工業(yè)以太網(wǎng)在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

戴明

（江蘇大劇院運(yùn)營管理有限公司，江蘇南京 210019）

舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的控制模式經(jīng)歷了從人工控制到半自動(dòng)化控制，再到智能控制的轉(zhuǎn)變。在舞臺(tái)機(jī)械智能控制系統(tǒng)中，工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在前沿技術(shù)的推動(dòng)下，基于TCP/IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸時(shí)間有一定延遲，無法滿足新時(shí)期舞臺(tái)同步控制的要求，在這一背景下基于Power-Link 實(shí)時(shí)協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，由于在兼容性、實(shí)時(shí)性方面優(yōu)勢(shì)顯著，逐漸成為現(xiàn)階段舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。探究基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化策略成為當(dāng)前的一項(xiàng)重要研究課題。

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分共包含3 個(gè)層次，各個(gè)層次的功能如下：（1）管理層。涵蓋了管理員工作站，、舞臺(tái)機(jī)械控制器、操作臺(tái)等硬件設(shè)備。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，管理員可通過人機(jī)交互界面編輯操作程序、下達(dá)控制指令。同時(shí)，前端各個(gè)模塊運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，也會(huì)通過顯示器反饋給管理員，從而實(shí)時(shí)掌握舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的工況。（2）過程層。包含了以太網(wǎng)交換機(jī)、工業(yè)PLC 兩部分。前者負(fù)責(zé)將舞臺(tái)各部分機(jī)械控制接口與主機(jī)的總線相連，采用“一對(duì)多”的數(shù)據(jù)傳輸模式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。后者則負(fù)責(zé)根據(jù)管理層下達(dá)的指令，向前端動(dòng)作單元發(fā)布控制命令，保證舞臺(tái)機(jī)械作出相應(yīng)動(dòng)作。（3）設(shè)備層。主要由交換機(jī)與PN 卡件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、變頻/異步電機(jī)等設(shè)備組成。具體組成如圖1 所示。

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 舞臺(tái)機(jī)械控制對(duì)象設(shè)計(jì)

控制對(duì)象主要包括兩部分，即臺(tái)面設(shè)備和舞臺(tái)吊桿。其中，臺(tái)面設(shè)備又涵蓋了車臺(tái)、升降臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)等核心設(shè)備。車臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)機(jī)械的平面運(yùn)動(dòng)，車載轉(zhuǎn)臺(tái)可支持直線運(yùn)動(dòng)或左右靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣轉(zhuǎn)動(dòng)速度最大可以達(dá)到1.0m/s。另外，臺(tái)面設(shè)備還需要由變頻電機(jī)、繼電器等電氣設(shè)備支持控制命令的實(shí)現(xiàn)。吊桿系統(tǒng)也是舞臺(tái)機(jī)械的重要組成，同樣配備異步電機(jī)提供吊桿升降動(dòng)力，以及配備繼電器用于控制吊桿的急停，最大升降速度可達(dá)0.8m/s。

1.3 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)性是舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的核心指標(biāo)，這就對(duì)該控制系統(tǒng)的通訊能力提出了較高的要求。通常情況下，在工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)支持下，舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中，從終端指令發(fā)送到變頻器、繼電器等電器設(shè)備作出相應(yīng)，最大時(shí)延不得超過10ms。通訊系統(tǒng)的組成架構(gòu)如圖2 所示。其中，速度傳感器、位置傳感器的數(shù)據(jù)采樣頻率為1.2ms/次。從工業(yè)PLC 生成并發(fā)送指令，到電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作并將信號(hào)反饋給工業(yè)PLC 的整個(gè)閉環(huán)周期，所用時(shí)間不得超過15ms。

圖2 通訊系統(tǒng)的組成架構(gòu)

