下载文档原格式
Profibus总线技术在舞台电气控制系统中的应用研究殷劲松;苏磊;黄晓华;孙松丽【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2014(031)012【摘要】针对现代舞台控制系统控制要求高、控制对象数目庞大的特点以及传统继电器舞台控制系统自动定位困难、系统故障率高、维护维修繁重等问题,结合现场总线技术的发展状况及特点,提出了以触摸屏为人机交互界面、S7-300PLC为控制核心,通过Profibus现场总线控制基于MDX61B变频器的交流变频调速系统实现对现代舞台关键设备的实时动态控制的控制策略和实际应用.给出了基于Profibus现场总线和MDX61B变频器的交流变频调速系统在现代舞台控制系统中的几种应用和程序控制方法.研究结果表明,通过现场总线技术可实现对各分散功能单元的集中控制,系统具有动态响应快、可靠性高和经济性优等特点.对现代舞台控制技术的发展研究具有一定的参考价值.【总页数】4页(P1653-1656)【作者】殷劲松;苏磊;黄晓华;孙松丽【作者单位】南京理工大学泰州科技学院,江苏泰州225300;南京理工大学泰州科技学院,江苏泰州225300;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学泰州科技学院,江苏泰州225300【正文语种】中文【中图分类】TP393.03;TH39【相关文献】1.人工智能技术在矿山计算机电气自动化控制系统设计中的应用研究 [J], 徐小云2.单片机技术在电气传动控制系统中的应用研究 [J], 林俊欢3.单片机技术在电气传动控制系统中的应用研究 [J], 徐慧惠;吕露;周清华4.电气设备自动化控制系统中PLC技术的应用研究 [J], 张晟超5.PLC技术在数控机床电气控制系统中的应用研究 [J], 王佃超因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
PLC运动控制器在舞台机械系统中的设计与研究摘要：当前，大量舞台机械控制系统采用PLC作为核心控制器件，存在垂直提升设备精确控制和多电机精确联动等问题。
基于此，本文详细分析了PLC运动控制器在舞台机械系统中的设计与研究。
关键词：PLC运动控制器；舞台机械系统；设计机械舞台设备是现代剧场及文化体育设施的重要组成部分。
基于PLC的运动控制系统以PLC为基本运动控制单元，采用“上位机+服务器”或“带服务器功能的PLC+轴控制器(PLC)+驱动单元”。
因而，基于PLC的运动控制器的研究已成为舞台机械运动控制领域的一个重要方向。
一、舞台机械系统优势舞台机械是运用于以剧场为代表的各种演出场所、直接或间接为舞台演出活动服务的机械设备的统称。
舞台机械能实现布景、道具的快速切换，可组成各种台阶式的舞台，可参与演出、产生各种效果，可悬挂、移动灯具，可实现剧场的多功能切换。
不仅要为布景、灯光提供条件，还要合乎演出习惯、节奏、动作和各种特技，同时要为观众欣赏演出提供视觉、听觉上的条件，是现代化剧场不可缺少的核心设备。
舞台机械种类较多，有的行程大，有的体量大，和剧场建筑互相结合、密切相关，是剧场的有机组成部分。
1、安全可靠。
安全性指标是舞台机械设计的首要指标，任何种类的舞台机械必须绝对安全。
通过优化舞台机械工艺设计、设计足够的安全裕量、采取全面的安全防护装置、设置必要的备用系统与人工干预系统等措施，保证舞台机械的安全性与可靠性。
2、简单快捷的操作控制系统。
采用现场总线技术的PLC控制系统，稳定、安全、可靠，能对受控设备的运动参数(速度、位置)进行实时控制，以实现运动及运动程序的随机重现性。
控制系统能预选设备或设备组、预选运动参数(速度活时间、行程或位置)，并有记忆、手动介入、现场修改和插入、图形及参数显示和故障诊断功能。
3、易维护。
