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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
[1]俞健.舞台灯光控制技术及其发展[J].艺术科技,2102(3).
[2]廖晓钟，刘向东.控制系统分析与设计—运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2010(8).
[3]李远达.舞台灯光场景综合控制的研究[M]山东:山东建筑大学,2011(6)
论文作者:周胜
论文发表刊物: 《建筑学研究前沿》2017年第10
论文发表时间:2017/8/21
标签：吊杆论文; 控制系统论文; 舞台灯光论文; 变频器论文; 功能论文; 设备论文; 舞台论文; 《建筑学研究前沿》2017年第10论文;