1.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以總線型較為常見，但是從實(shí)際應(yīng)用效果來看有較多的弊端，例如響應(yīng)速度慢、網(wǎng)絡(luò)通道易堵塞等。因此，本文在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中提出了一種“內(nèi)層環(huán)形+外層樹形”相結(jié)合的混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，內(nèi)層環(huán)行結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，確保PLC 控制指令能夠準(zhǔn)確傳達(dá)至電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而前端動(dòng)作單元的運(yùn)行情況、位置變化等信息，也能夠同步傳輸至PLC，從而實(shí)現(xiàn)了信息同步。外層樹形結(jié)構(gòu)可最大程度上降低時(shí)延。無論是以太網(wǎng)交換機(jī)，還是繼電器、變頻器等設(shè)備，都能夠做到即時(shí)相應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了舞臺(tái)機(jī)械控制的實(shí)時(shí)性?；旌鲜骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組成如圖3 所示。

圖3 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其功能主要包括：（1）權(quán)限管理。所有訪問舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的用戶，必須具備相應(yīng)的權(quán)限，進(jìn)行驗(yàn)證之后才能解鎖人機(jī)交互界面完成各項(xiàng)操作，最大程度避免非管理人員的誤操作行為。（2）設(shè)備控制。提供手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，默認(rèn)為自動(dòng)，切換為手動(dòng)后可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕控制設(shè)備。（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。對(duì)舞臺(tái)機(jī)械（如升降機(jī)、吊桿設(shè)備等）的運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)、反饋，并以XML 文件的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。（4）故障報(bào)警和系統(tǒng)保護(hù)。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)異常工況后進(jìn)行故障報(bào)警，并根據(jù)故障發(fā)生位置采取強(qiáng)制斷電等保護(hù)措施。

2.4 上位機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

硬件功能的實(shí)現(xiàn)必須依靠軟件系統(tǒng)，基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)軟件部分，主要由PLC 程序、上位機(jī)軟件兩個(gè)模塊組成。上位機(jī)是管理員了解系統(tǒng)功能、下達(dá)操作指令和掌握舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)行情況的主要設(shè)備；而PLC 程序則根據(jù)舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)行的需要，涵蓋了多項(xiàng)功能：（1）數(shù)據(jù)交換。以工業(yè)以太網(wǎng)作為連接樞紐，對(duì)上連接PLC、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，對(duì)下連接吊桿、升降機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)雙方之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。（2）設(shè)備控制。以PLC 程序指令作為前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作指令，在PLC 的控制下，舞臺(tái)機(jī)械作出相應(yīng)的動(dòng)作，配合舞臺(tái)演出的順利完成。（3）異常處理。在舞臺(tái)機(jī)械發(fā)生異常工況后，PLC 能夠根據(jù)反饋信息，準(zhǔn)確判斷故障類型、位置，然后結(jié)合預(yù)設(shè)的程序發(fā)送停止指令，采取斷電保護(hù)等措施。該控制系統(tǒng)的軟件組成如圖4 所示。

圖4 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的軟件組成架構(gòu)

考慮到舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)運(yùn)行情況直接關(guān)系到舞臺(tái)演出人員和現(xiàn)場(chǎng)觀眾的安全，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了要求控制功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)外，還必須進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括：（1）指令的有效性判斷。對(duì)管理層發(fā)出的操作指令，上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷能否正常完成指令操作。得出有效性結(jié)論后，再執(zhí)行動(dòng)作。（2）信號(hào)跟蹤監(jiān)測(cè)。從指令接受到指令執(zhí)行完畢，整個(gè)過程被納入監(jiān)測(cè)范疇。若指令執(zhí)行未完成閉環(huán)，則將其錄入到故障記錄表。（3）軟件互鎖。某個(gè)軟件出現(xiàn)故障后，與之配套運(yùn)行的設(shè)備被鎖定，防止安全事故的發(fā)生。

