旋轉舞臺控制系統(tǒng)的設計與應用

常學軍

（國家大劇院 舞臺技術部，北京 100031）

前言

當前的舞臺演出中，導演為了提升演出質量和藝術效果，對演出場景變化的要求越來越復雜。傳統(tǒng)舞臺臺面較為固定，并且造型、風格較單一，整體舞臺技術水平較低，已不能滿足當今流行的演出需要。而將PLC可編程控制器運動控制技術應用到舞臺機械運動控制中，實現(xiàn)舞臺的升降、平移、旋轉、伸縮等運動動作，可使演出更加多姿多彩。

本文主要以旋轉舞臺控制系統(tǒng)的設計為例，闡述運用PLC控制技術在旋轉舞臺運動控制中的應用。

1 PLC可編程控制器簡介

PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器簡稱），是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。PLC及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成整體和擴充功能的原則設計。

一般來說，PLC分為整體式和模塊式兩種，但它們的組成是相同的。整體式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信接口、電源等組成；模塊式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信模塊、電源模塊、背板或機架等組成。無論哪種結構類型的PLC，都屬于總線式開放型結構，其中I/O模塊可按用戶需要進行擴展與組合。結構如圖1所示。

圖1 PLC基本結構示意圖

2 旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)基本構成

旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)主要由機械、電氣、控制三大部分構成。

2.1 機械部分基本構成

旋轉舞臺是控制系統(tǒng)的主要控制對象。它主要由轉盤臺面、托盤及支架、傳動軸、減速箱、導輪等構成。

旋轉舞臺臺面要完成360°旋轉，并能停在任意角度位置或絕對位置上。圖2是旋轉舞臺機械結構示意圖。

圖2 旋轉舞臺機械結構示意圖

2.2 電氣控制部分構成

電氣控制部分主要是旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)中電路控制部分。它主要由變頻器、異步電動機、斷路器、電磁接觸器、繼電器、磁柵尺、磁頭、信號放大器等組成。此部分主要完成硬件邏輯控制關系。雖然PLC的軟繼電器完成了控制回路中的大部分邏輯控制功能，但是還有一部分控制功能要由硬件電氣元件完成。主要功能有以下幾點：

（1）控制動力電源和制動電源的通斷。如圖3所示。

圖3 動力電源和制動電源控制回路連接圖

（2）構成就地控制回路。

（3）構成安全保護回路，如互聯(lián)鎖、緊急停機等。

（4）給PLC輸入模塊傳送系統(tǒng)狀態(tài)信號，如圖4所示。

圖4 PLC數(shù)字量輸入線路圖

2.2.1 位移測量系統(tǒng)構成及原理

在本例中，位移測量系統(tǒng)采用了日本Macome公司生產的MC位移測量系統(tǒng)。它由磁柵尺、磁頭和信號放大器三部分構成。如圖5所示。

如圖6所示，磁柵尺的結構為厚0.3 mm、寬35 mm的不銹鋼，其上粘有厚1.6 mm、寬20 mm的橡膠磁鐵。橡膠磁鐵的厚度方向20 mm的相等距離分布N極和S極相互吸引。

磁頭和信號放大器共同構成信號感知器。磁柵尺上每10 mm間隔就有N極和S極磁場相互吸引磁化。信號感知器將磁場的量轉變?yōu)锳、B兩相相應的信號，并通過連接信號放大器變?yōu)樽罡叻纸舛葹?.1 mm的脈沖信號。如圖7所示。

磁柵尺安裝于轉臺的邊緣上，當磁柵尺與磁頭之間有相對運動時（最大反應速度為10 m/s），磁頭感知磁柵尺上N極和S極磁場的變化，通過信號放大器將磁場的變化轉化為兩相的脈沖信號，輸出給分布式I/O的計數(shù)器模塊FM-350。最終PLC的CPU根據(jù)計數(shù)器模塊FM-350記錄下來的脈沖數(shù)，并通過位移算法計算出位移量。

