七段式變頻調(diào)速在舞臺吊桿控制中的應(yīng)用?

駱東松 武曉峰

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

舞臺機(jī)械設(shè)備分為臺上設(shè)備和臺下設(shè)備，臺上設(shè)備是整個控制系統(tǒng)中的主要組成部分，而吊桿又是臺上設(shè)備的核心設(shè)備，它控制著道具、幕布和燈具的升降、對開、左移、右移等操作。目前國內(nèi)舞臺機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的定速控制，這種控制方式在吊桿快速啟停、定位時有很大的機(jī)械慣性和機(jī)械延時，存在很大誤差，很難滿足系統(tǒng)高精度要求［1～3］。同時在電機(jī)啟停時，滾筒卷揚(yáng)鋼絲繩張力變化劇烈，產(chǎn)生有害沖擊，影響設(shè)備的使用壽命［4～10］。

針對上述問題，本文在Ethernet+PROFI?BUS-DP雙層網(wǎng)絡(luò)下，采用七段式變頻調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)吊桿的位置和速度檢測的雙閉環(huán)控制。該方法最大化地實(shí)現(xiàn)了吊桿無極零速制動，增加了調(diào)速平穩(wěn)性和擴(kuò)大了調(diào)速范圍，減小了機(jī)械慣性和機(jī)械延時，降低了對設(shè)備的有害沖擊，使吊桿定位更加精準(zhǔn)，人員操作更加安全［11～17］。

2 舞臺吊桿控制系統(tǒng)

吊桿是舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)的核心部分，本文主要對吊桿子系統(tǒng)進(jìn)行分析［18-20］。本系統(tǒng)采用“上位工控機(jī)（IPC）+可編程控制器（PLC）+變頻器+交流電機(jī)”的運(yùn)動控制模式，其控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 吊桿控制架構(gòu)圖

操作臺人機(jī)交互采用工控機(jī)和工業(yè)級觸摸顯示器來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，通過Ethernet與系統(tǒng)主站（西門子S7-400）進(jìn)行通信，為傳輸當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、運(yùn)行時間、設(shè)備負(fù)荷等參數(shù)提供安全保障；系統(tǒng)主站通過PROFIBUS-DP總線與系統(tǒng)從站（多功能變頻器）進(jìn)行通信，主站下發(fā)指令給變頻器，變頻器帶動交流電機(jī)來驅(qū)動吊桿進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動；編碼器輸出信號到變頻器與PLC中，通過脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)速度與位置的反饋，構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 吊桿的雙閉環(huán)控制

操作員通過IPC設(shè)置目標(biāo)位置、目標(biāo)速度和偏差值，通過編碼器進(jìn)行速度檢測，將當(dāng)前速度反饋給變頻器來實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，同時將脈沖計(jì)數(shù)反饋給PLC，通過位置計(jì)算來確定吊桿運(yùn)行的當(dāng)前位置，當(dāng)前位置與預(yù)設(shè)減速位置進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

3.1 吊桿位置閉環(huán)

吊桿的升降控制采用滾筒卷揚(yáng)鋼絲繩單層纏繞牽引方式，為了避免吊桿在運(yùn)行到極限位置出現(xiàn)突變數(shù)據(jù)，編碼器采用數(shù)據(jù)值的中間位置作為工作起始位。在吊桿運(yùn)行過程中，西門子新型分布式I/O設(shè)備ET-200M將編碼器脈沖二進(jìn)制信息反饋到CPU414-3 PN/DP主控制器，主控制器通過編碼器計(jì)數(shù)檢測吊桿位置，經(jīng)過計(jì)算得到吊桿當(dāng)前位置。當(dāng)主控制器接收到測量值轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制碼后，調(diào)用

求出吊桿的當(dāng)前位置。

式中C為編碼器輸出的當(dāng)前測量值；Dir為編碼器旋轉(zhuǎn)方向系數(shù)，一般設(shè)置為吊桿上升為1，吊桿下降為-1；S0為吊桿的起始點(diǎn)值；MidP為編碼器中間位置值，該劇場使用的是16位編碼器，MidP=2n-1=216-1=32768，吊桿的起始點(diǎn)設(shè)置在舞臺12500mm，從起始點(diǎn)開始，吊桿升降編碼器均有16384圈連續(xù)工作行程。

當(dāng)?shù)鯒U運(yùn)行到預(yù)設(shè)減速位置附近（±30mm，預(yù)設(shè)位置值與反饋值的差值）時，PLC立即執(zhí)行變速算法，通過PROFIBUS–DP總線下發(fā)減速命令到變頻器，變頻器驅(qū)動交流電機(jī)使吊桿平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到無級變速，最終在預(yù)定誤差（±3mm）之內(nèi)進(jìn)行抱閘制動。

3.2 吊桿速度閉環(huán)

傳統(tǒng)定速控制方案存在一定的局限性。本文介紹的是上位機(jī)軟件速度控制的方法，可以有效地解決傳統(tǒng)定速控制的不足之處。在變速過程中，系統(tǒng)采用七段式速度控制，如圖2七段式速度給定曲線。

圖2 吊桿速度、加速度曲線

EF段速度曲線v1(t)=vmax-k(t-tE)2是一條拋物線，其中vmax是最大運(yùn)行速度；其加速度曲線是一條斜線段；

FG段速度曲線是一條斜率為-aF的直線段；其加速度曲線是一條直線段；

GH段速度曲線是一條拋物線；其加速度曲線是一條斜線段。

該七段式速度給定曲線主要應(yīng)用在吊桿制動部分，即對應(yīng)曲線EFGH段，曲線啟動段ABCD與制動段對稱。因?yàn)樗俣群图铀俣惹€是聯(lián)系變化的，可以求得：

