HMI及PLC在舞台工作照明系统中的组态应用——以中央戏剧学院实验剧场为例

刘志勇

（中央戏剧学院，北京 100710）

1 概述

舞台工作照明系统，是指根据不同的舞台工艺要求与工作特性，为舞台乃至整个剧场的相关活动区域提供演出状态或非演出状态的必要工作照明组合。按照装、排、演、拆、会议、放映、清扫、检修等不同的舞台活动规律，舞台工作照明系统通常由舞台技术通道灯、舞台区域灯、台口灯、暗槽灯、静场灯、演出工作蓝灯、走道灯、室外建筑照明等组成（本文将观众席场灯划分到舞台演出照明范畴，因其控制调控方式大多是通过专业的舞台调光设备才能完成，有时甚至通过舞台灯光协议直接编入调光台的场景光中。同时，上述命名因剧场建筑的设计背景、始建年代等不同，原始图纸中对其的定义命名也有差异）。

传统意义上的舞台工作照明，以在多地安装控制按钮的方式，对舞台不同部位的照明灯具进行操控。其弊端是容易造成一些问题，例如，在舞台演出状态过程中，舞台工作照明被无端开启；或是在演出开幕前，某些区域的舞台工作照明还没有被及时关闭。究其原因，大多是由于人为误操作或其他不确定因素所致。

近年来，HMI（Human Machine Interface，人机接口，俗称触摸屏）和PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）的组态应用已在工业控制、智能建筑、舞台机械控制等领域得到广泛应用。由于其对系统输入侧的传统机械按钮进行了高度集成，使得系统操控过程的人机交互性与可靠性得到显著提高。

由于不同位置的照明灯具开启与关闭都与舞台工作的不同内容息息相关，本文仅以中央戏剧学院实验剧场舞台工作照明系统为应用改造对象，阐述HMI及PLC在其控制中的组态应用。通过对实验剧场舞台工作照明系统的传统继电控制回路加以适当改造，以及有针对性的操控模式组合，形成不同的舞台工作照明控制模式（检修模式、清扫模式、演出模式、会议模式、排练模式、放映模式），使得舞台工作灯“被误触发”“被遗忘关闭”等问题得到最大程度的规避。

表1 舞台工作照明系统的组成及功能介绍

表2 工作模式

2 舞台工作照明系统的组成和控制要求

2.1 系统组成及功能

依照实验剧场20世纪70年代的图纸定义，对舞台工作照明系统中的不同舞台部位照明功能做简要概括（见表1）。

2.2 工作模式

按照不同的舞台工艺流程，可以将舞台工作照明系统整合为以下几种工作模式（见表2）。

3 S7 200 CN PLC的应用改造实现

本次应用改造在保留原有舞台工作照明系统控制方式的基础上实施并完成。原舞台工作照明控制系统的开启位置，分别位于本地舞台用电机房、放映机房、舞台监督工位，改造之处仅为通过控制回路中的旋转按钮开关，实现手动开启方式和模式开启方式的硬切换。

3.1 继电控制原理

改造前后的舞台工作照明系统三地控制继电控制原理图见图1、图2。

KT为延时闭合常开触点，只有室外建筑照明的继电控制回路具备，用于剧场晚场演出时控制室外环境照明的启闭。检修工作模式时，只需将经纬定时器置为手动开启模式即可。其他舞台工作照明无需此延时常开触点，且控制回路相同。KA1—KA8为模式工作时的驱动继电器常开触点，由PLC的输出映像继电器控制，SA1—SA8为原继电控制功能与模式控制功能的两位旋转按钮开关。

图1 改造前继电控制原理图

图2 改造后继电控制原理图

3.2 S7 200 CN PLC输出端口分配

S7 200 CN PLC输出端口分配见图3，S7 200 CN PLC输出分配表见表3。

其中，用于PLC梯形图上传的USB/PPI编程电缆连至S7 200 CN的PORT 1端口，HMI通过RS485通信电缆与S7 200 CN PORT 0端口连接组网。

