(甘肅會展中心有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730046)

舞臺機(jī)械變頻器控制方式分析比較

李昭

(甘肅會展中心有限責(zé)任公司甘肅蘭州730046)

介紹了現(xiàn)代舞臺機(jī)械中吊桿常用的控制方式，分析了幾種舞臺吊桿調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了一對多本地-支援模式控制和變頻矩陣模式控制，通過大劇院實(shí)際運(yùn)行過程中遇到的問題，對比分析了幾種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并且給出了合理化建議。

舞臺吊桿；變頻器切換；矩陣控制

舞臺機(jī)械是劇院中重要的組成部分。其中，舞臺吊桿又是舞臺上場景變換、幕布開合的常用的關(guān)鍵設(shè)備。舞臺吊桿的性能直接影響了整個(gè)舞臺的表演效果。

舞臺吊桿從最早的人工操作變?yōu)楣潭ㄋ俣鹊睦^電器-接觸器控制，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)在大部分控制已經(jīng)變?yōu)椤吧衔粰C(jī)+PLC+變頻器”方式調(diào)速控制，這個(gè)控制的方式最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控吊桿的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確定位吊桿的位置，精確地控制運(yùn)行速度，使得吊桿更加平穩(wěn)，更加安全，更能適應(yīng)越來越復(fù)雜的舞臺場景切換。

舞臺吊桿變頻調(diào)速控制方式一般分為一個(gè)變頻器控制一路吊桿、一個(gè)變頻器控制多個(gè)吊桿、矩陣切換三種。這幾種控制方式的選擇主要取決于對劇院或演藝場所的資金投入情況以及功能定位，如果資金充裕并且功能定位要求高的話，就可以使用一個(gè)變頻器控制一個(gè)吊桿的控制思路，做到變頻調(diào)速控制，達(dá)到多個(gè)吊桿完成各種復(fù)雜規(guī)則并準(zhǔn)確的運(yùn)行。否則，就需要采用一個(gè)變頻器控制多個(gè)吊桿的控制思路，或者是矩陣控制思路。本文主要討論這兩種情況。本文由某劇院舞臺機(jī)械在應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問題出發(fā)，討論了各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了合理化建議。

一、運(yùn)行中出現(xiàn)的現(xiàn)象

某劇院有舞臺吊桿40道，通過10個(gè)變頻器進(jìn)行控制，變頻器控制方式采用一個(gè)變頻器控制多個(gè)吊桿。演出過程中需要使用多個(gè)吊桿同時(shí)運(yùn)行的情況非常多，但是，有時(shí)會出現(xiàn)兩只吊桿不能同時(shí)進(jìn)行編程動(dòng)作。下面就這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析。

二、問題分析

劇場現(xiàn)有的舞臺吊桿控制模式就是一個(gè)變頻器控制多個(gè)吊桿。劇場的舞臺吊桿是由上位機(jī)(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)向下位機(jī)可編程控制器(PLC)發(fā)送指令，進(jìn)而控制變頻器對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。最初的設(shè)計(jì)思路就是基于最多同時(shí)運(yùn)行10道吊桿，相鄰吊桿同時(shí)使用的情況比較多的情況，設(shè)計(jì)了舞臺演出的要求。通過對變頻器控制吊桿情況分析，得出變頻器控制的吊桿分配表(表1)。

表1 劇院變頻器控制吊桿分配表

從表1可以看出，1#變頻器控制的吊桿號為1、11、21、31號，2#變頻器控制的吊桿號為2、12、22、32，以此類推。我們稱1#變頻器控制1、11、21、31吊桿的模式為本組模式。同時(shí)，為了防止1#變頻器發(fā)生故障而導(dǎo)致1、11、21、31吊桿不能動(dòng)作，將1、11、21、31號吊桿也接入2#變頻器下，只有當(dāng)1#變頻器發(fā)生問題時(shí)，才能夠使用2#變頻器進(jìn)行操作，這樣2#變頻器就相當(dāng)于1#變頻器的硬件冗余，中間通過硬件選路器和PLC完成變頻器分配，我們稱這種模式為支援模式[1]。同樣，2#變頻器連接的本組吊桿接入到3#變頻器，以此類推，3#的本組接入4#變頻器等等，這樣基本就能覆蓋所有吊桿都能通過至少兩臺變頻器控制，實(shí)現(xiàn)吊桿全覆蓋并且吊桿較高程度的切換，能夠預(yù)防一定的風(fēng)險(xiǎn)。

這種控制思路和方式仍能滿足現(xiàn)在大部分舞臺需要，但是，通過分析上述表格和本地-支援模式控制思路，我們進(jìn)行兩種分析。

分析(1)：演出中的一個(gè)場景同時(shí)需要使用1號、11號、21號和31號吊桿，這時(shí)候這幾個(gè)吊桿是不能同時(shí)運(yùn)行的，即使將支援的變頻器也加上，也是不夠的。因?yàn)樗鼈冊谕唤M變頻器，一個(gè)變頻器同一時(shí)間段只能驅(qū)動(dòng)一臺電機(jī)設(shè)備，算上相互強(qiáng)制支援也不能同時(shí)動(dòng)作。同理，2號、12號、22號和32號也不能同時(shí)動(dòng)作。即表(1)中每一列中的吊桿均不能同時(shí)動(dòng)作。

