1 引言

隨著人們文化生活水平的提高，對(duì)舞臺(tái)演出節(jié)目的質(zhì)量要求越來(lái)越高。舞臺(tái)的現(xiàn)代化、智能化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)雖有部分舞臺(tái)參照了國(guó)外的舞臺(tái)形式，但整體的技術(shù)水平較低，不能滿足舞臺(tái)使用的各種功能要求。針對(duì)劇院（包括電視臺(tái)演播廳）舞臺(tái)的臺(tái)面固定，造型、風(fēng)格單一，舞美總體效果達(dá)不到表演要求的現(xiàn)狀，依據(jù)舞臺(tái)建造時(shí)的總體工藝方案設(shè)計(jì)，通過(guò)PLC控制及機(jī)、電、液一體化技術(shù)使通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位計(jì)算機(jī)、PLC以及現(xiàn)場(chǎng)智能儀器之間良好、快速的通信，從而完成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與控制。實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的升降、移動(dòng)升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、伸縮、伸縮升降等運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到舞臺(tái)與舞美、演員、場(chǎng)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(wú)窮。智能舞臺(tái)一次投資建成后，由于其多種舞臺(tái)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(lái)須根據(jù)不同演出搭建不同舞臺(tái)的重復(fù)搭建演出舞臺(tái)的弊端，并且還增加了演出的場(chǎng)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(tái)的設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試為研究背景說(shuō)明s7-200[1]在舞臺(tái)的臺(tái)面控制中的應(yīng)用。

2 智能舞臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 舞臺(tái)臺(tái)面組成

舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的升降、移動(dòng)升降、旋轉(zhuǎn)、升降旋轉(zhuǎn)、伸縮、伸縮升降等運(yùn)動(dòng)，舞臺(tái)的基礎(chǔ)變化將達(dá)到數(shù)十到近百種，從而達(dá)到舞臺(tái)與舞美、演員、場(chǎng)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(fù)搭建基礎(chǔ)舞臺(tái)造成的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，縮短了節(jié)目舞臺(tái)準(zhǔn)備周期，使精彩紛呈的演出更加豐富多彩、變幻無(wú)窮。

智能舞臺(tái)臺(tái)面控制系統(tǒng)主要針對(duì)單元舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。圖1為某廣播電視中心800m²演播廳智能舞臺(tái)臺(tái)面結(jié)構(gòu)，包括5個(gè)升降臺(tái)面，一個(gè)通道臺(tái)面，一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)面和一個(gè)T型臺(tái)面，其中1#～5#為升降臺(tái)，6#為通道臺(tái)，7#為旋轉(zhuǎn)臺(tái)，8#為帶伸縮功能的T型臺(tái)。8塊活動(dòng)臺(tái)面均有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和自動(dòng)工作方式選擇，當(dāng)選擇工作方式時(shí)，其所有動(dòng)作均由PLC完成。通過(guò)上位機(jī)（監(jiān)控計(jì)算機(jī)）可實(shí)現(xiàn)整體舞臺(tái)活動(dòng)臺(tái)面的監(jiān)視和控制。

圖1 舞臺(tái)臺(tái)面構(gòu)成

2.2 臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制原理

以升降臺(tái)面控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明升降臺(tái)面控制回路工作原理[2]。如圖2所示，舞臺(tái)的臺(tái)面運(yùn)動(dòng)部分由單元舞臺(tái)臺(tái)面、叉臂升降和液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成;而臺(tái)面監(jiān)控部分由上位監(jiān)控機(jī)和PLC組成;泵站提供液壓源。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由上位機(jī)下達(dá)舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出命令。泵站開始工作，液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中油缸活塞推動(dòng)叉臂機(jī)構(gòu)按輸入要求帶動(dòng)升降舞臺(tái)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。此時(shí)安裝在叉臂移動(dòng)滾輪上的編碼器開始旋轉(zhuǎn)記錄行程，它隨時(shí)檢測(cè)升降臺(tái)的升降高度。系統(tǒng)中采用型號(hào)為KSJ1200編碼器，其旋轉(zhuǎn)速度為0.8圈/秒，在整個(gè)1200mm行程上編碼器約旋轉(zhuǎn)5圈，每圈產(chǎn)生500個(gè)脈沖，共產(chǎn)生5×500=2500個(gè)脈沖，平均1個(gè)脈沖代表1200/2500=0.5mm。這樣，控制精度可控制在±1mm。各升降舞臺(tái)既可獨(dú)立運(yùn)行，也可同步運(yùn)行。根據(jù)各個(gè)舞臺(tái)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(tái)。同理伸縮舞臺(tái)控制系統(tǒng)的工作原理大致相同。

圖2 升降臺(tái)臺(tái)面控制回路示意圖

通過(guò)各單元舞臺(tái)的升降、伸縮或旋轉(zhuǎn)變化，滿足演出過(guò)程中對(duì)舞臺(tái)整體變化、各種道具及人員升降或旋轉(zhuǎn)的要求。