图3 S7 200 CN PLC输出端口分配

表3 S7 200 CN PLC输出分配表

表4 HMI组态变量表

4 SMART LINE 700 IE HMI与S7 200 CN PLC组态应用实现

众所周知，舞台工作照明系统是舞台监督控制系统中不可或缺的操控功能之一。因此，本次应用改造中，将SMART LINE 700 IE作为HMI安装于舞台监督界面。

4.1 系统具体组态控制要求

（1）改造应用中，除满足舞台工作照明模式化方式工作外，还应满足对舞台各区域照明进行单控组态的控制要求；

（2）登录界面应同时满足进入模式化工作和单控方式工作两种组态按钮需求。同时，因模式化工作界面涉及不同的舞台活动的安全可靠要求，需做限制性操作用户设置，而单控方式可直接登录，用于演出中处理突发事故的紧急照明；

（3）不同舞台工作照明模式化之间应具备可靠的逻辑程序互锁关系，即当某一种照明模式工作时，触发另一种工作模式应为无效，确保在同一时刻只能有一种照明模式在工作；

（4）改造应用中，应具备三种动画方式反馈给操作者对HMI的操控信息，特别是一种模式正在工作时，又错误触发另一种模式，应具备必要的操控警告方式；

（5）在登录界面显示HMI系统当前日期与系统当前时间。

4.2 定义外部变量

通过WINCC fl exible 2008组态工具软件定义外部变量（见表4）。

4.3 定义画面及模式按钮

通过WINCC flexible 2008组态工具软件定义画面及模式按钮。在本次应用改造中，共组态了三个画面，分别为“登录界面”、“模式界面”、“单控界面”。三者之间的调用关系为“登录界面”可以通过“模式登录”按钮进入“模式界面”，也可以通过“单控登录”按钮进入“单控界面”；而“模式界面”既可以通过“下一页”按钮进入“单控界面”，也可以通过“返回”按钮返回“登录界面”；“单控界面”只能通过“返回”按钮返回“登陆界面”，无法回到“模式界面”。

上述界面之间的调用功能通过画面系统函数Activate Screen实现，按钮按照普通文本方式建立。当前系统日期与时间的显示，通过在“登录界面”插入项目视图工具栏中的日期时间域实现。其中，“模式登录”按钮做了用户操作权限设置（图4）。

图5中的六个模式按钮按照文本列表的形式建立，文本列表中选择布尔位（0，1），变量则关联模式位存储器M1.0—M1.5，使得按钮未被按下前显示“开启”，按下之后显示“停止”并保持。同时，通过为按钮设置切换背景颜色的外观动画来实现其被按下之后显示蓝色，用以提示操作用户对相应模式的触发。当其所开启的模式状态正常时，相应位置的右侧圆形图形对象也会切换为红色，表示模式被正确触发。当同一时刻存在两个以上模式被触发时，除了梯形图逻辑中的可靠互锁之外，第二次之后触发的所有模式按钮右侧的圆形图形对象都不会再切换颜色，用以提示操作者进行了错误触发，此功能用变量关联模式反馈位存储器M0.0—M0.5实现。此类模式操控按钮（含图6单控按钮）的外部变量关联运用系统函数中的编辑位Invert Bit功能实现。

图6单控方式按钮的建立方式与模式按钮相同，所关联的变量为位存储器M2.0—M2.7，继而分别驱动输出映像寄存器Q0.0—Q0.7，实现对舞台工作照明系统中单控回路的直接操控。

图7中“模式登录”按钮，启用属性安全的操作权限，因任何舞台演出、会议、放映活动中，舞台工作照明系统都必须按照相应的工作流程进行开启和保留，不能任意开启或关闭，因此，将此模式的登录设置权限，且设定密码注销时间为一分钟，即一旦选择相应的工作照明模式并完成开启后，若返回至登录界面，则将会在一分钟后锁定该模式状态。同时，为有效处理舞台演出活动中的突发事故，为其提供照明条件，预留了直接单控方式登录。

图4 登录界面

图5 六个模式按钮

图6 单控方式按钮

图7 模式登录按钮

5 结语

通过HMI及PLC对舞台工作照明系统的组态应用改造，针对不同的舞台工艺要求和工作特点，预置不同的工作模式，可以提高舞台工作照明系统操控的可靠性。同时，也可以从根本上有效规避舞台演出、放映、会议等活动过程中，由于多种误操作等原因造成的不同舞台工作区域照明被无端开启的异常状况。同时，在满足舞台安全的基础上，能够最大限度地解决在演出中易于暴露在观众视线内的“舞台尴尬”问题。