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案例頻道1.概述
隨著我國自動化水平的提高，各種機械的傳動控制越來越依賴于遠(yuǎn)離現(xiàn)場的自控裝置和電機控制中心集中控制。而機械與其現(xiàn)場操作人員的安全成為人們逐漸重視的問題，緊急停機系統(tǒng)EMS(EMERGENCY STOP SYSTEM)正是在這種情況下應(yīng)運而生的，它作為一種主控制系統(tǒng)的安全保證逐步完善并被廣泛應(yīng)用。時至今日各主要工業(yè)化國家對其功能及技術(shù)要求都有明確的規(guī)定。
舞臺機械的控制操作系統(tǒng)是為了保證舞臺機械的穩(wěn)定、安全和可靠的運轉(zhuǎn)。由于劇場舞臺的特殊環(huán)境，在舞臺控制系統(tǒng)中即使采取了各種必要的安全措施，但仍不能徹底杜絕偶然事故的發(fā)生。所以，在舞臺控制系統(tǒng)中應(yīng)加入緊急停機系統(tǒng)，即在設(shè)備現(xiàn)場適當(dāng)位置安裝緊急停機按鈕或開關(guān)，在發(fā)生緊急情況時要求緊急停機系統(tǒng)及時切斷設(shè)備電源，限制事故對人員及設(shè)備的危害，以確保人員與設(shè)備的絕對安全。
2．舞臺控制系統(tǒng)中緊急停機系統(tǒng)的設(shè)計
某劇院的歌劇院，其舞臺設(shè)備總量超過了200臺設(shè)備，每臺設(shè)備都有其對應(yīng)的電機和變頻器以及其控制器，來控制機械設(shè)備的運動。為了方便起見將它們分成臺上和臺下兩組。在臺上區(qū)域，有近百個場景吊桿和40余個單點吊和其他舞臺設(shè)備，用來懸掛節(jié)目中使用的場景和幕布；臺下設(shè)備包括：主舞臺區(qū)域的6臺雙層升降臺；兩側(cè)舞臺區(qū)域的6臺可移至主舞臺升降臺上的車臺；后舞臺區(qū)域的車載轉(zhuǎn)臺（包含又兩個轉(zhuǎn)臺）和芭蕾舞臺板車臺（后舞臺下車臺）。
在舞臺機械的各種操作模式中，緊急停機功能應(yīng)優(yōu)先于其他功能，在緊急停機裝置被復(fù)位之前，對機械的任何啟動指令均是無效的。緊急停機裝置的復(fù)位只表明緊急狀態(tài)的取消，設(shè)備在正常操作程序啟動之前均將保持靜止停機狀態(tài)。同時，緊急停機裝置應(yīng)便于操作，應(yīng)設(shè)置在操作者容易接近的地方，而且操作時沒有任何危險，需要安裝在能夠觀察到設(shè)備運動可能對人員有危險的位置上。因此，緊急停機系統(tǒng)設(shè)計如下。
在劇場的各個區(qū)域，主要是操作人員便于觀察、接近與調(diào)試的地點，分布著許多緊急停機站。緊急停機站上安裝著緊急停機系統(tǒng)的關(guān)鍵部件――緊急停機按鈕。當(dāng)這些緊急停機按鈕中的任何一個被觸發(fā)，位于該緊急停機站范圍內(nèi)的機器將會停機。當(dāng)系統(tǒng)在緊急停機狀態(tài)下，不可能操作緊急停機區(qū)域內(nèi)的任何機器。緊急停機按鈕被設(shè)計成一個紅色、蘑菇狀、按下并鎖死的、旋轉(zhuǎn)釋放式的機器裝置。停機按鈕內(nèi)裝有一個指示燈，用來提供緊急停機系統(tǒng)的狀態(tài)信息。該指示燈閃爍表明停機站被觸發(fā)。如果指示燈是點亮的，則表明在劇場內(nèi)的某個地方觸發(fā)了緊急停機系統(tǒng)，且要求復(fù)位以使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。緊急停機按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2.1示。
