基于S7-200的智能舞臺臺面控制系統(tǒng)設計

1 引言
隨著人們文化生活水平的提高，對舞臺演出節(jié)目的質(zhì)量要求越來越高。舞臺的現(xiàn)代化、智能化是必然的發(fā)展趨勢。國內(nèi)雖有部分舞臺參照了國外的舞臺形式，但整體的技術(shù)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(xiàn)狀，依據(jù)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(shù)使通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位計算機、PLC以及現(xiàn)場智能儀器之間良好、快速的通信，從而完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示與控制。實現(xiàn)舞臺的升降、移動升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、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(xié)調(diào)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(jié)目的要求，故可免去許多原來須根據(jù)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(diào)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(tǒng)構(gòu)成
2.1 舞臺臺面組成
舞臺臺面運動可以實現(xiàn)舞臺的升降、移動升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、伸縮、伸縮升降等運動，舞臺的基礎變化將達到數(shù)十到近百種，從而達到舞臺與舞美、演員、場景、燈光等協(xié)調(diào)變化功能，避免了傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，包括5個升降臺面，一個通道臺面，一個旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺，8#為帶伸縮功能的T型臺。8塊活動臺面均有現(xiàn)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(jiān)控計算機)可實現(xiàn)整體舞臺活動臺面的監(jiān)視和控制。

圖1 舞臺臺面構(gòu)成

2.2 臺面運動控制原理
以升降臺面控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)組成;而臺面監(jiān)控部分由上位監(jiān)控機和PLC組成;泵站提供液壓源。系統(tǒng)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(gòu)發(fā)出命令。泵站開始工作，液壓傳動機構(gòu)中油缸活塞推動叉臂機構(gòu)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(zhuǎn)記錄行程，它隨時檢測升降臺的升降高度。系統(tǒng)中采用型號為KSJ1200編碼器，其旋轉(zhuǎn)速度為0.8圈/秒，在整個1200mm行程上編碼器約旋轉(zhuǎn)5圈，每圈產(chǎn)生500個脈沖，共產(chǎn)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(jù)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的要求。

2.3 臺面運動控制系統(tǒng)配置
如圖3所示，舞臺臺面控制系統(tǒng)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(gòu)和各活動單元舞臺臺面。

圖3 臺面運動控制系統(tǒng)示意圖

(1) 操作臺
操作臺主要完成系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的編程。
(2) ADAM4520
亞當姆塊為通訊接口，將上位機與PLC的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422/RS-485串行通信協(xié)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(tǒng)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(jù)其內(nèi)部的程序進行邏輯運算，按設計要求控制各個輸出點，由執(zhí)行元件實施具體的動作;電源控制柜主要完成系統(tǒng)供電、保護系統(tǒng)供電和液壓系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(xiàn)，既減少了噪音，同時起到節(jié)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(gòu)[4]、液壓傳動機構(gòu)[3]、PLC、上位監(jiān)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(fā)出給定指令，測量裝置對舞臺升降及旋轉(zhuǎn)位置進行實時監(jiān)測，檢測值與給定值比較，PLC經(jīng)邏輯運算，命令執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動舞臺升降或旋轉(zhuǎn)。

圖5 臺面控制回路原理圖

3 控制系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)臺而設計。當演員登上旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)升降臺組成互動升降，使旋轉(zhuǎn)升降臺形成多種立體藝術(shù)效果。
(3) 7#旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度600~4000mm/min可調(diào);最低高度600mm，臺面可正反向旋轉(zhuǎn)。
(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(tǒng)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(gòu)相比，它質(zhì)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(shù)近似地看成是一個比例環(huán)節(jié)。液壓傳動機構(gòu)時間常數(shù)不大，所以這里采取邏輯控制策略。因為伸縮升降臺和旋轉(zhuǎn)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(jù)廣電中心演播廳的現(xiàn)場要求及技術(shù)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(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

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

附表 基本配置表

3.4 控制系統(tǒng)監(jiān)控點統(tǒng)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(tǒng)的設計要求，共需要監(jiān)控點96個，其中輸入點57個，輸出點39個。
根據(jù)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(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)動作。1# EM223輸出點驅(qū)動1#~5#升降臺升降運動;2# EM223輸出點驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺升降及通道臺升降運動;3# EM223輸出點驅(qū)動伸縮T形臺伸縮及升降運動。EM232 作備用。PLC網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)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(tǒng)的監(jiān)控
舞臺臺面運動控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡通信技術(shù)，系統(tǒng)監(jiān)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(tài)軟件進行監(jiān)控操作。
基于Windows平臺，MCGS是一個集成的人機界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理組態(tài)軟件系統(tǒng)，可完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)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(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能，快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)。
智能舞臺臺面運動控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用MCGS工控組態(tài)軟件，采用西門子PPI通訊協(xié)議和RS-232/485轉(zhuǎn)換器與S7-200方便快速的通訊。針對舞臺運動監(jiān)控系統(tǒng)要求，本文設計了顯示系統(tǒng)主畫面，實時記錄主要參數(shù)的變化及趨勢，并方便地對參數(shù)進行設置;提高監(jiān)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(tài)軟件的連接而言的，在單元舞臺控制系統(tǒng)中上位機還有上節(jié)介紹的由臺灣生產(chǎn)的臺達觸摸屏。兩套控制系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)主畫面是在管理員輸入密碼進入舞臺監(jiān)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(tài)連接，如圖8所示:

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)視五個升降臺各自運動狀態(tài)。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(shù)。還可以進行五個升降臺的聯(lián)動操作。主升降臺畫面如圖9所示。

圖9 主升降臺畫面

5 結(jié)束語
通過對智能舞臺臺面運動控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計，滿足了演出節(jié)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(jīng)濟及社會經(jīng)濟效益。現(xiàn)場實踐證明，該設計方案控制效果良好。