圖5 MC位移測量系統(tǒng)構成

圖6 磁柵尺結構

圖7 信號放大器輸出脈沖信號A相、B相

2.3 PLC控制部分基本構成

PLC控制部分作為控制的核心部分，主要由上位機（人機界面）、下位機（PLC控制模塊）、分布式I/O從站（包括各模塊）、通信網(wǎng)絡等構成。

PLC控制部分是旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)的核心部分，要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、運動控制算法計算、報警信息處理、網(wǎng)絡通信等功能。

本控制系統(tǒng)主要采用了西門子S7系列產品。上位機監(jiān)控組態(tài)軟件應用了WINCC V6.0，PLC硬件應用了S7-400系列產品，PLC軟件部分采用西門子編程軟件Step 7編寫。

圖8 基本控制原理圖

3 旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)工作原理

3.1 控制流程

假定旋轉舞臺處于0°，現(xiàn)以旋轉舞臺順時針運動從0°到90°為例，說明旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)的控制流程。如圖8所示。

控制系統(tǒng)啟動初始化完成后，如果沒有報警出現(xiàn)，系統(tǒng)進入允許控制狀態(tài)。

操作人員由上位機輸入目標位置90°和目標運行速度50%（假定速度）指令，PLC的CPU接受位置和速度指令后，PLC首先判斷系統(tǒng)狀態(tài)，包括互聯(lián)鎖、緊急停機、變頻器狀態(tài)等，然后，CPU根據(jù)速度指令和加減速算法預先計算出一條加減速曲線，模擬量輸出模塊AO再將加減速曲線變換成對應的0～10 V模擬量值送給變頻器，變頻器收到模擬量值后輸出一對應的頻率值。不同的頻率值會對應異步電動機不同的速度，也就是異步電動機變頻調速的原理。公式如下：

式（1）中，

n ——異步電動機的轉速，r/s（轉/秒）；

f ——異步電動機的頻率，Hz；

s ——電動機的轉差率；

p ——電動機的極對數(shù)。

變頻器驅動異步電動機帶動旋轉臺面做加減速運行。同時，信號感知器開始以脈沖計數(shù)的形式將脈沖信號傳送給PLC。PLC根據(jù)脈沖值和位移算法計算出旋轉臺面所走過的角度，將此角度與指令90°進行比差，當它們之間的差值小于0.1°時，PLC 控制器發(fā)出停止信號給變頻器，從而使轉臺停在90°的位置上。臺面位置控制回路原理如圖9所示。

圖9 PLC位置閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

圖10 遠程控制框圖

圖11 就地控制框圖

3.2 控制方式

旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)的控制方式有遠程控制和就地控制兩種。

遠程控制是從上位機（圖形控制系統(tǒng)）發(fā)出位置、速度指令給PLC，再由PLC控制變頻器，變頻器再驅動轉臺達到預定的目標位置。現(xiàn)場控制是由電氣控制柜控制按鈕直接控制變頻器驅動裝置，現(xiàn)場控制的運行速度是非線性的，轉臺以某一固定速度運行到目標位置。如圖10、圖11所示。

3.3 上位機

上位機應用了西門子公司的組態(tài)軟件WINCC V6.0來組態(tài)圖形控制界面，它可以在PC機windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。操作員通過圖形控制界面對旋轉舞臺發(fā)指令給下位機（PLC）。通過上位機的圖形控制界面很直觀地監(jiān)視旋轉舞臺當前的狀態(tài)，包括位置、速度、報警信息、運行方向等信息。這些狀態(tài)信息數(shù)據(jù)都是上位機從下位機（PLC）現(xiàn)場采集而來，上位機對這些數(shù)據(jù)處理后，在圖形控制界面上顯示，提供給操作員。圖12所示為旋轉舞臺圖形控制界面。

圖12 旋轉舞臺控制系統(tǒng)圖形控制界面

圖13 PLC硬件組態(tài)圖例

西門子WINCC軟件是上位機的一種組態(tài)軟件。它主要是完成項目的圖形化監(jiān)視界面的編輯、各種數(shù)據(jù)信息歸檔、監(jiān)視過程變量的變化過程，與PLC進行通訊等功用。

