CN104597834A - 一种多升降舞台群组控制系统 - Google Patents

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牛国臣
胡丹丹
高庆吉
王续乔
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts

Abstract

一种多升降舞台群组控制系统。其包括控制台、人机界面、主站控制器、交换机、以太网、从站控制器、变频器、编码器和限位开关；其中：控制台与人机界面连接并同时与交换机相连接；主站控制器与交换机相连接，多个从站控制器通过以太网与交换机相连接，从站控制器同时与多个变频器连接，电机分别与多个变频器和多圈编码器相连接，限位开关与从站控制器相连接。本发明提供的多升降舞台群组控制系统为基于工业以太网的集散控制系统，以工控机和PLC为核心控制器，变频器作为驱动装置，可实现对40个独立运行的矩阵式升降台的速度、位置伺服运动控制及编组运行。

Description

一种多升降舞台群组控制系统
技术领域
本发明属于计算机控制技术领域，特别是涉及一种多升降舞台群组控制系统。
背景技术
升降舞台是现代演艺中常用的一种舞台表现形式，其能够根据设计的舞台效果进行升降台的编组运行。
升降舞台控制系统涉及计算机控制、变频驱动、网络通信及传感器等多种技术，不仅要求该系统对机械设备具有调速、定位等基本功能，还应对其能够提供方便灵活的操作和及时有效的监管，因此控制系统基本都采用集散控制方式，以实现对设备的集中管理，分散控制。常见的控制方式有两种，一种是“上位机+服务器+轴控制器+驱动单元”的方式，这种方式源之于国外的技术，不过也存在一些问题，如轴控制器的硬件与软件与其他产品的兼容性较差，因而对厂家的依赖程度极高。另一种是“上位机+可编程控制器(PLC)+驱动单元”的方式，这种方式是国内应用较广的舞台控制技术。但目前尚未发现基于工业以太网的集散控制系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多升降舞台群组控制系统。
为了达到上述目的，本发明提供的多升降舞台群组控制系统包括：控制台、人机界面、主站控制器、交换机、以太网、从站控制器、变频器、编码器和限位开关；其中：控制台与人机界面连接并同时与交换机相连接；主站控制器与交换机相连接，多个从站控制器通过以太网与交换机相连接，从站控制器同时与多个变频器连接，电机分别与多个变频器和多圈编码器相连接，限位开关与从站控制器相连接。
所述的人机界面为人机交互界面，采用带触摸屏的显示器组件。
所述的主站控制器和从站控制器采用PLC作为核心控制器。
所述的变频器选择高性能磁场矢量控制型。
所述的编码器选择增量型或绝对型编码器，连接于电机尾轴，用于反馈电机转动的位置信息。
本发明提供的多升降舞台群组控制系统以镇江大型水景秀《白蛇传》水中升降舞台为工程实践，设计了基于工业以太网的集散控制系统，以工控机和PLC为核心控制器，变频器作为驱动装置，可实现对40个独立运行的矩阵式升降台的速度、位置伺服运动控制及编组运行。
本发明提供的多升降台群组控制方法具有如下优点：
(1)极少的电气设备处于水下
采用岸上布置电机、减速机等驱动装置、钢丝绳远程牵引升降台的工作方式，保证了系统调试时方便性。只有限位开关等极少的电气设备处于水面以下，保证了运行的可靠及后期维护的便利。
(2)多升降台高运行同步性
控制系统采用PLC主从控制方式，通过主站控制器对从站控制器统一进行信号控制，保证了信号发送的同步。此外，采用基于工业以太网的通信方式，网络带宽大，能满足大量数据快速交换的需求，信号传输延时小，保证了信号传输的同步。
(3)控制精度高
采用“PLC+矢量变频器+变频电机+编码器”控制方式，可实现对升降台进行精确伺服控制。使用矢量变频器，在电机低速运行时仍可输出较大转矩，且具有零速保持功能，升降台停位时电机不用抱闸，因而消除了因抱闸导致的定位不准确问题。
(4)扩展性强
系统采用星型网络拓扑结构，便于进行扩展,可方便进行从站控制器的增减。
附图说明
图1为升降舞台组成示意图。
图2为升降舞台中传动装置组成示意图。
图3为升降舞台中升降台结构示意图。
图4为位置闭环负反馈控制系统图。
图5为本发明提供的多升降舞台群组控制系统结构示意图。
图6为限位开关安装相对位置示意图。
图7为变频电机一次回路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的多升降舞台群组控制系统进行详细说明。
本升降舞台群组控制系统主要是对由传动装置和升降台构成的升降舞台中的升降台进行运动控制，按照演出场景要求，控制升降台以预定速度到达指定位置，并监视升降台的运行状态。系统能够实现单升降台的速度和位置控制，还能进行多升降台的运动组合、场景编辑等操作。
由于升降台位于水中，为减少驱动装置对水质影响，采用电机驱动方式。
如图1、图2所示，所述的传动装置主要为电机1、减速机2、联轴器3、链轮4、链条5和钢丝绳6；其中：电机1通过减速机2、联轴器3与链轮4相连接，并能够带动链轮4转动，链条5安装在链轮4之上并与之相啮合，链条5的外端与钢丝绳6一端相连接，链轮4转动时能够带动链条5对钢丝绳6实施牵引收放，实现通过钢丝绳6远程牵引升降台运行；为节约空间，使用链轮链条传动方式代替卷筒对钢丝绳6进行收放。
