基于S7-200的智能舞台台面控制系统设计

1 引言
随着人们文化生活水平的提高，对舞台演出节目的质量要求越来越高。舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。国内虽有部分舞台参照了国外的舞台形式，但整体的技术水平较低，不能满足舞台使用的各种功能要求。针对剧院(包括电视台演播厅)舞台的台面固定，造型、风格单一，舞美总体效果达不到表演要求的现状，依据舞台建造时的总体工艺方案设计，通过PLC控制及机、电、液一体化技术使通信系统能够实现上位计算机、PLC以及现场智能仪器之间良好、快速的通信，从而完成了现场数据的实时显示与控制。实现舞台的升降、移动升降、旋转、升降旋转、伸缩、伸缩升降等运动，从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协调变化功能，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。智能舞台一次投资建成后，由于其多种舞台的组合变化形式，可满足各种演出节目的要求，故可免去许多原来须根据不同演出搭建不同舞台的重复搭建演出舞台的弊端，并且还增加了演出的场景变化，丰富了演出效果。
本文以某广播电视中心800m2演播厅智能舞台的设计安装与调试为研究背景说明s7-200[1]在舞台的台面控制中的应用。

2 智能舞台控制系统构成
2.1 舞台台面组成
舞台台面运动可以实现舞台的升降、移动升降、旋转、升降旋转、伸缩、伸缩升降等运动，舞台的基础变化将达到数十到近百种，从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协调变化功能，避免了传统的为一次性使用而反复搭建基础舞台造成的人力、物力、财力的浪费，缩短了节目舞台准备周期，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。
智能舞台台面控制系统主要针对单元舞台台面运动进行控制。图1为某广播电视中心800m2演播厅智能舞台台面结构，包括5个升降台面，一个通道台面，一个旋转台面和一个T型台面，其中1#~5#为升降台，6#为通道台，7#为旋转台，8#为带伸缩功能的T型台。8块活动台面均有现场手动和自动工作方式选择，当选择工作方式时，其所有动作均由PLC完成。通过上位机(监控计算机)可实现整体舞台活动台面的监视和控制。

图1 舞台台面构成

2.2 台面运动控制原理
以升降台面控制系统为例，说明升降台面控制回路工作原理[2]。如图2所示，舞台的台面运动部分由单元舞台台面、叉臂升降和液压传动结构组成;而台面监控部分由上位监控机和PLC组成;泵站提供液压源。系统启动时，由上位机下达舞台台面运动量的指令，PLC接受指令，判断决策，然后向泵站电流及液压传动机构发出命令。泵站开始工作，液压传动机构中油缸活塞推动叉臂机构按输入要求带动升降舞台进行升降运动。此时安装在叉臂移动滚轮上的编码器开始旋转记录行程，它随时检测升降台的升降高度。系统中采用型号为KSJ1200编码器，其旋转速度为0.8圈/秒，在整个1200mm行程上编码器约旋转5圈，每圈产生500个脉冲，共产生5×500=2500个脉冲，平均1个脉冲代表1200/2500=0.5mm。这样，控制精度可控制在±1mm。各升降舞台既可独立运行，也可同步运行。根据各个舞台的不同要求组合成各种不同尺寸、不同形状及不同面积、不同功能的舞台。同理伸缩舞台控制系统的工作原理大致相同。

