西门子模块6ES7223-1PM22-0XA8全年质保
1 引言
随着人们文化生活水平的提高，对舞台演出节目的质量要求越来越高。舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。国内虽有部分舞台参照了国外的舞台形式，但整体的技术水平较低，不能满足舞台使用的各种功能要求。针对剧院(包括电视台演播厅)舞台的台面固定，造型、风格单一，舞美总体效果达不到表演要求的现状，依据舞台建造时的总体工艺方案设计，通过PLC控制及机、电、液一体化技术使通信系统能够实现上位计算机、PLC以及现场智能仪器之间良好、快速的通信，从而完成了现场数据的实时显示与控制。实现舞台的升降、移动升降、旋转、升降旋转、伸缩、伸缩升降等运动，从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协调变化功能，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。智能舞台一次投资建成后，由于其多种舞台的组合变化形式，可满足各种演出节目的要求，故可免去许多原来须根据不同演出搭建不同舞台的重复搭建演出舞台的弊端，并且还增加了演出的场景变化，丰富了演出效果。
本文以某广播电视中心800m2演播厅智能舞台的设计安装与调试为研究背景说明s7-200[1]在舞台的台面控制中的应用。
2 智能舞台控制系统构成
2.1 舞台台面组成
舞台台面运动可以实现舞台的升降、移动升降、旋转、升降旋转、伸缩、伸缩升降等运动，舞台的基础变化将达到数十到近百种，从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协调变化功能，避免了传统的为一次性使用而反复搭建基础舞台造成的人力、物力、财力的浪费，缩短了节目舞台准备周期，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。
智能舞台台面控制系统主要针对单元舞台台面运动进行控制。图1为某广播电视中心800m2演播厅智能舞台台面结构，包括5个升降台面，一个通道台面，一个旋转台面和一个T型台面，其中1#~5#为升降台，6#为通道台，7#为旋转台，8#为带伸缩功能的T型台。8块活动台面均有现场手动和自动工作方式选择，当选择工作方式时，其所有动作均由PLC完成。通过上位机(监控计算机)可实现整体舞台活动台面的监视和控制。
图1 舞台台面构成
2.2 台面运动控制原理
以升降台面控制系统为例，说明升降台面控制回路工作原理[2]。如图2所示，舞台的台面运动部分由单元舞台台面、叉臂升降和液压传动结构组成;而台面监控部分由上位监控机和PLC组成;泵站提供液压源。系统启动时，由上位机下达舞台台面运动量的指令，PLC接受指令，判断决策，然后向泵站电流及液压传动机构发出命令。泵站开始工作，液压传动机构中油缸活塞推动叉臂机构按输入要求带动升降舞台进行升降运动。此时安装在叉臂移动滚轮上的编码器开始旋转记录行程，它随时检测升降台的升降高度。系统中采用型号为KSJ1200编码器，其旋转速度为0.8圈/秒，在整个1200mm行程上编码器约旋转5圈，每圈产生500个脉冲，共产生5×500=2500个脉冲，平均1个脉冲代表1200/2500=0.5mm。这样，控制精度可控制在±1mm。各升降舞台既可独立运行，也可同步运行。根据各个舞台的不同要求组合成各种不同尺寸、不同形状及不同面积、不同功能的舞台。同理伸缩舞台控制系统的工作原理大致相同。
图2 升降台台面控制回路示意图
通过各单元舞台的升降、伸缩或旋转变化，满足演出过程中对舞台整体变化、各种道具及人员升降或旋转的要求。
2.3 台面运动控制系统配置
如图3所示，舞台台面控制系统主要由四大部分组成。分别是操作台、PLC控制柜、液压传动机构和各活动单元舞台台面。
图3 台面运动控制系统示意图
(1) 操作台
操作台主要完成系统的操作任务。触摸屏和工控机各自独立工作。在触摸屏操作界面上可以完成系统的操作任务，具体就是单元舞台的各种动作，在IPC编程界面上可以完成系统的编程。
