交流矢量变频器在舞台提升机构中的应最终版

Abstract：ThefirstscenicandmechanicalstageofChinanamedtheGlobalstageisbuiltinShenZhenwindowoftheworldco-operationlimitedcompany.Toadaptthestagetovariedshow,manymechanicalliftsareequipped.Soastoguaranteepositioningaccuracyandsafety,alotkindsofelectricalcontrolmethodsandautomationtechnologyareadoptedsuchasinverter,PLC,PROFIBUS-DP,incrementencoder,IPOSpositioning,processdata.摘要：我国首座大型全景式机械化舞台深圳世界之窗环球舞台，装配了许多提升机构，以适应各类多变的演出需要。为此，采用了多种电气控制方式和自动化技术，例如：变频器、PLC、PROFIBUS-DP、增量编码器、IPOS位置控制、过程数据等等。浅谈舞台提升机械的电气控制作者：陈学东关键词：交流矢量变频器、PROFIBUS-DP、增量编码器、IPOS位置控制、过程数据我国首座大型全景式机械化舞台深圳世界之窗环球舞台,采用了大量的提升机械，其电气控制系统由主机监控系统、升降台控制系统和台上设备控制系统等子系统组成。一、 电气系统组成世界之窗舞台提升机械设备的电气控制方式分为：计算机全自动控制和手动半自动控制两种。这两种控制方式各自独立，互为备用。计算机全自动控制方式能控制舞台提升机械按预先给定的程序及随时插入的内容自动完成各种相关动作，它是舞台提升机械设备常用的操作方式，该方式动作准确、迅速、自动化程度高；手动半自动控制方式，一般作为调试和检修时使用，当计算机控制系统出现故障时，用它操作舞台提升机械的动作，电气控制系统图如下：（1）主机监控系统该系统由网络监控软件、组态软件、工业控制计算机、彩显、键盘、触摸屏、操作按钮与网络卡等设备组成。控制操作台配有可编程序控制器、手动/自动操作按钮、状态显示电路等操作器件。主机监控系统通过网络接口卡进入PROFIBUS-DP工业控制网，并完成以下功能：Q实现对所有舞台设备的程序控制。程序控制是将整个剧目需运行的设备设成多种场次（CUE），编成程序，在工业控制机监控下按单场/全场两种方式运行。@实现对所有舞台设备的单独控制。操作人员通过触摸屏单独选择设备，按速度和位置进行点动控制和单独控制。Q实现对所有舞台设备的集中控制。集控是在单独控制的基础上，按不同的速度和位置值进行记忆编组，同时运行的一种操作方式。如根据场景的需要，对所要运行的设备进行预先设置、编组，编组内的设备可以在同一时间以不同的动作、方向、速度运行，可以有不同的目标位置、不同时启动、不同时停止；同时还能完成对任一控制对象或编组设备进行目标位置、定位位置、运行速度、运行时间、运行曲线等参数进行预置，并可随时进行干预控制，编组场次不受限制。Q实现对舞台主要设备的就近控制。近控是用近控器在现场根据所见设备状态直接操作，用于装台或临时操作。©实现对所有舞台设备的状态显示。在控制台上设有17英寸显示屏和10.4英寸的彩色液晶触摸屏，主要显示：中文菜单编辑内容（剧目、场次和位号等）；动态图形内容（设定和运行的速度及位置）；设备运行参数、故障、报警、故障自动诊断和故障处理帮助等内容。（2） 升降台控制系统系统由西门子S7-400可编程序控制器、变频器、网络通讯板、同步控制、控制柜、配电柜等设备组成。根据舞台机械的速度、负荷、定位、同步、设备运行间加速与减速等特性要求，系统采用了SEW高精度矢量变频器、位控模块对动作对象实施控制，以获得高性能电气特性。四块升降台在四台交流矢量变频器控制下既能单独动作又能同步运行，在接触器柜控制下，四块升降台能以不同角度倾斜。（3） 台上设备控制系统系统由西门子可编程序控制器、SEW变频器、网络通讯板、控制柜、配电柜等设备组成。调速吊杆、单吊点采用选通控制的方法。16道吊杆由8台变频器任意控制；16道单吊点由6台变频器任意控制。选通采用优化的选通控制技术，即使某台变频器发生故障，也不影响系统整体运行。表演渡桥、表演吊笼等均采用SEW矢量变频器进行一对一控制；在数字光电编码器构成的闭环回路作用下，对控制对象实施1：100的无级调速及任意位置的停靠。二、设备选型针对国内现有舞台机械电气控制系统存在设备元器件可靠性差、操作不易、显示功能不全，尤其是具有电气自动化功能的系统存在着维护性差等弊端，为提高系统的可靠性，增强系统的抗干扰能力，在主要设备选型上，采用了如下方法：（1） 系统监控软件选用了西门子公司生产的WINCC专用软件，通过WINDOWS平台，为用户提供了图形画面、操作窗口、实时监控、数据采集、顺序控制，菜单处理等多种功能，还可以在线修改各可编程序控制器的参数及工作状态。（2） 主要控制设备的可编程序控制器、变频器、伺服控制器、位置控制设备采用了性能价格比好、高可靠性的SIEMENS公司S7-400、ET200、SEW公司MOVIDRIVE、31C系列产品。（3） 设备间通讯采用世界上广泛使用的PROFIBUS-DP工业控制网。三、设计举例

