电气控制系统

1控制系统综述

    针对本项目舞台机械的配置情况和招标文件内控制设备的技术要求，结合我公司多年积累的舞台机械控制系统的宝贵经验，并遵照国内一流剧院的水准，我们为此工程提供以PLC为主控制器的WJZNK-II型舞台计算机系统。

该控制系统已在我公司实施的多项大型工程中得到广泛应用和检验，系统性能达到国际先进水平。

WJZNK-II型舞台计算机系统基于成熟的可编程控制器（PLC）和工业现场总线技术开发。可编程控制器采用西门子S7-300系列产品；驱动用变频器采用德国西门子公司高动态响应系列矢量控制产品，可以通过其独有的速度闭环功能实现设备高精度速度闭环控制；系统控制软件、通讯软件全部采用西门子公司自动化系列软件产品，实现了控制系统软、硬件产品的无缝集成，从根本上保障了整个系统的无障碍运行，提高了系统的可靠性。

系统操作用计算机为研华公司工业级产品，能够适应工业现场恶劣环境使用的要求。系统数据库符合工业标准，允许对其备份与复制。

系统各计算机控制站和PLC主控制器间通过以太网连接，网络速率可达10~100MBPS。PLC各机架、变频器通过profibus-dp总线连接。网络容量大于控制器数量并留有超过10%以上的扩充余量。网络数据传输速率完全满足系统控制的实时性要求。

系统中每一台计算机操作站都具有直接访问全剧场工艺数据的通路，可以对全剧场的舞台机械进行控制和监视，并且操作人员可以在计算机操作站选择监视和控制对象。

在计算机系统故障、检修或设备简化控制时,系统可通过智能型电动备份控制系统独立实现所有舞台设备的控制功能,保障设备的可靠控制和运行。

整个控制系统具备主控计算机控制、电动备份控制控制两种操作方式，使得系统操作达到了高度冗余。

本控制系统在剧场内设置了多处以太网接口供移动式操作台使用,以充分满足装台、排练、演出等各种控制与操作要求，方便在舞台面侧台、观众厅等不同位置完成对设备运动的监控。

整个系统具有结构清晰,可靠性高,操作灵活、快速,控制线缆少等优点,能稳定、安全、可靠地监控全部舞台机械设备，做到了软件及硬件配置的模块化和可扩展性，满足舞台机械设备对各种工况的控制和操作要求。 

为保证控制系统整体性能优良，系统其它主要电气元器件均选用进口产品或合资产品。

＊   系统上位机计算机选用研华公司工业型产品。

＊   电控系统主控制器选用西门子公司可编程控制器S7-300系列产品。

＊   低压电器选用法国施耐德产品。

＊   变频器选用德国西门子矢量控制产品。为了保障设备制动性能和定位准确，全部变频器配置制动电阻或制动单元，同时变频器配置射频滤波器，完全满足电磁兼容性要求。

＊   电线、电缆均为耐火型、阻燃型或低烟雾（LSF）型产品。

这些产品全部符合多项国际标准和国家标准要求，均适宜在工业现场恶劣环境中使用，自身具有极好的性能和优势。

整个控制系统的设计兼顾了先进性、可靠性和经济性原则，发挥设备功能，使系统具有好的性能价格比。

2 控制系统技术方案及功能说明

WJZNK-II型舞台计算机系统可以对剧场内所有舞台机械设备的驱动装置和现场传感器等实施运行控制、状态监视；并提供良好的操作界面和操作方法，保证设备及人员安全；同时配备有一定的维护及检修手段。

2.1单体设备的控制

控制系统高速实时监视设备运动的参数(位置、速度、限位、松绳等信号)，各设备按设定的运动参数和内置于控制系统中的保护措施运行，以保证设备安全，并满足定位精度的要求。当有紧急情况发生或运动误差超过允许范围时，系统自动采取有效的措施进行处理。设备运行的距离受到行程终止限位开关或超程限位开关的控制。