3.4 下位機

下位機PLC主要完成旋轉舞臺控制系統(tǒng)的控制任務。本設計在硬件方面采用西門子S7-400系列。它主要由機架、背板、電源模塊、CPU模塊、通信模塊等組成，如圖13所示。電源模塊、CPU模塊、通信模塊等都安裝在機架的背板上。電源模塊給機架背板上所有其他模塊提供電源；CPU模塊主要是執(zhí)行內部的程序進行邏輯運算，并掃描外部輸入輸出點，按設計要求控制各個輸出點，再由外部執(zhí)行元件實施具體的動作；通信模塊主要是完成與上位機或者是其他站點進行數(shù)據(jù)通訊的功用。

在PLC軟件部分，本設計應用西門子STEP 7編程軟件進行了旋轉舞臺控制系統(tǒng)的編程，編程語言采用梯形圖編程。圖14為梯形圖編程部分程序。

圖14 PLC編程示例

3.5 分布式I/O從站

旋轉舞臺控制系統(tǒng)的分布式I/O作為PLC主站的從站，主要是完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，通過Profi bus-DP總線將采集的數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器。它由數(shù)字量輸入模塊（SM321）、數(shù)字量輸出模塊（SM322）、模擬量輸出模塊（SM332）、ET-200M和計數(shù)器模塊FM350-1組成。如圖15所示。

圖15 本設計系統(tǒng)的分布式I/O從站構成圖

3.6 系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信

旋轉舞臺控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信設計采用了工業(yè)以太網(wǎng)和Profi bus-DP現(xiàn)場總線的通信方式。如圖16所示。

圖16 本設計網(wǎng)絡組態(tài)圖

在本系統(tǒng)設計中，Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通信用來與上位機PC之間通信。Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡主要是與現(xiàn)場分布式I/O進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了實時監(jiān)控和控制。

4 旋轉舞臺控制系統(tǒng)的軟件編程

在CPU模塊中循環(huán)運行的是用戶編寫的程序。程序主要利用西門子STEP7 編程軟件，根據(jù)旋轉臺控制設計思路編寫而成。在編程語言方面主要有梯形圖、語句表、功能塊圖三種編程語言。本例所采用的是梯形圖編程。圖17、圖18為梯形圖編程實例。

從程序內容上講，主要分為邏輯控制部分和運動控制算法部分。所有的程序都在PLC一個循環(huán)掃描周期內執(zhí)行。一個循環(huán)掃描過程周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。在這個掃描過程中，PLC將所有的輸入信號進行分析處理，然后，將數(shù)據(jù)處理結果通過輸出設備給外圍執(zhí)行機構。圖19為PLC掃描循環(huán)的過程示意圖。

圖17 數(shù)字量輸入程序段

圖18 部分PLC主循環(huán)程序段

圖19 PLC循環(huán)掃描工作過程

5 系統(tǒng)的安全保護

為保證人身安全與設備安全，本系統(tǒng)在設計上加入了安全保護功能。一是緊急停止保護方式；二是互聯(lián)鎖保護方式。

在旋轉臺運行期間，如有緊急情況發(fā)生時，即可按下緊急停止按鈕，使PLC切斷控制回路，變頻器停止輸出，設備停止運行。

互聯(lián)鎖保護，主要是當旋轉舞臺與其他設備有互聯(lián)鎖關系時，禁止轉臺運行，這樣就保護了設備的安全。

6 結論

綜上所述，在旋轉舞臺運動控制系統(tǒng)設計中應用西門子PLC集成控制系統(tǒng)，運用PLC定位對運動控制技術，很好地實現(xiàn)了對轉臺的角度和絕對位移控制。操作員從圖形控制界面直接輸入角度或絕對位移，即可對轉臺進行正轉、反轉的位置控制。這種設計給操作人員及導演帶來了許多方便，也使舞臺在演出中的變化更加豐富。

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