采用模块化、标准化设计，维护简单、排故容易、检修方便。
二、结构组成及方案设计1、结构组成。
实时以太网技术及其应用-Ethernet POWERLINK一、IT技术对于自动化领域的影响-Ethernet技术的大量使用1.为什么选择以太网？1.由于在管理层的ERP/MRP/CIMS/MES均采用了Ethernet技术，因此，对于Ethernet有了广泛的需求；2.Ethernet技术继承了IT业的开放性设计以及更为便宜的成本；3.开放的工具例如诊断工具Wireshark和标准的市面上多个厂家提供的芯片可供使用；4.Ethernet不仅仅是一个总线，它一直在进步，从10Mbps,100Mbps,它一直领先于工业网络的速度和技术；2.实时性需求在不断增加但是CSMA/CD机制的确会防止冲突在网络上的发生，却造成了数据发送的不确定性以及延迟的产生，这对于更为苛刻的实时性要求的机器控制而言则无法满足。
所谓确定性的通信过程是指它具有一个精确的可预测的定时，也就是什么时候数据报文到达接收者，生成响应数据和需要多长时间来传送该数据报文，都是可预测和确定的。
它应用等时间同步原理，等时同步是一种数据传送方法，即在每一个精确的总线时钟周期内，确保传送实时数据。
3.实时性应用等级3.1回路调节对于回路调节及输送系统、数据采集系统等，其PID回路调节，四大参量如温度、压力、液位、流量而言，由于其所具有的延迟性，通常周期均在mS级,10mS,50mS,100mS甚至到S一级，以太网技术可以满足其刷新的需求。
3.2机器人与CNC系统机器人与CNC系统正在蓬勃发展，在机械工业的行业划分中，CNC和机床是最大的一块，整个CNC和机器人的架构设计中，由主控PC和PLC运行的插补算法将通过高速总线传递给各个执行机构，在每个CNC和机器人的插补周期里，该插补值都需要通过总线给定到伺服系统，而伺服系统的电流环、速度环将在本地执行，为了满足更高速度和更高精度的加工要求，S=Vt,当位置与速度都要求极高的时候，只能是在刷新周期上不断缩小，而这对实时控制提出了要求，目前在速度控制方面，如果将速度也反馈给主控，则这个刷新的速度需要更快，甚至达到几十个微秒的周期，这也是为什么传统的CNC和机器人系统采用专用系统的原因-因为，目前国内的CNC和机器人达到的均在5mS这个水平，而新一代的更高速度则要到uS级的刷新，例如Fanuc,Kuka,ABB的机器人系统刷新均在uS级，因此其传统都使用光纤专用总线来实现数据交换。
Ethernet POWERLINK发展现状和openPOWERLINK源代码一．为什么需要实时以太网1标准以太网的实时局限性目前，标准以太网可达到100Mb/s甚至1000Mb/s的传输速度，远快于任何现场总线系统。
但对于工业控制来说，比传输速率更重要的是实时性。
实时性的一个重要标志是时间的确定性，通信时数据传输时间不是随机的，而是可事先准确预测的。
以太网虽有很高传输速率却不能保证实现控制设备间的实时通信。
标准以太网IEEE802.3的通信机制使数据传输时间可被任意推迟，也就谈不上实时性。
而在工控领域中，特别是在对高动态过程的控制中，实时性却必不可少。
普通以太网产生这种通信时间不确定性的原因，是它对物理介质的访问机制CSMA/CD。
CSMA/CD是以太网标准IEEE802.3的核心，如在尽量不改变现有标准前提下想在工控领域中充分利用以太网优点，就须找到一种方法保证以太网中数据传输时间确定性，使其实现实时通信。
2工业控制要求很高的实时性在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。
一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内作出反应。
至于反应时间须有多快，由被控制过程决定。
