舞臺機械吊桿控制系統PLC技術應用

隨著人們生活水平的提高，對舞臺設計和背景提高了更高的要求。舞臺電動吊桿以其多功能和高利用率在眾多演出場館和劇場中得到普遍應用。本系統將工業級控制器PLC和高精度位置檢測傳感器應用舞臺電動吊桿控制系統，實現電動吊桿自動正確定位控制。

章 舞臺機械控制系統概述

第二章 PLC技術的發展狀況

第三章 控制系統的整體設計方案及主要器件旋轉編碼器、PLC和變頻器的選擇，并對所選器件做了必要的說明

第三章 控制系統各個子模塊的實現電路，包括配電部分的設計、變頻器外圍電路及變頻器控制下的6個吊桿調速系統設計、電動定位吊桿控制系統設計和PLC與觸摸屏的連接

第四章 控制系統的軟件設計，包括格雷碼到二進制的轉換、調速系統的軟件設計及電動定位控制系統的設計

后，對所做的一些工作進行了總結，并對舞臺電動吊桿控制系統進行了展望。

正文

章 舞臺機械發展歷程

改革開放十多年來，隨著中國社會主義市場經濟的逐步完善，我國人民的生活發生狀況發生了翻天覆地的變化，人們在物質生活逐步富裕的同時，一開始追求精神文化事業的發展。近幾年，全國各地特別是經濟發達地區掀起起了文化設施建設的熱潮，大量新建改建的劇場急需高技術設備來裝備，各類劇場成為文化設施建設中的主角，這正是我國經濟迅速發展、人民生活逐步提高和文化事業空前繁榮的具體體現。這些設施的建設適應了頻繁的文藝演出、各類形式的文化節、藝術活動和國際文化藝術交流不斷增長的需要。應該說，國家大劇院的建設促進和帶動了劇場建設的發展，也大大推動了我國舞臺機械及裝備事業的前進步伐。國家大劇院舞臺機械工程的技術文件一成為劇場建設舞臺機械設計的一個良好的例證，并為規范舞臺機械行業的技術和商業活動起到較大的作用。

舞臺設備發展到今天，是致力于這方面研究的眾多科技工作者是分不開的，我們有必要先回顧我國舞臺機械設備的發展進程。

解放前，我國舞臺機械的發展非常緩慢，設備極其簡陋。隨著新中國的建立，在物質生活水平提高的同時，人們迫切需要提高科學文化水平，黨和政府非常重視人民群眾文化事業的發展，早在五十年代初就興建了一批有代表性的典型劇場，配備了相當數量的舞臺機械設備：手動吊桿，假臺口，電動垂直吊桿等，雖然控制手段還比較落后，但畢竟有了自己的舞臺設備。

到了六、七十年代，我國建成了一大批相對規模較大的劇場，典型的是北京的人民大會堂，另外還有廣州的友誼劇院、長沙青年宮、杭州劇院等。這些劇院都設置了較先進的平衡手動吊桿和假臺口、甚至還有升降池。但在舞臺機械這方面，還沒有什么突破，不可否認，在舞臺的發展方面，我國與發達國家還有相當大的差距。

進入了八十年代以后由于我國經濟條件好轉，先后根據各自不同的演出功能要求，設計了各種不同類型的舞臺機械：用于歌舞表演的中國劇院、用于戲劇表演的中央戲劇學院排練場、用于話劇演出的中國少兒藝術劇院等，這些舞臺機械適應了不同的演出要求，豐富了人民的業余文化生活。 進入九十年代處，我國舞臺機械方面又有了長足進步，先后建成了深圳大劇院等一系列大型的較先進的現代化影劇院。這些劇院的舞臺機械已經較為齊全，如臺上舞臺機械有勻速吊桿、電動伸縮大幕、活動假臺口，還有燈光渡橋、燈光吊籠、天幕燈架等。臺下舞臺機械有機械升降樂池、活動假臺口，還有燈光渡橋、伸縮舞臺、車臺。特別是后舞臺還有移動式轉臺，該設備具有可以電動行走到主臺并可以旋轉的功能，技術含量較高，應用較方便。

