切換矩陣系統(tǒng)在舞臺(tái)吊桿變頻器中的應(yīng)用

董改花

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

1 引言

隨著國家對(duì)文化產(chǎn)業(yè)投資逐漸加大以及群眾對(duì)文化市場參與度的逐步提高，各地新建劇院舞臺(tái)中的機(jī)械設(shè)備越來越多，其中舞臺(tái)吊桿［1］是各類劇場中最常用的必需設(shè)備。就舞臺(tái)中的常見臺(tái)上設(shè)備吊桿來說，幾十道甚至上百道吊桿很正常。通常，一臺(tái)吊桿設(shè)備需配備一臺(tái)變頻器，幾十道舞臺(tái)吊桿就需要配置相應(yīng)數(shù)量的變頻器。這樣配備投資很大，而且一對(duì)一配置的話，一旦某一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，則對(duì)應(yīng)的吊桿就不能正常動(dòng)作，安全性能受到很大影響。

通過對(duì)舞臺(tái)現(xiàn)場的觀察，發(fā)現(xiàn)大部分劇院雖然有幾十道吊桿，但同時(shí)需要的最大動(dòng)作數(shù)一般少于8道，而且都是短時(shí)間工作制，吊桿啟動(dòng)后不是上升就是下降，在到達(dá)目標(biāo)位置后，這道吊桿就停止工作，等待下一個(gè)命令的執(zhí)行。如果能夠有一個(gè)系統(tǒng)，只配備n（n＜＝8）臺(tái)變頻器（一般為同時(shí)需要的最大動(dòng)作數(shù)），通過這個(gè)系統(tǒng)來切換啟動(dòng)所有的吊桿，則不但可以大大節(jié)約成本，而且能夠大幅度地提高安全性能。即當(dāng)某一個(gè)變頻器有故障時(shí)，還有冗余變頻器能夠啟動(dòng)其對(duì)應(yīng)的吊桿。這個(gè)系統(tǒng)就稱之為電氣切換矩陣控制系統(tǒng)［2］。

2 用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

舞臺(tái)上吊桿設(shè)備反映系統(tǒng)狀態(tài)的主要參數(shù)是上、下限位，松、亂繩信號(hào)，矯正限位，反映速度和位置的編碼器及電機(jī)三相及制動(dòng)線。這些參數(shù)要求在一臺(tái)變頻器對(duì)一臺(tái)吊桿設(shè)備時(shí)直接輸入到變頻器中，如圖1所示。

圖1 舞臺(tái)吊桿與變頻器一對(duì)一連接圖

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是把m臺(tái)吊桿的參數(shù)傳輸?shù)絥臺(tái)變頻器，很明顯m要大于或遠(yuǎn)大于n。PLC通過輸入輸出端子，啟動(dòng)中間繼電器及交流接觸器來控制選擇要?jiǎng)幼鞯牡鯒U電機(jī)，使變頻器能夠控制所選擇的吊桿電機(jī)，同時(shí)該吊桿的位置、速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過電氣切換矩陣控制系統(tǒng)傳輸?shù)阶冾l器。用于變頻器的電氣切換矩陣系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯圖

本系統(tǒng)選用SIMATIC S7-200系列PLC，具體選用PLC型號(hào)［3-4］根據(jù)吊桿電機(jī)及所需同時(shí)動(dòng)作的吊桿數(shù)的多少來選配。本文模擬一個(gè)小型劇場來設(shè)計(jì)一個(gè)用于變頻器的電氣切換矩陣系統(tǒng)。該劇院有舞臺(tái)吊桿20道，功率為11kW，根據(jù)工藝要求，演出時(shí)最多同時(shí)動(dòng)作4道吊桿。為了完成4切20電氣矩陣切換，需PLC輸出點(diǎn)DO（n×m）20×4共80個(gè)點(diǎn)。為了確保矩陣切換的成功，需PLC輸入點(diǎn)DI（n×m）20×4共80個(gè)點(diǎn)。當(dāng)PLC輸出后，外圍電氣回路由中間繼電器及交流接觸器來完成切換。

3 用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇SIMATIC S7-200系列PLC作為開發(fā)軟件。首先選用CPU226模塊，具有24點(diǎn)輸出/16點(diǎn)輸入，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，提供1000mA的總線電流。根據(jù)要求至少需80個(gè)輸入點(diǎn)與80輸出點(diǎn)。擴(kuò)展2個(gè)32點(diǎn)輸入與32點(diǎn)輸出的EM223模塊，同時(shí)預(yù)留一定的開關(guān)點(diǎn)，再加上一個(gè)8點(diǎn)輸入與8點(diǎn)輸出的EM223模塊。PLC模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)PLC模塊圖

用于變頻器的電氣切換矩陣系統(tǒng)控制程序采用主程序、子程序來編寫。主程序完成某一變頻器所需切換吊桿所對(duì)應(yīng)輸出端子DO的輸出。子程序完成對(duì)輸出吊桿所對(duì)應(yīng)變頻器在外圍電氣回路執(zhí)行后以及反饋后信息的確認(rèn)。