化工热化过程控制有秒级别的反应时间就足够，而在高动态传动控制中系统反应时间必须达到微秒级。
另外，还可把工控中的实时性分为硬实时和软实时两种不同类别（它们之间没有明显界线）。
硬实时：控制中系统响应时间要求如达不到将导致致命后果（如汽车ABS、飞机、工具机床等）。
软实时：系统响应时间如达不到要求仅影响系统控制质量，而不会造成严重后果（如楼宇系统、电梯、仓库管理等）。
正是因为以上两点原因，在普通以太网的基础上提出了实时以太网的概念，而Ethernet POWERLINK是工业以太网的佼佼者。
二．openPOWERLINK协议栈源代码思泰公司的开源协议堆栈POWERLINK协议堆栈可以作为一个通用版本的源代码来使用。
实时以太网Ethernet PowerLink技术综述一、工业控制中对实时以太网的需求工业中对实时以太网的需求主要有两个指标：一是实时性，二是抖动性能。
1.1实时性什么是实时性，实时性不等于高性能。
在工业控制领域，实时可定义为系统对某事件的响应可以再可预测的时间内完成。
即实时性是指系统可以在一个预定的时间范围内做出相应的响应。
至于预定的时间范围则和具体的应用相关。
根据应用需求一般把实时性划分为四个级别，如下表1所示。
表1 工业自动化领域中各应用场合对实时性的要求应用场合实时响应时间信息集成度较低的过程自动化应用场合>100ms绝大多数的工厂自动化应用场合1-100ms高性能的运动控制应用100us-1ms高动态同步过程<100us如表1所示，信息集成度较低的过程自动化应用场合（如化工工程工业）中，一般响应在秒级/（）100ms）就可以满足系统的实时性要求；而在绝大多数工厂自动化应用场合一般5-10ms响应时间就可以满足要求了；但是在在高性能同步运动控制（高速过程、机器人）中一般是需要小于1ms的实时响应时间才能满足系统的要求；另外将高动态同步过程等实时性要求更高（<100us）的应用划为第四个等级。
1.2抖动抖动即同样过程每次完成时间的偏差。
可以理解为时间精度，如下图1所示。
图 1 抖动时间示意图根据工业自动化开放网络联盟（IAONA）的定义实时性中网络抖动可以分为四个级别，如下表2.2所示表2.2 IAONA规定的网络抖动时间等级1.3通信周期一般来说，控制系统程序都是以周期循环的方式运行，在一个周期内，获取数据，然后完成计算任务，接着输出数据，这样进入下一个周期。
显然，控制系统时间周期是由被控对象来确定的，对于化工过程控制以1秒作为时间周期基本上就能满足要求了，可是对于高速过程就得以小于1ms的时间作为周期才能满足系统要求。
对于联网设备来说，一般系统的运行周期与通信周期相对应是比较合适的。
EtherNetIP通信协议在机械制造中的应用EtherNet/IP通信协议在机械制造中的应用随着工业自动化的发展，各种通信协议也应运而生。
其中，EtherNet/IP通信协议以其高效、快速、可靠等特点，应用越来越广泛。
在机械制造领域，EtherNet/IP通信协议也被广泛应用，本文将介绍EtherNet/IP通信协议在机械制造中的应用。
一、EtherNet/IP通信协议的特点EtherNet/IP是基于以太网的通信协议，具有以下特点：1.高速传输EtherNet/IP的传输速度高达100Mbps，可满足大多数机器人、单片机、PLC等设备的数据通信要求。
2.可靠性高EtherNet/IP采用的是非常严格的网络数据帧检验机制，有效地避免了数据传输过程中的丢失或错误。
3.简单易用EtherNet/IP可以直接使用以太网接口进行通信，采用的是开放式的配置，用户可以灵活配置协议，方便编程。
二、EtherNet/IP通信协议在机械制造中的应用1.机器人控制在机器人制造过程中，机器人控制是非常重要的一环。
使用EtherNet/IP通信协议，可以使设备之间的数据传输快速可靠，实现机器人对物件的准确把握。