单体设备的控制装置彼此相互独立，即对应某台设备的控制装置出现故障时，不影响其它设备的运转。

3控制系统的组成

 WJZNK-II型舞台计算机系统主要有以下部分组成：

＊ 计算机系统（包括移动控制站）

＊ 舞台机械主控制系统

＊ 舞台机械智能备份控制系统 

＊ 紧急停机系统

系统其它外围控制单元包括:

＊   编码器反馈单元

＊   行程、超程保护单元

＊   松绳检测单元

＊   超载（过流）保护单元

1) 计算机系统

计算机系统由一台上位计算机(工程师操作站)和一台可移动式计算机（可选）组成。工程师操作站主要用来编制程序、设计操作画面和进行运行操作；移动控制站只进行运行操作。

移动控制站由移动式计算机和急停等操作元件组成。提供操作人员在设备附近或能够观察到设备大部分运动过程的地方进行操作，可实现设备的运行方式选择，演出剧目和场次的选择，自动和手动控制，联锁控制，应急操作，运行、报警状态显示等全功能操作，可通过工程师操作站对其进行授权或密码设定其操作范围。该控制站可方便的在舞台侧台面、观众席等位置移动，便于舞台设备的调试和灵活操作。

移动式控制站结构结实并按固定式操作盘的规范设计和制造，同时考虑了使用时受到的震动因素。

移动式控制站的控制权限受到主控计算机的限制和锁定，以便充分保障系统的操作安全。

2）主控制系统

WJZNK-II型舞台计算机系统由可编程序控制器和计算机用现场总线方式构成。主控制系统可以提供全部功能控制与操作，包括单体设备的控制、设备联锁、预选择设备、设定运动参数、编组运行、场景记忆、场景序列、故障诊断、系统维护、互联网的联机操作向导等。主要操作以屏幕窗口、图形、表格方式，并有适当的手动介入功能；可灵活进行返回、重复、跳跃和连续运行等操作。

为了充分满足装台、排练、演出等各种控制与操作要求，主控制系统的操作设备是多个操作台（盘）的组合，以方便在主控制室、舞台台面、观众厅等不同位置完成对设备运动的监控。

3）舞台机械智能备份控制系统

    WJZNK-II型舞台计算机系统有符合工业标准的人机界面和操纵杆、开关和可编程序控制器等组成。当计算机系统故障、检修或设备简化控制时可承接舞台机械设备的运行控制和管理。

    智能备份控制系统提供以下功能：单体设备的控制、设备联锁、设备状态监视、预选择设备、设定运动参数、编组运行等。

    智能备份控制系统设置在主操作台上，主要操作方式为操作杆、操作按钮进行。

智能备份控制系统和其它操作站操作相互锁定，以便充分保障系统的操作安全。

4）紧急停机系统

紧急停机系统的设计安全、可靠，并符合有关标准。系统在各个操作台和就近控制器（盘）设置了紧急停机控制按钮，在任何操作台位置启动紧急停机按钮都将使相应的舞台机械设备断电并安全而迅速的停机。

