交流矢量變頻器在舞臺(tái)提升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)最終版

Abstract：ThefirstscenicandmechanicalstageofChinanamedtheGlobalstageisbuiltinShenZhenwindowoftheworldco-operationlimitedcompany.Toadaptthestagetovariedshow,manymechanicalliftsareequipped.Soastoguaranteepositioningaccuracyandsafety,alotkindsofelectricalcontrolmethodsandautomationtechnologyareadoptedsuchasinverter,PLC,PROFIBUS-DP,incrementencoder,IPOSpositioning,processdata.摘要：我國(guó)首座大型全景式機(jī)械化舞臺(tái)深圳世界之窗環(huán)球舞臺(tái)，裝配了許多提升機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)各類多變的演出需要。為此，采用了多種電氣控制方式和自動(dòng)化技術(shù)，例如：變頻器、PLC、PROFIBUS-DP、增量編碼器、IPOS位置控制、過(guò)程數(shù)據(jù)等等。淺談舞臺(tái)提升機(jī)械的電氣控制作者：陳學(xué)東關(guān)鍵詞：交流矢量變頻器、PROFIBUS-DP、增量編碼器、IPOS位置控制、過(guò)程數(shù)據(jù)我國(guó)首座大型全景式機(jī)械化舞臺(tái)深圳世界之窗環(huán)球舞臺(tái),采用了大量的提升機(jī)械，其電氣控制系統(tǒng)由主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、升降臺(tái)控制系統(tǒng)和臺(tái)上設(shè)備控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。一、 電氣系統(tǒng)組成世界之窗舞臺(tái)提升機(jī)械設(shè)備的電氣控制方式分為：計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制和手動(dòng)半自動(dòng)控制兩種。這兩種控制方式各自獨(dú)立，互為備用。計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制方式能控制舞臺(tái)提升機(jī)械按預(yù)先給定的程序及隨時(shí)插入的內(nèi)容自動(dòng)完成各種相關(guān)動(dòng)作，它是舞臺(tái)提升機(jī)械設(shè)備常用的操作方式，該方式動(dòng)作準(zhǔn)確、迅速、自動(dòng)化程度高；手動(dòng)半自動(dòng)控制方式，一般作為調(diào)試和檢修時(shí)使用，當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用它操作舞臺(tái)提升機(jī)械的動(dòng)作，電氣控制系統(tǒng)圖如下：（1）主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件、組態(tài)軟件、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、彩顯、鍵盤、觸摸屏、操作按鈕與網(wǎng)絡(luò)卡等設(shè)備組成。控制操作臺(tái)配有可編程序控制器、手動(dòng)/自動(dòng)操作按鈕、狀態(tài)顯示電路等操作器件。主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口卡進(jìn)入PROFIBUS-DP工業(yè)控制網(wǎng)，并完成以下功能：Q實(shí)現(xiàn)對(duì)所有舞臺(tái)設(shè)備的程序控制。程序控制是將整個(gè)劇目需運(yùn)行的設(shè)備設(shè)成多種場(chǎng)次（CUE），編成程序，在工業(yè)控制機(jī)監(jiān)控下按單場(chǎng)/全場(chǎng)兩種方式運(yùn)行。@實(shí)現(xiàn)對(duì)所有舞臺(tái)設(shè)備的單獨(dú)控制。操作人員通過(guò)觸摸屏單獨(dú)選擇設(shè)備，按速度和位置進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制和單獨(dú)控制。Q實(shí)現(xiàn)對(duì)所有舞臺(tái)設(shè)備的集中控制。集控是在單獨(dú)控制的基礎(chǔ)上，按不同的速度和位置值進(jìn)行記憶編組，同時(shí)運(yùn)行的一種操作方式。