图2 升降台台面控制回路示意图

通过各单元舞台的升降、伸缩或旋转变化，满足演出过程中对舞台整体变化、各种道具及人员升降或旋转的要求。

2.3 台面运动控制系统配置
如图3所示，舞台台面控制系统主要由四大部分组成。分别是操作台、PLC控制柜、液压传动机构和各活动单元舞台台面。

图3 台面运动控制系统示意图

(1) 操作台
操作台主要完成系统的操作任务。触摸屏和工控机各自独立工作。在触摸屏操作界面上可以完成系统的操作任务，具体就是单元舞台的各种动作，在IPC编程界面上可以完成系统的编程。
(2) ADAM4520
亚当姆块为通讯接口，将上位机与PLC的通信协议转换为RS-422/RS-485串行通信协议标准，起通讯作用。
(3) 控制柜
控制部分由PLC柜和电源控制柜组成。PLC柜主要完成系统的控制任务，包括PLC主机、通信模块、输入模块、输出模块等。PLC主机接收到给定值及反馈值信号后，根据其内部的程序进行逻辑运算，按设计要求控制各个输出点，由执行元件实施具体的动作;电源控制柜主要完成系统供电、保护系统供电和液压系统泵站电机的供电任务，包括断路器、缺相检测单元和电机保护设备等组成。
当操作员发出启动油泵后，程序逻辑控制器(PLC)就给泵站主变频电机的接触器的线圈KM上电，主油泵电机工作，油压上升到设计要求后，自动通知操作员。然后操作员可选择舞台效果，如按上升命令时，舞台上升。若所选择的单元舞台上升到位后，就给程序逻辑控制器(PLC)发出一个信号，程序逻辑控制器(PLC)接到此信号后，启动维持正常油压的维持油泵电机，当维持油泵电机正常工作后，切断主油泵电机，主油泵电机停止工作。这样，主油泵电机仅在单元舞台上升和下降时工作，油压的维持靠维持电机来实现，既减少了噪音，同时起到节能的作用。油泵电机控制流程图见图4所示。

图4 油泵电机控制流程图

2.4 台面运动控制回路的组成
舞台台面控制回路是由台面、叉臂传动机机构[4]、液压传动机构[3]、PLC、上位监控机[5]等部分组成，其控制回路原理图参见图5。操作人员通过人机界面向PLC发出给定指令，测量装置对舞台升降及旋转位置进行实时监测，检测值与给定值比较，PLC经逻辑运算，命令执行机构驱动舞台升降或旋转。

图5 台面控制回路原理图

3 控制系统设计
3.1 台面尺寸
(1) 1#~5#升降台位于舞台后部，尺寸为3700mm×3000mm，主台面净升降高度1200mm，台面闭合高度600mm，单元舞台组合成单排五列布置安装在地平面上。
(2) 6#通道台位于旋转升降台与台阶升降台之间，为方便演员在演出过程中顺利地从升降台到旋转台而设计。当演员登上旋转台时，通道台落到与地面齐平。台面尺寸为1800mm×940mm，台面净升降高度1200mm，台面闭合高度600mm，台阶升降台的静载300kg/m2, 动载150kg/m2，升降速度2400mm/min。旋转台面及通道升降台面用有机玻璃装修而成。通道升降台与旋转升降台组成互动升降，使旋转升降台形成多种立体艺术效果。
(3) 7#旋转台位于智能舞台中部，台面尺寸Φ3600mm，静载400kg/m2, 动载为150kg/m2;净升降高度1200mm，升降速度2400mm/min，旋转速度600~4000mm/min可调;最低高度600mm，台面可正反向旋转。
(4) 智能化舞台的前部有1个单元伸缩、升降舞台[6]，也就是8#台。伸缩活动舞台台面尺寸为3700mm×5400 mm(由3个3700mm×1800mm台面组成)，伸缩距离分别为1800mm、3600mm、5400mm;伸缩舞台基础高度为450mm，舞台上3个升降台，其台面尺寸为3700mm×1800mm，升降高度150mm左右与固定台补平;伸缩台静载为300kg/m2,伸缩速度2000mm/min。
固定舞台大小面积为20000mm×9600mm，高度为600mm，载荷为500kg/m2,由钢框架及木板制成。台口台阶尺寸3700mm×300mm×150mm，静载为300kg/m2。