為了使某一變頻器對(duì)應(yīng)的吊桿選中，需要在PLC輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)，這個(gè)開關(guān)量的輸出能夠?qū)?yīng)某一變頻器所對(duì)應(yīng)的一道吊桿電機(jī)的唯一信號(hào)。如前所述的模型是4個(gè)變頻器切換20道吊桿，經(jīng)計(jì)算需要80個(gè)輸出開關(guān)量。根據(jù)CPU226與上一層主控模塊通訊，在CPU226或擴(kuò)展模塊EM223輸出對(duì)應(yīng)的一個(gè)DO點(diǎn)，而最多可以同時(shí)有4道吊桿的條件下可以輸出4個(gè)DO信號(hào)。由于一個(gè)變頻器只能在同一時(shí)間動(dòng)作一道吊桿，在程序中應(yīng)設(shè)置互鎖程序［5］，避免出現(xiàn)一個(gè)變頻器同時(shí)動(dòng)作多道吊桿電機(jī)。用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 PLC外圍的電氣回路設(shè)計(jì)

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)外圍電氣回路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 PLC外圍電氣回路設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)在PLC輸出對(duì)應(yīng)吊桿電機(jī)的DO點(diǎn)后，臺(tái)上吊桿設(shè)備反映系統(tǒng)狀態(tài)的主要參數(shù)是上、下限位，松、亂繩信號(hào)，矯正限位、反映速度和位置的編碼器（3個(gè)通道）及電機(jī)三相及制動(dòng)線（5個(gè)通道）。這些信號(hào)通過由中間繼電器及交流接觸器所組成的矩陣來實(shí)現(xiàn)多對(duì)少的切換。根據(jù)統(tǒng)計(jì)上述信號(hào)需13個(gè)通道來處理，再需要一個(gè)切換確認(rèn)信號(hào)，共需14個(gè)通道，本系統(tǒng)選用RXL4A6B2BD型中間繼電器，帶4個(gè)通道。交流接觸器根據(jù)功率選擇LC1-D2510M5N，自帶一個(gè)常開通道，一個(gè)交流接觸器選配交流接觸器輔助觸頭4通道，型號(hào)為LC1-DN40C。由于中間繼電器需帶動(dòng)下一級(jí)的中間繼電器及交流接觸器，實(shí)際上只能計(jì)算3個(gè)通道，為了實(shí)現(xiàn)14個(gè)通道的切換，每個(gè)回路需要2個(gè)中間繼電器及一個(gè)交流接觸器，還有一個(gè)通道的余量。（備注：一個(gè)交流接觸器還有3通道的大電流觸點(diǎn)）。中間繼電器與接觸器在設(shè)計(jì)完成后安放于電氣控制柜中。

通過以上分析，以本文模擬的小型劇場為例，4臺(tái)變頻器切換20臺(tái)吊桿電機(jī)控制系統(tǒng)共需要40個(gè)中間繼電器，20個(gè)交流接觸器，其總成本低于1臺(tái)變頻器成本。因此用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)節(jié)約了共15臺(tái)變頻器成本，是原有變頻器一對(duì)一控制成本的四分之一。如果對(duì)于大型劇場則節(jié)約成本相應(yīng)會(huì)更多，因此本系統(tǒng)具有極其重要的實(shí)際價(jià)值。

4 結(jié)束語

用于變頻器的電氣切換矩陣控制系統(tǒng)投入應(yīng)用后，不但大大節(jié)省了成本，而且由于各個(gè)變頻器相互冗余，原有設(shè)備的可靠性也大大增強(qiáng)。取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于電氣切換矩陣強(qiáng)弱電混合布線設(shè)計(jì)，并放置在控制柜內(nèi)，難免會(huì)受到變頻器及接觸器動(dòng)作時(shí)的電壓干擾，從而造成切換錯(cuò)誤現(xiàn)象。在演出中，這種情況的發(fā)生極易造成對(duì)臺(tái)上演員的人身傷害，因此應(yīng)堅(jiān)決避免。對(duì)其處理方法：一是要加設(shè)抗干擾設(shè)備，在切換信號(hào)發(fā)出端加裝濾波電容，過濾接觸器吸合釋放時(shí)產(chǎn)生的干擾；二是在切換電機(jī)后，PLC務(wù)必要有切換檢查程序，確保正確切桿。

［1］蔣 偉，任 慧.舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備控制技術(shù)［M］.中國廣播電視出版社，2009.

［2］陳積遠(yuǎn).舞臺(tái)吊桿變頻矩陣切換控制系統(tǒng)［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010：225-226.

［3］龔建興，吳愛梅.PLC在舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2001，（4），48-50.

［4］張子毅.基于PLC的吊桿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.甘肅科技，2003：24-26.

［5］蔡華鋒，廖冬除，席自強(qiáng)，丁穩(wěn)房.矩陣電路在舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007：14-16.