1 舞臺控制系統簡介 在目前國內大多數劇場及室外固定演出舞臺中，以吊桿系統與升降舞臺為主要設備，配合演出的情節動作，體現表演中的藝術效果。對于吊桿系統，其動作方式較為靈活多樣，有多種的運動方式，通過其不同的動作，使演出表現出不同的效果。其中多組吊桿的協同運動應用最為廣泛，在大型演出中，延時、同步、階梯等運動情況出現頻繁，如何使吊桿能夠平穩、精確的啟動和停止，是舞臺自動控制系統所要解決的主要問題。 國內的舞臺控制系統的控制方式主要有兩種，一是采用低端變頻器做為驅動設備，由PLC進行位置控制，通常控制精度較低；二是采用高端變頻器如SEW公司的產品，通過變頻器內部集成的控制塊實現位置控制，但設備投資較大。國內某禮堂的改造采用施奈德公司的ATV71產品，自主開發了位置控制功能，即實現了高的控制精度，又降低了的設備成本，具有很高的推廣價值。 2 控制流程 控制方式包括臺控、程控和近控三種。臺控方式時，操作人員通過觸摸屏選擇需要運動的吊桿，最多可選擇四組十個吊桿，進行不同方式的運動；程控方式是在演出前編制好各個場次的吊桿運動程序，在演出中，選擇好場次后，按下運行即可；近控是在舞臺上使用手持式控制盒進行吊桿控制，適合于在裝臺時使用。 操作中，操作人員在控制臺上選定吊桿，此時PLC的遠程I/O控制切換器將選定的吊桿電機切換到指定的變頻器上，并通過DP網絡將設定的速度與啟停信號發送給變頻器。 在程控方式時，吊桿需按設定，運行指定的距離，在本次設計中，通過變頻器內部功能完成。同時，為避免吊桿的沖頂與過度下落而加設的限位開關信號，均接入變頻器中，通過變頻器的可編程邏輯控制卡（CI卡）進行急停控制，并將位置、限位信號通過DP網傳送給PLC，以便通過觸摸屏和上位機（IPC）進行顯示。 3 舞臺位置控制實現 3.1 系統構成 控制系統的結構如圖1所示，主要包括控制臺、切換器、變頻驅動裝置等。 上位機使用康泰克工控機，采用Microsoft公司的VC進行編程，實現吊桿選擇、位置設定與監控、場次編制、動畫顯示等功能，通過西門子公司的5611卡與下位機進行通訊；下位機為西門子S7-300 PLC，由西門子公司的STEP7軟件編制，做為系統的控制中心，實現吊桿位置存貯、命令發送、通訊主站等功能。從站由十臺施奈德ATV71變頻器構成，實現位置控制、限位動作、驅動電機等功能；觸摸屏采用PROFACE公司產品，實現臺控時的吊桿選定、零位設置等功能。上位機、PLC和變頻器之間通過Profibus-DP網絡進行連接，PLC與觸摸屏之間通過MPI網絡連接。 切換器用來在選中吊桿時，根據PLC指令將相應電機的電源及編碼器反饋信號切至指定變頻器，通過此種設計首先保證了當某臺變頻器出現故障時，其它變頻器仍能帶動吊桿正常工作，使演出正常工作；其次降低了工程成本，是目前國內外普遍采用的先進技術。 3.2 位置控制實現 位置控制功能是舞臺控制系統中最重要的功能，也是吊桿精確定位的保證。目前國內的實現方式主要有兩種（如圖2）：一是切換電機后，將電機的反饋編碼器信號直接引入PLC中，由PLC的高速計數模塊進行計數，通常采用雙相雙計數方式。這種方式的成本較低，但是當電機制動，有輕微顫動的情況發生時，某些PLC的計數值會有較大的誤差出現，同時，為提高定位精度，在接近定位位置時，電機需要平穩減速，要求PLC實時發出速度指令，這要求有較好的算法才能同時滿足穩定與精度的要求，但也會增加程序的復雜性。二是將電機的編碼器信號引入變頻器中，由變頻器進行位控，既提高了準確性，又構成了閉環系統，使控制性能變硬，此種控制通常使用的是SEW變頻器，但其價格較高，增加了工程成本。而本次設計由于提出要求較高，但成本較低，故采用施奈德的ATV71變頻器，在加裝提供的可編程控制卡（CI卡）后，利用codesys編程后可實現位控和限位控制，其具體方法本文不再詳細說明。 在ATV71變頻器上加裝的可編程控制卡（CI卡）相當于一個小型的PLC，通過編程可實現相對位移和絕對位移兩種位置控制方式，由PLC來決定使用哪種方式。 3.3 限位保護功能 為保證人身安全與設備安全，必須加設吊桿的上、下限位，在采用方式一設計時，限位信號傳送到PLC中，PLC再發送指令使變頻器停止輸出，這樣執行環節較多，造成的安全隱患也更大。而采用方式二的設計方法，限位信號直接進入變頻器，施奈德ATV71變頻器自身模塊提供了上、下限位保護功能，可以實現在到達限位位置時自動停車功能。 