第二章 舞臺機械控制系統發展現狀

1. 采用STD工業控制機控制舞臺機械設備

控制方法采用了光電隔離開關量輸入輸出，對吊桿、大幕、轉臺、車臺臺和升降樂池進行控制。由于有效放電路STD5238板可以直接驅動中間繼電器，以控制電機的正、反向旋轉和停止。計算機判斷控制對象的當前位置與將要到達的位置是否一致，并發出相應的指令。對于升降臺的控制，由于需要在任意位置停止、故采用了脈沖發生裝置和脈沖輸入/輸出板，用Z80—CTC定時/計數器電路對所接收到的脈沖信號加以處理，發出相應的命令，控制升降臺按預定的要求運行。若在吊桿、轉臺、電車等設備也安裝上脈沖發生裝置(編碼器、霍爾元件等)。系統就可對這些設備進行計數控制，使其成為數控設備。

2. 采用PLC控制的舞臺機械控制系統

近年來，由于可編程控制器(PLC)具有操作簡單、運行可靠、性能穩定、功能齊全等特點，除了具有基本的開關量輸出、輸入模塊外，還有多點I/O、A/D、D/A、高速計數器、模擬定時器、溫度傳感器等模塊，其內部一般還設有計數器、定時器、保持繼電器、數據存儲器，能夠提供上千條指令完成數值計算功能和數據處理，具有響應速度快、實時性強、模塊化結構組靈活、可靠性高的優點，并具有多種聯網模式與計算機通訊。

3. 模糊控制用于舞臺機械控制系統

在工業控制中，控制對象經常是時變的，非線性的。由于存在純滯后，參數未知或存在漂移，其數學模型很難建立。因此采用傳統的控制方法對這類被控制對象進行分析和綜合是比較困難的。模糊控制作為一種語言控制器，近似的反映了良好控制者—人的行為，無需預先獲知被控對象的精確數學模型就可以獲得滿意的控制效果。

模糊控制在實際中的應用越來越廣，已經有將模糊控制應用于控制舞臺的工程，主要控制如下：

3.1 系統的啟動 啟動過程中要求調速器以合理的斜率跟綜上給定的速度，啟動過程要求平穩。在此系統中，以均勻加速來達到以上要求，且限制了高斜率，啟動過程在系統總行程的10%以內完成。

3.2 運動過程控制 當系統達到預定速度之后，采用單輸入模糊控制策略來穩定或跟蹤運行速度，這一過程主要是對速度進行穩定及追綜，對位置的檢測僅作為求取速度及判斷減速制動時機的依據。

3.3 系統減速及準確定位將變為主要矛盾，控制器的設計思想是：系統速度均勻降低，在到達指定位置時速度降到低，再利用制動機構使其平穩的停在預定位置。這個過程中要求對速度、位置進行綜合調節，以上的控制量保證了控制運動過程的性能，但仍無法做到高精度準確定位，為此，在系統的控制器中設置了自校正變化，但在同一個吊桿的同一場次演出中，其慣性是基本一致的，因此其誤差也基本是一個常數，利用微機的記憶功能及演出前的裝臺調試過程。就可以估算出一個超前或滯后的校正量，并將其引入控制器中。這樣，通過計算機的自學習過程，控制器就可以自動校正由于系統的不確定性而產生的位置跟蹤誤差，從而達到準確定位，實踐證明，利用模糊空話子的方法來控制舞臺吊桿是非常有效的。

3.4 工控組態軟件FIX用語舞臺機械的控制 在計算機及相關技術的飛速發展地今天，計算機控制在工業中的應用日漸廣泛，舞臺機械領域也不例外。隨著用戶對舞臺設備使用功能以及安全性等方面的要求提高，在舞臺機械控制中相應采用了一些先進的控制技術、計算機軟硬件、圖形顯示技術、局域網絡技術以及通信技術等。