在t=tH時 ，，解得

在t=tG時 ，解 得

由圖2可知：吊桿的速度是平滑無極過渡，加速度也是連續(xù)線性變化，這樣可以避免滾筒卷揚(yáng)機(jī)械設(shè)備纏繞鋼絲繩時受力突變，從而降低機(jī)械延時，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加設(shè)備使用壽命。由其對應(yīng)公式可知：速度閉環(huán)控制電機(jī)制動時間是由vmax、aF和k決定的，而該劇院吊桿最大運(yùn)行速度為0.8m/s，最大加速度aF為定值，只要在上位軟件中設(shè)定k的數(shù)值，吊桿的速度控制曲線就會接近理想曲線。

4 吊桿控制的軟件設(shè)計(jì)

吊桿的控制系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成：1）上位監(jiān)控軟件；2）下位PLC控制程序設(shè)計(jì)。IPC用于發(fā)送變速算法計(jì)算得出的數(shù)據(jù)給PLC，PLC給變頻器指令，變頻器驅(qū)動交流電機(jī)進(jìn)行無極調(diào)速；給定吊桿的運(yùn)行模式、目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、偏差值等參數(shù)；實(shí)時顯示吊桿的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、運(yùn)行時間、運(yùn)行負(fù)荷等參數(shù)；實(shí)時地將吊桿運(yùn)行的數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行入庫，為以后的操作、診斷做參照依據(jù)。下位PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)吊桿的一些其他邏輯關(guān)系，保證吊桿的啟停動作、定位操作。

4.1 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控軟件在Visual Studio 2013平臺運(yùn)用C#編程技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)整個舞臺的控制界面，編譯舞臺控制系統(tǒng)的代碼。系統(tǒng)主要功能包括登錄操作、裝臺模式、演出模式、故障報(bào)警、系統(tǒng)同步等。圖3為舞臺設(shè)備控制畫面。

圖3 舞臺設(shè)備控制畫面

為了滿足設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)量大、實(shí)時性高的要求，在C/S架構(gòu)之下，IPC與PLC之間通過TCP/IP進(jìn)行以太網(wǎng)通訊傳輸數(shù)據(jù)。其中，裝臺模式包含設(shè)備設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等子模塊。設(shè)備設(shè)置可以對所有舞臺設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的上下目標(biāo)位、偏移量、運(yùn)行最大速度（%）等進(jìn)行設(shè)置，他們的默認(rèn)值是其相應(yīng)的最大值；可以選擇運(yùn)行模式，包括位置模式、速度模式、校準(zhǔn)模式。軟件方便安全地實(shí)現(xiàn)單根吊桿和多根吊桿的啟動，停止操作，實(shí)現(xiàn)吊桿的單控和集控操作，并且能夠?qū)崟r反饋當(dāng)前吊桿位置。燈具控制部分實(shí)現(xiàn)單一燈具的6方向自由度控制，以及實(shí)時可視化選取受控。系統(tǒng)狀態(tài)可以讀出系統(tǒng)IO狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、搖桿IO狀態(tài)。演出模式可以進(jìn)行選擇劇目，對劇目進(jìn)行上移下移排序，不同劇目可以選擇不同場景，編寫場景名稱、場景描述后進(jìn)行劇目下載，實(shí)現(xiàn)不同劇目相應(yīng)設(shè)備的自動運(yùn)行，節(jié)約了人力資源。

4.2 下位PLC控制程序設(shè)計(jì)

舞臺機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)下位PLC控制程序采用西門子TIA Portal V13軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程。吊桿設(shè)備運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 吊桿運(yùn)行流程圖

本系統(tǒng)有兩個PLC主站，主站1控制臺上設(shè)備，主站2控制臺下設(shè)備，兩個主站DP口之間要互相通訊傳遞信息，共同完成舞臺系統(tǒng)控制任務(wù)。主站1的DP總線子網(wǎng)“PROFIBUS_1”的地址設(shè)置為2，分 配 IP地 址 192.168.70.201。 在 主 站 1（414-3PN/DP）的 OB1中 調(diào) 用 SFB12，主 站 2（414-3PN/DP）的OB1中調(diào)用SFB13實(shí)現(xiàn)兩個PLC之間的S7通訊。如圖5兩個主站變量表。

圖5 主站變量表

5 結(jié)語

本文提出的舞臺吊桿變頻調(diào)速雙閉環(huán)控制方法在工大舞臺吊桿試驗(yàn)平臺進(jìn)行了多次吊桿定位監(jiān)控試驗(yàn)，并且已經(jīng)在敦煌大劇院應(yīng)用。在10次實(shí)驗(yàn)中，吊桿定位在3000mm，七段式變速控制曲線與傳統(tǒng)的定速控制比較，圖6是在兩種控制方式下的位置曲線。

圖6 兩種控制方式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖中看出運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性與可靠性。使用七段式變速控制算法進(jìn)行舞臺吊桿的控制，實(shí)現(xiàn)了吊桿無極零速制動，極大降低了吊桿運(yùn)行時的運(yùn)動慣性和機(jī)械延時的定位誤差。

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