舞台机械变频器控制方式分析比较

(甘肃会展中心有限责任公司 甘肃 兰州 730046)

舞台机械变频器控制方式分析比较

李昭

(甘肃会展中心有限责任公司甘肃兰州730046)

介绍了现代舞台机械中吊杆常用的控制方式，分析了几种舞台吊杆调速方式的优缺点，着重介绍了一对多本地-支援模式控制和变频矩阵模式控制，通过大剧院实际运行过程中遇到的问题，对比分析了几种控制模式的优缺点，并且给出了合理化建议。

舞台吊杆；变频器切换；矩阵控制

舞台机械是剧院中重要的组成部分。其中，舞台吊杆又是舞台上场景变换、幕布开合的常用的关键设备。舞台吊杆的性能直接影响了整个舞台的表演效果。

舞台吊杆从最早的人工操作变为固定速度的继电器-接触器控制，随着计算机技术的不断进步和发展，现在大部分控制已经变为“上位机+PLC+变频器”方式调速控制，这个控制的方式最大的优点是能够实时监控吊杆的运行状态，准确定位吊杆的位置，精确地控制运行速度，使得吊杆更加平稳，更加安全，更能适应越来越复杂的舞台场景切换。

舞台吊杆变频调速控制方式一般分为一个变频器控制一路吊杆、一个变频器控制多个吊杆、矩阵切换三种。这几种控制方式的选择主要取决于对剧院或演艺场所的资金投入情况以及功能定位，如果资金充裕并且功能定位要求高的话，就可以使用一个变频器控制一个吊杆的控制思路，做到变频调速控制，达到多个吊杆完成各种复杂规则并准确的运行。否则，就需要采用一个变频器控制多个吊杆的控制思路，或者是矩阵控制思路。本文主要讨论这两种情况。本文由某剧院舞台机械在应用中出现的实际问题出发，讨论了各种控制方式的优缺点，给出了合理化建议。

一、运行中出现的现象

某剧院有舞台吊杆40道，通过10个变频器进行控制，变频器控制方式采用一个变频器控制多个吊杆。演出过程中需要使用多个吊杆同时运行的情况非常多，但是，有时会出现两只吊杆不能同时进行编程动作。下面就这个现象进行了深入的分析。

二、问题分析

剧场现有的舞台吊杆控制模式就是一个变频器控制多个吊杆。剧场的舞台吊杆是由上位机(工业控制计算机)通过工业以太网交换机向下位机可编程控制器(PLC)发送指令，进而控制变频器对设备进行运动控制。最初的设计思路就是基于最多同时运行10道吊杆，相邻吊杆同时使用的情况比较多的情况，设计了舞台演出的要求。通过对变频器控制吊杆情况分析，得出变频器控制的吊杆分配表(表1)。

表1 剧院变频器控制吊杆分配表

从表1可以看出，1#变频器控制的吊杆号为1、11、21、31号，2#变频器控制的吊杆号为2、12、22、32，以此类推。我们称1#变频器控制1、11、21、31吊杆的模式为本组模式。同时，为了防止1#变频器发生故障而导致1、11、21、31吊杆不能动作，将1、11、21、31号吊杆也接入2#变频器下，只有当1#变频器发生问题时，才能够使用2#变频器进行操作，这样2#变频器就相当于1#变频器的硬件冗余，中间通过硬件选路器和PLC完成变频器分配，我们称这种模式为支援模式[1]。同样，2#变频器连接的本组吊杆接入到3#变频器，以此类推，3#的本组接入4#变频器等等，这样基本就能覆盖所有吊杆都能通过至少两台变频器控制，实现吊杆全覆盖并且吊杆较高程度的切换，能够预防一定的风险。

这种控制思路和方式仍能满足现在大部分舞台需要，但是，通过分析上述表格和本地-支援模式控制思路，我们进行两种分析。

分析(1)：演出中的一个场景同时需要使用1号、11号、21号和31号吊杆，这时候这几个吊杆是不能同时运行的，即使将支援的变频器也加上，也是不够的。因为它们在同一组变频器，一个变频器同一时间段只能驱动一台电机设备，算上相互强制支援也不能同时动作。同理，2号、12号、22号和32号也不能同时动作。即表(1)中每一列中的吊杆均不能同时动作。

