施耐德電氣自動(dòng)化解決方案在劇院舞臺(tái)項(xiàng)目中的應(yīng)用

羅 毅，李銀川，周 杰

（1.東莞環(huán)宇激光工程有限公司電氣部，廣東 東莞 518001；2.施耐德電氣（中國）有限公司，北京 100102）

1 概述

本文所述舞臺(tái)項(xiàng)目為室內(nèi)劇院舞臺(tái)，以LED顯示屏、水中升降舞臺(tái)、升降舞臺(tái)和吊桿系統(tǒng)為主要設(shè)備，使用中配合演出劇情，通過控制設(shè)備的不同動(dòng)作表現(xiàn)演出的藝術(shù)效果。

針對舞臺(tái)功能要求，控制系統(tǒng)采用施耐德公司“觸摸屏+PLC（可編程序邏輯控制器）+升降專用變頻器”的綜合解決方案，配合以VB語言開發(fā)的小巧而靈活的上位機(jī)監(jiān)控軟件，融合Ethernet技術(shù)、Modbus通訊及CANopen總線，通過PLC控制及機(jī)電液一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場智能儀器快速、穩(wěn)定地通訊，從而完成對舞臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

已建成投入使用的劇院舞臺(tái)能實(shí)現(xiàn)LED屏準(zhǔn)確升降定位，舞臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)，水中升降舞臺(tái)升降伸縮，吊桿及紗幕的組合變化，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)與舞美、演員、場景、燈光等的協(xié)調(diào)變換功能，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 舞臺(tái)設(shè)備組成

該劇院舞臺(tái)組成包括臺(tái)面運(yùn)動(dòng)設(shè)備和后臺(tái)液壓水泵系統(tǒng)。臺(tái)面運(yùn)動(dòng)設(shè)備包括巨幅LED顯示屏、升降舞臺(tái)、景桿、燈吊、水中升降舞臺(tái)等。

根據(jù)演出場景變化安排，在演出過程實(shí)現(xiàn)臺(tái)面設(shè)備的升降、移動(dòng)升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、伸縮升降等運(yùn)動(dòng)。在大型演出中，協(xié)調(diào)各部分動(dòng)作，可呈現(xiàn)延時(shí)、同步、階梯等多變運(yùn)動(dòng)情況，使演出內(nèi)容豐富多彩。

2.2 位置控制實(shí)現(xiàn)

舞臺(tái)設(shè)備多為升降設(shè)備，如LED屏、升降舞臺(tái)、水中升降舞臺(tái)、燈吊、紗幕等，對這些設(shè)備的控制主要是進(jìn)行定位，保證演出過程各設(shè)備能平穩(wěn)、精確地啟動(dòng)和停止。

位置控制回路原理如圖1所示。

圖1a可見，操作人員通過上位機(jī)或觸摸屏設(shè)定設(shè)備工作位置，發(fā)命令給PLC；編碼器反饋設(shè)備當(dāng)前實(shí)際位置，被PLC高速計(jì)數(shù)模塊接受；PLC通過比較設(shè)定值和當(dāng)前值，給變頻器速度命令，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)拖動(dòng)舞臺(tái)設(shè)備執(zhí)行升降動(dòng)作。

圖1b可見，操作人員通過上位機(jī)或觸摸屏設(shè)定設(shè)備工作位置，發(fā)命令給PLC；電子尺反饋設(shè)備當(dāng)前實(shí)際位置，被PLC模擬量輸入模塊接受；PLC通過比較設(shè)定值和當(dāng)前值，給比例閥開度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制油缸拖動(dòng)舞臺(tái)設(shè)備執(zhí)行升降動(dòng)作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舞臺(tái)控制系統(tǒng)采用施耐德電氣提供的整體解決方案，以施耐德Modicon M 258控制器為核心?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為監(jiān)控層（操作層）、控制層和設(shè)備層。監(jiān)控層采用VB+工控機(jī)和HM I（觸摸屏）；控制層采用施耐德PLC；設(shè)備層主要由變頻器、編碼器、電機(jī)、數(shù)字I/O單元、模擬量I/O單元等組成。

監(jiān)控層和控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，施耐德M 258控制器、HM ISTU 855觸摸屏均支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP/IP通訊協(xié)議。

控制層和設(shè)備層（變頻器）之間通過CANopen總線通信，施耐德M 258控制器、ATV 71、ATV 32變頻器內(nèi)置CANopen通訊協(xié)議。CANopen通訊速率最大可達(dá)1M bps，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中保證了反饋響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)，節(jié)省現(xiàn)場線纜連接，提高了控制網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

3.2 典型架構(gòu)控制分析

以巨幅LED顯示屏的控制為例。該巨幅屏重約2 t，提升高度11 m，提升速度25 m/min，要求提升過程定位誤差在2 cm之內(nèi)。

控制方案采用專用的起升同步功能塊（Ho isting AFB），LED屏的升、降采用兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)雙邊起吊拖動(dòng)（見圖3），升降過程通過編碼器的位置反饋，控制兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)起吊速度保持一致，保證LED屏升降過程不傾斜。

施耐德ATV 71變頻器可外接編碼器卡，M 258控制器與ATV 71變頻器通過CANopen通訊交換數(shù)據(jù)，讀取編碼器位置反饋數(shù)據(jù)，控制兩臺(tái)變頻器起、停及實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行頻率，保證LED屏兩邊起吊高度一致。

M 258控制器采用SoMachine編程軟件平臺(tái)，支持IEC61131的5種編程語言，擁有大量的行業(yè)應(yīng)用功能塊，如上文提到的起升同步功能塊（見圖4），方便技術(shù)人員編程調(diào)試。

實(shí)際運(yùn)行證明，采用施耐德控制方案調(diào)試運(yùn)行的LED屏，定位精度可以保證在1 cm之內(nèi)，啟動(dòng)和減速過程運(yùn)行平穩(wěn)，兩邊傾斜誤差控制范圍在1 cm之內(nèi)。

3.3 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）觸摸屏、PLC、變頻器等均內(nèi)置了豐富的通訊接口和通訊協(xié)議，包括標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU、Modbus TCP/IP以及專用CANopen運(yùn)動(dòng)控制總線，可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間通訊的無縫連接，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

（2）SoMachine編程軟件符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，除常用的LD、IL和SFC編程語言外，還支持ST、FBD和CFC編程語言，使得電氣工程師開發(fā)程序更加靈活、方便，提高開發(fā)效率。

（3）SoM achine編程平臺(tái)提供豐富的設(shè)備控制庫和編程指令，并提供豐富的應(yīng)用功能塊，縮短程序開發(fā)周期。

4 結(jié)語

此劇院舞臺(tái)控制系統(tǒng)采用施耐德公司整體電氣解決方案，是目前國內(nèi)低成本舞臺(tái)控制設(shè)計(jì)中的典型案例。經(jīng)過調(diào)試已投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，已參與多場舞臺(tái)演出，經(jīng)受住了多次大型演出的考驗(yàn)。

[1]起重機(jī)大車自動(dòng)糾偏功能卡.施耐德電氣.

[2]于建平.影視劇場舞臺(tái)機(jī)械與自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與應(yīng)用實(shí)例.燈光技術(shù)與應(yīng)用，2005（2）

[3]段慧文.現(xiàn)代舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng).演藝設(shè)備與科技，2005（4）

[4]謝音.城市多功能影劇院舞臺(tái)機(jī)械配置方案.應(yīng)用技術(shù)研究，1998（6）

[5]周銘，楊惠中.功能舞臺(tái)電氣控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).機(jī)電工程，1999：14（3）