舞台机械吊杆控制系统PLC技术应用

随着人们生活水平的提高，对舞台设计和背景提高了更高的要求。舞台电动吊杆以其多功能和高利用率在众多演出场馆和剧场中得到普遍应用。本系统将工业级控制器PLC和高精度位置检测传感器应用舞台电动吊杆控制系统，实现电动吊杆自动正确定位控制。

章 舞台机械控制系统概述

第二章 PLC技术的发展状况

第三章 控制系统的整体设计方案及主要器件旋转编码器、PLC和变频器的选择，并对所选器件做了必要的说明

第三章 控制系统各个子模块的实现电路，包括配电部分的设计、变频器外围电路及变频器控制下的6个吊杆调速系统设计、电动定位吊杆控制系统设计和PLC与触摸屏的连接

第四章 控制系统的软件设计，包括格雷码到二进制的转换、调速系统的软件设计及电动定位控制系统的设计

后，对所做的一些工作进行了总结，并对舞台电动吊杆控制系统进行了展望。

正文

章 舞台机械发展历程

改革开放十多年来，随着中国社会主义市场经济的逐步完善，我国人民的生活发生状况发生了翻天覆地的变化，人们在物质生活逐步富裕的同时，一开始追求精神文化事业的发展。近几年，全国各地特别是经济发达地区掀起起了文化设施建设的热潮，大量新建改建的剧场急需高技术设备来装备，各类剧场成为文化设施建设中的主角，这正是我国经济迅速发展、人民生活逐步提高和文化事业空前繁荣的具体体现。这些设施的建设适应了频繁的文艺演出、各类形式的文化节、艺术活动和国际文化艺术交流不断增长的需要。应该说，国家大剧院的建设促进和带动了剧场建设的发展，也大大推动了我国舞台机械及装备事业的前进步伐。国家大剧院舞台机械工程的技术文件一成为剧场建设舞台机械设计的一个良好的例证，并为规范舞台机械行业的技术和商业活动起到较大的作用。

舞台设备发展到今天，是致力于这方面研究的众多科技工作者是分不开的，我们有必要先回顾我国舞台机械设备的发展进程。

解放前，我国舞台机械的发展非常缓慢，设备极其简陋。随着新中国的建立，在物质生活水平提高的同时，人们迫切需要提高科学文化水平，党和政府非常重视人民群众文化事业的发展，早在五十年代初就兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了相当数量的舞台机械设备：手动吊杆，假台口，电动垂直吊杆等，虽然控制手段还比较落后，但毕竟有了自己的舞台设备。

到了六、七十年代，我国建成了一大批相对规模较大的剧场，典型的是北京的人民大会堂，另外还有广州的友谊剧院、长沙青年宫、杭州剧院等。这些剧院都设置了较先进的平衡手动吊杆和假台口、甚至还有升降池。但在舞台机械这方面，还没有什么突破，不可否认，在舞台的发展方面，我国与发达国家还有相当大的差距。

进入了八十年代以后由于我国经济条件好转，先后根据各自不同的演出功能要求，设计了各种不同类型的舞台机械：用于歌舞表演的中国剧院、用于戏剧表演的中央戏剧学院排练场、用于话剧演出的中国少儿艺术剧院等，这些舞台机械适应了不同的演出要求，丰富了人民的业余文化生活。 进入九十年代处，我国舞台机械方面又有了长足进步，先后建成了深圳大剧院等一系列大型的较先进的现代化影剧院。这些剧院的舞台机械已经较为齐全，如台上舞台机械有匀速吊杆、电动伸缩大幕、活动假台口，还有灯光渡桥、灯光吊笼、天幕灯架等。台下舞台机械有机械升降乐池、活动假台口，还有灯光渡桥、伸缩舞台、车台。特别是后舞台还有移动式转台，该设备具有可以电动行走到主台并可以旋转的功能，技术含量较高，应用较方便。

第二章 舞台机械控制系统发展现状

1. 采用STD工业控制机控制舞台机械设备

控制方法采用了光电隔离开关量输入输出，对吊杆、大幕、转台、车台台和升降乐池进行控制。由于有效放电路STD5238板可以直接驱动中间继电器，以控制电机的正、反向旋转和停止。计算机判断控制对象的当前位置与将要到达的位置是否一致，并发出相应的指令。对于升降台的控制，由于需要在任意位置停止、故采用了脉冲发生装置和脉冲输入/输出板，用Z80—CTC定时/计数器电路对所接收到的脉冲信号加以处理，发出相应的命令，控制升降台按预定的要求运行。若在吊杆、转台、电车等设备也安装上脉冲发生装置(编码器、霍尔元件等)。系统就可对这些设备进行计数控制，使其成为数控设备。

2. 采用PLC控制的舞台机械控制系统

近年来，由于可编程控制器(PLC)具有操作简单、运行可靠、性能稳定、功能齐全等特点，除了具有基本的开关量输出、输入模块外，还有多点I/O、A/D、D/A、高速计数器、模拟定时器、温度传感器等模块，其内部一般还设有计数器、定时器、保持继电器、数据存储器，能够提供上千条指令完成数值计算功能和数据处理，具有响应速度快、实时性强、模块化结构组灵活、可靠性高的优点，并具有多种联网模式与计算机通讯。