分析(2)：2#和3#變頻器同時(shí)發(fā)生故障，那么2#變頻器下的3號、13號、23號、33號吊桿則無法動(dòng)作，必須要等待將2#和3#變頻器其中的一臺排除故障。同理3#、4#變頻器同時(shí)發(fā)生故障，3#變頻器的本組吊桿也無法動(dòng)作。

通過以上兩種分析可以得出，一個(gè)變頻器控制多個(gè)吊桿設(shè)備的控制思路不能實(shí)現(xiàn)真正意義上對吊桿設(shè)備的全部控制，這也就是我們在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生問題的根本原因！

三、變頻矩陣控制系統(tǒng)

變頻矩陣控制系統(tǒng)理論是由一個(gè)變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)任意一臺吊桿，而每一個(gè)吊桿可以被任意一臺變頻器控制。仍是10個(gè)變頻器控制40道吊桿。舞臺吊桿矩陣切換控制原理圖示意圖如下：

圖1 矩陣切換控制原理圖

其中KM為繼電器，1KM1、2KM1、3KM1至10KM1表示1號吊桿分別接在1#、2#、3#至10#變頻器下，同時(shí)只允許1臺變頻器啟動(dòng)控制。1KM1、1KM2至1KM40表示1號、2至40號吊桿接在1#變頻器下，同一時(shí)刻只允許1臺吊桿啟動(dòng)[2]。為了設(shè)備的安全，PLC內(nèi)部編程對繼電器進(jìn)行互鎖保護(hù)[3]，保證同時(shí)運(yùn)行的10道吊桿在10個(gè)不同的變頻器下。

當(dāng)PLC收到命令指令時(shí)，首先判斷每個(gè)吊桿的各種信息，分析當(dāng)前閑置的變頻器進(jìn)行分配，然后通過PLC輸出控制信號，使繼電器吸合，進(jìn)而完成相應(yīng)的位置及速度運(yùn)行。其中，系統(tǒng)中繼電器的吸合和松開，是也是由PLC進(jìn)行邏輯控制，結(jié)合所有設(shè)備的上下限位、抱閘信號、速度和位置編碼器信號、繼電器的使用情況信號，作為PLC輸入信號，保證同一時(shí)刻一個(gè)吊桿只能由一個(gè)變頻器控制。

這樣的控制方式，實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)刻可以同時(shí)運(yùn)行任意10道吊桿，如果其中一臺或者幾臺變頻器出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠用剩余的變頻器完成所有吊桿的控制。

矩陣切換系統(tǒng)使用了大量的繼電器，一個(gè)變頻器對多個(gè)吊桿控制方式只需要80個(gè)接觸器(本地40個(gè)和支援40個(gè))，然而矩陣系統(tǒng)則需要400個(gè)接觸器(10×40)，這么多的接觸器出現(xiàn)問題的概率明顯增高，而且接線非常復(fù)雜，同時(shí)PLC系統(tǒng)的輸入點(diǎn)位增加，必然導(dǎo)致模塊的增加，PLC的控制邏輯也變得復(fù)雜，相應(yīng)的成本會增加。

四、總結(jié)

兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，一個(gè)變頻器對多個(gè)變頻器能有效降低工程成本，而且在一定范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)1控多的思路，缺點(diǎn)就是同一本地組別的多個(gè)吊桿不能同時(shí)動(dòng)作，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的同時(shí)運(yùn)行。而矩陣切換控制能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的任意變頻器控制任意吊桿，方便操作人員，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是繼電器的數(shù)量過多，接線過于復(fù)雜故障率較大。

從上述分析來看，對已有劇院的控制方式進(jìn)行更換的話，首先要對綜合布線進(jìn)行重新規(guī)劃，增加數(shù)量巨大的接觸器，而且需要對PLC及工控機(jī)的軟件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其花費(fèi)較大，經(jīng)濟(jì)效益太低。未來在新建的劇院中，隨著硬件設(shè)備的性能提升、故障率的降低，變頻矩陣切換系統(tǒng)會成為主流控制系統(tǒng)。

[1]李煒，李青朋，毛海杰，龔建興.基于切換與容錯(cuò)的舞臺吊桿系統(tǒng)控制方法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2015，32(3):272-277

[2]陳積遠(yuǎn).舞臺吊桿變頻矩陣切換控制系統(tǒng)[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2010，11(3):225-226

[3]龔建興，吳愛梅.PLC在舞臺吊桿控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2001(10):48-50

李昭(1988-)，男，漢族，陜西咸陽人，技術(shù)保障部主管，大學(xué)本科，甘肅會展中心有限責(zé)任公司。