2.工业PC控制在机械制造领域中，工业PC也是必不可少的一种设备。
采用EtherNet/IP通信协议，可以实现工业PC与其他设备之间的高速、可靠的数据传输，提高机械制造的效率。
3.自动化流水线控制机械制造中，流水线的优化和控制是非常重要的一环。
EtherNet/IP 通信协议可以实现流水线之间的高速、可靠的数据传输，实现流水线的优化和控制。
4.PLC控制在机械制造领域，PLC（可编程逻辑控制器）也是一种重要的控制设备。
使用EtherNet/IP通信协议，可以实现PLC和其他设备之间的快速的数据传输，提高机械制造的效率。
三、结语通过本文的介绍，我们可以了解到EtherNet/IP通信协议在机械制造中的应用。
作为一种高效、快速、可靠的通信协议，它在机械制造中具有不可替代的作用。
Ethernet Powerlink在舞台机械控制系统中的应用研究刘基顺孔宪旺（北京特种工程设计研究院，北京，100028）摘要本文分析了工业实时总线系统Powerlink的特点和实现方式，并介绍了某剧院舞台机械控制系统中的工业现场总线应用，从系统的网络结构及配置、硬件设计及组成两个方面进行了详细的论述，它在实际应用中取得了良好的效果。
关键词：Ethernet Powerlink，舞台机械，变频器，工业以太网中图分类号：TP393.02 文献标志码：B1 引言：现代化剧场设备数量较多,控制系统元器件数目也很庞大,设备和设备之间的逻辑关系繁杂，运行定位精度要求高，靠传统的控制手段已难以满足演出要求。
随着舞台设计和计算机技术的不断发展，在舞台设备中引入计算机控制,借助于良好的人机界面及丰富的PC机资源为管理人员的装台、场次预选及运行操作提供极大的方便。
以太网由于自身成本低、速度快，网络支持设备众多等优势，近年来在工业自动化领域快速发展。
但是以太网采用CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问）碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。
同时在工业环境中解决以太网抗干扰性能较差及适用于危险场合，也是制约以太网在工业中推广的重要问题之一。
奥地利贝加莱（B&R）公司在2001年开发的 Ethernet Powerlink（EPL）标准是一种可满足最苛刻实时要求、并已投入实际应用的工业以太网。
该公司当初开发Ethernet Powerlink的思路是在标准以太网基础上建立一个现场总线系统来满足控制中最苛刻的实时要求，克服以上传统以太网在工业上应用解决方案的局限性。
由于其PＣC产品可靠性高、抗干扰性能好，功能完善、通用性强，具有诊断、报警、监控等功能，因此可作为现场控制的核心。
本文在分析了Ethernet Powerlink的特点的基础上，提出了以B&R PCC为基础构成舞台机械控制底层的DCS(分布式控制系统)控制系统。
它采用开放式工业以太网通讯技术，将分布式I/O与核心控制器PCC快速、方便地联系起来，为舞台机械运行提供实时、安全可靠的运行保证。
2 Ethernet Powerlink网络特点及实现方式：Ethernet Powerlink的是一种确定性、实时性工业以太网。
Ethernet Powerlink一方面继承了传统的以太网协议族（TCP/UDP/IP），另一方面,在网络协议引入有效的控制节点，从而有效的避免以太网以CSMA/CD碰撞造成的数据包延迟现象。
2.1 Ethernet Powerlink网络特点Ethernet PowerLink完全建立在标准快速以太网之上，物理层和媒体访问控制部分仍然采用IEEE802.3u快速以太网标准。
因此它完全符合以太网标准的拓扑结构和物理特性。
它的传输速率为100Mbps，使用带RJ45插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）。
