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案例頻道1.概述
隨著我國自動(dòng)化水平的提高，各種機(jī)械的傳動(dòng)控制越來越依賴于遠(yuǎn)離現(xiàn)場的自控裝置和電機(jī)控制中心集中控制。而機(jī)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(jī)系統(tǒng)EMS(EMERGENCY STOP SYSTEM)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)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(shí)至今日各主要工業(yè)化國家對(duì)其功能及技術(shù)要求都有明確的規(guī)定。
舞臺(tái)機(jī)械的控制操作系統(tǒng)是為了保證舞臺(tái)機(jī)械的穩(wěn)定、安全和可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于劇場舞臺(tái)的特殊環(huán)境，在舞臺(tái)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(tái)控制系統(tǒng)中應(yīng)加入緊急停機(jī)系統(tǒng)，即在設(shè)備現(xiàn)場適當(dāng)位置安裝緊急停機(jī)按鈕或開關(guān)，在發(fā)生緊急情況時(shí)要求緊急停機(jī)系統(tǒng)及時(shí)切斷設(shè)備電源，限制事故對(duì)人員及設(shè)備的危害，以確保人員與設(shè)備的絕對(duì)安全。
2．舞臺(tái)控制系統(tǒng)中緊急停機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
某劇院的歌劇院，其舞臺(tái)設(shè)備總量超過了200臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都有其對(duì)應(yīng)的電機(jī)和變頻器以及其控制器，來控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。為了方便起見將它們分成臺(tái)上和臺(tái)下兩組。在臺(tái)上區(qū)域，有近百個(gè)場景吊桿和40余個(gè)單點(diǎn)吊和其他舞臺(tái)設(shè)備，用來懸掛節(jié)目中使用的場景和幕布；臺(tái)下設(shè)備包括：主舞臺(tái)區(qū)域的6臺(tái)雙層升降臺(tái)；兩側(cè)舞臺(tái)區(qū)域的6臺(tái)可移至主舞臺(tái)升降臺(tái)上的車臺(tái)；后舞臺(tái)區(qū)域的車載轉(zhuǎn)臺(tái)（包含又兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)）和芭蕾舞臺(tái)板車臺(tái)（后舞臺(tái)下車臺(tái)）。
在舞臺(tái)機(jī)械的各種操作模式中，緊急停機(jī)功能應(yīng)優(yōu)先于其他功能，在緊急停機(jī)裝置被復(fù)位之前，對(duì)機(jī)械的任何啟動(dòng)指令均是無效的。緊急停機(jī)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(dòng)之前均將保持靜止停機(jī)狀態(tài)。同時(shí)，緊急停機(jī)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(shí)沒有任何危險(xiǎn)，需要安裝在能夠觀察到設(shè)備運(yùn)動(dòng)可能對(duì)人員有危險(xiǎn)的位置上。因此，緊急停機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下。
在劇場的各個(gè)區(qū)域，主要是操作人員便于觀察、接近與調(diào)試的地點(diǎn)，分布著許多緊急停機(jī)站。緊急停機(jī)站上安裝著緊急停機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件――緊急停機(jī)按鈕。當(dāng)這些緊急停機(jī)按鈕中的任何一個(gè)被觸發(fā)，位于該緊急停機(jī)站范圍內(nèi)的機(jī)器將會(huì)停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)在緊急停機(jī)狀態(tài)下，不可能操作緊急停機(jī)區(qū)域內(nèi)的任何機(jī)器。緊急停機(jī)按鈕被設(shè)計(jì)成一個(gè)紅色、蘑菇狀、按下并鎖死的、旋轉(zhuǎn)釋放式的機(jī)器裝置。停機(jī)按鈕內(nèi)裝有一個(gè)指示燈，用來提供緊急停機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)信息。該指示燈閃爍表明停機(jī)站被觸發(fā)。如果指示燈是點(diǎn)亮的，則表明在劇場內(nèi)的某個(gè)地方觸發(fā)了緊急停機(jī)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(jī)按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2.1示。
緊急停機(jī)系統(tǒng)被分成三個(gè)輸入?yún)^(qū)域：區(qū)域1包括從舞臺(tái)平面起直至柵頂以下的緊急停機(jī)站，觸發(fā)區(qū)域1的緊急停機(jī)站將會(huì)停止臺(tái)上和臺(tái)下緊急停機(jī)區(qū)域的所有機(jī)器。區(qū)域2包括柵頂?shù)木o急停機(jī)站以及臺(tái)上機(jī)房內(nèi)的緊急停機(jī)站，觸發(fā)區(qū)域2的緊急停機(jī)站將會(huì)僅僅停止臺(tái)上緊急停機(jī)區(qū)域的所有機(jī)器。區(qū)域3包括歌劇院臺(tái)下區(qū)域的緊急停機(jī)站，觸發(fā)區(qū)域3的緊急停機(jī)站將會(huì)僅僅停止臺(tái)下緊急停機(jī)區(qū)域的所有機(jī)器。緊急停機(jī)系統(tǒng)顯示面板，如圖2.2所示，由64個(gè)LED指示燈構(gòu)成的面板顯示緊急停機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的緊急停機(jī)站的狀態(tài)。每一個(gè)LED指示燈都與某一個(gè)或者某一組的緊急停機(jī)站有關(guān)。當(dāng)一個(gè)緊急停機(jī)站被觸發(fā)，相應(yīng)的LED將會(huì)點(diǎn)亮。每一個(gè)LED指示燈都有相關(guān)的標(biāo)號(hào)，指明被觸發(fā)的緊急停機(jī)站在劇場的位置。從而允許控制者知道該觸發(fā)點(diǎn)的具體位置。
根據(jù)舞臺(tái)控制緊急停機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場實(shí)際情況,將其電氣部分設(shè)計(jì)如下,如圖2.3所示。
