常规剧场舞台机械控制系统的软硬件设计(共5136字).doc
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1、常规剧场舞台机械控制系统的软硬件设计(共5136字)【摘要】根据国内剧场舞台机械控制系统的特点,探讨了软、硬件设计解决方案。根据实际工程经验从控制系统硬件设计组成、网络系统构建和软件功能要求三个方面进行了详细的论述。【关键词】PLC;舞台机械;变频器;现场总线常规剧院根据功能可以划分为歌剧院、戏剧院、音乐厅和多功能厅等。舞台机械是现代化剧场不可缺少的核心设备,通过舞台机械设备不断升降、平移、开合运动,并配合灯光、音响的不断变换,呈现在观众眼前的是一场场美轮美奂的视觉盛宴。常规剧场舞台机械设备一般可分为台上和台下两个部分,台上以卷扬类为主,台上设备的基本配置有防火幕、假台口、大幕、二道幕、景吊杆
2、、灯吊杆、单点吊机、灯光渡桥、灯光吊笼等设备,有的还配置了反声罩。台下以升降、推拉、旋转为主,台下设备的基本配置有主升降台、左右车台、后车转台、升降乐池、各种补偿台、插销和安全网等设备。其中,台上吊杆类设备、台下升降台类设备和车台类设备是舞台表演空间的主要设备。随着计算机技术的不断发展,现在舞台机械控制多采用以可编程控制器为主的分布式控制系统。系统硬件由继电器、接触器和变频器等低压电器组成,网络采用开放式工业现场总线通讯技术,软件设计采用功能完备的人机友好界面和安全互锁保护。整个系统快速、方便地将分散在台上、台下的设备和核心中央处理器联系起来,其各种不同类型的控制模块通过硬件接口和软件组态可进
3、行广泛组合,为舞台机械运行提供实时、安全可靠的运行保证。同时,由于采用计算机控制,系统具有处理速度快、系统资源裕量大、通讯能力强、故障排除快速、定位准确的特点。1设备电器设计组成舞台设备电器控制回路一般由各种安全保护单元(如限位、乱绳、超载、超速、安全急停链路)、位置测量单元(如编码器、减速开关、行程开关)、控制电路(如各种继电器、PLC输入输出模块)、驱动单元(如变频器、交流接触器)和执行单元(如三相异步鼠笼电机、伺服电机)组成,并通过以上电器环节的共同作用控制设备运动。国内舞台设备按控制方式包括常规定速控制和调速定位控制。1.1常规定速控制常规定速控制通过PLC起停输出、设备的行程开关、保
4、护开关、继电器组成的中间回路控制对应的三相电源的相序通断,从而达到直接控制电机的正反向运动,如舞台各种插销、安全网、升降栏杆、安全门。该方式广泛应用在对时间要求不高的舞台设备硬件设计上,对于在运动过程中有位置需求但定位要求不高的设备(如灯光吊笼、假台口侧片、灯光渡桥)来说,该方式并不能满足要求。从设计经济、硬件便捷的角度,通常在常规电机传动轴上加装轴套型增量编码器,将编码器信号接入具有位置采集功能的模板(如西门子编码器模块FM350),同时,在硬件选型时根据模板的采样频率和电机转速确定所选编码器的每圈脉冲值。采集的位置信号经过现场总线传送到中央处理器中,和预设的目标位置做比较,决定设备是否到位
5、停止运行。在实际的硬件设计中,为了能及时响应到位置信号,需把采集模板的实际输出值串入控制电机正反转回路。考虑到常规定速控制设计中不具备调速功能,电机高速运动过程中收到停止信号后制动运行较长,影响设备控制精度,在应用中要根据设备实际制动距离,在软件调试中加入制动停止提前长度来修正设备停止响应距离,从而提高设备实际到位精度1.2调速定位控制调速定位控制常规电机带有编码器,编码器接入具有位置控制功能的高性能交流矢量变频器,变频器通过本身的内置位置控制卡计算电机运行的实时位置和给定目标位置的差值,通过PID调节输出对应的频率和电压控制电机运转速度,中央处理器通过总线通讯方式比较变频器传回来的位置、状态
6、特性,并根据变频器窗口到位值实现对所控设备的速度、位置精确控制,控制电路如图3所示。使用调速定位控制,降低了对机械设备的冲击,提高了设备的安全性和可靠性。因此,在国内中、大型剧场中,该控制方式是控制吊杆、升降台、车台等机械设备的主流方案。调速定位按控制电路功能一般可分为一对一控制和矩阵切换控制。对于前者,每个设备都是一个控制单元,控制电路结构相对简单,每个变频器的总线状态真实反应设备实际情况。由于只考虑单独控制回路,现场调试成本较小,出现故障排查相对容易,系统后期维护人工成本较小,但如果控制单元的任何器件发生故障,则直接影响调速设备运行,同时对于电器元件、变频器的成本支出较高。对于后者,由于采
7、用继电器矩阵切换,控制回路采用冗余备份方式,每个调速设备在选定之前不对应固定变频器,如果某一个控制单元出现问题影响吊杆运行,通过切换矩阵的及时调整可以规避出现故障的控制单元,从而使设备更可靠地运行,提高了整个系统的风险抵御能力。同时,采用切换方式,节省了变频器数量,降低了电器成本支出。但这种控制方式电路结构复杂,软件互锁要求较高,一旦出现故障,排查和维护较繁琐。通常来说,台上调速吊杆采用切换矩阵方式,台下调速设备采用一对一控制方式。这主要是因为各种类型的吊杆大多功率在30kW以内,且功率较为相近,实际舞台演艺中同时运动的最多吊杆数远远小于总吊杆数,故采用切换方式。而台下升降类设备在演出时载有大
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