紧急停机按钮是具有压动和扭松机构的红色大蘑菇型停止按钮。任何时候和任何情况下，只要操作紧急停机按钮就能起动紧急停机线路。

紧急停机按钮安装在各操作台（柜）上，易于被操作人员看见和操作，但不安装在可能被偶然按压的地方。

紧急停机系统应由紧急停机按钮本身的扭松机构复位。紧急停机状态的取消本身不会引起任何设备运动，所有设备在按正常操作程序重新启动之前都将保持停机状态。

4 操作系统

操作人员通过对控制系统硬件及软件的逻辑组合所形成的功能进行应用，包括预选择设备、设备运动参数的设定、编组运行、场景记忆、场景序列以及手动介入功能等。

4.1 操作功能逻辑

控制及显示的逻辑清楚易懂，并在整个控制系统中保持绝对一致。控制系统的操作是安全、迅速。在演出过程中的场景转换操作应是不影响场景效果的简单且迅速的操作方式。

4.2 操作及预设定

1）主控制台和移动控制台，都能够对被控设备进行预选择和运动参数的设定，并提供设备状态的清晰指示，并且指示出当所有联锁和安全条件都满足，预选择的设备动作能够执行。

2）当要完成多个设备或设备组顺序动作时，可以先设定各独立的设备运动，再记录为设备组：只有在上一个设备或设备组动作完成后，才起动下一个。

3）系统还可以接受由操作人员输入的附加信息（如场景物理参数、操作的手动介入、特定编组运行等）。

4.3 基本功能构成：

1）设备编组运行

系统可存贮的设备编组数量大于999个。根据设备编组运行状况的不同，系统至少有两种编组形式，并用不同颜色对设备编组进行区分。

联锁型编组：用于控制按顺序运动并有联锁关系的设备组的运行，当该组中任一设备的运动顺序不符合联锁关系或故障时，系统立即停止该组内所有设备的运行，系统发出的停止命令是紧急停机命令，以免损坏设备和发生危险情况。

自由型编组：用于控制相互之间独立的多个设备的联合运行，适用于在演出中需要经常调用的多个设备的同时运行。自由型编组中允许各设备的运行独立于其它设备，按照已定的速度和动作距离来运行，当该组中任一设备的速度或位置偏差超出系统允许的误差范围时，系统发出针对单个设备的停止命令，而其它正常运行的设备不受任何影响。

2）场景物理参数

场景的纵向整体高度、运行距离限制等是控制系统对每个设备进行可靠控制的重要物理参数，系统允许操作人员对这些参数进行输入、修改等操作。

3）设备起动

设备的起动可以按照预选择、预设定的方式通过屏幕窗口、图形或表格方式用功能键盘或鼠标进行，也可利用操作台（盘）上的按钮、操作杆等操作部件起动单个设备或编组设备的运行。设备的运行将按照预设定的位置等参数从一个预设停车位置运行到另一个预设停车位置，或者从任意有效位置起动运行到另一个有效位置。单个设备、设备编组、场景记忆、场景序列等运行方式中都有手动介入功能来控制设备运行。

4）设备运动的挑选和忽略

在自由型编组设备运行控制中，系统允许操作人员从中选择几个设备处于可控状态，而该组中其余设备可以被忽略，同样也可以选择几个设备被忽略，其余设备为可控状态。

在场景记忆运行中，系统允许操作人员从中选择几个设备编组处于可控状态，而其余编组可以被忽略。系统还允许操作人员在设备编组之间进行跳跃操作。

5）默认速度

在缺省对设备的速度设定或无法进行速度设定时，设备按照系统默认的速度运行。默认速度随不同的设备而不同。

6）其它功能

系统还提供满足装台、排练、演出等过程所要求的完善的操作功能（场景记忆、系统提示等）。

4.4 应用软件

系统应用软件备份在物理硬盘上。运行的软件部分在容量足够的内存上，正常运行时，没有物理运动的磁头读写操作。系统可以通过计算机局域网络传送数据。

图4-6-1  舞台计算机操作软件

1）适用性：应用软件是专为剧院舞台机械设备控制与操作而设计开发。系统

提供良好的人-机界面，操作简单明确，并具有图形数字显示、屏幕菜单操作、

自动记忆、在线帮助、故障诊断、故障处理提示等功能。操作方式是键盘操作结合鼠标点击画面的方式，特殊对话框的弹出实时、准确、浮点运算准确无误。系统运行稳定、性能优良，达到了工业级的平均无故障工作时间，控制技术和软件技术也达到先进水平。系统用屏幕窗口、图形、表格等方式来显示预选择设备、运行参数设定、设备编组、场景记忆、场景序列、在线帮助、故障信息、数据加载、工程组态和管理功能，并用明显的方式区分不同设备的不同状态（选中、运行中、故障等）。 