来自动力柜血上电WW*WM3*P-053KW F・O33^ P-0^3KW图2：升降台1#的升降电路BQ1来自动力柜血上电WW*WM3*P-053KW F・O33^ P-0^3KW图2：升降台1#的升降电路BQ1上电升P-30KVV1#升降台最大升降行程为15.5米，台面尺寸为3x16米。按照2平米/每人，每人重量为75kg计算。升降台在满载24人的情况下,最大运行速度为3米/每秒时，考虑电压降、过载等因素，选用了30KW的德国SEW交流电动机作为驱动电机，型号为DV200L4。按照SEW电机-变频器设计规范，考虑到位置控制的要求以及电气防护等级等因数，选用型号为MDV60A0300-503-4-00SEW交流矢量变频器作为控制模块，配有DP板实现PROFIBUS-DP现场总线通讯。如图2所示，变频器有两种上电方式：一种为柜控上电，当合上QA10,继电器KA0得电，其常开触点闭合，KA1得电，KM1得电，变频器BP上电。另一种方式台控上电，即控制台给出上电指令，经MPI网，由台下PLC的Q0.0端子输出24V电压，KA1得电，然后与前种方式相同，最终变频器BP上电。变频器的外部电路由各端子回路组成，说明如下：X1为主回路输入端；X2为电动机连接端，X15为速度信号反馈输入端，两个端子的接线构成了速度闭环；X3端子为制动电阻连接端,X30为PROFIBUS-DP卡的接线端子；X13端子为DI输入端子，接了三个接近开关，分别作为零位和上、下极限位；X10端子并联了两个继电器线圈。当系统运行时，该端子输出24V电压，继电器得电，串联的两个常开触点都闭合后，制动器的控制接触器KM5得电，其主触点输出380V电压，位于驱动轴两端的制动器打开，KM5的辅助触点输出220V电压，位于电动机尾轴的制动器快速打开。这样一来，降低了继电器误动作而导致制动器打开的概率，提高了安全系数。四、现场总线通讯和IPOS位置控制该变频器的基本单元可以通过RS-485接口，按照位置和速度要求对变频器编程。系统运行时，上位机的指令及控制信号由长度为3个字节的过程输出数据PO,经现场总线按照DP地址传给变频器，变频器根据端子输入和PO数据，调用已编程的IPOS位控程序，将数据做相应处理后，按照设定的速度曲线驱动电动机实现程序控制。同时将处理结果和实际位置信号，由3字节过程输入数据PI,经现场总线FIELDBUS反馈给PLC。整个流程如下：

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]图3：FIELDBUS通讯流程

选用的德国SEW交流矢量电动机和变频器,在电动机尾轴末端使

用了1024脉冲/每转的增量编码器构成速度闭环和位置闭环，可在行程范围内，根据位置设定值自动停车，实现精度在+2mm范围内的位置控制，形式如下所示：

[2]图3：速度闭环和位置闭环原理框图为了保证升降台位置控制的实时性，选择了绝对位置控制，并结合零位信号，采取参考运行来消除累积误差对位置精度的不良影响部分IPOS位控程序如下所示:0=1525SETH100=31=1525SETH101=3//过程数据初始化；2=0FFFSETINTERRORM13=1CFFJMPH102!=0,M2//接收上位机位置指令4=1524SETH511=H505=0C00M2:CALLM3//调用运行子程序；6=1FFFJMPLOI0000000001000000,M4//参考运行判断；7=0C00CALLM58=16FFM4:JMPUNCONDITIONED,M2//运行子程序跳出判断；9=1FFFM1:JMPHII0000000000000110,M6 //限位复位；10=1FFFM8:JMPHII0000000000000110,M711=19FFASTOPIPOSENABLE12=16FFJMPUNCONDITIONED,M813=19FFM7:ASTOPTARGETPOSITION14=0B00M6:RET15=17FFM5:GETSYSH100=PO-DATA//读取位置指令；16=19FFASTOPIPOSENABLE//停止运行；17=01FFGO0U,NW,CAM//参考运行；34=17FFGETSYSH50=ACT.POSITION//读取当前位置；35=11FFMEMSTOREDATA//保存当前位置；36=1525SETH302=037=0B00RET38=17FFM3:GETSYSH100=PO-DATA//读取位置指令；39=1EFFJMPH102==262M15//运行条件判断；40=1505MULH103*46200//位置系数变换；41=1507DIVH103/10042=1524SETH105=H10443=18FFSETSYSPOS.SPEEDC(C)W=H104//设定运行速度；44=1EFFJMPH103<5400000,M1645=1525SETH103=540000046=04FFM16:GOANOWAITH103//位置运行；54=18FFSETSYSPOS.SPEEDC(C)W=H104//读取运行速度；55=16FFJMPuNCONDITIONED,M1856=17FFM17:GETSYSH50=ACT.POSITION//读取并保存位置57=11FFMEMSTOREDATA58=0B00M15:RET五、结束语科学合理的使用舞台提升机械，不但实现了大型晚会演出大场景、大道具的切换和演员的快速上下场；而且能够根据演出要求，满足灯光、幕布、景片的空间位置需随时间变化而变化的要求。该舞台至2001年竣工以来，除完成了每晚《创世纪》晚会的大型演出，还先后承办了2001年深圳市“高交会”开幕式晚会、