4. 由于其涉及面較廣，全部硬、軟件不可能出自一家公司，再加上每個用戶的要求也不一樣，面對這種情況，目前國際上逐漸流行的方式是硬件部分采用通用硬件，軟件部分則采用開放的組態軟件。這樣做的優點在于通用硬件開放性好，通用性強，產品的成本和價格可以控制的較低，又便于維護擴充。組態軟件則是一種控制系統開發工具，擁護只要根據應用對象和控制任務的要求，利用組態軟件提供的工具，通過簡單形象的組態工作，就可以得到所需的軟件功能。組態軟件正在代替各種計算機語言的軟件開發，這種搭積木方式的系統構成方法使得控制軟件的編制變得相當輕松明了，開發的周期和成本大大降低。而且由于系統是由這些可靠的“積木塊”組成，可靠性和可維持性增強。在北京人民大會堂小禮堂舞臺機械的改造工程中，浙江舞臺設計研究就是采用這種方式來構成控制系統。

第三章 PLC技術發展狀況

從1969年出現臺PLC，經過幾十年的發展，PLC已經發展到了第四代。其發展過程大致如下：

1. 代在1969~1972年。這個時期是PLC的發展初期，該時期的產品，CPU由中小規模集成電路組成，存儲器為磁性存儲器。其功能也比較單一，僅能實現邏輯運算、定時、記數和順序控制等功能，可靠性比以前的順序控制器有較大提高，靈活性也有所增加。

2. 第二代在1973~1975年。該時期是PLC的發展中期，隨著微處理器的出現，該時的產品已開始使用微處理器作CPU,存儲器采用半導體存儲器。其功能進一步發展和完善，能夠實現數字運算、傳送、比較、PID調節、通信等功能，并初步具備自診斷功能，可靠性有了一定提高，但掃描速度不太理想。

3. 第三代在1976~1983年。PLC進入了大發展階段，這個時期的產品已采用了8位和16位微處理器作為CPU，部分產品還采用了多微處理器結構。其功能顯著增強，速度大大提高，并能進行多種復雜的運算，具備完善的通信功能和較強的I/O能力，具有較強的字診斷功能并采用了容錯技術。在規模上向兩極發展，即向小型、超小型和大型發展。

4. 第四代為1983年到現在。這個時期的產品除了采用16位以上的微處理器作為CPU外，內存容量更大，有的已達數兆字節;可以將多臺PLC銜接起來，實現資源共享;可以直接用于一些規模較大的復雜的控制系統;編程語言除了可使用傳統的梯形圖、流程圖等外，還可以使用語言;外設多樣化，可以配置CRT和打印機等。 隨著微處理技術的發展，可編程控制器也得到了迅速的發展，其技術和產品日趨完善。它不僅以其良好的性能特點滿足了工業生產控制的廣泛需要，而且將通信技術和信息處理技術融為一體，使得其功能日趨完善化。

第四章 PLC發展趨勢

目前PLC技術和產品的發展非?；钴S，各廠家不同類型的PLC品種繁多，各具特色，各有千秋。綜合起來看，PLC的發展趨勢有以下幾個方面。

1. 系統功能完善化

現今的PLC在功能上已有了很大的發展，它不再是僅僅能夠取代集電接觸器控制的簡單邏輯控制器，而是采用了功能強大的高檔微處理器加上完善的輸入輸出系統，使得系統的處理功能和控制功能得到大大增強。同時它還采用了現代數據通信和網絡技術，配以交互圖形顯示及信息儲存、輸出設備，使得PLC系統的功能日趨完美，足以能夠滿足絕大多數的生產控制需要。

2. 體系結構開放化及通信功能標準化

大多數PLC系統都采用了開放性體系結構，通過制定系統總線接口標準、擴展和通信接口標準，使得PLC系統能夠根據應用需求的應用大小任意擴展。絕大多數公司推出的硬件產品均采用模塊化、單元結構化，根據應用要求確定模塊的數量，這樣既減少了系統投資，又保證了今后系統升級、擴展的需要。 目前各公司的總線、擴展接口及通信功能均是各自獨立制定的，還沒有一個適合所有公司產品的統一標準，在通信接口上雖然大多數產品采用了標準化接口，但在通信功能上大多數是非標準化的。為了適應應用環境要求，制定統一的、規范的PLC產品標準是今后發展的必然趨勢。

3. I/O模塊智能化及安裝現場化

為了提高系統的處理能力和可靠性，大多數PLC產品均采用了智能化I/O模塊，已減輕CPU的負擔，同時也為I/O系統的冗余帶來了方便。另一方面為了減少系統的配線，減少I/O信號在長線傳輸時引入的干擾，很多PLC將其I/O模塊通過通信光纜或光纖與主CPU進行數據通信，完成信息交換。