(2) ADAM4520
亚当姆块为通讯接口，将上位机与PLC的通信协议转换为RS-422/RS-485串行通信协议标准，起通讯作用。
(3) 控制柜
控制部分由PLC柜和电源控制柜组成。PLC柜主要完成系统的控制任务，包括PLC主机、通信模块、输入模块、输出模块等。PLC主机接收到给定值及反馈值信号后，根据其内部的程序进行逻辑运算，按设计要求控制各个输出点，由执行元件实施具体的动作;电源控制柜主要完成系统供电、保护系统供电和液压系统泵站电机的供电任务，包括断路器、缺相检测单元和电机保护设备等组成。
当操作员发出启动油泵后，程序逻辑控制器(PLC)就给泵站主变频电机的接触器的线圈KM上电，主油泵电机工作，油压上升到设计要求后，自动通知操作员。然后操作员可选择舞台效果，如按上升命令时，舞台上升。若所选择的单元舞台上升到位后，就给程序逻辑控制器(PLC)发出一个信号，程序逻辑控制器(PLC)接到此信号后，启动维持正常油压的维持油泵电机，当维持油泵电机正常工作后，切断主油泵电机，主油泵电机停止工作。这样，主油泵电机仅在单元舞台上升和下降时工作，油压的维持靠维持电机来实现，既减少了噪音，同时起到节能的作用。油泵电机控制流程图见图4所示。
图4 油泵电机控制流程图
2.4 台面运动控制回路的组成
舞台台面控制回路是由台面、叉臂传动机机构[4]、液压传动机构[3]、PLC、上位监控机[5]等部分组成，其控制回路原理图参见图5。操作人员通过人机界面向PLC发出给定指令，测量装置对舞台升降及旋转位置进行实时监测，检测值与给定值比较，PLC经逻辑运算，命令执行机构驱动舞台升降或旋转。
图5 台面控制回路原理图
3 控制系统设计
3.1 台面尺寸
(1) 1#~5#升降台位于舞台后部，尺寸为3700mm×3000mm，主台面净升降高度1200mm，台面闭合高度600mm，单元舞台组合成单排五列布置安装在地平面上。
(2) 6#通道台位于旋转升降台与台阶升降台之间，为方便演员在演出过程中顺利地从升降台到旋转台而设计。当演员登上旋转台时，通道台落到与地面齐平。台面尺寸为1800mm×940mm，台面净升降高度1200mm，台面闭合高度600mm，台阶升降台的静载300kg/m2, 动载150kg/m2，升降速度2400mm/min。旋转台面及通道升降台面用有机玻璃装修而成。通道升降台与旋转升降台组成互动升降，使旋转升降台形成多种立体艺术效果。
(3) 7#旋转台位于智能舞台中部，台面尺寸Φ3600mm，静载400kg/m2, 动载为150kg/m2;净升降高度1200mm，升降速度2400mm/min，旋转速度600~4000mm/min可调;低高度600mm，台面可正反向旋转。
(4) 智能化舞台的前部有1个单元伸缩、升降舞台[6]，也就是8#台。伸缩活动舞台台面尺寸为3700mm×5400 mm(由3个3700mm×1800mm台面组成)，伸缩距离分别为1800mm、3600mm、5400mm;伸缩舞台基础高度为450mm，舞台上3个升降台，其台面尺寸为3700mm×1800mm，升降高度150mm左右与固定台补平;伸缩台静载为300kg/m2,伸缩速度2000mm/min。
固定舞台大小面积为20000mm×9600mm，高度为600mm，载荷为500kg/m2,由钢框架及木板制成。台口台阶尺寸3700mm×300mm×150mm，静载为300kg/m2。
3.2 控制程序流程
在控制系统中单元舞台台面是一个非常特殊控制对象，与液压传动机构相比，它质量大，从几吨到几十吨都有，台面运动与叉臂运动是一致的，其传递函数近似地看成是一个比例环节。液压传动机构时间常数不大，所以这里采取逻辑控制策略。因为伸缩升降台和旋转台决策原理同升降台一样，以升降台为例说明其控制原理。