网段长度为100m，支持星型和树型结构。
由于交换机是建立在网络层协议基础上，在接收和转发数据包时会造成时间延时的不确定性，所以在Ethernet PowerLink的保护模式中只允许使用集线器作为连接设备。
Ethernet PowerLink进一步发展和改进主-从方式，在整个网络只有唯一的管理节点,在管理节点统一调度下,管理节点和控制节点之间、以及控制节点之间的通信周期地进行。
每个通信周期可以有对应的时间域用于传输实时数据和标准以太网数据流。
这样，在高速率、高利用率的网络中以最小抖动（Min-Jitter）传输的优势才得以体现。
网络中每一个工作站与其他工作站，工作组，或所有其他工作站的通信也被严格地限定在规定时间内。
这可确保每次只有一台在发送数据。
由于没有冲突,从而做到了网络优化而不产生任何问题。
这样就保证了I/O从站中发送和接收的数据与中央处理器之间的同步传输。
如图1 所示：为传统工业以太网和Ethernet PowerLink在网络特性上的比较：图１Ethernet PowerLink工作模式分为保护模式、开放模式和基本以太网模式。
2.2 POWERLINK实现方式Ethernet PowerLink网络在CSMA基础上引入时间片通信网络管理(Slot Communication Network Management，SCNM)。
每个通信周期包括起始域(Start-Period)、循环域(Cyclic-Period)、异步域(Asynchron Period)和空闲域(Idle-Period)4个时间域。
1．开始阶段：管理员发布“通信周期开始（SoC）”信号，信号以广播方式发给所有站点。
2．同步阶段：这阶段中所有站点进行同步信息交换，管理节点在循环域依次向每个节点发送轮询(Poll Request，PRq)，控制节点收到轮询后发送响应报文(Poll Response，PRs), 每个循环域有结束数据流(Endof Cyclic,EoC)。
3．异步阶段：这个阶段主要传输标准以太网数据流，是给无实时要求的信息留下的，管理节点查询异步数据请求队列，发送异步数据发送邀请(Invite)，目标节点便可发布非同步信息，比如一帧IP 信息。
4．闲置阶段：到下一个周期前的等待时间。
如图２所示：图２：时间片通信网络 通过时间片通信网络管理发送的数据报文会在接收节点还原成原始数据包，保证数据包的有效到达。
通过时间槽管理机制，Ethernet PowerLink 最大限度的利用带宽，避免了数据传输中网络冲突。
３ 舞台设备及控制系统３.1 舞台机械设备简述某剧院舞台机械由台上设备和台下设备组成：见表1设备名称控制描述8套灯光吊杆及吊圈采用变频器全矩阵切换技术，根据不同设备类型和用户使用要求选用不同的变频器数量 13套前台短吊杆14套短灯杆及双排侧灯架32套长吊杆及景杆8套单点吊机8套单点吊机采用一对一变频器控制技术，升降行程为26米 18套自行行走小车 8套挂接在直轨，10套挂接在曲轨上。
根据演出需要，每一套自行行走小车分别即可在水平轨道上滑行，又可通过小车上的钢丝绳带动演员上下移动。
能够准确的调速和定位。
3套大型升降台行程10米，即可单独定位运行，也可实现同步位置控制。
1套后车转台其上包括外环、内环转台。
内、外转台可实现同步运行，也可独立运行。
车台的水平移动和转台的旋转可同时进行。
2套旋转升降台升降台的上下运行，不影响其上的旋转机构正常旋转。
2套无线车台及补台装置 采用工业以太网无线控制技术，突破了传统侧车台固定轨道的概念，可使车台开到后车转台上后，自由移动车台，增加了舞台表演景色的转换，达到以时间换空间的效果。
3套小子台及保护机构采用一对一变频器控制技术，升降行程为3米1套摇臂装置包括两个调速俯仰电机装置，一个调速旋转机构和保护栏杆构成。