如根據(jù)場(chǎng)景的需要，對(duì)所要運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行預(yù)先設(shè)置、編組，編組內(nèi)的設(shè)備可以在同一時(shí)間以不同的動(dòng)作、方向、速度運(yùn)行，可以有不同的目標(biāo)位置、不同時(shí)啟動(dòng)、不同時(shí)停止；同時(shí)還能完成對(duì)任一控制對(duì)象或編組設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)位置、定位位置、運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行曲線等參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，并可隨時(shí)進(jìn)行干預(yù)控制，編組場(chǎng)次不受限制。Q實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)主要設(shè)備的就近控制。近控是用近控器在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)所見(jiàn)設(shè)備狀態(tài)直接操作，用于裝臺(tái)或臨時(shí)操作。?實(shí)現(xiàn)對(duì)所有舞臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)顯示。在控制臺(tái)上設(shè)有17英寸顯示屏和10.4英寸的彩色液晶觸摸屏，主要顯示：中文菜單編輯內(nèi)容（劇目、場(chǎng)次和位號(hào)等）；動(dòng)態(tài)圖形內(nèi)容（設(shè)定和運(yùn)行的速度及位置）；設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、故障、報(bào)警、故障自動(dòng)診斷和故障處理幫助等內(nèi)容。（2） 升降臺(tái)控制系統(tǒng)系統(tǒng)由西門子S7-400可編程序控制器、變頻器、網(wǎng)絡(luò)通訊板、同步控制、控制柜、配電柜等設(shè)備組成。根據(jù)舞臺(tái)機(jī)械的速度、負(fù)荷、定位、同步、設(shè)備運(yùn)行間加速與減速等特性要求，系統(tǒng)采用了SEW高精度矢量變頻器、位控模塊對(duì)動(dòng)作對(duì)象實(shí)施控制，以獲得高性能電氣特性。四塊升降臺(tái)在四臺(tái)交流矢量變頻器控制下既能單獨(dú)動(dòng)作又能同步運(yùn)行，在接觸器柜控制下，四塊升降臺(tái)能以不同角度傾斜。（3） 臺(tái)上設(shè)備控制系統(tǒng)系統(tǒng)由西門子可編程序控制器、SEW變頻器、網(wǎng)絡(luò)通訊板、控制柜、配電柜等設(shè)備組成。調(diào)速吊桿、單吊點(diǎn)采用選通控制的方法。16道吊桿由8臺(tái)變頻器任意控制；16道單吊點(diǎn)由6臺(tái)變頻器任意控制。選通采用優(yōu)化的選通控制技術(shù)，即使某臺(tái)變頻器發(fā)生故障，也不影響系統(tǒng)整體運(yùn)行。表演渡橋、表演吊籠等均采用SEW矢量變頻器進(jìn)行一對(duì)一控制；在數(shù)字光電編碼器構(gòu)成的閉環(huán)回路作用下，對(duì)控制對(duì)象實(shí)施1：100的無(wú)級(jí)調(diào)速及任意位置的?？俊６?、設(shè)備選型針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有舞臺(tái)機(jī)械電氣控制系統(tǒng)存在設(shè)備元器件可靠性差、操作不易、顯示功能不全，尤其是具有電氣自動(dòng)化功能的系統(tǒng)存在著維護(hù)性差等弊端，為提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，在主要設(shè)備選型上，采用了如下方法：（1） 系統(tǒng)監(jiān)控軟件選用了西門子公司生產(chǎn)的WINCC專用軟件，通過(guò)WINDOWS平臺(tái)，為用戶提供了圖形畫面、操作窗口、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、順序控制，菜單處理等多種功能，還可以在線修改各可編程序控制器的參數(shù)及工作狀態(tài)。（2） 主要控制設(shè)備的可編程序控制器、變頻器、伺服控制器、位置控制設(shè)備采用了性能價(jià)格比好、高可靠性的SIEMENS公司S7-400、ET200、SEW公司MOVIDRIVE、31C系列產(chǎn)品。（3） 設(shè)備間通訊采用世界上廣泛使用的PROFIBUS-DP工業(yè)控制網(wǎng)。三、設(shè)計(jì)舉例