2.3 臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配置

如圖3所示，舞臺(tái)臺(tái)面控制系統(tǒng)主要由四大部分組成。分別是操作臺(tái)、PLC控制柜、液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和各活動(dòng)單元舞臺(tái)臺(tái)面。

圖3 臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

（1）操作臺(tái)

操作臺(tái)主要完成系統(tǒng)的操作任務(wù)。觸摸屏和工控機(jī)各自獨(dú)立工作。在觸摸屏操作界面上可以完成系統(tǒng)的操作任務(wù)，具體就是單元舞臺(tái)的各種動(dòng)作，在IPC編程界面上可以完成系統(tǒng)的編程。

（2）ADAM4520

亞當(dāng)姆塊為通訊接口，將上位機(jī)與PLC的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422/RS-485串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(wù)，包括PLC主機(jī)、通信模塊、輸入模塊、輸出模塊等。PLC主機(jī)接收到給定值及反饋值信號(hào)后，根據(jù)其內(nèi)部的程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，按設(shè)計(jì)要求控制各個(gè)輸出點(diǎn)，由執(zhí)行元件實(shí)施具體的動(dòng)作;電源控制柜主要完成系統(tǒng)供電、保護(hù)系統(tǒng)供電和液壓系統(tǒng)泵站電機(jī)的供電任務(wù)，包括斷路器、缺相檢測(cè)單元和電機(jī)保護(hù)設(shè)備等組成。

當(dāng)操作員發(fā)出啟動(dòng)油泵后，程序邏輯控制器（PLC）就給泵站主變頻電機(jī)的接觸器的線圈KM上電，主油泵電機(jī)工作，油壓上升到設(shè)計(jì)要求后，自動(dòng)通知操作員。然后操作員可選擇舞臺(tái)效果，如按上升命令時(shí)，舞臺(tái)上升。若所選擇的單元舞臺(tái)上升到位后，就給程序邏輯控制器（PLC）發(fā)出一個(gè)信號(hào)，程序邏輯控制器（PLC）接到此信號(hào)后，啟動(dòng)維持正常油壓的維持油泵電機(jī)，當(dāng)維持油泵電機(jī)正常工作后，切斷主油泵電機(jī)，主油泵電機(jī)停止工作。這樣，主油泵電機(jī)僅在單元舞臺(tái)上升和下降時(shí)工作，油壓的維持靠維持電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，既減少了噪音，同時(shí)起到節(jié)能的作用。油泵電機(jī)控制流程圖見圖4所示。

圖4 油泵電機(jī)控制流程圖

2.4 臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制回路的組成

舞臺(tái)臺(tái)面控制回路是由臺(tái)面、叉臂傳動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)[4]、液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[3]、PLC、上位監(jiān)控機(jī)[5]等部分組成，其控制回路原理圖參見圖5。操作人員通過(guò)人機(jī)界面向PLC發(fā)出給定指令，測(cè)量裝置對(duì)舞臺(tái)升降及旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)值與給定值比較，PLC經(jīng)邏輯運(yùn)算，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)舞臺(tái)升降或旋轉(zhuǎn)。

圖5 臺(tái)面控制回路原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 臺(tái)面尺寸

（1）1#～5#升降臺(tái)位于舞臺(tái)后部，尺寸為3700mm×3000mm，主臺(tái)面凈升降高度1200mm，臺(tái)面閉合高度600mm，單元舞臺(tái)組合成單排五列布置安裝在地平面上。

（2）6#通道臺(tái)位于旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)與臺(tái)階升降臺(tái)之間，為方便演員在演出過(guò)程中順利地從升降臺(tái)到旋轉(zhuǎn)臺(tái)而設(shè)計(jì)。當(dāng)演員登上旋轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，通道臺(tái)落到與地面齊平。臺(tái)面尺寸為1800mm×940mm，臺(tái)面凈升降高度1200mm，臺(tái)面閉合高度600mm，臺(tái)階升降臺(tái)的靜載300kg/m², 動(dòng)載150kg/m²，升降速度2400mm/min。旋轉(zhuǎn)臺(tái)面及通道升降臺(tái)面用有機(jī)玻璃裝修而成。通道升降臺(tái)與旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)組成互動(dòng)升降，使旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)形成多種立體藝術(shù)效果。

（3）7#旋轉(zhuǎn)臺(tái)位于智能舞臺(tái)中部，臺(tái)面尺寸Φ3600mm，靜載400kg/m², 動(dòng)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(tái)面可正反向旋轉(zhuǎn)。

（4）智能化舞臺(tái)的前部有1個(gè)單元伸縮、升降舞臺(tái)[6]，也就是8#臺(tái)。伸縮活動(dòng)舞臺(tái)臺(tái)面尺寸為3700mm×5400 mm（由3個(gè)3700mm×1800mm臺(tái)面組成），伸縮距離分別為1800mm、3600mm、5400mm;伸縮舞臺(tái)基礎(chǔ)高度為450mm，舞臺(tái)上3個(gè)升降臺(tái)，其臺(tái)面尺寸為3700mm×1800mm，升降高度150mm左右與固定臺(tái)補(bǔ)平;伸縮臺(tái)靜載為300kg/m²,伸縮速度2000mm/min。 固定舞臺(tái)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(tái)口臺(tái)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(tái)臺(tái)面是一個(gè)非常特殊控制對(duì)象，與液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，它質(zhì)量大，從幾噸到幾十噸都有，臺(tái)面運(yùn)動(dòng)與叉臂運(yùn)動(dòng)是一致的，其傳遞函數(shù)近似地看成是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)不大，所以這里采取邏輯控制策略。因?yàn)樯炜s升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)決策原理同升降臺(tái)一樣，以升降臺(tái)為例說(shuō)明其控制原理。