根据广电中心演播厅的现场要求及技术指标，要求5个升降台闭合高度为600mm，净升降高度为1200mm，整个升降高度共分四个阶段完成，每一阶段高度为300mm。每个升降台既可以一次性升降到指定高度后停止，也可以分阶段升降，即每次只升降300mm停止，多次升降到指定高度。五个升降台可以同步进行升降到指定高度值。台面高度给定值i，按照分四个阶段共有五个高度值分别赋值给五个变量:imax=1200, imid+=900, imid-=600, imin=300, i=0。下面以1#升降单元舞台为例，阐述其具体的工作过程，程序流程如图6所示。
图6 PLC网络拓扑结构图
3.3 控制系统硬件设备
800m2演播厅智能化舞台主要由前区伸缩T形台、中区旋转升降台及通道升降台、固定台、后区台阶升降台、电气驱动及液压传动系统、智能化控制系统及软件等部分组成。控制系统硬件设备如附表。
附表 基本配置表
3.4 控制系统监控点统计
针对本文所描述的广电中心800m2演播厅单元舞台控制系统的设计要求，共需要监控点96个，其中输入点57个，输出点39个。
根据广电中心800m2演播厅活动舞台设计要求，采用一台PLC S7-200，其配置如下:
(1) CPU226 1个 主机
(2) EM223 3个 (扩展模块)
(3) EM232 1个 (扩展模块)
其中，CPU226控制泵站电机变频器，1#~3#泵站及旋转台旋转动作。1# EM223输出点驱动1#~5#升降台升降运动;2# EM223输出点驱动旋转台升降及通道台升降运动;3# EM223输出点驱动伸缩T形台伸缩及升降运动。EM232 作备用。PLC网络拓扑结构图如图7所示
1 引言
莱芜钢铁集团有限公司于2005年8月投产的制氧机是一套22000m3/h内压缩流程制氧机组。采用常温分子筛净化空气，增压透平膨胀机制冷，采用规整填料技术及全精馏制氩的外压缩流程。氮压机采用ATLAS HMH8型设备，由四级蜗壳设备和一台西门子电机组成。氮压机工作过程是在西门子电机的驱动下通过联轴器带动齿轮箱工作，将空分中分离出来的氮气通过四级蜗壳进行四级压缩从而达到2.5MPa的高压无油氮气向外输送。并通过的喘振保护功能实现压缩机本身的轴系统的保护工作。
2 控制要求及主要控制功能
控制程序主要完成氮压机设备的启动—停止联锁控制，润滑油系统的顺序控制，辅助油泵的手/自动启动—停止及温度过热保护功能，系统的温度、压力、阀位联锁等控制，入口导叶和防喘振阀的自动调节功能，压缩机特有的喘振保护功能，保护并保证设备的安全稳定运行。设计中采用现场总线、DCS、PLC等先进技术相结合的控制方法，实现了该机组自动控制、数据通讯及上位机管理。
3 硬件配置及技术设计特点
3.1 控制系统硬件配置
(1) 系统配置
控制系统硬件配置 氮气压缩机采用标准TCP/IP协议以太网实现与主DCS系统的数据通讯。并通过标准TCP/IP协议以太网，实现整个流程中空气压缩、氮气压缩等子系统的自动控制、数据通讯及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。硬件配置示意图如图1所示。
图1 硬件配置示意图
系统以Win2000为运行平台，从而确保系统的通用性、开放性和易用性。系统提供了功能块图FBD、梯形图LAD、语句表STL和CFC等图形化组态手段。系统使用同一套组态工具软件STEP7完成过程级控制策略和操作级HMI组态及调试，并使用同一个全局数据库和项目树，使得程序生成灵活简单，清晰明了。
S7-400 PLC是SIEMENS公司推出的目前功能强大的控制系统，支持多种国际现场总线标准，既可连接常规I/O，又可连接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等现场总线设备。
(2) 上位机配置
上位机配置 PLC系统选用的是西门子SIMATIC S7-400可编程控制器，监控软件采用SIMATIC WINCC,并带有1个操作员站OS、1个工程师工作站ES。PLC与上位机之间通过工业以太网通讯，光纤连接。如图2所示:
图2 系统配置结构框图
上位机的监控功能主要包括画面显示、系统的运行操作、报表管理及报警功能。便于故障跟踪和智能分析，为及时发现故障、分析故障、解决故障创造了有利条件。
