陳積遠(yuǎn)

(浙江春宇舞臺(tái)設(shè)備有限公司,浙江杭州311602)

舞臺(tái)吊桿變頻矩陣切換控制系統(tǒng)＊

陳積遠(yuǎn)

(浙江春宇舞臺(tái)設(shè)備有限公司,浙江杭州311602)

介紹了吊桿變頻矩陣切換技術(shù)在舞臺(tái)吊桿控制中的應(yīng)用,著重介紹變頻切換的難點(diǎn)及變頻調(diào)節(jié)。

矩陣切換技術(shù);PLC;變頻器;CANpen總線

近年來,隨著國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的提高,民眾的文化生活日新月異,對(duì)文化設(shè)施的需求迅速提高,舞臺(tái)機(jī)械的發(fā)展遇到了前所未有的機(jī)遇。舞臺(tái)機(jī)械的控制系統(tǒng)則成為舞臺(tái)機(jī)械發(fā)展最重要的組成部分。

舞臺(tái)吊桿是各類劇場(chǎng)中最常用的必需設(shè)備,其控制至關(guān)重要。早期的吊桿采用簡(jiǎn)單固定速度的繼電控制,為適合現(xiàn)代舞臺(tái)演出要求,近幾年國(guó)內(nèi)相繼建成的大劇院均采用變頻調(diào)速的控制方式。調(diào)速分為一對(duì)一、一對(duì)多、矩陣切換三種方式。三種方式中一對(duì)一大多在大劇院中使用,如國(guó)家大劇院、杭州大劇院等;一對(duì)多一般在小型劇院或小型會(huì)議室使用;矩陣切換則在中型劇院中使用。

隨著演出要求越來越嚴(yán)格,舞臺(tái)吊桿的穩(wěn)定、安全性優(yōu)為重要,控制上必須達(dá)到電梯控制要求。在一個(gè)劇場(chǎng)中,吊桿的數(shù)量一般達(dá)到40道以上。考慮到成本因素,開發(fā)了舞臺(tái)機(jī)械吊桿變頻矩陣控制技術(shù)。

本文以8臺(tái)變頻器切40道吊桿為例。

一、系統(tǒng)配置

吊桿系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和電氣部分組成。

(一)機(jī)械配置

電機(jī)選用三相交流變頻電機(jī),帶雙制動(dòng)抱閘。卷?yè)P(yáng)機(jī)裝有超載,超行程等檢測(cè)保護(hù)裝置。在卷?yè)P(yáng)機(jī)的卷筒上安置防松繩檢測(cè)開關(guān)、防跳槽壓軸滾。

(二)電氣配置

舞臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于成熟的可編程控制器(PLC)技術(shù)開發(fā),具有上、下位結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)PLC部分采用法國(guó)施耐德公司M340系列產(chǎn)品和性價(jià)比較高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了舞臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。主處理器模板選用M340 BMP20102,集成以太網(wǎng)接口,大大提高了通訊的可靠性。系統(tǒng)高性能的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)充分保證了應(yīng)用指令運(yùn)行時(shí)間、掃描周期、存貯器(EPROM)的容量等性能參數(shù)均滿足實(shí)時(shí)控制與操作系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)具有軟上下限位和機(jī)械上下限位功能。

整個(gè)控制系統(tǒng)具備主控制室冗余計(jì)算機(jī)操作和電動(dòng)備份操作,使得系統(tǒng)操作達(dá)到了高度冗余。針對(duì)劇場(chǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的因互鎖、聯(lián)運(yùn)及元器件的質(zhì)量引起的設(shè)備故障,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及元器件選型上均做了相應(yīng)處理,吊桿要求“定位精度”、“同步精度”,在設(shè)計(jì)中都做了相應(yīng)的處理。編碼器選用瑞士ELCO絕對(duì)值編碼器;系統(tǒng)上位機(jī)選用工業(yè)控制觸摸屏顯示數(shù)字和動(dòng)態(tài)圖表示吊桿高度位置,所有的輸入按鈕設(shè)定在觸摸屏上大大地降低系統(tǒng)由于按鈕引起的故障率;低壓電器選用施耐德,歐姆龍合資產(chǎn)品。

