智能化一體吊機(jī)及其控制系統(tǒng)研究

侯俊杰 白彥斌

（甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

傳統(tǒng)的舞臺(tái)機(jī)械吊機(jī)通常采用集中式控制方法，即將多臺(tái)設(shè)備的控制和驅(qū)動(dòng)部分集中在統(tǒng)一的電氣柜中，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是便于管理，能集中控制多臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行的目標(biāo)。由于集中控制方式除了需要布置電源線外，還要將現(xiàn)場(chǎng)的I/O 信號(hào)、編碼器信號(hào)反饋至電氣柜，因此布線比較繁雜，還可能存在強(qiáng)、弱電線路之間的電磁干擾問(wèn)題，如果項(xiàng)目后期需要增減設(shè)備，就會(huì)面臨大量困難，因此只能應(yīng)用于靈活性較差的特定劇場(chǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題，該文采用分布式和集中式相結(jié)合的控制方法，從硬件和軟件2 個(gè)方面設(shè)計(jì)了一種靈活、便捷的智能化一體吊機(jī)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

智能化一體吊機(jī)控制系統(tǒng)采用集中式和分布式相結(jié)合的混合式設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)吊機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備分散安裝在各個(gè)智能化一體吊機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)旁的模塊化控制箱中，PLC 控制柜僅通過(guò)電源供電電纜及PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通信電纜與分布式設(shè)備連接，這樣就通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)使物理分散的分布式設(shè)備構(gòu)成統(tǒng)一整體。智能化一體吊機(jī)的控制方式分為本地就近控制和集中遠(yuǎn)程控制。本地就近控制功能由設(shè)備自身變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)模塊化控制箱上的按鈕來(lái)給變頻器發(fā)送控制指令；集中遠(yuǎn)程控制則是用戶通過(guò)人機(jī)交互給PLC 發(fā)送集中控制指令，然后由PLC 統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備編組同步運(yùn)行的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單臺(tái)設(shè)備硬件配置

智能化一體吊機(jī)的本地就近控制功能通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器應(yīng)具備PLC 功能，可編寫簡(jiǎn)易邏輯控制程序，同時(shí)還應(yīng)具有足夠數(shù)量的I/O 端子及編碼器接口（用于接收數(shù)字量輸入信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)以及增量型旋轉(zhuǎn)編碼器速度反饋信號(hào)）。在多臺(tái)吊機(jī)同步編組運(yùn)行時(shí)，還應(yīng)具有PROFINET 接口或可以配置使用的PROFINET 通信卡（與PLC 和其他PROFINET 設(shè)備建立通信）。該文選用德國(guó)NORD SK540E 系列變頻器，該變頻器可滿足智能化一體吊機(jī)的功能需求，具體功率型號(hào)可以根據(jù)電機(jī)功率以及載荷要求進(jìn)行選型。

根據(jù)NORD SK540E系列變頻器硬件配置對(duì)I/O端子進(jìn)行分配，見表1，電氣原理圖設(shè)計(jì)如圖1 所示。當(dāng)變頻器控制吊機(jī)運(yùn)行時(shí)，先通過(guò)安全斷路器QF 將三相電接入變頻器，用于切斷或接通變頻器電源。電機(jī)M 通過(guò)端子X(jué)2與變頻器連接。當(dāng)?shù)鯔C(jī)運(yùn)行時(shí)，需要準(zhǔn)確地對(duì)吊機(jī)的位置進(jìn)行定位，使用編碼器并接入端子X(jué)6。為避免因鋼絲繩松弛、設(shè)備超程等而引發(fā)一系列的安全問(wèn)題，設(shè)置了松繩信號(hào)及極限信號(hào)檢測(cè)X4、限位信號(hào)檢測(cè)X5（松繩信號(hào)與極限信號(hào)均接于圖1 變頻器的X4 端子，因此將松繩信號(hào)與極限信號(hào)放在一起描述）。

當(dāng)變頻器控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)，本地/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)為本地，按下上升SB1 或下降SB2 按鈕，運(yùn)行輸出繼電器KA1、抱閘輸出繼電器KA2 線圈得電，其常開觸點(diǎn)閉合，抱閘接觸器KM1 線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，整流塊將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC），電機(jī)抱閘打開，設(shè)備可正常運(yùn)行。當(dāng)按下急停按鈕SB0 時(shí)，繼電器KA0 斷電，KA0 的常開觸電斷開，變頻器使能斷開，安全功能被觸發(fā)，控制狀態(tài)變?yōu)榘踩D(zhuǎn)矩關(guān)斷（STO），設(shè)備停止運(yùn)行。

2.2 多臺(tái)同步PLC 控制系統(tǒng)硬件配置

由于單臺(tái)設(shè)備的演藝形式比較單一，因此不能滿足復(fù)雜多變的演藝需求。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備定位或編組同步運(yùn)行等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制功能時(shí)，就需要通過(guò)在PLC 控制器中編寫復(fù)雜邏輯控制算法來(lái)滿足相關(guān)要求。常見的PLC 品牌有西門子、施耐德、AB（羅克韋爾）以及ABB 等。其中，西門子PLC 因其優(yōu)越的性能在舞臺(tái)機(jī)械控制行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。S7-1500 PLC 具有更快的處理速度、更高的診斷能力和安全性，其CPU 模塊集成了1～3 個(gè)PROFINET接口，支持與其他以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。因此該控制系統(tǒng)選用西門子S7-1500 PLC 作為控制器，與智能化一體吊機(jī)進(jìn)行PROFINET 通信。而人機(jī)交互可以根據(jù)用戶需求選擇主控臺(tái)、移動(dòng)站以及觸摸屏等控制方式，PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單臺(tái)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