3.2 控制系统采用的技术
(1) 可变周期任务运行S7-400 PLC控制器高度容错自动化系统控制程序采用“任务运行”方式，每个任务都可设定运行周期和优先级。所以该控制器既可满足复杂调节回路控制要求，又可满足快速电气开关量控制，从而一个控制器可以覆盖工厂所有环节的控制要求且系统编程语言符合IEC61131-3标准。
(2) 开放的TCP/IP协议以太网技术 S7-400 PLC控制系统通信模件为标准TCP/IP协议以太网模件，使系统无须增加设备就可与工厂局域网连接;由于系统支持各种OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换更加容易。
(3) PROFIBUS-DP现场总线技术 PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3.3 功能设计特点
氮压机采用远程分布式控制方式，远程站设在压缩机机旁柜，触摸屏操作和监控。本控制系统可实现自动控制，远程手动操作及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。
(1) 在手动方式下，可通过计算机键盘和鼠标对所有受控阀门进行控制，微小增/减开度的按钮，可避免操作人员的误操作导致工况的不稳定。
(2) 在自动方式下，主PLC主要实现了下列功能:
●入口导叶和旁通阀之间自动联锁调节控制，即自动加载和自动卸载控制可实现无人操作;
●氮压机排气压力控制旁通阀和入口导叶回路的自动调节;
●氮压机电机限流控制器控制回路的自动调节和自动变负荷;
●氮压机“流量比调节器”防喘振控制和喘振保护功能;
●氮压机报警、开/停车联锁控制、辅油泵启/停联锁控制等。
3.4 系统工作原理
(1) 系统通讯
氮压机PLC控制采用SIEMENS S7-400 PLC，人机界面采用TP270触摸屏。控制器与人机界面之间使用profibus现场总线通讯，即CPU414-2DP模板所带的DP接口通过通讯电缆与人机界面的profibus-DP口相连;控制器通过以太网模块与操作站实现数据通讯。通过编制适当的控制程序，实现了氮压机温度、压力、流量、振动等各种工艺参数的集中监视、记录、归档并报警;压缩机启动和紧急停车等顺序联锁控制以及重要的防喘振控制。
(2) 防喘振
PLC配置的喘振探测部分监视压缩机出口压力的变化从而保护压缩机防止受到冲击压力的影响。压力变化的范围和方向决定了出口压力的斜率。如果该斜率在几秒钟的时间内下降到低于低设定点(出口压力快速下降)然后又上升超过了高设定点(出口压力快速上升)，系统则通过冲击报警指出发生了冲击周期。低和高斜率设定点和冲击周期时间都可根据具体设备调节。
发生冲击报警时，压缩机进行卸载(BOV完全打开，同时IGV关闭达到其小位置)。在按压复位按钮确认冲击报警之前不可能使压缩机负载。确认后，压缩机自动负载。如果在2min内探测到6个冲击周期，应急停机就被触发，压缩机由于冲击压力而停机。冲击周期的次数和对冲击周期进行计数的时间期限可根据具体设备调节。
如果该选项获得允许，系统则在下述情况下使冲击报警复位:持续2min没有冲击，并且在前面的一个小时内的冲击不超过3次。这样，系统可忽略对压缩机影响很小的单件的冲击周期并自动负载而不需要操作人员干预。
通过在调试期间用手控方式对压缩机施加冲击压力使其达到限值可生成冲击探测采用的小和大设定点。在控制条件下生成的这些限值用于保护压缩机防止受到冲击。
控制系统计算压缩机后4个出口压力的平均值并使该平均值与设定点对比。IGV和BOV如下响应该压力。
具有“流量比调节器”的防喘振控制。就能量从叶轮赋予流体的方式而论，离心式压缩机它的压缩比与进气侧体积流量的关系是抛物线。在低流量范围内，由于气体的可压缩性会产生不稳定状态，称作喘振。这时压缩机特性曲线呈现负阻特性，从而导致一个不可控的极限环。当流量减小到喘振线以下时，压缩比就要下降，使流量进一步减小，使输出管线中的压缩气体向压缩机倒灌。在几毫秒的时间内，流动方向又会反过来，除非加以校正，否则1s内又会开始另一次循环。根据流量孔板的差压与压缩机压比的关系，我们采用流量比调节器调整进气侧的流量使其保持在防喘振线的上方。如果流量接近防喘振线，就必须立即打开旁通阀。