如图1、图3所示，升降台为框架式结构，主要由外框架7和内框架8组成，外框架7固定在地基上；内框架8嵌入在外框架7内部，并且下端与钢丝绳6的另一端相连接，可通过钢丝绳6牵引内框架8沿着外框架7上的导轨进行升降运动。
本发明是对水中40个独立驱动的升降台进行运动控制，每个升降台由一台电机1拖动，通过钢丝绳6进行远程牵引，且系统输入输出I/O点数量近1000点，数据处理量较大。因此，设计合理的控制系统结构对升降台的同步运行至关重要。系统选用基于工业以太网的分布式控制方式，实时性和可靠性高，可有效减小信号传输延时对升降台同步运行的影响。
升降台由电机1进行拖动，控制电机1即可控制升降台，本系统以控制器为控制核心，并选择变频调速方式控制电机1转速，采用“控制器+变频器+电机+编码器”控制方式对电机1进行伺服控制。
如图5所示，本发明提供的多升降舞台群组控制系统包括：控制台11、人机界面12、主站控制器13、交换机14、以太网15、从站控制器16、变频器17、编码器19和限位开关20；其中：控制台11与人机界面12连接并同时与交换机14相连接；主站控制器13与交换机14相连接，多个从站控制器16通过以太网15与交换机14相连接，从站控制器16同时与多个变频器17连接，电机1分别与多个变频器17和多圈编码器19相连接，限位开关20与从站控制器16相连接。
监控设备包括控制台11、人机界面12，控制台11用于实现软件组态、参数设定、在线监视和系统调试及维护等功能，人机界面12用于实现升降台控制、场景操作、状态显示和报警等功能；控制设备包括主站控制器13、从站控制器16，实现变频器控制、数据采集及处理等功能；其中，主站控制器13设置1个，从站控制器16设置n(n≥10)个，每个从站控制器16控制四台变频器17。主站控制器13主要实现舞台场景数据处理，控制信号通过主站控制器13统一发送到从站控制器16，可提高信号的同步性，进而提高升降台的同步性；从站控制器16实现对变频器17运行控制及状态信息采集等功能；主站控制器13与从站控制器16通过交换机14连接成工业以太网的控制网络；为提高可靠性，减少系统中的耦合，每台电机1由一台变频器17驱动，这样单台变频器17故障不会影响其他变频器17正常工作。
为实现对升降台的位置伺服控制，需要反馈升降台的实际位置信息，一般是在升降台侧安装编码器；由于升降台位于水中，若在其上安装编码器，需要其在水中工作，且升降台距离控制端最远可达百米，编码器信号衰减很大。因此，在升降台上安装编码器很难达到理想的效果。采用在电机1尾轴上安装编码器19的方式，构成电机位置闭环负反馈系统，如图4所示。通过精确控制电机1转动的位置，经过传动装置进而控制升降台的位置。
所述的人机界面12为人机交互界面(HMI)，采用带触摸屏的显示器组件。
所述的主站控制器13和从站控制器16采用工业上应用广泛且性能稳定的PLC作为核心控制器，PLC选择具有四组高速脉冲输出的运动控制型主机，可以直接控制四台变频器17运行。
所述的变频器17选择高性能磁场矢量控制型，具有优异的伺服控制特性，控制模式为FOC+PG时可以在极低转速下产生200％的初始转矩，并具有零速保持功能，可以在升降台静止时电机不抱闸而长时间运行，因而，在升降台停止时不会出现因电机抱闸导致下滑的现象。
所述的电机1选择三相异步双制动变频电机，具有良好的启动性能，并且对非正弦波电源的适应能力强，可用于不同工况条件下的频繁变频调速。具有两个制动装置，为失电抱闸型，安全性能更高。此外，采用独立的轴流风机进行冷却，可长时间运行于低速情况下。
所述的编码器19选择增量型编码器，连接于电机1尾轴，用于反馈电机1转动的位置信息。
限位开关20用于升降台的运行位置限定。为保证运行安全，在升降台侧安装7个限位开关20，分别为上越程1个、上停止2个、下减速1个、下停止2个和下越程1个，相对距离示意图如图6所示，单位mm。其中，下减速和下停止限位开关20用于确定升降台的初始位置。
为提高系统可靠性，在电机1控制的一次回路中设置滤波器和电抗器，原理图如图7所示；在变频器进线侧设置滤波器和输入电抗器，滤波器可降低电磁干扰，输入电抗器可减小进线电源的瞬时峰值电压及电流对变频器17的影响；在变频器17输出侧设置了输出电抗器，可减小电机线的电磁辐射，延长电机线的长度。
图7示出了变频电机一次回路原理图。
本系统的技术指标如下：
(1)升降舞台升降高度范围[0,4000mm]，可任意位置停位；
(2)升降舞台调速范围[0,200mm/s]；
(3)升降舞台运行平稳，起动、停止过程平缓无冲击，可以设定启动和停止的加速度；
(4)升降舞台控制方式：单独控制和联动控制，可设置各升降台的高度组合；
(5)工作环境温度：10℃-40℃。
本发明提供的多升降舞台群组控制系统，实现了一种用于多升降台同步运行的控制系统结构，实现对40台及以上水中升降舞台的远程集中控制，该结构具有通信延时小、同步性能好和易于扩展的特点。针对水中升降台的位置控制问题，设计了单位置反馈的精确定位系统，在电机尾轴上安装编码器，构成电机的位置闭环，经过传动装置进而控制升降台位置。系统能进行单台升降台的速度、位置伺服控制及群组控制，具有场景编辑功能，可根据演出需求设计升降台的运动组合。系统具有控制精度高、可靠性高、易于维护扩展的特点。

