常學(xué)軍
(國家大劇院 舞臺技術(shù)部,北京 100031)
當前的舞臺演出中,導(dǎo)演為了提升演出質(zhì)量和藝術(shù)效果,對演出場景變化的要求越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)舞臺臺面較為固定,并且造型、風(fēng)格較單一,整體舞臺技術(shù)水平較低,已不能滿足當今流行的演出需要。而將PLC可編程控制器運動控制技術(shù)應(yīng)用到舞臺機械運動控制中,實現(xiàn)舞臺的升降、平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等運動動作,可使演出更加多姿多彩。
本文主要以旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)的設(shè)計為例,闡述運用PLC控制技術(shù)在旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制中的應(yīng)用。
PLC(Programmable Logic Controller,可編程序邏輯控制器簡稱),是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的新型工業(yè)控制裝置,目的是用來取代繼電器,執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令,并通過數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出,控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)設(shè)備,都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成整體和擴充功能的原則設(shè)計。
一般來說,PLC分為整體式和模塊式兩種,但它們的組成是相同的。整體式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信接口、電源等組成;模塊式PLC由CPU模塊、I/O模塊、通信模塊、電源模塊、背板或機架等組成。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC,都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu),其中I/O模塊可按用戶需要進行擴展與組合。結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖
旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)主要由機械、電氣、控制三大部分構(gòu)成。
旋轉(zhuǎn)舞臺是控制系統(tǒng)的主要控制對象。它主要由轉(zhuǎn)盤臺面、托盤及支架、傳動軸、減速箱、導(dǎo)輪等構(gòu)成。
旋轉(zhuǎn)舞臺臺面要完成360°旋轉(zhuǎn),并能停在任意角度位置或絕對位置上。圖2是旋轉(zhuǎn)舞臺機械結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 旋轉(zhuǎn)舞臺機械結(jié)構(gòu)示意圖
電氣控制部分主要是旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)中電路控制部分。它主要由變頻器、異步電動機、斷路器、電磁接觸器、繼電器、磁柵尺、磁頭、信號放大器等組成。此部分主要完成硬件邏輯控制關(guān)系。雖然PLC的軟繼電器完成了控制回路中的大部分邏輯控制功能,但是還有一部分控制功能要由硬件電氣元件完成。主要功能有以下幾點:
(1)控制動力電源和制動電源的通斷。如圖3所示。
圖3 動力電源和制動電源控制回路連接圖
(2)構(gòu)成就地控制回路。
(3)構(gòu)成安全保護回路,如互聯(lián)鎖、緊急停機等。
(4)給PLC輸入模塊傳送系統(tǒng)狀態(tài)信號,如圖4所示。
圖4 PLC數(shù)字量輸入線路圖
2.2.1 位移測量系統(tǒng)構(gòu)成及原理
在本例中,位移測量系統(tǒng)采用了日本Macome公司生產(chǎn)的MC位移測量系統(tǒng)。它由磁柵尺、磁頭和信號放大器三部分構(gòu)成。如圖5所示。
如圖6所示,磁柵尺的結(jié)構(gòu)為厚0.3 mm、寬35 mm的不銹鋼,其上粘有厚1.6 mm、寬20 mm的橡膠磁鐵。橡膠磁鐵的厚度方向20 mm的相等距離分布N極和S極相互吸引。
磁頭和信號放大器共同構(gòu)成信號感知器。磁柵尺上每10 mm間隔就有N極和S極磁場相互吸引磁化。信號感知器將磁場的量轉(zhuǎn)變?yōu)锳、B兩相相應(yīng)的信號,并通過連接信號放大器變?yōu)樽罡叻纸舛葹?.1 mm的脈沖信號。如圖7所示。