緊急停機系統(tǒng)被分成三個輸入?yún)^(qū)域：區(qū)域1包括從舞臺平面起直至柵頂以下的緊急停機站，觸發(fā)區(qū)域1的緊急停機站將會停止臺上和臺下緊急停機區(qū)域的所有機器。區(qū)域2包括柵頂?shù)木o急停機站以及臺上機房內(nèi)的緊急停機站，觸發(fā)區(qū)域2的緊急停機站將會僅僅停止臺上緊急停機區(qū)域的所有機器。區(qū)域3包括歌劇院臺下區(qū)域的緊急停機站，觸發(fā)區(qū)域3的緊急停機站將會僅僅停止臺下緊急停機區(qū)域的所有機器。緊急停機系統(tǒng)顯示面板，如圖2.2所示，由64個LED指示燈構(gòu)成的面板顯示緊急停機網(wǎng)絡(luò)中的緊急停機站的狀態(tài)。每一個LED指示燈都與某一個或者某一組的緊急停機站有關(guān)。當(dāng)一個緊急停機站被觸發(fā)，相應(yīng)的LED將會點亮。每一個LED指示燈都有相關(guān)的標(biāo)號，指明被觸發(fā)的緊急停機站在劇場的位置。從而允許控制者知道該觸發(fā)點的具體位置。
根據(jù)舞臺控制緊急停機系統(tǒng)的設(shè)計要求和現(xiàn)場實際情況,將其電氣部分設(shè)計如下,如圖2.3所示。
當(dāng)緊急停機按鈕被按下時,繼電器R1、R2閉合，由它們組成一自鎖結(jié)構(gòu)，保持緊急停機狀態(tài)。同時在繼電器R1、R2的作用下，迫使控制系統(tǒng)主回路中的主接觸器斷開，從而強迫斷開變頻器輸出；同時打開制動接觸器，啟動制動回路，最終確保機械設(shè)備停機。
緊急停機系統(tǒng)可以說是防止事故的最后一道保障，所以要求它必須絕對可靠。為了保證此系統(tǒng)的安全、有效和可靠運行，在進(jìn)行電氣部分設(shè)計時嚴(yán)格遵守GB4064,并把停機信號設(shè)計成雙通道模式，即當(dāng)停機按鈕被觸發(fā)后，分別出發(fā)兩個繼電器，開通兩個回路；其中任意一個回路開通都會觸發(fā)控制系統(tǒng)中的主接觸器與制動接觸器。
3．緊急停機模塊(ESM)設(shè)計
緊急停機模塊（Emergency Stop Module）是緊急停機系統(tǒng)的核心，其作用是：1、接收各個按鈕的停機信號，從而在上百個按鈕中完成對觸發(fā)點按鈕的判斷；2、向停機按鈕所在回路發(fā)送指示燈的LAMP信號，使指示燈閃爍，提示發(fā)生停機的按鈕所在位置；同時點亮在LED顯示面板上停機按鈕對應(yīng)位置，提示主控室操作人員發(fā)生停機的具體區(qū)域；3、與上位機通訊，以便上位機顯示和記錄停機信息；4、發(fā)送停機信號E1、E2或E3、E4給控制器，使其停止臺上或臺下設(shè)定區(qū)域的變頻器輸出，打開制動系統(tǒng)，確保所有處于停機范圍內(nèi)的設(shè)備都停止動作。由于每一臺控制器都對應(yīng)一個或者多個舞臺設(shè)備，所以把E1、E2和E3、E4信號的回路設(shè)計成總線模式。E1&E2兩路信號送到臺上設(shè)備控制器，而E3&E4兩路信號送到臺下設(shè)備控制器。
緊急停機模塊原理框圖，如圖3.1所示，它內(nèi)部包括：Intel 89C51單片機、74139和四片74154擴(kuò)展為6線-64線譯碼器，兩組各兩片74LS148組成16線-4線優(yōu)先編碼器，四片74LS148級聯(lián)成32線-5線的優(yōu)先編碼器，利用P512和CD40106搭建光電耦合電路與信號整形電路,兩片MAX488和一片MAX202。MAX488是MAXIM公司推出的RS485電平全雙工轉(zhuǎn)換芯片，MAX202也是MAXIM公司的RS485到RS232C轉(zhuǎn)換芯片，兩者的最大優(yōu)點是采用單+5V電源，電路搭接簡單。