2）运行环境：软件的开发基于适宜的、安全可靠的WINDOWS 计算机操作系统平台。中文的面向操作人员的操作界面和工程组态版本，便于操作人员的使用。

3）用户文件管理：系统禁止操作人员对软件核心文件的访问，对软件调用产生的用户文件用密码的方式做有效的保护。工程师可以控制和改变到达文件夹的操作路径。

图4-6-2  用户管理界面

4）信息记录功能：软件能自动记录所有的操作、控制及设备的运行和故障信息，不正常的信息用更明显的方式标示出来。

图4-6-3  日志管理界面

5）我厂保证在安装期选用的软件版本是新的。在保修期内，我们将根据业主在使用过程中发现的问题及合理要求不断完善控制软件。在保修期结束时，操作系统软件将是新的。

图4-6-4  剧目管理界面

图4-6-5  设备管理界面

4.5 显示系统

显示系统有换屏操作和调用特殊数据的复选单键。屏幕刷新没有明显的延迟。可以实时显示当前的操作信息。紧急信息除了在屏幕上显示外，还在操作台面上显示。

系统用屏幕窗口、图形、表格等方式来显示预选择设备、运行参数设定、设备编组、场景记忆、场景序列、在线帮助、故障信息、数据加载、工程组态和管理功能，并用明显的方式区分不同设备的不同状态（选中、运行中、故障等）。

4.6 安全要求

1）人员授权

对主控制系统的操作由经过我厂授权和培训的操作人员来进行。进入主操作台、移动式操作台需要有不同级别的操作识别码，进入主操作台操作需要更高级别的识别码。操作人员可以凭不同级别的识别码进入相应的操作台操作。识别不同操作级别的方式可以是屏幕提示，通过键盘输入密码。

2）操作设备的权限

主操作台的控制拥有高的操作权限，主操作台可以“冻结”移动式操作台的操作。操作台之间的操作不会互相冲突，当其中一处选择某设备运行时，系统禁止在其它地方再选择该设备运行。

4.7 各种故障诊断及安全保护措施

对控制系统的异常现象和控制元器件的故障，系统发出报警，提示操作人员。对危险信号直接中断设备运行，避免造成设备和人员损伤。

l  调速设备在行程开关位置之前设有减速开关，一旦减速开关闭合，设备被强制以低速运行。

l  设备升降限位：设备升降时有行程开关；行程开关使电机停止运行；系统检测设备到达行程开关位置则不允许再向极限外方向运行。

l  吊杆设备的上下限位值设计为30m，设备运行不应超过此值（可以按用户要求调整）。

l  设备均设置有超程保护开关，在行程控制失灵时起作用，防止设备损坏和事故发生。

l  系统设置超载保护功能。当设备负载超过额定负载时将终止设备运行。

l  吊杆设备均设有松绳保护功能，在钢丝绳松绳时报警并停止设备运行。

l  危险设备运行限制：对于某些暂时不宜运行的有危险的设备，可以限制其运动。

l  未运行急停：应该运行的设备由于某种原因未运行时，系统可诊断出并迅速报警与处理。

l  对变频器的报警要求有相应的处理。

l  各种抗干扰措施。

l  每次输入数据完毕退出或运行时，计算机自动检测数据的合法性，对数据不合法情况，系统将提示有相应的错误报警，必须将不合法数据修改后方可退出编辑或进入运行。

5 电气设备柜

5.1 结构

电气设备柜的机柜和机架都采用经过防锈处理的金属板或钢板刚性制作，采用钢板或型钢的框架加强。电气设备柜具有防尘和防潮措施。除通风处和电缆进出口外，所有机柜和机架都全部封闭。每个机柜的深度能保证适当的设备和接线空间。