舞台灯光吊杆控制系统设计

舞台灯光吊杆控制系统设计
摘要：通过介绍可编程控制器(PLC)在舞台灯光吊杆控制系统中的应用，阐述 PLC 控制系统硬件和软件的设计方法。

表明 PLC通过现场总线通讯实现大规模从站设
备控制和提高产品的可靠性方面都具有极好的性能和优势，能满足现代化剧场对
吊杆控制的要求。

关键词：舞台吊杆;可编程控制器(PLC)；控制系统
要完成舞台灯光效果的设计与实现，需要控制好舞台灯具动作以及各类灯光
效果，舞台灯具动作控制是舞台灯光效果控制的基础。

舞台灯具的控制主要为灯
具的升降动作及灯具的位置控制，舞台灯光吊杆控制系统实现舞台灯具的动作控制。

一、舞台灯光控制设计的特点
（一）舞台灯光的研究意义
优质的舞台灯光是提升舞台质量的一个重要因素。

不论是在照明、渲染气氛
还是打造舞台的空间感与时尚感上，舞台灯光都是一个至关重要的角色。

我国的
舞台灯光产业从一开始依赖于国外进口，到后来对外来产品进行仿制，再到如今，国内企业已经能够自己完成灯光的设计与制造。

但由于目前的国内技术还处于低
端阶段，仍需从国外进口高性能的舞台灯光。

因此，对舞台灯光的研究有着深远
的发展意义。

（二）舞台灯光控制的重要作用随着科技的发展，舞台灯光的使用越来越多
的受到观众们的喜爱与追捧。

譬如，充满特技效果的电影《变形金刚4》在收获
高票房的同时也赢得了观众们的口碑。

当然，电影中的优质画面离不开剧组对灯光、音响及其他设备的精确控制。

表演手段的相互配合，打造了一部深受观众追
捧的优质佳片。

由此可见，舞台灯光的控制已经成为演艺事业中必不可少的重要
组成。

（三）舞台灯光控制系统存在的问题
在舞台表演中，灯光控制系统的地位渐渐变得重要起来，但在系统的设计上，还存在一些问题。

在灯光系统的研究上，研究人员更多地关注于灯具通讯以及单
个灯具的硬件方面，而忽略了整个舞台灯或电脑灯系统上的理论建模，以及对控
制思想进行研究。

此外，灯光系统通常为固定安装或通过人工调节位置，大大加
重了工作人员的工作量。

综上所述，应在考虑多方面的因素下，对现有系统进行
优化，增加灯光吊机控制系统。

二、控制系统要求及硬件结构与组成。

2.1 系统功能要求：
①吊杆的上升/下降、速度通过变频器控制。

②变频器可接收PLC发送的控
制指令执行点动、定位及运行速度。

③变频器含编码器接口及数字输入接口，
④变频器能够根据编码器反馈进行速度及位置的闭环控制。

⑤变频器数字输入
接口具有正转、反转限位功能。

⑥变频器具有过载检测、过流检测等种类故障检测功能，并能通过通讯上传故障代码、变频器的速度、位置、数字输入口状态同
时需要通过通讯传输给PLC。

⑦吊杆的升降高度可以任意设定，在执行升降过程中，可以更改升降位置及升降速度，并可以在运行过程中停止⑧吊杆的控制精度不大于1mm。

⑨舞台吊杆数量较多（约60根），总线需最有高速数据传输功能，
PLC需具有高速的数据处理及逻辑判断功能。

⑩所有运行操作及运行状态需以文件形式记录。

2.1 系统结构：
图1 系统方案框图
2.2变频器与电机：
目前，变频器技术已成为非常成熟的技术，变频器控制方式通常包含数字输入点、模拟量等控制方式，由于现场使用的变频器数量多，需要控制的方式复杂，选择具有现场总线接口的变频器能简化系统结构，减少设备间接线，更方便维护。

同时变频器除具有要求的编码器接口、数字信号输入接口外，还应具有STO、抱闸接口等，在异常情况下能紧急停车，避免灯具损坏。

2.3现场总线：
通过对市面上多种现场总线分析了解，根据实际使用的吊杆数量多，对应的变频器数量同样很大，选用先进的工业以太网EtherCAT。

EtherCAT通讯速度高达100M，可以满足大数据量通讯，同时EtherCAT网络具有诊断功能，能实时发现网络中的异常现象。

目前EtherCAT网络为使用最广泛的现场总线，大部分变频器厂家生产的设备都可以增加或已包含EtherCAT通讯模块。

这样可以有更宽的选择面。

2.4 PLC控制系统：
根据现场总线的需要及实际控制设备数量的影响，最终选择EtherCAT总线的发布者beckhoff公司的PLC控制系统，beckhoff公司的PLC控制系统为基于PC和Windows操作系统的控制系统，具有CPU主频高、运算速度快、运行内存大、程序存储空间可扩展等优势，同时beckhoff公司的PLC控制系统完全兼容IEC61131-31标准，编程方式灵活，更适合对多个相同设备的控制处理。

三、系统程序设计：
系统软件包含上位机控制系统程序及PLC控制系统程序，上位机控制系统程序采用VC++进行开发，PLC控制系统程序采用结构文本与梯形图、连续功能块图混合编写；逻辑处理采用梯形图编写，数据处理、循环判断等采用结构文本编写，功能块调用逻辑采用连续功能块图编写，通过采用不同的编程语言，使PLC控制系统程序结构更加清晰。

上位机控制系统程序与PLC控制系统程序采用Beckhoff公司制定的ADS通讯。

ADS通讯采用Server/Client方式，服务器无须编写程序，客户端需要根据ADS协议要求，发出请求的TCP/IP数据包并解析数据包。

Beckhoff公司提供基于VC++等各种高级语言的ADS通讯实现方式，如Visual Studio 中调用的DLL动态链接库。

3.1 PLC程序设计：
PLC程序主要包含流程控制、对吊杆的控制，设备自检、安全处理、数据记录功能。

①流程控制：主要处理工作模式切换，设备开机后归零、定位等工作流程。

②吊杆控制：采用结构体的方式，将变频器、吊杆的控制接口各定义为1个结构体，吊杆控制接口包含2个变频器的结构体接口，方便程序设计中对吊杆的控制。

变频器的控制包含点动指令、速度指令、位置指令、定位指令。

③设备自检：设备自检主要在每天设备运行前，设备自检包含吊杆升降碰撞原点、限位开关，检测各开关是否有效，同时对吊杆速度进行判断，分析编码器是否正常，人工操作急停等按钮，检测急停功能是否正常。

3.2 上位机控制系统程序设计：
上位机控制系统程序主要完成操作人员鼠标键盘操作捕捉、操作流程限制及控制权限处理、运行日志记录功能。

上位机控制系统采用用户登录的方式，确定用户权限，根据用户权限限制操作人员可进行操作的内容，如操作人员具有启动、停止、低速点动等操作权限，调试人员具有操作人员具有的权限外，还具有运行脚本编辑权限，中速点动权限、管理人员具有调试人员具有的权限外，还可以跳过系统自检等安全检查，直接进入运行状态。

结语
总之，舞台机械控制系统设计的前提是正确理解设备的安全功能。

由于电气设备的失效
或故障可能导致机械产生危险的工作状态，进而造成对人员的伤害或设备损坏，所以必须采取适当的措施以尽量减小这种危险发生的可能性。

控制原则需满足现场使用、维护的需求，并从成本从发，选用合适的控制方式。

参考文献
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社,2010(8).
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