根據(jù)廣電中心演播廳的現(xiàn)場(chǎng)要求及技術(shù)指標(biāo)，要求5個(gè)升降臺(tái)閉合高度為600mm，凈升降高度為1200mm，整個(gè)升降高度共分四個(gè)階段完成，每一階段高度為300mm。每個(gè)升降臺(tái)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(gè)升降臺(tái)可以同步進(jìn)行升降到指定高度值。臺(tái)面高度給定值i，按照分四個(gè)階段共有五個(gè)高度值分別賦值給五個(gè)變量:imax=1200, imid+=900, imid-=600, imin=300, i=0。下面以1#升降單元舞臺(tái)為例，闡述其具體的工作過(guò)程，程序流程如圖6所示。

圖6 PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

800m²演播廳智能化舞臺(tái)主要由前區(qū)伸縮T形臺(tái)、中區(qū)旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)及通道升降臺(tái)、固定臺(tái)、后區(qū)臺(tái)階升降臺(tái)、電氣驅(qū)動(dòng)及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)及軟件等部分組成?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)備如附表。 附表 基本配置表

　

3.4 控制系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

針對(duì)本文所描述的廣電中心800m²演播廳單元舞臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，共需要監(jiān)控點(diǎn)96個(gè)，其中輸入點(diǎn)57個(gè)，輸出點(diǎn)39個(gè)。

根據(jù)廣電中心800m²演播廳活動(dòng)舞臺(tái)設(shè)計(jì)要求，采用一臺(tái)PLC S7-200，其配置如下:

（1）CPU226 1個(gè) 主機(jī)

（2）EM223 3個(gè) （擴(kuò)展模塊）

（3）EM232 1個(gè) （擴(kuò)展模塊）

其中，CPU226控制泵站電機(jī)變頻器，1#～3#泵站及旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。1# EM223輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)1#～5#升降臺(tái)升降運(yùn)動(dòng);2# EM223輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)升降及通道臺(tái)升降運(yùn)動(dòng);3# EM223輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)伸縮T形臺(tái)伸縮及升降運(yùn)動(dòng)。EM232 作備用。PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 1# 舞臺(tái)升降程序流程示意圖

4 控制系統(tǒng)的監(jiān)控

舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，系統(tǒng)監(jiān)控變得簡(jiǎn)單、方便。有兩種操作方式可以對(duì)舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。一種是通過(guò)觸摸屏，另一種是用上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控操作。

基于Windows平臺(tái)，MCGS是一個(gè)集成的人機(jī)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

智能舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)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(duì)舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)要求，本文設(shè)計(jì)了顯示系統(tǒng)主畫面，實(shí)時(shí)記錄主要參數(shù)的變化及趨勢(shì)，并方便地對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;提高監(jiān)控方式安全性能;能夠完整記錄報(bào)警時(shí)間、報(bào)警類型等，使工作人員查錯(cuò)方便。

以上介紹是對(duì)PLC與工控機(jī)中的MCGS組態(tài)軟件的連接而言的，在單元舞臺(tái)控制系統(tǒng)中上位機(jī)還有上節(jié)介紹的由臺(tái)灣生產(chǎn)的臺(tái)達(dá)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(diǎn)動(dòng)功能是對(duì)預(yù)置程序功能/即時(shí)編程功能/隨機(jī)手控功能的一種補(bǔ)充。

舞臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面是在管理員輸入密碼進(jìn)入舞臺(tái)監(jiān)控畫面的第一個(gè)畫面，在主畫面中的各子畫面名稱與對(duì)應(yīng)的子畫面動(dòng)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(tái)畫面為例，說(shuō)明主升降臺(tái)控制界面，包括五個(gè)升降臺(tái)操作畫面，這五個(gè)升降臺(tái)位于舞臺(tái)臺(tái)面后部。在此畫面中可以監(jiān)視五個(gè)升降臺(tái)各自運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它能準(zhǔn)確地反映每一個(gè)升降臺(tái)的升降方向、升降高度的變化，同時(shí)精確的顯示升降高度數(shù)。還可以進(jìn)行五個(gè)升降臺(tái)的聯(lián)動(dòng)操作。主升降臺(tái)畫面如圖9所示。

圖9 主升降臺(tái)畫面

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能舞臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，利用西門子S7-200進(jìn)行了臺(tái)面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足了演出節(jié)目的要求，增加了演出的場(chǎng)景變化，豐富了演出效果，具有明顯的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方案控制效果良好。

編輯：何世平