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摘要：在介绍舞台机械系统设计要求的基础上，对几个典型的升降旋转舞台结构进行介绍，并分析舞台机械系统的主要技术参数，最后提出PLC运动控制器在舞台机械系统设计中的具体应用，以期为相关工程提供借鉴。
关键词：智能化；舞台机械系统；设计方案；
引言
在现代剧场和各种文化体育设施中，舞台机械设备是一项重要的组成部分，舞台机械系统设计能够满足大型剧场的演艺和文化传播的要求。我国近年来比较著名的包括上海大剧院和国家大剧院的正式启动均带动了舞台机械系统设计的发展，越来越多的专业人士开始关注对我国大、中型舞台的新建和改造，重视提高舞台机械系统设计的智能化水准，以促进国内整体舞台设计水平的提升。
1 智能舞台机械系统的设计要求
1.1 智能舞台系统设计是一项综合性强的工程，需要充分认识到其和舞台音响、建筑声学、空调工程、智能工程、电气工程等其它专业多方的联系，协同好彼此间的影响，确保舞台机械系统设计和使用的安全性。
1.2 确保采用符合施工质量标准的舞台机械系统设备构件和相应零件，使机械设备在温度的范围内转动，尽量控制设备噪声，降低其对环境及人们观感的影响。
1.3 提高舞台机械系统的安全性，确保其电器设备有一套良好的控制系统，特别是故障控制系统，确保其在无人员操作时处于静止状态，设备运行必须经由操作人员启动。且为了避免设备超行程运动时出现不必要的碰撞，应针对设备设置超程限位开关。
1.4 进一步提高舞台机械系统所有框架和外罩的牢固性，并改善其隔热性能，提高电路承载力。确保舞台机械设备中的断路器、接触器、继电器具有短路过载和热保护功能。舞台机械设备的操作台要便于操作，并且要设置控制按钮、指示器和紧急停车按钮等。
2 智能旋转升降舞台机械系统结构及主要技术性能参数
本舞台机械系统的主要装置为低速大扭矩电液驱动装置，传动装置各构件为丝杠、链条、齿条等，舞台设备通过计算机进行实时控制，以促进不同功能版块的功能发挥。智能化的舞台机械系统能够实现各个版块和关节的单独运动，同时能够有效联动，形成不同高度的台阶和大型立体道具等。可在较大的升降舞台上防止小转台，营造出更加强烈的演出氛围。
舞台的主要性能参数智能化的舞台机械设备能够平稳运行，且可以自动记录控制系统参数及舞台升降等运行状况。此外，智能化的舞台机械系统还能够帮助实时切换演出节目，且能够更加智能的控制升降台的运行轨迹，改善运行效果。摩擦传动或销齿传动是设备的主要传动方式，同时利用计算机对交流变频调速装置进行控制，从而促进转台的正反可逆旋转以及无级调速的实现，由此可见，智能化的舞台机械系统更加便于操作，更加容易获得准确的定位以及更能够提高运行的安全性和稳定性。
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3 PLC运动控制器在舞台机械系统设计中的应用
PLC是当前舞台机械控制系统的核心控制器件，能够有效提升设备精确度，促进多电机准确联动。PLC运动控制器运用在舞台机械系统设计中能够发挥一下优势：一是PLC本身电器运行性能可靠，能够支撑其使用更加开放的软件和硬件平台；二是可合理组合设备，并通过模块化结构更加标准的封装软件；三是能够将运动系统平台搭建在现有系统中，从而显著增强软件的通用性和可移植性；四是采用的以太网络能够缩短系统响应时间到0.1ms，充分发挥现有舞台技术优势，并实现对舞台控制系统位置的可针对性编程。
3.1 结构组成
采用的主干网络为百兆以太网Powerlink，主要应用分布式网络结构，每个PLC运动控制器内对应相应的运动轴。每个控制周期内各个轴的位置接收器为编码器，将每个轴的速度给定值计算出来并发送给各个变频控制器。