2.5 PLC 程序功能模塊開發(fā)

根據(jù)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要，終端PLC 程序需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）判斷系統(tǒng)能否開始運(yùn)行，并選擇控制方式；（2）控制車臺(tái)的行進(jìn)；（3）控制車載轉(zhuǎn)臺(tái)的行進(jìn)、轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）控制升降臺(tái)的升降；（5）控制吊桿的升降；（6）異常情況的處理等。

PLC 執(zhí)行啟動(dòng)程序后，首先進(jìn)行一遍系統(tǒng)工況的自檢，只有確定舞臺(tái)機(jī)械的各個(gè)部分均處于正常情況、具備運(yùn)行條件后，才能正式啟動(dòng)。通過該功能可以有效預(yù)防舞臺(tái)機(jī)械帶病運(yùn)行的情況，切實(shí)保障設(shè)備運(yùn)行安全。其判斷流程如圖5 所示。

圖5 PLC 系統(tǒng)運(yùn)行條件判斷流程圖

2.2 數(shù)據(jù)交換模式設(shè)計(jì)

按照數(shù)據(jù)交換對(duì)象的不同，該模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要分為兩部分：第一是PLC 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。常用的交換方式有制定虛擬I/O 地址進(jìn)行交換，以及依托調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交換。前者適用于數(shù)據(jù)量較小、只在主站與從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的情況；后者則適用于主站與從站、從站與從站之間的數(shù)據(jù)傳遞，并且對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)量沒有限制，因此實(shí)用性更好。第二是PLC 與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。為了減輕海量數(shù)據(jù)傳遞對(duì)通訊系統(tǒng)造成的負(fù)荷，兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞要借助于數(shù)據(jù)塊DB1 來完成。在保證信息交互及時(shí)性、信息本身完整性的前提下，最大程度上降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用。

完成上述判定后，PLC 上電、控制系統(tǒng)確定控制方式（手動(dòng)/自動(dòng)）。至此完成第一道程序的執(zhí)行。PLC 繼續(xù)執(zhí)行第二段程序，即控制車臺(tái)的行進(jìn)。PLC 發(fā)出的啟動(dòng)、停止等指令，配合前端的限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)車臺(tái)運(yùn)行的控制。其中，flag1 為主變量，可通過設(shè)定flag[x]=1，實(shí)現(xiàn)對(duì)x+1 個(gè)車臺(tái)的控制；flag2 為輔助變量，在車臺(tái)行進(jìn)速度過快時(shí)，或者繼電器過熱時(shí)進(jìn)行異常處理。車臺(tái)控制的執(zhí)行程序如圖6 所示。

圖6 基于PLC 的車臺(tái)控制流程圖

2.3 上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

在車臺(tái)行進(jìn)期間，PLC 還會(huì)同步執(zhí)行車載轉(zhuǎn)臺(tái)控制程序、升降臺(tái)控制程序、吊桿控制程序，配合完成舞臺(tái)表演的需要。另外，指示燈控制程序和異常處理程序也是兩個(gè)與舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)運(yùn)行同步的程序，管理員可通過指示燈了解設(shè)備狀態(tài)，根據(jù)異常處理程序了解熱繼電器是否存在過熱、吊桿運(yùn)行是否超限等故障，切實(shí)保障舞臺(tái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

結(jié)束語

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)相對(duì)于一般的工業(yè)系統(tǒng)，對(duì)時(shí)延要求更高。采用Power-Link 實(shí)時(shí)協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，具有網(wǎng)絡(luò)傳輸流量大、信息通訊時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)保密效果好等一系列特點(diǎn)，能夠較好地滿足舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要。在系統(tǒng)硬件方面，重點(diǎn)做好硬件方面的管理層、過程層、設(shè)備層的設(shè)計(jì)以及通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。軟件方面則需要關(guān)注數(shù)據(jù)交換模式設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)。以工業(yè)以太網(wǎng)作為紐帶，將硬件和軟件結(jié)合起來，才能讓舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)。