4. 功能模塊專用化

為了滿足控制系統的特殊要求，提高系統的響應速度，很多PLC公司推出了專用化功能模塊，以滿足系統諸如快速響應、閉環控制、復雜控制模式等特殊要求，從而解決了PLC周期掃描時間過長的矛盾。

5. 編程組態軟件圖形化

為了給用戶一個提供友好、方便、的編程組態界面，大多數PLC公司都開發了圖形化編程組態軟件。該軟件提供了簡捷、直觀的圖形符號以及注釋信息使得用戶控制邏輯的表達更加直觀、明了，操作和使用也更加方便。

6. 硬件結構集成化、冗余化

隨著專用集成電路和表面安裝技術在PLC硬件設計上的應用，使得PLC產品硬件元器件數量更少、集成度更高、體積更小，其可靠性更高。同時，為了進一步提高系統的可靠性，PLC產品還采用了硬件冗余和容錯技術。用戶可以選擇CPU單元、電源單元、通信單元或I/O單元甚至整個系統的冗余配置，使得整個PLC系統的可靠性得以進一步加強。

7. 控制與管理一體化

為了進一步滿足控制需要，提高工廠自動化水平，PLC產品廣泛采用了計算機信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使得PLC系統的生產控制功能和信息管理功能融為一體，進一步提高了PLC產品的功能，更好地滿足現代化大生產的控制與管理需要。

8. 向控制的開放、SOFTPLC的方向發展

SoftPLC 是把標準工業控制計算機轉變成為一全功能類似PLC的過程控制器的軟件技術。SoftPLC把PID算法、離散和模擬輸入輸出控制以及計算機的數據處理、計算和連網功能結合起來。作為一個多任務控制內核，它提供一個強大的指令系統，快速、準確的掃描時間，一個可與許多I/O系統、其他裝置和網絡相連的的開放式結構。它不僅具有“硬”PLC所有的特征和功能，而且具有它不具備的開放式系統特征。SoftPLC通常作為內置式系統在硬件上運行，它允許用戶為滿足特殊需要而去擴展指令表，采取梯形邏輯執行功能，由于維護人員已經熟悉基于控制系統梯形邏輯的故障診斷和編程，這使得“硬”PLC到SoftPLC的轉變很容易。另外，它允許用戶用C、C++或Java語言來進行編程，Java虛擬機和內置式網絡服務器為SoftPLC提供了如數據共享、操作、遠程檢測和維修等功能。另外，軟PLC提供了可用于編程和檢測的工具——TOPDOC，該軟件提供了離線和在線編程、監控、文檔和實驗軟件包。SoftPLC 作為一種PLC，不同與其他由軟件控制的系統，它具有是實時邏輯控制功能，可于其他類型的PLC接口，與I/O系統、PLC及其其他裝置進行連網通信，具有良好的人機界面，是將來PLC的發展方向。

可編程控制器從產生到現在，由于其編程簡單、可靠性高、使用方便、維護容易、價格適中等優點，使其得到迅猛的發展，在冶金、機械、石油、化工、紡織、輕工、建筑、運輸、電力等部門得到了廣泛的應用?？删幊炭刂破骷夹g已與機器人技術、CAD/CAM技術并列為現代工業生產自動化的三大支柱。從單機自動化到生產線的自動化、柔性制造系統，乃至整個工廠的生產自動化。PLC均但當著重要的角色。

第五章 本課題研究目的與實現意義

以前，有很多舞臺幕布、吊桿、燈光等都是完全用手動來完成的，使舞臺工作人員面臨著很大的工作壓力，使用低壓電器控制，系統控制精度不高，也存在著很大的安全隱患。PLC在工業現場控制方面有很大的優勢，它編程簡單、可靠性高、使用方便、改變控制目的只需改變程序就可以了等優點。

本系統將PLC與傳統低壓電器一起應用到舞臺吊桿控制系統中，結合兩者優點，使系統具有手動、自動和半自動功能，滿足不同演出需要，也大大增強了系統的安全性和靈活性，為迅猛發展的文化演出事業保駕護航。