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| 关于舞台吊杆电机变频切换矩阵控制系统设计（zxj） |
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摘要：采用变频切换矩阵来控制短时工作制的舞台吊杆电机，改变了原有的一对变频控制方式。以一个小型剧场为例，给出了变频切换矩阵控制系统的整体设计方案及软硬件设计思路。通过运行证明该系统可靠性高、运行稳定，并且很大程度地降低了系统成本．具有推广价值。
关键词：变频切换矩阵；舞台吊杆电机：变频控制O引 言舞台机械是现代化剧场不可缺省的核心设备，其中，舞台吊杆是舞台上的主要设备。吊杆电机驱动不同的舞台装备(如帷幕、灯光、纱幕等)，通过对吊杆电机的起停控制，达到小一样的舞台效果。
最早的舞台吊杆电机采用继电器接触器控制方式。如果是小型剧场，演出效果基本不受影响。
但如果足中大型剧场，那么电气控制系统变得尤为复杂，控制精度电不高。如果演出中途发生故障，检修排故将极为困难，正常演出也会受到影响。
随着变频调速技术的迅速发展以及对节能的响应，近几年内国内新建剧院均采用变频调速控制。
舞台吊杆常常要设置有几十到几百根不等。如果采用变频调速控制，则意味着需要相应数量的变频器，这样舞台机械成本会急剧增加。一般舞台吊杆虽然有上百道，但实际上同时需要动作的吊杆一般只有几道，而且都是短时工作制，吊杆起动后不是上升就是下降，在到达目标位置后，这道吊杆就停止工作，等待下一个命令的执行。鉴于上述实际情况，为了节约成本，我们设计了如F变频矩阵切换系统，既能达到系统性能要求，又很火程度地节约了成本。
1系统功能要求本文模拟一个小型剧场。该剧场吊杆电机参数如表1所示。该舞台中吊杆电机均采用短时T作制．而H每次最多同时工作的吊杆数为4道。
剧场要求以上吊杆电机采用变频器来控制其起停及调速控制。采用与吊杆电机同轴连接的编码器发出的脉冲数来时刻检测吊杆运动的位移，当实时位移达到给定的位移值时，电机自动停止。要求必须设有上下限位保护、回零检测、松乱绳保护、超载及超速保护。吊杆的位移町通过上位机任意设定，其吊杆位移的控制精度在±5 mm左右。
从表1可看出，剧场共有吊杆20道，而每次最多同时工作的吊杆数为4道，所以要求设计一个4台变频器切20道吊杆的变频电气切换矩阵。
2变频切换矩阵系统设计2 1系统设计方案4台变频器切20道吊杆的控制系统方案如图1所示。 系统由上位机、下位机、变频器、电机及各种传感器组成。主操作台不仪可以时刻监视各个吊杆电机的运行情况，而且可以通过触摸屏对每一舞台场图2中KM代表接触器，KA代表继电器，lKMl,2KMI．3KMl．4KMl代表1号吊杆分别接到1号、2号、3号、4号变频器上，同时只允许1只接触器起动。1KMI、IKM2至lKM20代表1号变频器分别接到l号、2号至20号吊杆上，也同时只允许一台起动，保证同时工作的4道吊杆分别接到4个变频器上。之间的互锁通过PLC实现。吊杆分控箱里有电机控制主回路、制动器控制回路、行程开关检测回路、速度和位置编码器检测[亓1路。由于吊杆控制信号较多，选用了巾间继电器。
图2中接触继电器接通情况可用以下矩阵表示，如下：
景要求的吊杆电机号、对应的位移值及移动方向等参数进行设置。设置好的各类参数通过[]i'J~一／ooM r业以太网传送到PLC，PLC经过程序运行后输出控制信号，去驱动这一场景需动作的4道吊杆电机相应的接触器动作，将其主回路对应变频器接通，实现刘吊杆电机的启停及调速等控制。吊杆起动后不是上升就是下降，在到达目标位置后，这道吊杆就停止工作，等待下一个场景命令的执行。所以对于短时T作的舞台吊杆电机可以对其实施变频切换矩阵控制，在保证实现控制要求的同时，大人降低项日成本。
2．2系统硬件设计本系统4切20的变频切换矩阵具体硬件接线如图2所示。
由于互锁原因，则4号变频器不能再选其它吊杆，而2号吊杆也不能再选其它变频器。即矩阵A中第4行及第2列为1，其余项均必须为0。通过分析，由于剧场吊杆同时****工作数为4道，所以上述矩阵A的秩y(A)=4。
经分析，变频器选用德国sEw公司型号为MCV41 A 0110-5A3 4 00 I~eq，变频器。此变频器控制方式灵活、动态响应快、运行精度高，支持增量型和****值编码器，适应多种通讯方式。其内置制动斩波器使用适当的制动电阻或电源反馈单元可实现四象限运，可对交流减速电机和制动电机进行变速调节。电机市兀应地选用德国SEW三相交流电机，带双制动抱闸，配合sEw变频器工作。卷扬机上没有超程检测、乱绳检测、松绳检测、矫正限位等安全保护装置。保证系统运行的可靠性、稳定性。系统选用抗干扰强、可靠性高的西门子工控机和触摸屏为上位机，通过高速工业以太网实现西门子s7—200 PLc和上控机、触摸屏的数据交换。
2．3系统软件设计系统选用西门子sIMATIc s7—200系列PLc，为了完成4切20电气矩阵切换，从图2可以看出，1台变频器接20道吊杆，4台变频器共需80个PLc输出点。为了确保矩阵切换的成功，需PLC输入点共80个点。选用具有24点输出／16点输入的cPu226模块，它呵连接7个扩展模块，提供1 000mA的总线电流。根据要求至少需80个输入点与80输出点。还要扩展2个32点输入与32点输出的EM223模块，同时预留一定的开关点，再加上一个8点输入与8点输山的E]V1223模块。
剧场中，吊杆设备反映系统状态的主要参数是I．、下限位，松、乱绳信号，矫正限位、反映速度和位置的编码器及电机_三相及制动线。根据统计上述信号需13个通道来处理，再需要一个切换确认信号，共需14个通道。系统选用带4个通道的施耐德中间继电器。选用自带一个常开通道及3通道大电流触点的交流接触器，并选配交流接触器辅助触头4通道。由于中间继电器需带动下一级的中间继电器及交流接触器，实际上只能计算3个通道，为了实现14个通道的切换，每个吊杆回路需要2个中问继电器及一个交流接触器，还有一个通道的余量。PLc控制过程如图3所示。
图3中，1号至20号吊杆选通检测信号输入到PLc，经PLc程序分析控制后，PLc输出对应吊杆电机的DO点，从图3可看出，DO输出点驱动图2中变频切换矩阵中的中间继电器，中问继电器再驱动相应的接触器，此时吊杆电机的电机主回路、抱闸回路、限位反馈回路及选通检测回路均接通。从而完成某一台或几台变频器对某一道或几道吊杆控制回路的选通，即运行的变频器数与吊杆数是一致的。另外，必须注意多台变频器不可以同时选通一道吊杆。
3结语从上述分析来看，该剧场共需采用160台中间继电器和80台交流接触器，总价成本与1台变频器成本相当。剧场本应需要20台变频器，通过变频切换矩阵的设计后仅需4台变频器，总成本是原有变1频一对一控制的÷。如果是一大型剧场，那么节约的成本将更为可观。变频切换矩阵控制系统经验证完全满足演出要求，系统运行稳定，具有推广价值。 |
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