來(lái)自動(dòng)力柜血上電WW*WM3*P-053KW F?O33^ P-0^3KW圖2：升降臺(tái)1#的升降電路BQ1來(lái)自動(dòng)力柜血上電WW*WM3*P-053KW F?O33^ P-0^3KW圖2：升降臺(tái)1#的升降電路BQ1上電升P-30KVV1#升降臺(tái)最大升降行程為15.5米，臺(tái)面尺寸為3x16米。按照2平米/每人，每人重量為75kg計(jì)算。升降臺(tái)在滿載24人的情況下,最大運(yùn)行速度為3米/每秒時(shí)，考慮電壓降、過(guò)載等因素，選用了30KW的德國(guó)SEW交流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，型號(hào)為DV200L4。按照SEW電機(jī)-變頻器設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮到位置控制的要求以及電氣防護(hù)等級(jí)等因數(shù)，選用型號(hào)為MDV60A0300-503-4-00SEW交流矢量變頻器作為控制模塊，配有DP板實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。如圖2所示，變頻器有兩種上電方式：一種為柜控上電，當(dāng)合上QA10,繼電器KA0得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，KA1得電，KM1得電，變頻器BP上電。另一種方式臺(tái)控上電，即控制臺(tái)給出上電指令，經(jīng)MPI網(wǎng)，由臺(tái)下PLC的Q0.0端子輸出24V電壓，KA1得電，然后與前種方式相同，最終變頻器BP上電。變頻器的外部電路由各端子回路組成，說(shuō)明如下：X1為主回路輸入端；X2為電動(dòng)機(jī)連接端，X15為速度信號(hào)反饋輸入端，兩個(gè)端子的接線構(gòu)成了速度閉環(huán)；X3端子為制動(dòng)電阻連接端,X30為PROFIBUS-DP卡的接線端子；X13端子為DI輸入端子，接了三個(gè)接近開(kāi)關(guān)，分別作為零位和上、下極限位；X10端子并聯(lián)了兩個(gè)繼電器線圈。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，該端子輸出24V電壓，繼電器得電，串聯(lián)的兩個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)都閉合后，制動(dòng)器的控制接觸器KM5得電，其主觸點(diǎn)輸出380V電壓，位于驅(qū)動(dòng)軸兩端的制動(dòng)器打開(kāi)，KM5的輔助觸點(diǎn)輸出220V電壓，位于電動(dòng)機(jī)尾軸的制動(dòng)器快速打開(kāi)。這樣一來(lái)，降低了繼電器誤動(dòng)作而導(dǎo)致制動(dòng)器打開(kāi)的概率，提高了安全系數(shù)。四、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊和IPOS位置控制該變頻器的基本單元可以通過(guò)RS-485接口，按照位置和速度要求對(duì)變頻器編程。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)的指令及控制信號(hào)由長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)的過(guò)程輸出數(shù)據(jù)PO,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線按照DP地址傳給變頻器，變頻器根據(jù)端子輸入和PO數(shù)據(jù)，調(diào)用已編程的IPOS位控程序，將數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理后，按照設(shè)定的速度曲線驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)程序控制。同時(shí)將處理結(jié)果和實(shí)際位置信號(hào)，由3字節(jié)過(guò)程輸入數(shù)據(jù)PI,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線FIELDBUS反饋給PLC。整個(gè)流程如下：