Claims (5)

1.一种多升降舞台群组控制系统，其特征在于：所述的多升降舞台群组控制系统包括：控制台(11)、人机界面(12)、主站控制器(13)、交换机(14)、以太网(15)、从站控制器(16)、变频器(17)、编码器(19)和限位开关(20)；其中：控制台(11)与人机界面(12)连接并同时与交换机(14)相连接；主站控制器(13)与交换机(14)相连接，多个从站控制器(16)通过以太网(15)与交换机(14)相连接，从站控制器(16)同时与多个变频器(17)连接，电机(1)分别与多个变频器(17)和多圈编码器(19)相连接，限位开关(20)与从站控制器(16)相连接。
2.根据权利要求1所述的多升降舞台群组控制系统，其特征在于：所述的人机界面(12)为人机交互界面，采用带触摸屏的显示器组件。
3.根据权利要求1所述的多升降舞台群组控制系统，其特征在于：所述的主站控制器(13)和从站控制器(16)采用PLC作为核心控制器。
4.根据权利要求1所述的多升降舞台群组控制系统，其特征在于：所述的变频器(17)选择高性能磁场矢量控制型。
5.根据权利要求1所述的多升降舞台群组控制系统，其特征在于：所述的编码器(19)选择增量型或绝对型编码器，连接于电机(1)尾轴，用于反馈电机(1)转动的位置信息。
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