+24V的SENSE信號經(jīng)過光電隔離電路及信號整形后，分別經(jīng)過3個區(qū)域的優(yōu)先編碼器：區(qū)域1包括舞臺平面到柵頂以下的緊急停機站，有32路信號；區(qū)域2包括柵頂?shù)木o急停機站以及臺上控制房內(nèi)的緊急停機站，有16路信號；區(qū)域3包括臺下區(qū)域的緊急停機站及臺下控制房內(nèi)的緊急停機站，也有16路信號。調(diào)理整形后的SENSE信號送至89C51單片機P2口，利用脈沖的上升沿申請中斷，CPU執(zhí)行中斷服務(wù)子程序；P0口輸出6路LED顯示電路以及指示燈信號；分別利用P0、P2余下的4個端口作為4路緊急停機信號的輸出；Pl口作為單片機與上位機串行通信接口的主端口。
串行通信接口設(shè)計：利用89C51的P1.0，P1．1口定義為串行異步接收發(fā)送端口，P1.2為RTS請求發(fā)送線，P3.3（利用其外部中斷功能）為CTS允許發(fā)送線，可 實現(xiàn)查詢和中斷兩種工作方式。該4端口線經(jīng)兩片MAX488電平轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)MAX202轉(zhuǎn)換為RS232C通道，然后連接上位機，實現(xiàn)與上位機的雙向通信。
利用89C51內(nèi)部定時器T0產(chǎn)生定時中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，其流程圖如3.2所示。當(dāng)單片機的P2口有緊急停機SENSE信號輸入時，進(jìn)入主程序。首先判斷觸發(fā)緊急停機的位置區(qū)域，然后向?qū)?yīng)停機信號總線發(fā)出E1、E2或E3、E4信號（或者在區(qū)域1被觸發(fā)時，同時發(fā)送4路信號）；并把緊急停機信息發(fā)送給上位機。
在設(shè)計緊急停機模塊時，為了使系統(tǒng)可靠，除了運用常規(guī)的軟硬件抗干擾方法，還應(yīng)注意舞臺系統(tǒng)的干擾源的特殊性――大功率電機及變頻器較多，容易產(chǎn)生高頻電磁干擾。因此，在硬件設(shè)計時應(yīng)注意在電源線、地線上用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)；電解電容要與高頻特性好的去耦電容成對使用；軟件設(shè)計時要注意對不用的ROM要做處理，做到萬一程序落到這些區(qū)域可以自恢復(fù)。
4．結(jié)語
本文結(jié)合舞臺控制系統(tǒng)對緊急停機系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計，所設(shè)計緊急停機系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于某歌劇院舞臺控制系統(tǒng)中，在現(xiàn)場通過調(diào)試并正常運行，能達(dá)到設(shè)計初所提出的各項技術(shù)要求。只需在電氣設(shè)計方面稍加改動,該緊急停機系統(tǒng)便可與各種場合的控制系統(tǒng)相配合，如工業(yè)制造、機械加工、礦業(yè)開采等，具有較高應(yīng)用與推廣價值。
參考文獻(xiàn)
1. GB4064-83電氣設(shè)備安全設(shè)計導(dǎo)則
2. 何立民．單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．北京：航空航天大學(xué)出版社，1998
3. Safe Automatic Emergency Stop Control of Gantry Crane Including Moving Obstacles in Its Workspace. Yamamoto, M, Honda, E, Mohri, A. Robotics and Automation, 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on 18-22 April 2005
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號