在每一个多轴运动控制中都有一个主轴，其他设备则为从动轴，主动轴将实际位置值通过控制网络传送给所有的从动轴，从动轴将获得的位置作为给定值，主运动设备也可由运动控制器作为虚拟主轴来获得位置给定值，促进电子齿轮等功能的发挥。
中央控制器主要用来接收上位系统命令，向上位系统反馈设备的轴状态，并且通过以太网对运动轴之间的信息进行同步调控，确保设备之间的轴命令状态信息和状态信息以微秒为单位、设备之间轴命令信息和状态信息以毫秒为单位进行等时同步传递。中央控制器下达命令之后由运动控制器接收，并对每个控制设备的轴状态进行反馈。变频器的速度的给定控制设备是模拟量控制变频器，并对位置和速度信息进行采集，采集设备为电机编码器。通过可移动单控调试设备对设备轴的位置属性进行设定，具体通过详细的对设备轴位置环最大速度、加速度、到位窗口PI参数等位控信息的控制实现，确保轴控效果最佳。
3.2 控制方案设计
PLC运动控制器能够代替传统的变频器，是一个微处理单元，能够实现专用位控，PLC运动控制器依赖于更加开放的以太网络，能够对不同运动控制器下的控制设备的实时位置信息进行搜集，从而实现多轴联动和控制。PLC运动控制器的开发工具统一使用C语言，定义接口时采取模块化功能最终实现标准化，增强了可移植性。运动控制器的实际控制部位是执行元件，从而产生与设备电器控制有关的全部信号。运动控制器通过获得指定的运行曲线指令来将不同的运行数据进行计算，在此基础上比较指定值与实际值，对参数的控制主要通过专用算法实现。运动控制器可专门化产生信号，根据不，同的要求提高信号的针对性，根据机械要求可产生专门的二进制信号，从而帮助传动离散速度。还可产生用于无位置控制要求的变速传动的模拟速度信号，产生用于有位置要求的变速传动与位置、时间有关的指定速度信号等。运动控制器的工作效率高，数据和时间处理精确，相对的减缓了中央处理器和运动控制器之间的数据交换速率，从而帮助中央处理器和运动控制器间点对点通信的实现。
3.3. 关键技术研究
运动控制器实现运动环运行，伺服驱动器或变频器实现速度环和电流环运行，位置环闭环控制由运动控制器执行，位置T速度曲线发生器和位置T速度曲线调节器向变频器发送速度指令，指挥设备接收指令之后严格按照质量运行位置。
在将PLC运动控制器应用到舞台机械系统的设计中时关键的技术在于位置/速度曲线发生器的控制模式的设定和运行。在控制位置发生器时其主要模式有两种，S曲线模式和梯形曲线模式。位置控制闭环具有自身特点，即PI特点和变频器内置的速度闭环特性，因此即使梯形曲线在启动或停止，设备仍可被平稳控制。S曲线模式和梯形曲线模式相比，S曲线模式控制算法较为复杂，由此可知梯形曲线模式能够更加快速的对设备运动过程中具有的在线目标速度和目标位置的改变做出反应。因此当运行场合对位置响应速度要求较高时，位置/速度曲线发生器应采用梯形曲线模式。
4 结语
舞台机械系统设计需要不断增添智能化因素，以更好的满足大、中型剧院的要求，并为观众营造良好的剧院和舞台观感体验。其中PLC作为舞台机械系统的核心控制设备在舞台机械系统设计中的作用越来越明显，其能够控制设备精确度，解决多电机准确联问题等。本文在研究舞台机械系统设计时从智能化角度出发，对不同的舞台结构进行分析，并积极设计出运行质量更高的运动控制器，以提高智能化的舞台机械系统设计设备的应用成效。
参考文献
[1]王发虎.常规剧场舞台机械设计方案[J].甘肃科技,2010,(18):71-73.
[2]屈铁军,赵禹洲,刘广东.智能舞台机械系统设计[J].机械工程师,2009,(04):148.
论文作者:盘涛
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/24
标签：舞台论文; 控制器论文; 系统论文; 机械论文; 位置论文; 设备论文; 速度论文; 《防护工程》2017年第15期论文;