3. 模糊控制用于舞台机械控制系统

在工业控制中，控制对象经常是时变的，非线性的。由于存在纯滞后，参数未知或存在漂移，其数学模型很难建立。因此采用传统的控制方法对这类被控制对象进行分析和综合是比较困难的。模糊控制作为一种语言控制器，近似的反映了良好控制者—人的行为，无需预先获知被控对象的精确数学模型就可以获得满意的控制效果。

模糊控制在实际中的应用越来越广，已经有将模糊控制应用于控制舞台的工程，主要控制如下：

3.1 系统的启动 启动过程中要求调速器以合理的斜率跟综上给定的速度，启动过程要求平稳。在此系统中，以均匀加速来达到以上要求，且限制了高斜率，启动过程在系统总行程的10%以内完成。

3.2 运动过程控制 当系统达到预定速度之后，采用单输入模糊控制策略来稳定或跟踪运行速度，这一过程主要是对速度进行稳定及追综，对位置的检测仅作为求取速度及判断减速制动时机的依据。

3.3 系统减速及准确定位将变为主要矛盾，控制器的设计思想是：系统速度均匀降低，在到达指定位置时速度降到低，再利用制动机构使其平稳的停在预定位置。这个过程中要求对速度、位置进行综合调节，以上的控制量保证了控制运动过程的性能，但仍无法做到高精度准确定位，为此，在系统的控制器中设置了自校正变化，但在同一个吊杆的同一场次演出中，其惯性是基本一致的，因此其误差也基本是一个常数，利用微机的记忆功能及演出前的装台调试过程。就可以估算出一个超前或滞后的校正量，并将其引入控制器中。这样，通过计算机的自学习过程，控制器就可以自动校正由于系统的不确定性而产生的位置跟踪误差，从而达到准确定位，实践证明，利用模糊空话子的方法来控制舞台吊杆是非常有效的。

3.4 工控组态软件FIX用语舞台机械的控制 在计算机及相关技术的飞速发展地今天，计算机控制在工业中的应用日渐广泛，舞台机械领域也不例外。随着用户对舞台设备使用功能以及安全性等方面的要求提高，在舞台机械控制中相应采用了一些先进的控制技术、计算机软硬件、图形显示技术、局域网络技术以及通信技术等。

4. 由于其涉及面较广，全部硬、软件不可能出自一家公司，再加上每个用户的要求也不一样，面对这种情况，目前国际上逐渐流行的方式是硬件部分采用通用硬件，软件部分则采用开放的组态软件。这样做的优点在于通用硬件开放性好，通用性强，产品的成本和价格可以控制的较低，又便于维护扩充。组态软件则是一种控制系统开发工具，拥护只要根据应用对象和控制任务的要求，利用组态软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，就可以得到所需的软件功能。组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发，这种搭积木方式的系统构成方法使得控制软件的编制变得相当轻松明了，开发的周期和成本大大降低。而且由于系统是由这些可靠的“积木块”组成，可靠性和可维持性增强。在北京人民大会堂小礼堂舞台机械的改造工程中，浙江舞台设计研究就是采用这种方式来构成控制系统。

第三章 PLC技术发展状况

从1969年出现台PLC，经过几十年的发展，PLC已经发展到了第四代。其发展过程大致如下：

1. 代在1969~1972年。这个时期是PLC的发展初期，该时期的产品，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁性存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、记数和顺序控制等功能，可靠性比以前的顺序控制器有较大提高，灵活性也有所增加。

2. 第二代在1973~1975年。该时期是PLC的发展中期，随着微处理器的出现，该时的产品已开始使用微处理器作CPU,存储器采用半导体存储器。其功能进一步发展和完善，能够实现数字运算、传送、比较、PID调节、通信等功能，并初步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高，但扫描速度不太理想。

3. 第三代在1976~1983年。PLC进入了大发展阶段，这个时期的产品已采用了8位和16位微处理器作为CPU，部分产品还采用了多微处理器结构。其功能显着增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的运算，具备完善的通信功能和较强的I/O能力，具有较强的字诊断功能并采用了容错技术。在规模上向两极发展，即向小型、超小型和大型发展。

4. 第四代为1983年到现在。这个时期的产品除了采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，有的已达数兆字节;可以将多台PLC衔接起来，实现资源共享;可以直接用于一些规模较大的复杂的控制系统;编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等外，还可以使用语言;外设多样化，可以配置CRT和打印机等。 随着微处理技术的发展，可编程控制器也得到了迅速的发展，其技术和产品日趋完善。它不仅以其良好的性能特点满足了工业生产控制的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使得其功能日趋完善化。