二、吊桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和觸摸屏為上位機(jī),通過以太網(wǎng)交換機(jī)SP IDER 3TX-TAP實(shí)現(xiàn)M340 PLC和工控機(jī)、觸摸屏開放式數(shù)據(jù)交換。Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。M340 PLC具有出色的處理能力,能精確進(jìn)行整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)吊桿位置存貯、程序處理、命令發(fā)送、限位信號(hào)接收、編碼器信號(hào)接收、遠(yuǎn)程I/0通訊等功能;M340通信功能,除集成USB口外,CPU模塊內(nèi)置2個(gè)通訊接口(CANopen,Ethernet或Modbus),確保能夠方便高速地連接。本設(shè)計(jì)中使用CANopen總線技術(shù)提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)現(xiàn)主站PLC和遠(yuǎn)程I/O、ATV71矢量變頻器之間的數(shù)據(jù)互動(dòng)。系統(tǒng)對(duì)速度、位置信號(hào)進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)邏輯圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)邏輯圖

(一)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)以工控機(jī)、觸摸屏做上位機(jī)。操作界面用VC編寫,軟件提供正常情況下的全功能控制與操作,包括單體設(shè)備的控制、設(shè)備聯(lián)鎖、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、預(yù)選擇設(shè)備、設(shè)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)、編組運(yùn)行、場(chǎng)景記憶、場(chǎng)景序列、故障診斷、系統(tǒng)維護(hù)、互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)機(jī)操作向?qū)У取Ｖ饕僮饕云聊淮翱?、圖形、表格方式結(jié)合功能鍵盤或鼠標(biāo)。

上下數(shù)據(jù)軟限位可控制吊桿的上下運(yùn)行行程,可由鍵盤輸入設(shè)定,也可設(shè)一個(gè)機(jī)械限位做零點(diǎn);通過速度輸入窗口可以設(shè)定吊桿電機(jī)的運(yùn)行速度,在缺省對(duì)設(shè)備的速度設(shè)定或無法進(jìn)行速度設(shè)定時(shí),設(shè)備按照系統(tǒng)默認(rèn)的速度運(yùn)行;軟件能自動(dòng)記錄所有的操作、控制及設(shè)備的運(yùn)行和故障信息,并能打印出來;系統(tǒng)提供滿足裝臺(tái)、排練、演出等過程所要求的操作功能(場(chǎng)景記憶、場(chǎng)景序列、系統(tǒng)提示、離線仿真等)。

本系統(tǒng)中最多能同時(shí)運(yùn)行8道吊桿。

(二)定位精度控制

所謂定位指得是根據(jù)演出的要求,指定演出所需的使用位置。需要應(yīng)用該定位時(shí),用手或鼠標(biāo)輕觸定位按鍵,吊桿自動(dòng)運(yùn)行到位。定位誤差控制在+3mm以內(nèi)。吊桿使用定位時(shí),必須設(shè)定一定的速度,否則吊桿將按PLC程序給定的默認(rèn)速度運(yùn)行;吊桿運(yùn)行到上下數(shù)據(jù)限位或上下機(jī)械限位時(shí),PLC會(huì)發(fā)出停止命令,該號(hào)桿停止運(yùn)行。

吊桿定位精度的控制在PLC里實(shí)現(xiàn),PLC程序通過編寫一個(gè)定位程序控制塊來實(shí)現(xiàn),該控制塊里包含定位偏差糾正程序、定位提前數(shù)據(jù)處理程序、定位運(yùn)行條件程序。吊桿定位啟動(dòng)后,PLC根據(jù)編碼器反饋的當(dāng)前高度值與所要定位的高度相比較,當(dāng)兩者絕對(duì)值小于600mm時(shí),PLC通過CANopen總線給變頻器一個(gè)8Hz的低速頻率,變頻器開始低速運(yùn)行,直至定位的提前量到達(dá),變頻器便停止運(yùn)行。變頻器停止運(yùn)行后吊桿因機(jī)械負(fù)載、鋼絲繩拉升等原因產(chǎn)生幾個(gè)毫米的慣性,慣性消失后吊桿剛好到達(dá)定位位置,精確實(shí)現(xiàn)定位精度控制。PLC記錄提前量的計(jì)算方法是通過讀取吊桿上兩次偏差值,將兩次偏差取算術(shù)平均值。