磁柵尺安裝于轉(zhuǎn)臺的邊緣上,當磁柵尺與磁頭之間有相對運動時(最大反應(yīng)速度為10 m/s),磁頭感知磁柵尺上N極和S極磁場的變化,通過信號放大器將磁場的變化轉(zhuǎn)化為兩相的脈沖信號,輸出給分布式I/O的計數(shù)器模塊FM-350。最終PLC的CPU根據(jù)計數(shù)器模塊FM-350記錄下來的脈沖數(shù),并通過位移算法計算出位移量。
圖5 MC位移測量系統(tǒng)構(gòu)成
圖6 磁柵尺結(jié)構(gòu)
圖7 信號放大器輸出脈沖信號A相、B相
PLC控制部分作為控制的核心部分,主要由上位機(人機界面)、下位機(PLC控制模塊)、分布式I/O從站(包括各模塊)、通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。
PLC控制部分是旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)的核心部分,要完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、運動控制算法計算、報警信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。
本控制系統(tǒng)主要采用了西門子S7系列產(chǎn)品。上位機監(jiān)控組態(tài)軟件應(yīng)用了WINCC V6.0,PLC硬件應(yīng)用了S7-400系列產(chǎn)品,PLC軟件部分采用西門子編程軟件Step 7編寫。
圖8 基本控制原理圖
假定旋轉(zhuǎn)舞臺處于0°,現(xiàn)以旋轉(zhuǎn)舞臺順時針運動從0°到90°為例,說明旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)的控制流程。如圖8所示。
控制系統(tǒng)啟動初始化完成后,如果沒有報警出現(xiàn),系統(tǒng)進入允許控制狀態(tài)。
操作人員由上位機輸入目標位置90°和目標運行速度50%(假定速度)指令,PLC的CPU接受位置和速度指令后,PLC首先判斷系統(tǒng)狀態(tài),包括互聯(lián)鎖、緊急停機、變頻器狀態(tài)等,然后,CPU根據(jù)速度指令和加減速算法預(yù)先計算出一條加減速曲線,模擬量輸出模塊AO再將加減速曲線變換成對應(yīng)的0~10 V模擬量值送給變頻器,變頻器收到模擬量值后輸出一對應(yīng)的頻率值。不同的頻率值會對應(yīng)異步電動機不同的速度,也就是異步電動機變頻調(diào)速的原理。公式如下:
式(1)中,
n ——異步電動機的轉(zhuǎn)速,r/s(轉(zhuǎn)/秒);
f ——異步電動機的頻率,Hz;
s ——電動機的轉(zhuǎn)差率;
p ——電動機的極對數(shù)。
變頻器驅(qū)動異步電動機帶動旋轉(zhuǎn)臺面做加減速運行。同時,信號感知器開始以脈沖計數(shù)的形式將脈沖信號傳送給PLC。PLC根據(jù)脈沖值和位移算法計算出旋轉(zhuǎn)臺面所走過的角度,將此角度與指令90°進行比差,當它們之間的差值小于0.1°時,PLC 控制器發(fā)出停止信號給變頻器,從而使轉(zhuǎn)臺停在90°的位置上。臺面位置控制回路原理如圖9所示。
圖9 PLC位置閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖
圖10 遠程控制框圖
圖11 就地控制框圖
旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)的控制方式有遠程控制和就地控制兩種。
遠程控制是從上位機(圖形控制系統(tǒng))發(fā)出位置、速度指令給PLC,再由PLC控制變頻器,變頻器再驅(qū)動轉(zhuǎn)臺達到預(yù)定的目標位置?,F(xiàn)場控制是由電氣控制柜控制按鈕直接控制變頻器驅(qū)動裝置,現(xiàn)場控制的運行速度是非線性的,轉(zhuǎn)臺以某一固定速度運行到目標位置。如圖10、圖11所示。
上位機應(yīng)用了西門子公司的組態(tài)軟件WINCC V6.0來組態(tài)圖形控制界面,它可以在PC機windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。操作員通過圖形控制界面對旋轉(zhuǎn)舞臺發(fā)指令給下位機(PLC)。通過上位機的圖形控制界面很直觀地監(jiān)視旋轉(zhuǎn)舞臺當前的狀態(tài),包括位置、速度、報警信息、運行方向等信息。這些狀態(tài)信息數(shù)據(jù)都是上位機從下位機(PLC)現(xiàn)場采集而來,上位機對這些數(shù)據(jù)處理后,在圖形控制界面上顯示,提供給操作員。圖12所示為旋轉(zhuǎn)舞臺圖形控制界面。
圖12 旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)圖形控制界面
圖13 PLC硬件組態(tài)圖例
西門子WINCC軟件是上位機的一種組態(tài)軟件。它主要是完成項目的圖形化監(jiān)視界面的編輯、各種數(shù)據(jù)信息歸檔、監(jiān)視過程變量的變化過程,與PLC進行通訊等功用。
