旋转舞台控制系统的设计与应用

2012-09-19常学军

演艺科技 2012年10期

常学军

（国家大剧院舞台技术部，北京 100031）

前言

当前的舞台演出中，导演为了提升演出质量和艺术效果，对演出场景变化的要求越来越复杂。传统舞台台面较为固定，并且造型、风格较单一，整体舞台技术水平较低，已不能满足当今流行的演出需要。而将PLC可编程控制器运动控制技术应用到舞台机械运动控制中，实现舞台的升降、平移、旋转、伸缩等运动动作，可使演出更加多姿多彩。

本文主要以旋转舞台控制系统的设计为例，阐述运用PLC控制技术在旋转舞台运动控制中的应用。

1 PLC可编程控制器简介

PLC（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器简称），是在传统的顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的新型工业控制装置，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成整体和扩充功能的原则设计。

一般来说，PLC分为整体式和模块式两种，但它们的组成是相同的。整体式PLC由CPU模块、I/O模块、通信接口、电源等组成；模块式PLC由CPU模块、I/O模块、通信模块、电源模块、背板或机架等组成。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其中I/O模块可按用户需要进行扩展与组合。结构如图1所示。

图1 PLC基本结构示意图

2 旋转舞台运动控制系统基本构成

旋转舞台运动控制系统主要由机械、电气、控制三大部分构成。

2.1 机械部分基本构成

旋转舞台是控制系统的主要控制对象。它主要由转盘台面、托盘及支架、传动轴、减速箱、导轮等构成。

旋转舞台台面要完成360°旋转，并能停在任意角度位置或绝对位置上。图2是旋转舞台机械结构示意图。

图2 旋转舞台机械结构示意图

2.2 电气控制部分构成

电气控制部分主要是旋转舞台运动控制系统中电路控制部分。它主要由变频器、异步电动机、断路器、电磁接触器、继电器、磁栅尺、磁头、信号放大器等组成。此部分主要完成硬件逻辑控制关系。虽然PLC的软继电器完成了控制回路中的大部分逻辑控制功能，但是还有一部分控制功能要由硬件电气元件完成。主要功能有以下几点：

（1）控制动力电源和制动电源的通断。如图3所示。

图3 动力电源和制动电源控制回路连接图

（2）构成就地控制回路。

（3）构成安全保护回路，如互联锁、紧急停机等。

（4）给PLC输入模块传送系统状态信号，如图4所示。

图4 PLC数字量输入线路图

2.2.1 位移测量系统构成及原理

在本例中，位移测量系统采用了日本Macome公司生产的MC位移测量系统。它由磁栅尺、磁头和信号放大器三部分构成。如图5所示。

如图6所示，磁栅尺的结构为厚0.3 mm、宽35 mm的不锈钢，其上粘有厚1.6 mm、宽20 mm的橡胶磁铁。橡胶磁铁的厚度方向20 mm的相等距离分布N极和S极相互吸引。

磁头和信号放大器共同构成信号感知器。磁栅尺上每10 mm间隔就有N极和S极磁场相互吸引磁化。信号感知器将磁场的量转变为A、B两相相应的信号，并通过连接信号放大器变为最高分解度为0.1 mm的脉冲信号。如图7所示。

磁栅尺安装于转台的边缘上，当磁栅尺与磁头之间有相对运动时（最大反应速度为10 m/s），磁头感知磁栅尺上N极和S极磁场的变化，通过信号放大器将磁场的变化转化为两相的脉冲信号，输出给分布式I/O的计数器模块FM-350。最终PLC的CPU根据计数器模块FM-350记录下来的脉冲数，并通过位移算法计算出位移量。

图5 MC位移测量系统构成

图6 磁栅尺结构

图7 信号放大器输出脉冲信号A相、B相

2.3 PLC控制部分基本构成

PLC控制部分作为控制的核心部分，主要由上位机（人机界面）、下位机（PLC控制模块）、分布式I/O从站（包括各模块）、通信网络等构成。

PLC控制部分是旋转舞台运动控制系统的核心部分，要完成对现场数据的采集、传输、处理、运动控制算法计算、报警信息处理、网络通信等功能。

本控制系统主要采用了西门子S7系列产品。上位机监控组态软件应用了WINCC V6.0，PLC硬件应用了S7-400系列产品，PLC软件部分采用西门子编程软件Step 7编写。

