侯俊杰 白彥斌

甘肅工大舞臺技術工程有限公司 甘肅 蘭州 730050

引言

近年來，隨著文化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代舞臺機械控制系統(tǒng)的功能越來越完善，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得尤為龐雜，故障率隨之增加，所以對舞臺機械控制系統(tǒng)安全可靠運行的要求也愈發(fā)嚴格[1]。為此行業(yè)中各大企業(yè)針對如何降低控制系統(tǒng)故障率提出了多種解決方案，比如目前廣泛應用的操作臺冗余，這種方案就能夠避免因為單個操作臺故障而引起的系統(tǒng)停機。因此，可以利用PLC冗余來避免因為單個PLC故障引起停機、利用網(wǎng)絡通信冗余避免因網(wǎng)絡故障引起停機、利用分布式IO、變頻器、接觸器、斷路器等硬件冗余避免因為這些電氣元件故障而引起停機等[2]。隨著冗余程度的增高，系統(tǒng)的可靠性將越來越強。事實上，成本也會隨之增加，所以選擇主要元器件進行冗余配置具有成本優(yōu)勢，而且能夠規(guī)避大部分系統(tǒng)故障。

在舞臺機械控制系統(tǒng)中，PLC就是整個控制系統(tǒng)的大腦與核心。所以對PLC進行冗余備份，是提高控制系統(tǒng)可靠性的有效手段[3]。目前，采用的PLC冗余方式分為2種，即軟冗余和硬冗余。西門子公司在這兩方面均給出了解決方案。在S7-1500H冗余系統(tǒng)中主、備CPU切換時間＜100ms，功能強大，可靠性高，目前已在隧道照明、污水處理、冶金、煤礦、化工等行業(yè)得到了普遍應用[4-6]。

本文針對舞臺機械控制系統(tǒng)的特點，分別從硬件設計和軟件設計這兩個方面實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的硬冗余和軟冗余，研究了一種基于SIMATIC S7-1500H的舞臺機械冗余控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

規(guī)范的品字形劇場舞臺機械通?？煞譃榕_上設備與臺下設備兩個部分，臺上設備主要以卷揚類為主，臺下主要以升降、推拉、旋轉(zhuǎn)（升降臺、車臺、轉(zhuǎn)臺）為主[7]。舞臺機械控制系統(tǒng)則是用于控制臺上、臺下設備安全運行的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的舞臺機械控制系統(tǒng)通常是“PLC+I/O從站+變頻器”形式，本文所研究的舞臺機械控制系統(tǒng)則是“冗余PLC+現(xiàn)場PLC+分布式I/O+變頻器”的形式。

冗余PLC系統(tǒng)的整體構(gòu)建是通過兩臺CPU組建閉合的PROFINET環(huán)網(wǎng)， CPU之間使用兩根雙工光纖電纜通過同步模塊連接在一起。PROFINET環(huán)網(wǎng)中的所有終端設備都具有MRP介質(zhì)冗余協(xié)議，否則無法建立具有MRP介質(zhì)冗余性的環(huán)形拓撲工業(yè)以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。在整個環(huán)網(wǎng)冗余系統(tǒng)中，冗余PLC為冗余管理器，其余設備為冗余客戶端。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖

該冗余控制系統(tǒng)首先通過硬件設計搭建硬冗余，然后利用編程軟件實現(xiàn)軟冗余配置、運動控制、冗余故障的監(jiān)控及報警。

本文將以贛州文化藝術中心項目為例，進行硬件設計和軟件設計。該劇院包含吊桿、燈桿等臺上設備、側(cè)車臺、后車臺等臺面設備以及樂池升降臺、主升降臺等臺下設備，共計160臺套。臺上柵頂層設備與臺下基坑設備距離較遠，設備數(shù)量多，控制要求比較繁雜。針對該項目上述特點，下面進行冗余控制系統(tǒng)設計。

2 冗余控制系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)設計運用了用戶層、控制層、現(xiàn)場層的三層結(jié)構(gòu)設計思想。用戶層設備通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制層進行數(shù)據(jù)交換，控制層與現(xiàn)場層變頻器采用PROFIBUS-DP總線連接。硬件網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖2所示，以下將對三層結(jié)構(gòu)進行詳細闡述。

圖2 硬件網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖

2.1 用戶層

用戶層設備主要由主控臺、移動站、觸摸屏、緊急控制盒、遠程運維中心這幾類控制終端組成。各控制終端相互冗余，數(shù)據(jù)實時同步?？刂葡到y(tǒng)能夠保證當前有且僅有一個控制終端處于控制模式，其余均為監(jiān)控模式。用戶可自由切換控制終端。

2.2 控制層

控制層設備包括SIEMENS S7-1500H冗余系統(tǒng)、臺上設備控制器CPU1516、臺下設備控制器CPU1513以及PROFIBUS-DP通信模塊CM1542-5。SIEMENS S7-1500H冗余系統(tǒng)的兩個CPU通過兩條冗余連接進行同步，兩個 CPU 會并行處理相同的項目數(shù)據(jù)和相同的用戶程序，如果一個 CPU出現(xiàn)故障，另一個 CPU會接替它對過程進行控制。CPU1516自帶PROFIBUS-DP通信接口，可直接與臺上設備變頻器進行通信，而CPU1513則需要通過通信模塊CM1542-5與臺下設備變頻器進行通信。