采用顺序控制技术，通过位置控制完成整个摇臂装置的起升，旋转和回位控制。
表1：舞台机械设备组成及描述３.２方案设计３.2.1网络结构及配置１）为满足现场实时控制和设备逻辑关联的要求，设备控制核心采用B&R高性能PCC ２００５ＣＰ３６０作为主处理器。
该模块采用Intel奔腾２６６芯片技术，带有３２M动态内存，支持５１２K掉电变量保存，拥有强大的浮点和逻辑变量处理能力。
通过在其带有的ＰＣＩ接口模块插槽上插接接口模块3IF782.9，可以方便的使其作为Ethernet Ethernet PowerLink总主站。
网络结构采用总线型结构。
由于主控制室位置在台上和台下控制柜之间，考虑到综合布线，所以把带有中继功能的Ethernet PowerLink接口集线器设在主控制室，通过其方便实现把台上和台下 Ethernet PowerLink从站和主站连接起来。
Ethernet PowerLink主站和从站通讯以保护模式下进行，其系统最小通信周期为200μs，网络抖动时间(Jitter)小于1μs，可以适应现场设备对位置的苛刻的实时性要求。
２）根据设备实时传送的数据量和联锁反馈的变量来采用不同的从站控制系统。
由于台上设备信息点多，用户一次操作运动设备数量具大，故采用B&R２００５系列接口模块从站，这样可使台上PCC系统交换速率到达１００Ｍ／Ｓ。
台下设备由于控制系统多采用一对一变频器，设备运行状态等信息都存在变频器中，相对于台上通讯信息量小，考虑到性价比最优化的原则，故采用２００３系列 Ethernet PowerLink从站模块，通讯速率可达１０Ｍ／Ｓ。
台上和台下网络通讯速度转换通过带有Ethernet PowerLink多口集线器的 Ethernet PowerLink从站自动进行。
3）所有控制台上的触摸屏、ＰＣ机和移动手操器上的触摸屏都通过交换机进行交换数据，通讯采用标准的工业以太网模式进行。
PCC主站和以上设备网络拓扑结构采用总线组成形式，交换数据采用开放模式。
其通讯允许Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ主站不需要专用通讯芯片，通过PCC自带的通讯函数库，调用相关函数直接连接标准以太网设备。
变频器和PCC主站采用DP网通讯方式进行，通过贝加莱专用DP模块，可以非常方便的挂接到主PCC系统中，完成相应的设备数据传输。
通讯采用6字节的过程数据格式协议，完成变频器和主站之间交换数据。
如图3：Process Output Data(PO)变频器PLC图3：通讯协议图4）为满足用户多种不同操作要求，PCC控制系统分为上位机程控编组、主控制台手控、本地操作员手控三种控制方式。
其中本地操作员手控为在台面左右各设置移动手操器接口，通过系统连接插头挂接到移动手操器上。
通过移动手操器上的多功能触摸屏选择台上或台下设备单一手动控制设备，这样有利于操作员在台面上近距离装台，微动单个设备进行局部调整。
整个网络系统如图4 所示：触摸屏触摸屏触摸屏变频器图4：网络系统图３.2.2硬件设计组成１）系统配备台上和台下操作台各一套，平时相互独立工作，台上和台下设备的程控、手控运行互不干涉。
当其中一个操作台出现问题时，可以通过控制台上的控制功能转换按钮，把控制操作权集中到好的操作台上，由一个操作台操作所有的台上和台下设备。
实现程控、手控设备的冗余备份。
2）对于调速定位设备，采用高性能交流矢量变频器控制设备的速度和位置。
使用变频器控制技术功能完善，可靠性高，调速范围可达1:100。
通过在变频器内部编写定位程序，并配合电机同步编码器检测实现闭环控制，完成高精度定位功能。
在手动时PCC通过网络启动变频器控制电机启动和停止；在程控自动运行时，PCC只需给出吊杆到位位置，变频器可独立完成电机定位控制。
3 ）根据用户同时需要运动的设备数量，台上吊杆和灯杆采用变频器切换技术。
