基于S7-200的智能舞臺臺面控制系統設計

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5×500=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 控制系統設計
3.1 臺面尺寸
(1) 1#~5#升降臺位于舞臺后部，尺寸為3700mm×3000mm，主臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，單元舞臺組合成單排五列布置安裝在地平面上。
(2) 6#通道臺位于旋轉升降臺與臺階升降臺之間，為方便演員在演出過程中順利地從升降臺到旋轉臺而設計。當演員登上旋轉臺時，通道臺落到與地面齊平。臺面尺寸為1800mm×940mm，臺面凈升降高度1200mm，臺面閉合高度600mm，臺階升降臺的靜載300kg/m2, 動載150kg/m2，升降速度2400mm/min。旋轉臺面及通道升降臺面用有機玻璃裝修而成。通道升降臺與旋轉升降臺組成互動升降，使旋轉升降臺形成多種立體藝術效果。
(3) 7#旋轉臺位于智能舞臺中部，臺面尺寸Φ3600mm，靜載400kg/m2, 動載為150kg/m2;凈升降高度1200mm，升降速度2400mm/min，旋轉速度600~4000mm/min可調;最低高度600mm，臺面可正反向旋轉。
(4) 智能化舞臺的前部有1個單元伸縮、升降舞臺[6]，也就是8#臺。伸縮活動舞臺臺面尺寸為3700mm×5400 mm(由3個3700mm×1800mm臺面組成)，伸縮距離分別為1800mm、3600mm、5400mm;伸縮舞臺基礎高度為450mm，舞臺上3個升降臺，其臺面尺寸為3700mm×1800mm，升降高度150mm左右與固定臺補平;伸縮臺靜載為300kg/m2,伸縮速度2000mm/min。
固定舞臺大小面積為20000mm×9600mm，高度為600mm，載荷為500kg/m2,由鋼框架及木板制成。臺口臺階尺寸3700mm×300mm×150mm，靜載為300kg/m2。

3.2 控制程序流程
在控制系統中單元舞臺臺面是一個非常特殊控制對象，與液壓傳動機構相比，它質量大，從幾噸到幾十噸都有，臺面運動與叉臂運動是一致的，其傳遞函數近似地看成是一個比例環節。液壓傳動機構時間常數不大，所以這里采取邏輯控制策略。因為伸縮升降臺和旋轉臺決策原理同升降臺一樣，以升降臺為例說明其控制原理。
根據廣電中心演播廳的現場要求及技術指標，要求5個升降臺閉合高度為600mm，凈升降高度為1200mm，整個升降高度共分四個階段完成，每一階段高度為300mm。每個升降臺既可以一次性升降到指定高度后停止，也可以分階段升降，即每次只升降300mm停止，多次升降到指定高度。五個升降臺可以同步進行升降到指定高度值。臺面高度給定值i，按照分四個階段共有五個高度值分別賦值給五個變量:imax=1200, imid+=900, imid-=600, imin=300, i=0。下面以1#升降單元舞臺為例，闡述其具體的工作過程，程序流程如圖6所示。

圖6 PLC網絡拓撲結構圖

3.3 控制系統硬件設備
800m2演播廳智能化舞臺主要由前區伸縮T形臺、中區旋轉升降臺及通道升降臺、固定臺、后區臺階升降臺、電氣驅動及液壓傳動系統、智能化控制系統及軟件等部分組成。控制系統硬件設備如附表。

附表 基本配置表

3.4 控制系統監控點統計
針對本文所描述的廣電中心800m2演播廳單元舞臺控制系統的設計要求，共需要監控點96個，其中輸入點57個，輸出點39個。
根據廣電中心800m2演播廳活動舞臺設計要求，采用一臺PLC S7-200，其配置如下:
(1) CPU226 1個 主機
(2) EM223 3個 (擴展模塊)
(3) EM232 1個 (擴展模塊)
其中，CPU226控制泵站電機變頻器，1#~3#泵站及旋轉臺旋轉動作。1# EM223輸出點驅動1#~5#升降臺升降運動;2# EM223輸出點驅動旋轉臺升降及通道臺升降運動;3# EM223輸出點驅動伸縮T形臺伸縮及升降運動。EM232 作備用。PLC網絡拓撲結構圖如圖7所示。

圖7 1# 舞臺升降程序流程示意圖

4 控制系統的監控
舞臺臺面運動控制系統采用網絡通信技術，系統監控變得簡單、方便。有兩種操作方式可以對舞臺臺面運動進行控制。一種是通過觸摸屏，另一種是用上位機組態軟件進行監控操作。
基于Windows平臺，MCGS是一個集成的人機界面系統和監控管理組態軟件系統，可完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出及企業監控網絡等功能，快速構造和生成上位機監控系統。
智能舞臺臺面運動控制系統監控軟件采用MCGS工控組態軟件，采用西門子PPI通訊協議和RS-232/485轉換器與S7-200方便快速的通訊。針對舞臺運動監控系統要求，本文設計了顯示系統主畫面，實時記錄主要參數的變化及趨勢，并方便地對參數進行設置;提高監控方式安全性能;能夠完整記錄報警時間、報警類型等，使工作人員查錯方便。
以上介紹是對PLC與工控機中的MCGS組態軟件的連接而言的，在單元舞臺控制系統中上位機還有上節介紹的由臺灣生產的臺達觸摸屏。兩套控制系統功能相同，但適用性不同，觸摸屏的點動功能是對預置程序功能/即時編程功能/隨機手控功能的一種補充。
舞臺監控系統主畫面是在管理員輸入密碼進入舞臺監控畫面的第一個畫面，在主畫面中的各子畫面名稱與對應的子畫面動態連接，如圖8所示:

圖8 監控系統主畫面

以主升降臺畫面為例，說明主升降臺控制界面，包括五個升降臺操作畫面，這五個升降臺位于舞臺臺面后部。在此畫面中可以監視五個升降臺各自運動狀態。它能準確地反映每一個升降臺的升降方向、升降高度的變化，同時精確的顯示升降高度數。還可以進行五個升降臺的聯動操作。主升降臺畫面如圖9所示。

圖9 主升降臺畫面

5 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。