第四章 PLC发展趋势

目前PLC技术和产品的发展非常活跃，各厂家不同类型的PLC品种繁多，各具特色，各有千秋。综合起来看，PLC的发展趋势有以下几个方面。

1. 系统功能完善化

现今的PLC在功能上已有了很大的发展，它不再是仅仅能够取代集电接触器控制的简单逻辑控制器，而是采用了功能强大的高档微处理器加上完善的输入输出系统，使得系统的处理功能和控制功能得到大大增强。同时它还采用了现代数据通信和网络技术，配以交互图形显示及信息储存、输出设备，使得PLC系统的功能日趋完美，足以能够满足绝大多数的生产控制需要。

2. 体系结构开放化及通信功能标准化

大多数PLC系统都采用了开放性体系结构，通过制定系统总线接口标准、扩展和通信接口标准，使得PLC系统能够根据应用需求的应用大小任意扩展。绝大多数公司推出的硬件产品均采用模块化、单元结构化，根据应用要求确定模块的数量，这样既减少了系统投资，又保证了今后系统升级、扩展的需要。 目前各公司的总线、扩展接口及通信功能均是各自独立制定的，还没有一个适合所有公司产品的统一标准，在通信接口上虽然大多数产品采用了标准化接口，但在通信功能上大多数是非标准化的。为了适应应用环境要求，制定统一的、规范的PLC产品标准是今后发展的必然趋势。

3. I/O模块智能化及安装现场化

为了提高系统的处理能力和可靠性，大多数PLC产品均采用了智能化I/O模块，已减轻CPU的负担，同时也为I/O系统的冗余带来了方便。另一方面为了减少系统的配线，减少I/O信号在长线传输时引入的干扰，很多PLC将其I/O模块通过通信光缆或光纤与主CPU进行数据通信，完成信息交换。

4. 功能模块专用化

为了满足控制系统的特殊要求，提高系统的响应速度，很多PLC公司推出了专用化功能模块，以满足系统诸如快速响应、闭环控制、复杂控制模式等特殊要求，从而解决了PLC周期扫描时间过长的矛盾。

5. 编程组态软件图形化

为了给用户一个提供友好、方便、的编程组态界面，大多数PLC公司都开发了图形化编程组态软件。该软件提供了简捷、直观的图形符号以及注释信息使得用户控制逻辑的表达更加直观、明了，操作和使用也更加方便。

6. 硬件结构集成化、冗余化

随着专用集成电路和表面安装技术在PLC硬件设计上的应用，使得PLC产品硬件元器件数量更少、集成度更高、体积更小，其可靠性更高。同时，为了进一步提高系统的可靠性，PLC产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU单元、电源单元、通信单元或I/O单元甚至整个系统的冗余配置，使得整个PLC系统的可靠性得以进一步加强。

7. 控制与管理一体化

为了进一步满足控制需要，提高工厂自动化水平，PLC产品广泛采用了计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，进一步提高了PLC产品的功能，更好地满足现代化大生产的控制与管理需要。

8. 向控制的开放、SOFTPLC的方向发展

SoftPLC 是把标准工业控制计算机转变成为一全功能类似PLC的过程控制器的软件技术。SoftPLC把PID算法、离散和模拟输入输出控制以及计算机的数据处理、计算和连网功能结合起来。作为一个多任务控制内核，它提供一个强大的指令系统，快速、准确的扫描时间，一个可与许多I/O系统、其他装置和网络相连的的开放式结构。它不仅具有“硬”PLC所有的特征和功能，而且具有它不具备的开放式系统特征。SoftPLC通常作为内置式系统在硬件上运行，它允许用户为满足特殊需要而去扩展指令表，采取梯形逻辑执行功能，由于维护人员已经熟悉基于控制系统梯形逻辑的故障诊断和编程，这使得“硬”PLC到SoftPLC的转变很容易。另外，它允许用户用C、C++或Java语言来进行编程，Java虚拟机和内置式网络服务器为SoftPLC提供了如数据共享、操作、远程检测和维修等功能。另外，软PLC提供了可用于编程和检测的工具——TOPDOC，该软件提供了离线和在线编程、监控、文档和实验软件包。SoftPLC 作为一种PLC，不同与其他由软件控制的系统，它具有是实时逻辑控制功能，可于其他类型的PLC接口，与I/O系统、PLC及其其他装置进行连网通信，具有良好的人机界面，是将来PLC的发展方向。

可编程控制器从产生到现在，由于其编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，使其得到迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。可编程控制器技术已与机器人技术、CAD/CAM技术并列为现代工业生产自动化的三大支柱。从单机自动化到生产线的自动化、柔性制造系统，乃至整个工厂的生产自动化。PLC均但当着重要的角色。

第五章 本课题研究目的与实现意义

以前，有很多舞台幕布、吊杆、灯光等都是完全用手动来完成的，使舞台工作人员面临着很大的工作压力，使用低压电器控制，系统控制精度不高，也存在着很大的安全隐患。PLC在工业现场控制方面有很大的优势，它编程简单、可靠性高、使用方便、改变控制目的只需改变程序就可以了等优点。

本系统将PLC与传统低压电器一起应用到舞台吊杆控制系统中，结合两者优点，使系统具有手动、自动和半自动功能，满足不同演出需要，也大大增强了系统的安全性和灵活性，为迅猛发展的文化演出事业保驾护航。