切换矩阵系统在舞台吊杆变频器中的应用

董改花

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009）

1 引言

随着国家对文化产业投资逐渐加大以及群众对文化市场参与度的逐步提高，各地新建剧院舞台中的机械设备越来越多，其中舞台吊杆［1］是各类剧场中最常用的必需设备。就舞台中的常见台上设备吊杆来说，几十道甚至上百道吊杆很正常。通常，一台吊杆设备需配备一台变频器，几十道舞台吊杆就需要配置相应数量的变频器。这样配备投资很大，而且一对一配置的话，一旦某一台变频器出现故障，则对应的吊杆就不能正常动作，安全性能受到很大影响。

通过对舞台现场的观察，发现大部分剧院虽然有几十道吊杆，但同时需要的最大动作数一般少于8道，而且都是短时间工作制，吊杆启动后不是上升就是下降，在到达目标位置后，这道吊杆就停止工作，等待下一个命令的执行。如果能够有一个系统，只配备n（n＜＝8）台变频器（一般为同时需要的最大动作数），通过这个系统来切换启动所有的吊杆，则不但可以大大节约成本，而且能够大幅度地提高安全性能。即当某一个变频器有故障时，还有冗余变频器能够启动其对应的吊杆。这个系统就称之为电气切换矩阵控制系统［2］。

2 用于变频器的电气切换矩阵控制系统设计思路

舞台上吊杆设备反映系统状态的主要参数是上、下限位，松、乱绳信号，矫正限位，反映速度和位置的编码器及电机三相及制动线。这些参数要求在一台变频器对一台吊杆设备时直接输入到变频器中，如图1所示。

图1 舞台吊杆与变频器一对一连接图

用于变频器的电气切换矩阵控制系统设计思路是把m台吊杆的参数传输到n台变频器，很明显m要大于或远大于n。PLC通过输入输出端子，启动中间继电器及交流接触器来控制选择要动作的吊杆电机，使变频器能够控制所选择的吊杆电机，同时该吊杆的位置、速度等实时数据通过电气切换矩阵控制系统传输到变频器。用于变频器的电气切换矩阵系统逻辑图如图2所示。

图2 系统逻辑图

本系统选用SIMATIC S7-200系列PLC，具体选用PLC型号［3-4］根据吊杆电机及所需同时动作的吊杆数的多少来选配。本文模拟一个小型剧场来设计一个用于变频器的电气切换矩阵系统。该剧院有舞台吊杆20道，功率为11kW，根据工艺要求，演出时最多同时动作4道吊杆。为了完成4切20电气矩阵切换，需PLC输出点DO（n×m）20×4共80个点。为了确保矩阵切换的成功，需PLC输入点DI（n×m）20×4共80个点。当PLC输出后，外围电气回路由中间继电器及交流接触器来完成切换。

3 用于变频器的电气切换矩阵控制系统设计

3.1 软件设计

本系统选择SIMATIC S7-200系列PLC作为开发软件。首先选用CPU226模块，具有24点输出/16点输入，可连接7个扩展模块，提供1000mA的总线电流。根据要求至少需80个输入点与80输出点。扩展2个32点输入与32点输出的EM223模块，同时预留一定的开关点，再加上一个8点输入与8点输出的EM223模块。PLC模块如图3所示。

图3 系统PLC模块图

用于变频器的电气切换矩阵系统控制程序采用主程序、子程序来编写。主程序完成某一变频器所需切换吊杆所对应输出端子DO的输出。子程序完成对输出吊杆所对应变频器在外围电气回路执行后以及反馈后信息的确认。

为了使某一变频器对应的吊杆选中，需要在PLC输出一个开关量信号，这个开关量的输出能够对应某一变频器所对应的一道吊杆电机的唯一信号。如前所述的模型是4个变频器切换20道吊杆，经计算需要80个输出开关量。根据CPU226与上一层主控模块通讯，在CPU226或扩展模块EM223输出对应的一个DO点，而最多可以同时有4道吊杆的条件下可以输出4个DO信号。由于一个变频器只能在同一时间动作一道吊杆，在程序中应设置互锁程序［5］，避免出现一个变频器同时动作多道吊杆电机。用于变频器的电气切换矩阵控制系统主程序流程如图4所示。

图4 系统主程序流程图

3.2 PLC外围的电气回路设计

用于变频器的电气切换矩阵控制系统外围电气回路设计图如图5所示。

图5 PLC外围电气回路设计图

系统在PLC输出对应吊杆电机的DO点后，台上吊杆设备反映系统状态的主要参数是上、下限位，松、乱绳信号，矫正限位、反映速度和位置的编码器（3个通道）及电机三相及制动线（5个通道）。这些信号通过由中间继电器及交流接触器所组成的矩阵来实现多对少的切换。根据统计上述信号需13个通道来处理，再需要一个切换确认信号，共需14个通道，本系统选用RXL4A6B2BD型中间继电器，带4个通道。交流接触器根据功率选择LC1-D2510M5N，自带一个常开通道，一个交流接触器选配交流接触器辅助触头4通道，型号为LC1-DN40C。由于中间继电器需带动下一级的中间继电器及交流接触器，实际上只能计算3个通道，为了实现14个通道的切换，每个回路需要2个中间继电器及一个交流接触器，还有一个通道的余量。（备注：一个交流接触器还有3通道的大电流触点）。中间继电器与接触器在设计完成后安放于电气控制柜中。

通过以上分析，以本文模拟的小型剧场为例，4台变频器切换20台吊杆电机控制系统共需要40个中间继电器，20个交流接触器，其总成本低于1台变频器成本。因此用于变频器的电气切换矩阵控制系统节约了共15台变频器成本，是原有变频器一对一控制成本的四分之一。如果对于大型剧场则节约成本相应会更多，因此本系统具有极其重要的实际价值。

4 结束语

用于变频器的电气切换矩阵控制系统投入应用后，不但大大节省了成本，而且由于各个变频器相互冗余，原有设备的可靠性也大大增强。取得了很好的经济效益及社会效益。应当注意的是，由于电气切换矩阵强弱电混合布线设计，并放置在控制柜内，难免会受到变频器及接触器动作时的电压干扰，从而造成切换错误现象。在演出中，这种情况的发生极易造成对台上演员的人身伤害，因此应坚决避免。对其处理方法：一是要加设抗干扰设备，在切换信号发出端加装滤波电容，过滤接触器吸合释放时产生的干扰；二是在切换电机后，PLC务必要有切换检查程序，确保正确切杆。

［1］蒋 伟，任 慧.舞台机械设备控制技术［M］.中国广播电视出版社，2009.

［2］陈积远.舞台吊杆变频矩阵切换控制系统［J］.长沙铁道学院学报（社会科学版），2010：225-226.

［3］龚建兴，吴爱梅.PLC在舞台吊杆控制系统中应用［J］.电气传动自动化，2001，（4），48-50.

［4］张子毅.基于PLC的吊杆控制系统的设计［J］.甘肃科技，2003：24-26.

［5］蔡华锋，廖冬除，席自强，丁稳房.矩阵电路在舞台吊杆控制系统中应用［J］.湖北工业大学学报，2007：14-16.