动态雕塑控制系统分析与应用.docx

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动态雕塑控制系统分析与应用

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侯鹏强唐伟向飞

[摘要]阐述动态雕塑控制系统实现的技术方案及构成、软件功能，重点给出编程实现表达式的解析。

[关键词]动态雕塑；可编程；系统构成；伺服；步进；表达式解析

动态雕塑，也称矩阵球、悬浮球阵列，是由数百到数千个悬浮体组成的阵列，每个悬浮体通过一根拉线受控可做垂直运动，每个悬浮体的运动组成一体化的动作。

悬浮体阵列在计算机的控制下，以三维方式展现图案、文字、变换的曲线曲而，伴随音乐舞动，或灵动，或柔美，带给观众极强的视觉冲击感，具有超乎想象的展示效果，在科技馆、展厅、大型商场、舞台等演艺娱乐场合迅速应用。图1所示分别为动态雕塑在宝马博物馆、上海世博会、新加坡机场等场合的应用。

目前，动态雕塑的实现主要有两种技术方式。

（1）一般应用于高速高精度场合，系统运行结构采用伺服电机，每个伺服电机问通过高速工业以太网来布置控制网络，每个运动部件的速度可达到几米每秒的运行速度。系统针对雕塑的编程采用专业的编程软件来实现，编程方式相对灵活多样。

（2）一般应用于要求相对较低的场合，方案采用DMX512信号来控制每个点，电机一般采用步进电机，软件编程通常采用现成的灯光控制台进行编程，运行速度较慢，编程较为繁琐。

为了实现高动态特性和易操作特性，动态雕塑控制系统采用伺服+高速工业以太网的方案来实现，悬体阵列由一个个一体化模块组成，运用r分布式实时控制、伺服控制等技术。每个模块安装简单，通过标准化的紧固件固定在吊顶钢架上，电气部分只需要多芯插座连接，一般的工人即可完成安装；整体采用无机柜无机房设计，简化运维成本，用户通过计算机软件可以灵活控制悬浮阵列的场景变换。

2系统构成

动态雕塑控制系统采用分布式架构，主要由三层构成：控制层、管理层、执行层。

控制层：指上位机或操作台，通过上位机或操作台，操作人员可选择单个设备或执行对应的轨迹操作。

管理层：主要包含可编程逻辑控制器（PLC），主要用于接收计算机下发的控制指令，通过指令解析后下发控制指令给伺服驱动，同时接收伺服驱动传来的设备状态等数据，上传给操作层。

执行层：主要用于执行控制层或管理层传来的控制命令，通过对命令的解析，完成控制功能。

如图2所示，系统控制层主要由操作台构成，可采用多个操作终端来控制设备；管理层主要由PLC系统构成，PLC系统由一到多个PLC组成，根据实际的负载情况来测算需要多少个PLC，管理层作为核心环节，一方而负责通过以太网接收来自操作终端的指令，一方而又通过实时以太网下发控制指令给执行层；执行层则主要由支持EtherCat总线的伺服驱动构成，通过EtherCat接口接收来自管理层的控制命令。层与层之间均通过以太网互联，区别之处在于操作层和管理层采用普通以太网的方式通信，管理层和执行层采用实时以太网的方式通信。

系统采用德国倍福系列的PLC，稳定可靠，相比西门子、施耐德等PLC，具有如下特点：

（1）运行速度快，对于常规PLC，系统的扫描周期一般在5ms以上，而倍福的PLC运行速度能达到500μs甚至更短，方便进行运动计算，实时性高；

（2）总线速度快，倍福PLC主要采用倍福EtherCAT总线，扫描100个轴能控制在100μs以内，对于底层驱动设备调节速度快，设备响应精度高；

（3）應用范围广，倍福PLC目前广泛应用于需要运动控制的行业，包括必威体育精装版的迪斯尼等秀场全部采用其控制系统；

（4）多级PLC构成技术，多个PLC可通过内部的工业以太网实现快速同步。

伺服驱动和伺服电机采用带有EtherCAT总线接口的产品，具有如下特点。

（1）性能：EtherCATIX习络的运行、通信速度快。1000个分布式IO数据的扫描周期为30μs。通过单一一个数据帧，可同时交换1486字节的过程数据，其传输周期不高于300μs。与伺服的通信测试中，100个伺服轴的通信时间≤100μs。同时，由于采用分布式时钟，可保证轴与轴之间的同步时间误差1μs。

（2）拓扑结构：该网络支持总线型、星型或树型等几乎所有拓扑结构。拓扑结构选择自由度高，布线灵活，是否采用总线拓扑结构，或是树型结构，均可任意选配组合。总线支持自动地址分配；无需手动设置IP地址。

（3）热连接：EtherCAT系统具备热连接功能，可将网络的每个部分任意连接或断开，或动态进行重新连接，组态方式灵活多样，可适应不同的组态需求。

（4）安全性：EtherCAT安全协议基于应用层，不影响低层。已通过IEC61508认证，可达到SIL3安全集成级别，在采取更多措施后可达到SIL4安全级别。

（5）开放性：EtherCAT技术不仅与标准以太网兼容，而且还具有设计开放性特点，协议可以与其他通信格式的以太网协议并存，所有协议并存于同一物理介质中，且只会对整个网络性能有比较小程度的影响