分析(2)：2#和3#变频器同时发生故障，那么2#变频器下的3号、13号、23号、33号吊杆则无法动作，必须要等待将2#和3#变频器其中的一台排除故障。同理3#、4#变频器同时发生故障，3#变频器的本组吊杆也无法动作。

通过以上两种分析可以得出，一个变频器控制多个吊杆设备的控制思路不能实现真正意义上对吊杆设备的全部控制，这也就是我们在实际运行过程中产生问题的根本原因！

三、变频矩阵控制系统

变频矩阵控制系统理论是由一个变频器控制系统内任意一台吊杆，而每一个吊杆可以被任意一台变频器控制。仍是10个变频器控制40道吊杆。舞台吊杆矩阵切换控制原理图示意图如下：

图1 矩阵切换控制原理图

其中KM为继电器，1KM1、2KM1、3KM1至10KM1表示1号吊杆分别接在1#、2#、3#至10#变频器下，同时只允许1台变频器启动控制。1KM1、1KM2至1KM40表示1号、2至40号吊杆接在1#变频器下，同一时刻只允许1台吊杆启动[2]。为了设备的安全，PLC内部编程对继电器进行互锁保护[3]，保证同时运行的10道吊杆在10个不同的变频器下。

当PLC收到命令指令时，首先判断每个吊杆的各种信息，分析当前闲置的变频器进行分配，然后通过PLC输出控制信号，使继电器吸合，进而完成相应的位置及速度运行。其中，系统中继电器的吸合和松开，是也是由PLC进行逻辑控制，结合所有设备的上下限位、抱闸信号、速度和位置编码器信号、继电器的使用情况信号，作为PLC输入信号，保证同一时刻一个吊杆只能由一个变频器控制。

这样的控制方式，实现了任意时刻可以同时运行任意10道吊杆，如果其中一台或者几台变频器出现问题，整个系统仍然能够用剩余的变频器完成所有吊杆的控制。

矩阵切换系统使用了大量的继电器，一个变频器对多个吊杆控制方式只需要80个接触器(本地40个和支援40个)，然而矩阵系统则需要400个接触器(10×40)，这么多的接触器出现问题的概率明显增高，而且接线非常复杂，同时PLC系统的输入点位增加，必然导致模块的增加，PLC的控制逻辑也变得复杂，相应的成本会增加。

四、总结

两种控制方式各有优缺点，一个变频器对多个变频器能有效降低工程成本，而且在一定范围内能够实现1控多的思路，缺点就是同一本地组别的多个吊杆不能同时动作，不能实现真正意义上的同时运行。而矩阵切换控制能够实现真正意义上的任意变频器控制任意吊杆，方便操作人员，但它的缺点也是显而易见的，那就是继电器的数量过多，接线过于复杂故障率较大。

从上述分析来看，对已有剧院的控制方式进行更换的话，首先要对综合布线进行重新规划，增加数量巨大的接触器，而且需要对PLC及工控机的软件进行重新设计，其花费较大，经济效益太低。未来在新建的剧院中，随着硬件设备的性能提升、故障率的降低，变频矩阵切换系统会成为主流控制系统。

[1]李炜，李青朋，毛海杰，龚建兴.基于切换与容错的舞台吊杆系统控制方法研究[J].计算机仿真,2015，32(3):272-277

[2]陈积远.舞台吊杆变频矩阵切换控制系统[J].长沙铁道学院学报,2010，11(3):225-226

[3]龚建兴，吴爱梅.PLC在舞台吊杆控制系统中的应用[J].电气传动自动化,2001(10):48-50

李昭(1988-)，男，汉族，陕西咸阳人，技术保障部主管，大学本科，甘肃会展中心有限责任公司。