天天PLC培訓最新技術應用---西門子S7-200的智能舞臺臺面控制系統設計說明

1  引言
隨著人們文化生活水平的提高，對舞臺演出節目的質量要求越來越高。舞臺的現代化、智能化是必然的發展趨勢。國內雖有部分舞臺參照了國外的舞臺形式，但整體的技術水平較低，不能滿足舞臺使用的各種功能要求。針對劇院(包括電視臺演播廳)舞臺的臺面固定，造型、風格單一，舞美總體效果達不到表演要求的現狀，依據舞臺建造時的總體工藝方案設計，通過PLC控制及機、電、液一體化技術使通信系統能夠實現上位計算機、PLC以及現場智能儀器之間良好、快速的通信，從而完成了現場數據的實時顯示與控制。實現舞臺的升降、移動升降、旋轉、升降旋轉、伸縮、伸縮升降等運動，從而達到舞臺與舞美、演員、場景、燈光等協調變化功能，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩、變幻無窮。智能舞臺一次投資建成后，由于其多種舞臺的組合變化形式，可滿足各種演出節目的要求，故可免去許多原來須根據不同演出搭建不同舞臺的重復搭建演出舞臺的弊端，并且還增加了演出的場景變化，豐富了演出效果。
本文以某廣播電視中心800m2演播廳智能舞臺的設計安裝與調試為研究背景說明s7-200[1]在舞臺的臺面控制中的應用。

2  智能舞臺控制系統構成
2.1  舞臺臺面組成
舞臺臺面運動可以實現舞臺的升降、移動升降、旋轉、升降旋轉、伸縮、伸縮升降等運動，舞臺的基礎變化將達到數十到近百種，從而達到舞臺與舞美、演員、場景、燈光等協調變化功能，避免了傳統的為一次性使用而反復搭建基礎舞臺造成的人力、物力、財力的浪費，縮短了節目舞臺準備周期，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩、變幻無窮。
智能舞臺臺面控制系統主要針對單元舞臺臺面運動進行控制。圖1為某廣播電視中心800m2演播廳智能舞臺臺面結構，包括5個升降臺面，一個通道臺面，一個旋轉臺面和一個T型臺面，其中1#~5#為升降臺，6#為通道臺，7#為旋轉臺，8#為帶伸縮功能的T型臺。8塊活動臺面均有現場手動和自動工作方式選擇，當選擇工作方式時，其所有動作均由PLC完成。通過上位機(監控計算機)可實現整體舞臺活動臺面的監視和控制。

圖1     舞臺臺面構成

2.2  臺面運動控制原理
以升降臺面控制系統為例，說明升降臺面控制回路工作原理[2]。如圖2所示，舞臺的臺面運動部分由單元舞臺臺面、叉臂升降和液壓傳動結構組成;而臺面監控部分由上位監控機和PLC組成;泵站提供液壓源。系統啟動時，由上位機下達舞臺臺面運動量的指令，PLC接受指令，判斷決策，然后向泵站電流及液壓傳動機構發出命令。泵站開始工作，液壓傳動機構中油缸活塞推動叉臂機構按輸入要求帶動升降舞臺進行升降運動。此時安裝在叉臂移動滾輪上的編碼器開始旋轉記錄行程，它隨時檢測升降臺的升降高度。系統中采用型號為KSJ1200編碼器，其旋轉速度為0.8圈/秒，在整個1200mm行程上編碼器約旋轉5圈，每圈產生500個脈沖，共產生5500=2500個脈沖，平均1個脈沖代表1200/2500=0.5mm。這樣，控制精度可控制在1mm。各升降舞臺既可獨立運行，也可同步運行。根據各個舞臺的不同要求組合成各種不同尺寸、不同形狀及不同面積、不同功能的舞臺。同理伸縮舞臺控制系統的工作原理大致相同。

圖2     升降臺臺面控制回路示意圖

通過各單元舞臺的升降、伸縮或旋轉變化，滿足演出過程中對舞臺整體變化、各種道具及人員升降或旋轉的要求。

2.3  臺面運動控制系統配置
如圖3所示，舞臺臺面控制系統主要由四大部分組成。分別是操作臺、PLC控制柜、液壓傳動機構和各活動單元舞臺臺面。

圖3     臺面運動控制系統示意圖

(1) 操作臺
操作臺主要完成系統的操作任務。觸摸屏和工控機各自獨立工作。在觸摸屏操作界面上可以完成系統的操作任務，具體就是單元舞臺的各種動作，在IPC編程界面上可以完成系統的編程。
(2) ADAM4520
亞當姆塊為通訊接口，將上位機與PLC的通信協議轉換為RS-422/RS-485串行通信協議標準，起通訊作用。
(3) 控制柜
控制部分由PLC柜和電源控制柜組成。PLC柜主要完成系統的控制任務，包括PLC主機、通信模塊、輸入模塊、輸出模塊等。PLC主機接收到給定值及反饋值信號后，根據其內部的程序進行邏輯運算，按設計要求控制各個輸出點，由執行元件實施具體的動作;電源控制柜主要完成系統供電、保護系統供電和液壓系統泵站電機的供電任務，包括斷路器、缺相檢測單元和電機保護設備等組成。
當操作員發出啟動油泵后，程序邏輯控制器(PLC)就給泵站主變頻電機的接觸器的線圈KM上電，主油泵電機工作，油壓上升到設計要求后，自動通知操作員。然后操作員可選擇舞臺效果，如按上升命令時，舞臺上升。若所選擇的單元舞臺上升到位后，就給程序邏輯控制器(PLC)發出一個信號，程序邏輯控制器(PLC)接到此信號后，啟動維持正常油壓的維持油泵電機，當維持油泵電機正常工作后，切斷主油泵電機，主油泵電機停止工作。這樣，主油泵電機僅在單元舞臺上升和下降時工作，油壓的維持靠維持電機來實現，既減少了噪音，同時起到節能的作用。油泵電機控制流程圖見圖4所示。

圖4     油泵電機控制流程圖

2.4  臺面運動控制回路的組成
舞臺臺面控制回路是由臺面、叉臂傳動機機構[4]、液壓傳動機構[3]、PLC、上位監控機[5]等部分組成，其控制回路原理圖參見圖5。操作人員通過人機界面向PLC發出給定指令，測量裝置對舞臺升降及旋轉位置進行實時監測，檢測值與給定值比較，PLC經邏輯運算，命令執行機構驅動舞臺升降或旋轉。

圖5     臺面控制回路原理圖

3  結束語
通過對智能舞臺臺面運動控制系統進行了分析與設計，利用西門子S7-200進行了臺面運動控制系統的設計，滿足了演出節目的要求，增加了演出的場景變化，豐富了演出效果，具有明顯的經濟及社會經濟效益。現場實踐證明，該設計方案控制效果良好。