入口导叶和旁通阀控制。低于设定点的排气压力 旁通阀在低压下关闭。如果旁通阀达到完全关闭的位置而排气压力仍然低于该设定点并且在死区的范围外，入口导叶就开始打开。当排气压力达到死区范围内并且在设定点附近时，入口导叶就停止打开。在旁通阀关闭之前，入口导叶不能移动。
高于设定点的排气压力 旁通阀在高压下打开。当压力达到死区范围内并且在设定点附近时，旁通阀停止打开。
电机电流限流 如果电机电流超过了满负荷电流，电机电流限流功能则工作。按照排气压力打开入口导叶的所有命令都被禁止。但入口导叶仍然响应排气压力的控制而关闭。
3.5 自动变负荷功能设计
根据热线生产的需要，操作人员按照调度人员下达的管网压力要求，只需从操作界面上输入压力设定值，氮压机的旁通阀和入口导叶便会从当前开度慢慢调整到压力设定点附近需要的开度，无须操作人员进行长时间的手动操作。这一人性化设计给操作人员带来很大方便，减轻了工人劳动强度和避免了误操作。
3.6 润滑油系统控制
润滑油系统向齿轮箱和电动机轴承提供清洁的、温度得到控制的油。内部加热器保证了油箱温度保持在高于低温度1000F。系统自动将齿轮箱油温控制在900F，即启动需要的温度以上。油箱配备了低油位报警和停机功能。
该系统配备2只润滑油泵:主油泵(用齿轮箱机械驱动)和辅助油泵(电气驱动)。只要压缩机在运行，主油泵就提供润滑油。如果需要，当压缩机不运行或者虽然压缩机在运行但油压下降到低于报警设定点时，辅助油泵则运行。油箱温度必须至少达到600F才能使辅助油泵运行。该系统有泄压阀保护防止过压。
(1) 辅油泵运行方式。
●手控
只要油箱温度保持在600F以上，辅助油泵就持续运行。
●自动
压缩机不运行时，泵自动循环使齿轮箱的油温保持在压缩机启动需要低温度以上。当油温下降达到低于920F时，泵便启动，当油温上升到超过960F时泵便停机。如果油箱温度下降到低于600F，泵就不能运行。(油箱加热器应该自动将油箱温度保持在高于1000F。)如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。由于该方式将油温保持在高于启动需要的低温度，所以建议采用该方式。
●备用
如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。但当压缩机不运行时，该泵就不运行维持油温。
(2) 自动方式或备用方式辅助油泵运行条件。
●如果压缩机开始启动时泵不在运行，泵便启动。如果主驱动器达到全速时油压超过了34psi表压，泵就停机。如果油压保持低于34psi表压，泵就继续运行。当油压达到34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。
●如果压缩机在运行、油压下降到低于23psi表压并且触发了报警，泵就启动。当油压上升到超过了34psi表压，按压复位按钮使泵停机。
●压缩机停机时，泵便启动并运行一个小时润滑和冷却轴承。
●如果压缩机至少停止运行了30s并且压缩机出口压力超过了2psi表压，泵就启动。如果压力下降到低于2psi表压，按压复位按钮使泵停机。该压力设定点初始设置在2psi表压，但在调试时可进行调节。
通过引导一部分油流过冷却器可使齿轮箱油温保持在低于低值。恒温阀自动调节通过冷却器的油流量从而将温度保持在1100F。经过冷却器后，油通过滤油器，然后进入齿轮箱。
4 结束语
该系统ProfiBus现场总线、S7-400 PLC等先进控制技术的综合采用，以及“自动变任务运行周期”、“自动变负荷”、“排气压力斜度控制”的喘振保护、“流量比调节器”防喘振控制等先进控制功能的实现，使得该机组自建成投产以来，工作稳定，安全性和可靠性高,故障停机率低,机组产品质量和产量稳定，为莱钢大H型钢生产线提供了连续、优质的氮气气源，保证了热线生产的顺利进行，创造了可观的经济效益。