圖1 智能化一體吊機(jī)電氣原理圖

單臺(tái)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制除了實(shí)現(xiàn)基本啟、停功能外，還需要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的所有安全功能。當(dāng)用戶按下模塊化控制箱上的上升或下降按鈕時(shí)，設(shè)備能執(zhí)行相應(yīng)的提升或下降動(dòng)作，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果檢測(cè)到減速開關(guān)信號(hào)，就開始低速運(yùn)行；如果檢測(cè)到急停、限位、松繩以及極限等開關(guān)信號(hào)，則立刻停止運(yùn)行。其本地就近控制流程如圖3 所示。由于單臺(tái)設(shè)備沒(méi)有配備專門的人機(jī)交互設(shè)備，因此其精準(zhǔn)停位功能需要通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 變頻器I/O 端子分配

3.2 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)組態(tài)

通過(guò)西門子TIA Portal 編程軟件對(duì)所有PROFINET 設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的MAC 地址分配PROFINET 名稱后才能讓PLC 對(duì)PROFINET I/O 設(shè)備進(jìn)行一一識(shí)別，以便其可以訪問(wèn)所有的分布式PROFINET I/O 設(shè)備。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 設(shè)備停位功能

單臺(tái)設(shè)備的停位功能是指用戶在設(shè)備行程范圍內(nèi)任意設(shè)定目標(biāo)位置，使設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行至該位置的功能。停位功能的實(shí)現(xiàn)主要運(yùn)用了變頻器的POSICON 定位功能，即利用變頻器自身的位置控制環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC 接收到人機(jī)交互設(shè)備下發(fā)的目標(biāo)位置與速度后，由PLC 進(jìn)行運(yùn)算處理，將目標(biāo)位置換算為脈沖數(shù)下發(fā)至變頻器，變頻器通過(guò)自身位置控制環(huán)調(diào)節(jié)控制電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，到達(dá)指定位置后停止運(yùn)行。

3.2.3 多臺(tái)設(shè)備同步控制功能

單臺(tái)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合存在較大的局限，如果要起吊大型表演道具，就需要多臺(tái)設(shè)備配合起吊，起吊過(guò)程中所有吊點(diǎn)必須保持實(shí)時(shí)位置同步，否則將有可能造成道具出現(xiàn)變形損壞的問(wèn)題，因此同步控制功能至關(guān)重要。同步控制功能如下：首先，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)需要進(jìn)行同步控制的設(shè)備進(jìn)行編組，并設(shè)定同步運(yùn)行的目標(biāo)位置和運(yùn)行速度。其次，由通信將編組數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至PLC，通過(guò)PLC 中編寫的同步控制算法來(lái)控制從機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)編組設(shè)備同步運(yùn)行的目標(biāo)。這種同步控制算法采用了主從跟隨同步控制的方式，在該控制算法中，PLC 會(huì)默認(rèn)將編組中的第一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)，其余設(shè)備作為從機(jī)，從機(jī)以主機(jī)的實(shí)時(shí)位置作為參考，當(dāng)從機(jī)位置落后于主機(jī)位置時(shí)，則加速追趕；當(dāng)從機(jī)位置超前于主機(jī)位置時(shí)，則減速等待；當(dāng)從機(jī)位置與主機(jī)位置保持同步時(shí)，則以相同的速度同步運(yùn)行。同步控制算法結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 單臺(tái)設(shè)備本地就近控制流程圖

圖4 同步控制算法結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用測(cè)試

該控制系統(tǒng)自研發(fā)成功至今，已在很多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。為進(jìn)一步驗(yàn)證智能化一體吊機(jī)及其控制系統(tǒng)的性能，以某酒樓宴會(huì)廳工程為例，在滿載情況下，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取5 臺(tái)設(shè)備進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備停位精度測(cè)試和多臺(tái)設(shè)備同步定位精度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄見表2。

由表2 可知，單臺(tái)設(shè)備停位精度測(cè)試項(xiàng)目中的設(shè)定位置與實(shí)際位置的最大誤差為2 mm；多臺(tái)設(shè)備同步定位精度測(cè)試項(xiàng)目中組內(nèi)設(shè)備最大絕對(duì)差值為3 mm。根據(jù)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范（停位精度允許誤差為小于或等于3 mm，同步精度允許誤差為小于或等于5 mm）可知，該設(shè)備的停位精度和同步定位精度均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 龍的酒樓宴會(huì)廳工程設(shè)備性能測(cè)試記錄

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)采用“集中式+分布式”的設(shè)計(jì)思想將智能化一體吊機(jī)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的單獨(dú)設(shè)備，大大提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，降低了施工布線的難度，減少了工作量。同時(shí)，也有效避免了強(qiáng)、弱電在長(zhǎng)距離布線過(guò)程中的電磁干擾問(wèn)題。當(dāng)用戶需要增加或減少設(shè)備數(shù)量時(shí)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的增添或移除工作，尤其在項(xiàng)目后期需要改造時(shí)，能非常方便、快捷地增、減設(shè)備，極大地減少了工作量。