下位機PLC主要完成旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。本設(shè)計在硬件方面采用西門子S7-400系列。它主要由機架、背板、電源模塊、CPU模塊、通信模塊等組成,如圖13所示。電源模塊、CPU模塊、通信模塊等都安裝在機架的背板上。電源模塊給機架背板上所有其他模塊提供電源;CPU模塊主要是執(zhí)行內(nèi)部的程序進行邏輯運算,并掃描外部輸入輸出點,按設(shè)計要求控制各個輸出點,再由外部執(zhí)行元件實施具體的動作;通信模塊主要是完成與上位機或者是其他站點進行數(shù)據(jù)通訊的功用。
在PLC軟件部分,本設(shè)計應(yīng)用西門子STEP 7編程軟件進行了旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)的編程,編程語言采用梯形圖編程。圖14為梯形圖編程部分程序。
圖14 PLC編程示例
旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)的分布式I/O作為PLC主站的從站,主要是完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集,通過Profi bus-DP總線將采集的數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器。它由數(shù)字量輸入模塊(SM321)、數(shù)字量輸出模塊(SM322)、模擬量輸出模塊(SM332)、ET-200M和計數(shù)器模塊FM350-1組成。如圖15所示。
圖15 本設(shè)計系統(tǒng)的分布式I/O從站構(gòu)成圖
旋轉(zhuǎn)舞臺控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計采用了工業(yè)以太網(wǎng)和Profi bus-DP現(xiàn)場總線的通信方式。如圖16所示。
圖16 本設(shè)計網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖
在本系統(tǒng)設(shè)計中,Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通信用來與上位機PC之間通信。Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)主要是與現(xiàn)場分布式I/O進行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)了實時監(jiān)控和控制。
在CPU模塊中循環(huán)運行的是用戶編寫的程序。程序主要利用西門子STEP7 編程軟件,根據(jù)旋轉(zhuǎn)臺控制設(shè)計思路編寫而成。在編程語言方面主要有梯形圖、語句表、功能塊圖三種編程語言。本例所采用的是梯形圖編程。圖17、圖18為梯形圖編程實例。
從程序內(nèi)容上講,主要分為邏輯控制部分和運動控制算法部分。所有的程序都在PLC一個循環(huán)掃描周期內(nèi)執(zhí)行。一個循環(huán)掃描過程周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。在這個掃描過程中,PLC將所有的輸入信號進行分析處理,然后,將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過輸出設(shè)備給外圍執(zhí)行機構(gòu)。圖19為PLC掃描循環(huán)的過程示意圖。
圖17 數(shù)字量輸入程序段
圖18 部分PLC主循環(huán)程序段
圖19 PLC循環(huán)掃描工作過程
為保證人身安全與設(shè)備安全,本系統(tǒng)在設(shè)計上加入了安全保護功能。一是緊急停止保護方式;二是互聯(lián)鎖保護方式。
在旋轉(zhuǎn)臺運行期間,如有緊急情況發(fā)生時,即可按下緊急停止按鈕,使PLC切斷控制回路,變頻器停止輸出,設(shè)備停止運行。
互聯(lián)鎖保護,主要是當旋轉(zhuǎn)舞臺與其他設(shè)備有互聯(lián)鎖關(guān)系時,禁止轉(zhuǎn)臺運行,這樣就保護了設(shè)備的安全。
綜上所述,在旋轉(zhuǎn)舞臺運動控制系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用西門子PLC集成控制系統(tǒng),運用PLC定位對運動控制技術(shù),很好地實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)臺的角度和絕對位移控制。操作員從圖形控制界面直接輸入角度或絕對位移,即可對轉(zhuǎn)臺進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的位置控制。這種設(shè)計給操作人員及導(dǎo)演帶來了許多方便,也使舞臺在演出中的變化更加豐富。
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