三、變頻矩陣切換控制

變頻矩陣切換包含變頻器和切換接觸器兩部分。

(一)變頻器

變頻器用來改變吊桿的運(yùn)行速度,其參數(shù)設(shè)置優(yōu)為重要。本設(shè)計(jì)中,CANopen總線通訊比特率選500K/s,變頻器地址分別設(shè)為1到8,遠(yuǎn)程輸入模塊9,遠(yuǎn)程輸出模塊為10。將ATV71變頻器的宏設(shè)置項(xiàng)設(shè)置為起重提升,低速頻率設(shè)為3.5Hz,高速頻率設(shè)為默認(rèn)的60 Hz,加速時(shí)間2S,減速時(shí)間1S,剎車釋放頻率設(shè)為自動(dòng),抱閘頻率3.5hz,剎車抱緊時(shí)間0.1s,剎車機(jī)構(gòu)抱緊時(shí)間1.5s,R2繼電器設(shè)為制動(dòng)邏輯控制。

變頻器必須在相應(yīng)的矩陣切換接觸器吸合后才允許起動(dòng),否則變頻器會(huì)因缺相跳閘。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)將抱閘頻率設(shè)為自動(dòng),吊桿會(huì)溜桿,定位精度也無法達(dá)到+3mm,因此變頻器必須設(shè)定抱閘頻率,其設(shè)定必須在吊桿滿負(fù)載的情況下進(jìn)行。慢慢的從1Hz開始加到3.5Hz,通過各項(xiàng)測(cè)試3.5Hz是最佳的抱閘頻率。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)吊桿下降停止后會(huì)向上微抖動(dòng),將變頻器1.7應(yīng)用功能項(xiàng)中的制動(dòng)力方向設(shè)為是,吊桿停止穩(wěn)定、無任何抖動(dòng)。

當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或該號(hào)變頻器CANopen總線出錯(cuò)時(shí),其他變頻器不受干擾,能正常運(yùn)行吊桿。

(二)矩陣切換接觸器控制

矩陣切換接觸器控制較為復(fù)雜,遠(yuǎn)程輸出模塊控制接觸器線圈,將接觸器主電路接成矩陣模式,本設(shè)計(jì)以8切40為例,如圖2。

圖2 矩陣切換主電路圖

圖2中K M代表接觸器,M代表電動(dòng)機(jī),3代表三相交流電機(jī)。PLC程序中要十分重視接觸器之間的互鎖。本圖中1K M1、2K M1、3K M1、4K M1、5K M1、6K M1、7K M1、8K M1接觸器,同時(shí)只允許一只啟動(dòng);1K M1、1K M2至1K M40接觸器也只允許同時(shí)運(yùn)行一只。矩陣切換接觸器共用320只,其中一個(gè)變頻器串接40個(gè)接觸器,相當(dāng)于每道吊桿并接8個(gè)接觸器。

考慮到安全,系統(tǒng)配置遠(yuǎn)程輸入模塊,對(duì)接觸器的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控。PLC程序中還要考慮切換接觸器的動(dòng)作與變頻器、抱閘接觸器的搭配問題。變頻器必須在切換接觸器接通后方能啟動(dòng),變頻器運(yùn)行中切換接觸器不允許斷開,只有在變頻器停止后切換接觸器才允許斷開。通過測(cè)試,剎車抱緊時(shí)間為0.1 s,剎車機(jī)構(gòu)抱緊時(shí)間為1.5 s。程序設(shè)定切換接觸器斷開時(shí)間為1.7 s。

320只接觸器的總成本與2個(gè)變頻器的價(jià)格相當(dāng),采用矩陣切換控制的成本是變頻器一對(duì)一的四分之一,具有較高的推廣價(jià)值。

四、結(jié) 語(yǔ)

該變頻矩陣切換控制系統(tǒng)已經(jīng)在五個(gè)劇場(chǎng)中使用,經(jīng)歷上百場(chǎng)各類大中型演出,運(yùn)行平穩(wěn),無任何故障,完成能滿足演出要求,值得在全國(guó)各中型劇場(chǎng)應(yīng)用。

[1]段慧文.現(xiàn)代舞臺(tái)機(jī)械的控制系統(tǒng)[J].演藝設(shè)備與科技,2005,10(4):45-49.

[2]WH/T 37-2009.舞臺(tái)機(jī)械操作與維修導(dǎo)則[S].

[3]WH/T 28-2007.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

2010-05-17

陳積遠(yuǎn)(1980-),男,福建壽寧人,工程師。