图8 基本控制原理图

3 旋转舞台运动控制系统工作原理

3.1 控制流程

假定旋转舞台处于0°，现以旋转舞台顺时针运动从0°到90°为例，说明旋转舞台运动控制系统的控制流程。如图8所示。

控制系统启动初始化完成后，如果没有报警出现，系统进入允许控制状态。

操作人员由上位机输入目标位置90°和目标运行速度50%（假定速度）指令，PLC的CPU接受位置和速度指令后，PLC首先判断系统状态，包括互联锁、紧急停机、变频器状态等，然后，CPU根据速度指令和加减速算法预先计算出一条加减速曲线，模拟量输出模块AO再将加减速曲线变换成对应的0～10 V模拟量值送给变频器，变频器收到模拟量值后输出一对应的频率值。不同的频率值会对应异步电动机不同的速度，也就是异步电动机变频调速的原理。公式如下：

式（1）中，

n ——异步电动机的转速，r/s（转/秒）；

f ——异步电动机的频率，Hz；

s ——电动机的转差率；

p ——电动机的极对数。

变频器驱动异步电动机带动旋转台面做加减速运行。同时，信号感知器开始以脉冲计数的形式将脉冲信号传送给PLC。PLC根据脉冲值和位移算法计算出旋转台面所走过的角度，将此角度与指令90°进行比差，当它们之间的差值小于0.1°时，PLC 控制器发出停止信号给变频器，从而使转台停在90°的位置上。台面位置控制回路原理如图9所示。

图9 PLC位置闭环控制系统方框图

图10 远程控制框图

图11 就地控制框图

3.2 控制方式

旋转舞台运动控制系统的控制方式有远程控制和就地控制两种。

远程控制是从上位机（图形控制系统）发出位置、速度指令给PLC，再由PLC控制变频器，变频器再驱动转台达到预定的目标位置。现场控制是由电气控制柜控制按钮直接控制变频器驱动装置，现场控制的运行速度是非线性的，转台以某一固定速度运行到目标位置。如图10、图11所示。

3.3 上位机

上位机应用了西门子公司的组态软件WINCC V6.0来组态图形控制界面，它可以在PC机windows XP操作系统环境下运行。操作员通过图形控制界面对旋转舞台发指令给下位机（PLC）。通过上位机的图形控制界面很直观地监视旋转舞台当前的状态，包括位置、速度、报警信息、运行方向等信息。这些状态信息数据都是上位机从下位机（PLC）现场采集而来，上位机对这些数据处理后，在图形控制界面上显示，提供给操作员。图12所示为旋转舞台图形控制界面。

图12 旋转舞台控制系统图形控制界面

图13 PLC硬件组态图例

西门子WINCC软件是上位机的一种组态软件。它主要是完成项目的图形化监视界面的编辑、各种数据信息归档、监视过程变量的变化过程，与PLC进行通讯等功用。

3.4 下位机

下位机PLC主要完成旋转舞台控制系统的控制任务。本设计在硬件方面采用西门子S7-400系列。它主要由机架、背板、电源模块、CPU模块、通信模块等组成，如图13所示。电源模块、CPU模块、通信模块等都安装在机架的背板上。电源模块给机架背板上所有其他模块提供电源；CPU模块主要是执行内部的程序进行逻辑运算，并扫描外部输入输出点，按设计要求控制各个输出点，再由外部执行元件实施具体的动作；通信模块主要是完成与上位机或者是其他站点进行数据通讯的功用。

在PLC软件部分，本设计应用西门子STEP 7编程软件进行了旋转舞台控制系统的编程，编程语言采用梯形图编程。图14为梯形图编程部分程序。

图14 PLC编程示例

3.5 分布式I/O从站

旋转舞台控制系统的分布式I/O作为PLC主站的从站，主要是完成现场的数据采集，通过Profi bus-DP总线将采集的数据传送给PLC控制器。它由数字量输入模块（SM321）、数字量输出模块（SM322）、模拟量输出模块（SM332）、ET-200M和计数器模块FM350-1组成。如图15所示。

图15 本设计系统的分布式I/O从站构成图

3.6 系统的网络通信

旋转舞台控制系统的网络通信设计采用了工业以太网和Profi bus-DP现场总线的通信方式。如图16所示。

图16 本设计网络组态图

在本系统设计中，Ethernet工业以太网通信用来与上位机PC之间通信。Profibus-DP现场总线网络主要是与现场分布式I/O进行数据交换，实现了实时监控和控制。

4 旋转舞台控制系统的软件编程

在CPU模块中循环运行的是用户编写的程序。程序主要利用西门子STEP7 编程软件，根据旋转台控制设计思路编写而成。在编程语言方面主要有梯形图、语句表、功能块图三种编程语言。本例所采用的是梯形图编程。图17、图18为梯形图编程实例。

从程序内容上讲，主要分为逻辑控制部分和运动控制算法部分。所有的程序都在PLC一个循环扫描周期内执行。一个循环扫描过程周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。在这个扫描过程中，PLC将所有的输入信号进行分析处理，然后，将数据处理结果通过输出设备给外围执行机构。图19为PLC扫描循环的过程示意图。