控制層之間采用閉合環(huán)網(wǎng)連接，當環(huán)網(wǎng)中的某一節(jié)點斷開，仍能夠保持環(huán)網(wǎng)設備之間的通信。

2.3 現(xiàn)場層

現(xiàn)場層設備包括分布式I/O設備以及臺上、臺下設備的變頻器。分布式I/O設備采用SIMATIC ET200MP，ET200MP通過PROFINET通信接口模塊IM155-5與現(xiàn)場PLC進行通信；變頻器采用Nidec Unidrive M701系列，變頻器與現(xiàn)場PLC采用PROFIBUS-DP通信。

2.4 硬件總體設計

根據(jù)上述硬件選型，再結(jié)合贛州文化藝術中心現(xiàn)場環(huán)境特點，設計出的該項目的冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖3所示。其中由于臺上設備層與臺下設備層跨距較大，網(wǎng)線鋪設距離過長將會導致傳輸信號不穩(wěn)定、傳輸速率慢甚至接收不到信號，所以在環(huán)網(wǎng)中運用了具有MRP介質(zhì)冗余協(xié)議的西門子交換機XC208，它既能夠與其他環(huán)網(wǎng)設備構(gòu)成環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，又能夠起到一定的信號放大作用，同時還可以將環(huán)網(wǎng)之外的其他網(wǎng)絡設備隔離開，使環(huán)網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被其他端口轉(zhuǎn)發(fā)，有效提高網(wǎng)絡通信效率的同時保障環(huán)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)不受外部網(wǎng)絡影響。

圖3 贛州文化藝術中心冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

3 冗余控制系統(tǒng)軟件設計

硬冗余搭建完成后，需通過軟件設計配置軟冗余。軟件設計主要包括系統(tǒng)硬件組態(tài)、運動控制、上位機監(jiān)控界面設計三個部分。

3.1 系統(tǒng)硬件組態(tài)

根據(jù)該項目的冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡圖，在SIEMENS TIA Portal V16軟件環(huán)境中搭建系統(tǒng)的硬件組態(tài)，將冗余系統(tǒng)的PROFINET環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、PLC與變頻器的PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡搭建起來，分別將兩個冗余CPU的介質(zhì)冗余角色組態(tài)為“Manager（Auto）”，PROFINET環(huán)網(wǎng)中的其他所有PROFINET設備都組態(tài)為“客戶端”介質(zhì)冗余。并設定PLC的IP地址、變頻器的PROFIBUS地址等[8]。

3.2 運動控制設計

舞臺機械運動控制最基本的控制方式有兩種：速度模式和位置模式。速度模式即設備自由運動且速度可調(diào)；位置模式即設備通過用戶設定設備的目標位置和運行速度

自動運行至目標位置的功能。無論哪種運動模式，安全功能始終擁有最高優(yōu)先級，當系統(tǒng)檢測到急停、極限、松繩等安全信號時立刻停止運行。運動控制流程圖如圖4所示。

圖4 運動控制流程圖

3.3 上位機軟件設計

上位機監(jiān)控畫面采用C#進行設計開發(fā)，主要包括設備管理、設備及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、劇目管理、編組管理、系統(tǒng)管理這幾個功能板塊，用戶可通過上位機切換控制模式、監(jiān)控終端、用戶權限等。上位機軟件需要安裝在裝有Windows系統(tǒng)的工業(yè)PC機上，上位機與PLC采用UDP通信。裝臺模式下上位機監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 上位機監(jiān)控界面-裝臺模式

4 系統(tǒng)驗證

為驗證該冗余系統(tǒng)的功能和性能測試，對該系統(tǒng)進行了模擬故障試驗，測試項目及結(jié)果如表1所示。通過上述試驗驗證，該冗余控制系統(tǒng)能夠有效避免因單一PLC故障、網(wǎng)絡斷開、交換機故障、同步光纖斷開、分布式IO故障引起的系統(tǒng)停機，且主備PLC在切換過程中不會中斷對設備的控制，極大地保障了舞臺藝術表演的效果。

表1 冗余功能測試

5 結(jié)束語

本文通過將西門子S7-1500H冗余系統(tǒng)應用于舞臺機械控制系統(tǒng)中，有效避免了因PLC故障或網(wǎng)絡斷開而引起的停機和數(shù)據(jù)丟失的風險，確保了系統(tǒng)的高可用性和可靠性。該冗余控制系統(tǒng)在贛州文化藝術中心大劇院投入應用至今，其高度有效性和可靠性保障著該劇院舞臺機械設備高負荷安全運行。同時該冗余控制系統(tǒng)的成功應用為舞臺機械冗余控制系統(tǒng)提供了更好的解決方案，為后續(xù)舞臺機械控制系統(tǒng)往更可靠、安全、穩(wěn)定發(fā)展奠定了基礎。