根據舞臺應用的特殊要求，在吊桿到達限位位置時，應該僅允許反向運行，以便脫離限位信號并保證不會發生沖頂情況，此功能同樣可以通過在CI卡上的程序編制加以實現。 4 軟件實現 在吊桿運動時，需要將吊桿的當前位置、運動速度等在觸摸屏與計算機上實時顯示，并且要時刻監測變頻器與吊桿的狀態，因此通過DP網有大量的數據交換，這就要求PLC具有大數據量處理能力，以及編制的程序有較高的執行效率。 4.1 位置控制軟件實現 本次設計使用了絕對位移的控制方式，因此在控制某一吊桿運動時，首先要區分是走固定位移還是任意位置，PLC據此將所選吊桿的當前位置及設定到達位置（在選擇固定位移時）傳送到指定變頻器的CI卡上，再由CI卡上的程序確定電機的運動方式，并通過反饋的編碼器信號，確定當前吊桿的位置。運動中，CI卡要將吊桿位置數值傳送回PLC中，以便觸摸屏與計算機加以顯示。 在PLC中，吊桿的位置信息是以絕對位置保存的，這樣首先可以節省字的使用數量；其次觸摸屏與上位機在讀取位置信息時，可以直接讀取地址。而當與變頻器通訊時，由于傳送的是編碼器的脈沖值，則在傳送出接收時，都要首先進行乘法或除法運算。 由于在PLC與CI卡間傳送的位置信息是編碼器的脈沖值，因此，每一個位置信息需要兩個字的存貯空間，那么當選擇十道吊桿同時進行固定位移動作時，為保證動作的一致性，就需要通過DP網向變頻器發送四十個字的位置信息，并要接收二十個字的位置信息，這對PLC的處理能力有較高的要求，如果在一個執行周期內完成這些工作，PLC要進行大量的乘除法運算，因此對PLC的性能要求很高。 4.2 吊桿電機切換實現 切換器的應用是為了根據要求，將電機切換至相應的變頻器，同時也要將電機的編碼器信號、限位信號等同時切換至變頻器。 應當注意的是，由于切換器采用的是電子電路板設計，并放置在控制柜內，難免會受到變頻器及接觸器動作時的電壓干擾，從而造成的切換錯誤現象，在演出中，這種情況的發生極易造成對臺上演員的人身傷害，因此是要堅決避免的。對其處理方法：一是要加設抗干擾設備，在切換信號發出端加裝濾波電容，過濾接觸器吸合釋放時產生的干擾。二是在切換電機后，PLC務必要有切換檢查程序，確保正確切桿。 在程控時，由于某些演出的場次切換很快，在一個場景布置結束后，要立刻切入下一個場景，由于吊桿在運動時，是不允許切換下一場景的，因此，有些切換要求在幾秒內完成，這就需要PLC在這個時間段內完成切換檢查程序，然后才能允許下一場景運行。 切換檢查程序的流程如圖3。PLC先發送檢測的桿號，采用8421編碼；切換器則返回此桿號對應的變頻器號，直接對應PLC遠程I/O的輸入點。檢測時要將所有的吊桿都掃描一遍，PLC需要判斷以下幾種情況：一是應選定而實際未被選擇的吊桿，二是同一吊桿被多個變頻器選定，三是一個變頻器上有兩個及以上的吊桿被選定。 檢測時，PLC發送桿號后，通常要隔兩個周期才能讀回切換器的返回信號，因為硬件電路需要一定的時間建立電平信號，取西門子S7-300程序執行時平均的掃描時間為50毫秒，按50個吊桿計算，第三個周期能夠檢測完一個吊桿的變頻器選擇情況，那么就需要費時約7.5秒左右，這顯然無法滿足要求。因此在程序設計時，考慮在執行切換檢查程序時，中止其它所有功能塊的執行，僅幾個重要的故障情況由中斷程序執行，這樣，可以使此時的PLC掃描時間縮短為10毫秒左右，全部執行完成僅需1.5秒左右，滿足快速切換的要求。 5 結論 此系統采用變頻器實現位置控制功能，是目前國內低成本舞臺控制設計中的首個應用實例。其運行平穩，停車無震顫，定位精度達到±3mm，完全達到了設計要求。 在近半年的應用中，經歷了多次大型演出的考驗，運行良好，在低預算舞臺控制系統的設計中，有極高的推廣價值。 參考文獻： [1] 于建平. 影視劇場舞臺機械與自動控制系統的發展趨勢與應用實例. 燈光技術與應用,2005,（2） [2] 劉基順,田廣軍,高恒倫. 西門子PLC混合網絡在劇院多功能廳的應用. 計算機應用,2005,（4） [3] SIMENS S7-300系統參考手冊[M]. 西門子自動化與驅動集團 [4] STEP7 V5.2編程手冊[M]. 西門子自動化與驅動集團 [5] 段慧文.現代舞臺機械的控制系統.演藝設備與科技,2005,10（4）: 45-49. [6] 婁海峰,馬建林. 人民大會堂舞臺專用電動吊桿系統. 藝術科技,2000,4: 4-7