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    倍受矚目的2010年廣州亞運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式于11月12日20點(diǎn)在廣州海心沙島成功舉行。水是開(kāi)幕式的最大特色和核心主題，其中噴泉表演貫穿始終，體現(xiàn)出亞運(yùn)會(huì)“水文化”的理念。北京三博中自科技公司憑借其創(chuàng)新能力、工程實(shí)力和良好信譽(yù)，承擔(dān)并實(shí)施了該噴泉控制系統(tǒng)項(xiàng)目。系統(tǒng)實(shí)施的難度在于要控制各種水型的復(fù)雜組合，而且要求配合演員演出及音樂(lè)，響應(yīng)快、控制精準(zhǔn)，采用西門(mén)子大型自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和反復(fù)排練解決了這些難題。開(kāi)幕式上水火交融，噴泉表演給人奇妙的視覺(jué)感受，是一場(chǎng)氣勢(shì)磅礴的盛宴。216個(gè)升降噴頭形成一幅長(zhǎng)208米，寬128米，噴高38米的巨船造型噴泉，以水載舟，以水“造”船，氣勢(shì)宏大、視覺(jué)沖擊強(qiáng)烈、巨大的震撼力堪稱(chēng)世界之最。那一排排、一柱柱噴泉，似眾仙子翩翩起舞，飄舞水袖，如海面波濤翻涌，托起一葉小舟，時(shí)而婀娜婆娑時(shí)而又激昂澎湃，直沖云霄。所有這些變幻莫測(cè)的噴泉水型花樣均在我們的控制系統(tǒng)“指揮”下表演自如。
      
                          

     系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    現(xiàn)在大型的噴泉項(xiàng)目常用的方式都是在PC電腦上加裝輸出板卡，在電腦上運(yùn)行控制程序和編舞程序，可以根據(jù)音樂(lè)的音量大小和頻率高低實(shí)時(shí)演繹水型；其缺點(diǎn)是PC機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性不是很高，時(shí)有死機(jī)等非常規(guī)故障。小型噴泉也有使用PLC控制，其設(shè)備和控制點(diǎn)少，水型變化少，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單水型變化的循環(huán)表演。
               
                              

                                     圖1  S7-400H冗余控制器

    由于亞運(yùn)會(huì)的可靠性和安全性要求，避免由于電腦死機(jī)等因素影響亞運(yùn)會(huì)開(kāi)閉幕式的正常運(yùn)行，采用了高可靠性的PLC作為控制主體，使用西門(mén)子S7-400H系列大型冗余控制器、冗余的Profi bus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)、1臺(tái)工程師站和多臺(tái)操作員站，監(jiān)控軟件采用了WINCC V7.0。這樣的核心控制系統(tǒng)可以確保將系統(tǒng)的故障概率降到最低程度，最大限度地保證亞運(yùn)會(huì)開(kāi)/閉幕式的正常運(yùn)行。

    整個(gè)噴泉系統(tǒng)控制1200路模擬量設(shè)備（通過(guò)變頻器控制各種水泵）、2000路數(shù)字量設(shè)備（包括水底燈、火龍和電磁閥）、400路UDP步進(jìn)電機(jī)。所有的控制設(shè)備分22個(gè)機(jī)柜組裝，分布在8個(gè)控制室分別安裝，通過(guò)Profi bus-DP網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接。

    硬件選型及軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的主處理器使用的是CPU417-4-2H，滿足中、高等控制規(guī)模的中低成本解決方案。使用S7-400H的CPU，具有MPI/DP接口，可以在PROFIBUS-DP中運(yùn)行。容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)安裝在帶有分段背板總線的一個(gè)UR2－H緊湊型機(jī)架中，可實(shí)現(xiàn)冗余子系統(tǒng)的物理分立。該款處理器的位處理速度高達(dá)45ns，可以滿足大型控制系統(tǒng)對(duì)于快速處理速度的需求，同時(shí)使用冗余系統(tǒng)，可以最大程度地確保控制系統(tǒng)的高可用性，當(dāng)任何一個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

    選擇西門(mén)子冗余控制器完成這個(gè)項(xiàng)目的另一個(gè)主要原因，還在于其冗余控制機(jī)制是采用的事件同步的專(zhuān)利技術(shù)具有極佳的表現(xiàn)。通過(guò)采用這樣一個(gè)同步機(jī)制，可以最大化地節(jié)省CPU的資源，同時(shí)可以確保再出現(xiàn)同步切換時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)擾切換，這樣對(duì)于亞運(yùn)會(huì)的開(kāi)、閉幕儀式不會(huì)因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)故障產(chǎn)生影響。同時(shí)，系統(tǒng)切換后，所有的控制輸出保持、系統(tǒng)信息不會(huì)丟失，使得在調(diào)試和運(yùn)行期間可以最大程度地節(jié)省調(diào)試時(shí)間并有效地提升系統(tǒng)整體的表現(xiàn)。

    控制系統(tǒng)中UDP設(shè)備的通訊模塊使用高性能的以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1(6GK7 443-1EX20-0XE0)。系統(tǒng)的各個(gè)就地控制根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況分布在噴泉的不同位置，主控制站通過(guò)PROFIBUS-DP與就地控制柜內(nèi)的分布式I/O ET200M連接。為了確保通訊的質(zhì)量和速度，ET200M分布式I/O站主要由高性能型IM153-2通訊接口模塊與中央控制器進(jìn)行連接。
         