當(dāng)緊急停機(jī)按鈕被按下時(shí),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(jī)狀態(tài)。同時(shí)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(qiáng)迫斷開變頻器輸出；同時(shí)打開制動(dòng)接觸器，啟動(dòng)制動(dòng)回路，最終確保機(jī)械設(shè)備停機(jī)。
緊急停機(jī)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(duì)可靠。為了保證此系統(tǒng)的安全、有效和可靠運(yùn)行，在進(jìn)行電氣部分設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格遵守GB4064,并把停機(jī)信號(hào)設(shè)計(jì)成雙通道模式，即當(dāng)停機(jī)按鈕被觸發(fā)后，分別出發(fā)兩個(gè)繼電器，開通兩個(gè)回路；其中任意一個(gè)回路開通都會(huì)觸發(fā)控制系統(tǒng)中的主接觸器與制動(dòng)接觸器。
3．緊急停機(jī)模塊(ESM)設(shè)計(jì)
緊急停機(jī)模塊（Emergency Stop Module）是緊急停機(jī)系統(tǒng)的核心，其作用是：1、接收各個(gè)按鈕的停機(jī)信號(hào)，從而在上百個(gè)按鈕中完成對(duì)觸發(fā)點(diǎn)按鈕的判斷；2、向停機(jī)按鈕所在回路發(fā)送指示燈的LAMP信號(hào)，使指示燈閃爍，提示發(fā)生停機(jī)的按鈕所在位置；同時(shí)點(diǎn)亮在LED顯示面板上停機(jī)按鈕對(duì)應(yīng)位置，提示主控室操作人員發(fā)生停機(jī)的具體區(qū)域；3、與上位機(jī)通訊，以便上位機(jī)顯示和記錄停機(jī)信息；4、發(fā)送停機(jī)信號(hào)E1、E2或E3、E4給控制器，使其停止臺(tái)上或臺(tái)下設(shè)定區(qū)域的變頻器輸出，打開制動(dòng)系統(tǒng)，確保所有處于停機(jī)范圍內(nèi)的設(shè)備都停止動(dòng)作。由于每一臺(tái)控制器都對(duì)應(yīng)一個(gè)或者多個(gè)舞臺(tái)設(shè)備，所以把E1、E2和E3、E4信號(hào)的回路設(shè)計(jì)成總線模式。E1&E2兩路信號(hào)送到臺(tái)上設(shè)備控制器，而E3&E4兩路信號(hào)送到臺(tái)下設(shè)備控制器。
緊急停機(jī)模塊原理框圖，如圖3.1所示，它內(nèi)部包括：Intel 89C51單片機(jī)、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(jí)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(hào)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(diǎn)是采用單+5V電源，電路搭接簡單。
+24V的SENSE信號(hào)經(jīng)過光電隔離電路及信號(hào)整形后，分別經(jīng)過3個(gè)區(qū)域的優(yōu)先編碼器：區(qū)域1包括舞臺(tái)平面到柵頂以下的緊急停機(jī)站，有32路信號(hào)；區(qū)域2包括柵頂?shù)木o急停機(jī)站以及臺(tái)上控制房內(nèi)的緊急停機(jī)站，有16路信號(hào)；區(qū)域3包括臺(tái)下區(qū)域的緊急停機(jī)站及臺(tái)下控制房內(nèi)的緊急停機(jī)站，也有16路信號(hào)。調(diào)理整形后的SENSE信號(hào)送至89C51單片機(jī)P2口，利用脈沖的上升沿申請(qǐng)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(hào)；分別利用P0、P2余下的4個(gè)端口作為4路緊急停機(jī)信號(hào)的輸出；Pl口作為單片機(jī)與上位機(jī)串行通信接口的主端口。
串行通信接口設(shè)計(jì)：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(qǐng)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(shí)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(jī)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的雙向通信。
利用89C51內(nèi)部定時(shí)器T0產(chǎn)生定時(shí)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(jī)的P2口有緊急停機(jī)SENSE信號(hào)輸入時(shí)，進(jìn)入主程序。首先判斷觸發(fā)緊急停機(jī)的位置區(qū)域，然后向?qū)?yīng)停機(jī)信號(hào)總線發(fā)出E1、E2或E3、E4信號(hào)（或者在區(qū)域1被觸發(fā)時(shí)，同時(shí)發(fā)送4路信號(hào)）；并把緊急停機(jī)信息發(fā)送給上位機(jī)。
在設(shè)計(jì)緊急停機(jī)模塊時(shí)，為了使系統(tǒng)可靠，除了運(yùn)用常規(guī)的軟硬件抗干擾方法，還應(yīng)注意舞臺(tái)系統(tǒng)的干擾源的特殊性――大功率電機(jī)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(jì)時(shí)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(duì)使用；軟件設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)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(tái)控制系統(tǒng)對(duì)緊急停機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)緊急停機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于某歌劇院舞臺(tái)控制系統(tǒng)中，在現(xiàn)場通過調(diào)試并正常運(yùn)行，能達(dá)到設(shè)計(jì)初所提出的各項(xiàng)技術(shù)要求。只需在電氣設(shè)計(jì)方面稍加改動(dòng),該緊急停機(jī)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(jī)械加工、礦業(yè)開采等，具有較高應(yīng)用與推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
1. GB4064-83電氣設(shè)備安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則
2. 何立民．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．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(hào)：11010802023656號(hào)