BinaryinputP01P02PO3PI1PI2PI3P01PO2P03FIELDBUSFIELDBUj873PI1ActualValueDescription]874PI2ActualVoluePescTiption|875PI3ActualValueDescription876EnablePODataBusdiganosisIP0SPLUSBusdiganosis097PI1ActualValue[hex]DrivecontrolSetpointprocessing098PI2ActualValue[hex]099PI3ActualValue[hex]BinaryinputP01P02PO3PI1PI2PI3P01PO2P03FIELDBUSFIELDBUj873PI1ActualValueDescription]874PI2ActualVoluePescTiption|875PI3ActualValueDescription876EnablePODataBusdiganosisIP0SPLUSBusdiganosis097PI1ActualValue[hex]DrivecontrolSetpointprocessing098PI2ActualValue[hex]099PI3ActualValue[hex]100Setpointsourcen/Isetpointsn/ILimitsRamp,slip????n/ILimitsRamp.slip..??100Setpointsource094P01Setpoint[hex]095P02Setpoint[hex]096P03Setpoint[hex]P01SetpointDescriptionP02SetpointDescriptionP03SetpointDescription[1]圖3：FIELDBUS通訊流程

選用的德國(guó)SEW交流矢量電動(dòng)機(jī)和變頻器,在電動(dòng)機(jī)尾軸末端使

用了1024脈沖/每轉(zhuǎn)的增量編碼器構(gòu)成速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，可在行程范圍內(nèi)，根據(jù)位置設(shè)定值自動(dòng)停車，實(shí)現(xiàn)精度在+2mm范圍內(nèi)的位置控制，形式如下所示：

[2]圖3：速度閉環(huán)和位置閉環(huán)原理框圖為了保證升降臺(tái)位置控制的實(shí)時(shí)性，選擇了絕對(duì)位置控制，并結(jié)合零位信號(hào)，采取參考運(yùn)行來(lái)消除累積誤差對(duì)位置精度的不良影響部分IPOS位控程序如下所示:0=1525SETH100=31=1525SETH101=3//過(guò)程數(shù)據(jù)初始化；2=0FFFSETINTERRORM13=1CFFJMPH102!=0,M2//接收上位機(jī)位置指令4=1524SETH511=H505=0C00M2:CALLM3//調(diào)用運(yùn)行子程序；6=1FFFJMPLOI0000000001000000,M4//參考運(yùn)行判斷；7=0C00CALLM58=16FFM4:JMPUNCONDITIONED,M2//運(yùn)行子程序跳出判斷；9=1FFFM1:JMPHII0000000000000110,M6 //限位復(fù)位；10=1FFFM8:JMPHII0000000000000110,M711=19FFASTOPIPOSENABLE12=16FFJMPUNCONDITIONED,M813=19FFM7:ASTOPTARGETPOSITION14=0B00M6:RET15=17FFM5:GETSYSH100=PO-DATA//讀取位置指令；16=19FFASTOPIPOSENABLE//停止運(yùn)行；17=01FFGO0U,NW,CAM//參考運(yùn)行；34=17FFGETSYSH50=ACT.POSITION//讀取當(dāng)前位置；35=11FFMEMSTOREDATA//保存當(dāng)前位置；36=1525SETH302=037=0B00RET38=17FFM3:GETSYSH100=PO-DATA//讀取位置指令；39=1EFFJMPH102==262M15//運(yùn)行條件判斷；40=1505MULH103*46200//位置系數(shù)變換；41=1507DIVH103/10042=1524SETH105=H10443=18FFSETSYSPOS.SPEEDC(C)W=H104//設(shè)定運(yùn)行速度；44=1EFFJMPH103<5400000,M1645=1525SETH103=540000046=04FFM16:GOANOWAITH103//位置運(yùn)行；54=18FFSETSYSPOS.SPEEDC(C)W=H104//讀取運(yùn)行速度；55=16FFJMPuNCONDITIONED,M1856=17FFM17:GETSYSH50=ACT.POSITION//讀取并保存位置57=11FFMEMSTOREDATA58=0B00M15:RET五、結(jié)束語(yǔ)科學(xué)合理的使用舞臺(tái)提升機(jī)械，不但實(shí)現(xiàn)了大型晚會(huì)演出大場(chǎng)景、大道具的切換和演員的快速上下場(chǎng)；而且能夠根據(jù)演出要求，滿足燈光、幕布、景片的空間位置需隨時(shí)間變化而變化的要求。該舞臺(tái)至2001年竣工以來(lái)，除完成了每晚《創(chuàng)世紀(jì)》晚會(huì)的大型演出，還先后承辦了2001年深圳市“高交會(huì)”開(kāi)幕式晚會(huì)、