                      
                                圖2  ASCII 碼指令 

   在噴泉水型編舞排練過(guò)程中，由于PLC無(wú)法像電腦一樣運(yùn)行大型程序來(lái)根據(jù)音樂(lè)的音量大小和頻率高低來(lái)實(shí)時(shí)演繹水型，經(jīng)過(guò)研發(fā)和工程攻關(guān)，決定在上位機(jī)用MFC程序進(jìn)行水型編舞，產(chǎn)生水型數(shù)據(jù)，存入EXCEL 文件，然后把水型數(shù)據(jù)從EXCEL讀出使用西門(mén)子PRODAVE_MPI_IE_V6.0把水型數(shù)據(jù)下載到PLC進(jìn)行存儲(chǔ)，表演的時(shí)候完全脫離開(kāi)上位機(jī)，PLC獨(dú)立進(jìn)行表演。既滿足了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的要求，又滿足了在節(jié)目編排過(guò)程中導(dǎo)演要求高、水型多變復(fù)雜的要求。

    使用PRODAVE_MPI_IE_V6.0下載數(shù)據(jù)時(shí)，首先在上位機(jī)和PLC建立PRODAVE_IE連接：通過(guò)函數(shù)LoadConnection_ex6(ConNr，AccessPoint，ConTableLen，pConTable)申請(qǐng)與PLC建立相關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接，如果返回值為0則說(shuō)明建立連接成功。再激活所建立的鏈接激活連接：使用函數(shù)SetActiveConnection_ex6 (unsigned short ConNr)。數(shù)據(jù)下載時(shí)，調(diào)用寫(xiě)函數(shù)fi eld_write_ex6才能正確地把數(shù)據(jù)寫(xiě)到PLC相應(yīng)的DB塊中，而不能使用DB塊專(zhuān)用寫(xiě)函數(shù)db _write_ex6（測(cè)試表明：db _write_ex6用在單CPU系統(tǒng)中能夠正常使用，用在冗余CPU系統(tǒng)中則不能正常使用；而函數(shù)fi eld_write_ex6在無(wú)論是單CPU還是冗余CPU系統(tǒng)都能正常使用）。由于水型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，數(shù)據(jù)下載時(shí)間較長(zhǎng)，下載前數(shù)據(jù)要進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)（16進(jìn)制數(shù)代替ASCII碼）；下載機(jī)制由TCP/IP改為CP1613ISO；PLC與上位機(jī)通信是在OB1循環(huán)“間隙”進(jìn)行，兩個(gè)CPU做數(shù)據(jù)同步也要占用“間隙”，在下載數(shù)據(jù)時(shí)停掉備用CPU，同時(shí)讓OB1中的程序暫時(shí)不運(yùn)行。上位機(jī)中的數(shù)據(jù)格式和PLC中的數(shù)據(jù)格式是不同的，MFC從EXCEL中讀取的數(shù)據(jù)全部為字符型，而實(shí)際DB塊中有多種數(shù)據(jù)類(lèi)型（BOOL，REAL，CHAR，INT），每種數(shù)據(jù)類(lèi)型都有不同的轉(zhuǎn)換方法：kf_2_integer_ex6將高低字節(jié)交換，把字符型轉(zhuǎn)換為整型數(shù)；kf_2_fl oat_ex6將高低字節(jié)交換，把字符型轉(zhuǎn)換為實(shí)型數(shù)。

    系統(tǒng)控制400路UDP步進(jìn)電機(jī)，是由PLC系統(tǒng)建立每個(gè)設(shè)備的UDP連接，CPU通過(guò)CP443-1以太網(wǎng)通訊卡給UDP設(shè)備發(fā)送ASCII碼指令。由于每套CPU所能建立的連接數(shù)不能超過(guò)52個(gè)，所以建立非固定地址的UDP連接，而在ASCII碼指令里包涵對(duì)方UDP設(shè)備的端口和地址等參數(shù)，如圖2所示。

    給UDP設(shè)備的命令主要有速度命令和位置命令，對(duì)于速度命令，UDP設(shè)備要求達(dá)到10MS級(jí)別的變化速度。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于CPU和CP443-1通訊卡直接通過(guò)UR2-H底板進(jìn)行指令發(fā)送，其發(fā)送速度UR2-H底板的傳輸速度影響，對(duì)于每個(gè)大約60個(gè)字節(jié)的UDP指令每個(gè)循環(huán)周期最多能發(fā)送50，指令越長(zhǎng)發(fā)送的指令數(shù)相應(yīng)減少。

    結(jié)語(yǔ)

    在克服了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、程序量大、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行過(guò)程中頻繁變動(dòng)、導(dǎo)演要求變化快和時(shí)間急等眾多困難，順利高效地完成了整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，最終使噴泉水型表演雄偉、壯觀、水型復(fù)雜多變，滿足導(dǎo)演的高難度要求，圓滿完成亞運(yùn)會(huì)開(kāi)/閉幕式表演。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期