEW公司的MOVIDRIVE MDX60/61B系列产品，以及西门子的紧凑型SIMOVERT MASTERDRIVES产品和SINAMICS系列的s120产品等等。由于既要保证本项目的功能、性能指标、安全性和可靠性，又要控制项目的成本，还要满足安装尺寸方面的苛刻要求，进行了多轮多种控制方案的比较、筛选。

由于掌握sINAMIcs系列s120产品的情况，其控制单元、端子模块、传感器模块箱、功率单元、制动单元的厚度均为50mm，以上厚度的模块化产品正好满足侧车台空间的要求，最终确定采用西门子的书本型SINAMICS s120的DC/ac产品。这一方案也是其在国内舞台机械行业中最早得到应用的首个案例。

本项目用蓄电池组直接提供常规交一直一交形式驱动器中的直流链路电压，这样就省去了交一直一交形式驱动器中需要的逆变电源及其整流单元，同时也解决了大部分安装空间的难题。驱动装置用10套SINAMICSs120驱动交流异步电动机，通过加装通讯模板CBE20，s120作为PN IO设备连接SCALANCE W744-1PRO客户端，同时s120配置增量编码器和绝对值编码器，实现速度和位置双闭环控制。对于PLC，采用1套带PN接口的SIMATIC S7-300的CPU315—2PN/DP，并配置相应的I/o模块。SIMATIC s7—300作为PN IO的控制器连接SCALANCE W788-1PRO接入点，通过无线工业以太网实现与s120的PROFINET IO实时通讯。对于HMl人机接口，选用SIMATIC HMI MobilePanel 277。这是因为该西门子便携移动操作盘有以下特点：

（1）重量轻，约为1.8kg，方便手持就近操作；

（2）防护等级IP54，并抗1.2m跌落；

（3）带钥匙开关、启动键、急停按钮、手轮、安全开关等，可以直接进行操作；

（4）人机界面Mobile Panel 277通过PROFIBUS与S7-300PLC连接通讯；

本项目侧车台的控制系统部件安装如图3所示。

3.控制系统完成的功能

本控制系统实现以下主要功能：

（1）通过车载蓄电池组实现无拖缆供电；

（2）通过SCALANCE无线工业以太网实现无线控制和监视；

（3）通过Mobile Panel 277的人机界面以及应用程序，可以在排练和演出前预先编好演出剧目中用到侧车台的演出程序。数据流示意图如图4所示。

（4）通过Mobile Panel 277的人机界面来选中要运行的几个侧车台编组成一个组，例如1号、3号和5号为一组，2号和4号为另一组，也可以是其他形式的组合，即侧车台应用程序编程实现编组运行；

（5）通过Mobile Panel 277的人机界面选定需要使用的侧车台，并输入相同的运行参数和运行命令实现几个侧车台的同步运行；也可以输入不同的运行参数进行侧车台异步运行；

（6）Mobile Panel 277到2个连接盒间有10m长的专用电缆，实现在舞台面左右2个半径10m范围内的就地就近控制，实现画面监控和人工目视监控，保证侧车台安全运行；

（7）通过Mobile Panel 277的旋转手轮对侧车台进行调速控制；

（8）通过Mobile Panel 277的人机界面实现运行监控，可监控运行位置、运行速度、故障信息等。

另外，在侧车台上还配备了手动控制盘，当PLC和无线局域网故障并无法短时恢复时，可用手动控制盘直接操作S120驱动器就地调速运行侧车台；如果S120驱动器发生故障而无法短时恢复时，或者电动机故障时（这种情况发生的慨率较小，因为设计了电动机内置热敏开关电路进行热保护），可以通过手动控制盘将制动器打开，人工推动侧车台。

该项目通过以上功能，实现了侧车台的高安全性、高可靠性和高可用性的无拖缆的无线任意单台或多台编组同步定位运行、控制和监视。

4.应用体会

通过主持该项目和全程进行方案设计、试验、加工成套、安装、调试以及验收，对西门子的SIMATICSCALANCE无线工业以太网产品、PROFINET网络、SINAMICS s120驱动产品、SIMATIC HMl人机界面产品等有了进一步深入的了解和掌握，实现操作界面如无线工业以太网组网、PROFINET通讯、编码器的速度和位置反馈及定位、制动器的控制、软限位等，拓展了项目思路和产品的应用。该项目也体现出西门子自动化与驱动产品的全集成自动化（TIA）平台慨念及其解决方案。该车台系统的解决方案在技术和工艺上处于国内舞台机械行业的领先水平。经过几年的剧院运营，该系统运行正常。总结以上使用经验，以供业内同行借鉴。