3.2 控制程序流程
在控制系统中单元舞台台面是一个非常特殊控制对象，与液压传动机构相比，它质量大，从几吨到几十吨都有，台面运动与叉臂运动是一致的，其传递函数近似地看成是一个比例环节。液压传动机构时间常数不大，所以这里采取逻辑控制策略。因为伸缩升降台和旋转台决策原理同升降台一样，以升降台为例说明其控制原理。
根据广电中心演播厅的现场要求及技术指标，要求5个升降台闭合高度为600mm，净升降高度为1200mm，整个升降高度共分四个阶段完成，每一阶段高度为300mm。每个升降台既可以一次性升降到指定高度后停止，也可以分阶段升降，即每次只升降300mm停止，多次升降到指定高度。五个升降台可以同步进行升降到指定高度值。台面高度给定值i，按照分四个阶段共有五个高度值分别赋值给五个变量:imax=1200, imid+=900, imid-=600, imin=300, i=0。下面以1#升降单元舞台为例，阐述其具体的工作过程，程序流程如图6所示。

图6 PLC网络拓扑结构图

3.3 控制系统硬件设备
800m2演播厅智能化舞台主要由前区伸缩T形台、中区旋转升降台及通道升降台、固定台、后区台阶升降台、电气驱动及液压传动系统、智能化控制系统及软件等部分组成。控制系统硬件设备如附表。

附表 基本配置表

3.4 控制系统监控点统计
针对本文所描述的广电中心800m2演播厅单元舞台控制系统的设计要求，共需要监控点96个，其中输入点57个，输出点39个。
根据广电中心800m2演播厅活动舞台设计要求，采用一台PLC S7-200，其配置如下:
(1) CPU226 1个 主机
(2) EM223 3个 (扩展模块)
(3) EM232 1个 (扩展模块)
其中，CPU226控制泵站电机变频器，1#~3#泵站及旋转台旋转动作。1# EM223输出点驱动1#~5#升降台升降运动;2# EM223输出点驱动旋转台升降及通道台升降运动;3# EM223输出点驱动伸缩T形台伸缩及升降运动。EM232 作备用。PLC网络拓扑结构图如图7所示。

图7 1# 舞台升降程序流程示意图

4 控制系统的监控
舞台台面运动控制系统采用网络通信技术，系统监控变得简单、方便。有两种操作方式可以对舞台台面运动进行控制。一种是通过触摸屏，另一种是用上位机组态软件进行监控操作。
基于Windows平台，MCGS是一个集成的人机界面系统和监控管理组态软件系统，可完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能，快速构造和生成上位机监控系统。
智能舞台台面运动控制系统监控软件采用MCGS工控组态软件，采用西门子PPI通讯协议和RS-232/485转换器与S7-200方便快速的通讯。针对舞台运动监控系统要求，本文设计了显示系统主画面，实时记录主要参数的变化及趋势，并方便地对参数进行设置;提高监控方式安全性能;能够完整记录报警时间、报警类型等，使工作人员查错方便。
以上介绍是对PLC与工控机中的MCGS组态软件的连接而言的，在单元舞台控制系统中上位机还有上节介绍的由台湾生产的台达触摸屏。两套控制系统功能相同，但适用性不同，触摸屏的点动功能是对预置程序功能/即时编程功能/随机手控功能的一种补充。
舞台监控系统主画面是在管理员输入密码进入舞台监控画面的第一个画面，在主画面中的各子画面名称与对应的子画面动态连接，如图8所示:

图8 监控系统主画面

以主升降台画面为例，说明主升降台控制界面，包括五个升降台操作画面，这五个升降台位于舞台台面后部。在此画面中可以监视五个升降台各自运动状态。它能准确地反映每一个升降台的升降方向、升降高度的变化，同时精确的显示升降高度数。还可以进行五个升降台的联动操作。主升降台画面如图9所示。

图9 主升降台画面

5 结束语
通过对智能舞台台面运动控制系统进行了分析与设计，利用西门子S7-200进行了台面运动控制系统的设计，满足了演出节目的要求，增加了演出的场景变化，丰富了演出效果，具有明显的经济及社会经济效益。现场实践证明，该设计方案控制效果良好。