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       随着我国自动化水平的提高，各种机械的传动控制越来越依赖于远离现场的自控装置和电机控制中心集中控制。而机械与其现场操作人员的安全成为人们逐渐重视的问题，紧急停机系统EMS(EMERGENCY STOP SYSTEM)正是在这种情况下应运而生的，它作为一种主控制系统的安全保证逐步完善并被广泛应用。时至今日各主要工业化国家对其功能及技术要求都有明确的规定。

       舞台机械的控制操作系统是为了保证舞台机械的稳定、安全和可靠的运转。由于剧场舞台的特殊环境，在舞台控制系统中即使采取了各种必要的安全措施，但仍不能彻底杜绝偶然事故的发生。所以，在舞台控制系统中应加入紧急停机系统，即在设备现场适当位置安装紧急停机按钮或开关，在发生紧急情况时要求紧急停机系统及时切断设备电源，限制事故对人员及设备的危害，以确保人员与设备的绝对安全。

       某剧院的歌剧院，其舞台设备总量超过了200台设备，每台设备都有其对应的电机和变频器以及其控制器，来控制机械设备的运动。为了方便起见将它们分成台上和台下两组。在台上区域，有近百个场景吊杆和40余个单点吊和其他舞台设备，用来悬挂节目中使用的场景和幕布；台下设备包括：主舞台区域的6台双层升降台；两侧舞台区域的6台可移至主舞台升降台上的车台；后舞台区域的车载转台（包含又两个转台）和芭蕾舞台板车台（后舞台下车台）。

       在舞台机械的各种操作模式中，紧急停机功能应优先于其他功能，在紧急停机装置被复位之前，对机械的任何启动指令均是无效的。紧急停机装置的复位只表明紧急状态的取消，设备在正常操作程序启动之前均将保持静止停机状态。同时，紧急停机装置应便于操作，应设置在操作者容易接近的地方，而且操作时没有任何危险，需要安装在能够观察到设备运动可能对人员有危险的位置上。因此，紧急停机系统设计如下。

       在剧场的各个区域，主要是操作人员便于观察、接近与调试的地点，分布着许多紧急停机站。紧急停机站上安装着紧急停机系统的关键部件――紧急停机按钮。当这些紧急停机按钮中的任何一个被触发，位于该紧急停机站范围内的机器将会停机。当系统在紧急停机状态下，不可能操作紧急停机区域内的任何机器。紧急停机按钮被设计成一个红色、蘑菇状、按下并锁死的、旋转释放式的机器装置。停机按钮内装有一个指示灯，用来提供紧急停机系统的状态信息。该指示灯闪烁表明停机站被触发。如果指示灯是点亮的，则表明在剧场内的某个地方触发了紧急停机系统，且要求复位以使系统恢复到正常状态。紧急停机按钮内部结构图如2.1示。

       紧急停机系统被分成三个输入区域：区域1包括从舞台平面起直至栅顶以下的紧急停机站，触发区域1的紧急停机站将会停止台上和台下紧急停机区域的所有机器。区域2包括栅顶的紧急停机站以及台上机房内的紧急停机站，触发区域2的紧急停机站将会仅仅停止台上紧急停机区域的所有机器。区域3包括歌剧院台下区域的紧急停机站，触发区域3的紧急停机站将会仅仅停止台下紧急停机区域的所有机器。紧急停机系统显示面板，如图2.2所示，由64个LED指示灯构成的面板显示紧急停机网络中的紧急停机站的状态。每一个LED指示灯都与某一个或者某一组的紧急停机站有关。当一个紧急停机站被触发，相应的LED将会点亮。每一个LED指示灯都有相关的标号，指明被触发的紧急停机站在剧场的位置。从而允许控制者知道该触发点的具体位置。

根据舞台控制紧急停机系统的设计要求和现场实际情况,将其电气部分设计如下,如图2.3所示。

       当紧急停机按钮被按下时,继电器R1、R2闭合，由它们组成一自锁结构，保持紧急停机状态。同时在继电器R1、R2的作用下，迫使控制系统主回路中的主接触器断开，从而强迫断开变频器输出；同时打开制动接触器，启动制动回路，最终确保机械设备停机。

紧急停机系统可以说是防止事故的最后一道保障，所以要求它必须绝对可靠。为了保证此系统的安全、有效和可靠运行，在进行电气部分设计时严格遵守GB4064,并把停机信号设计成双通道模式，即当停机按钮被触发后，分别出发两个继电器，开通两个回路；其中任意一个回路开通都会触发控制系统中的主接触器与制动接触器。

 

       紧急停机模块（Emergency Stop Module）是紧急停机系统的核心，其作用是：1、接收各个按钮的停机信号，从而在上百个按钮中完成对触发点按钮的判断；2、向停机按钮所在回路发送指示灯的LAMP信号，使指示灯闪烁，提示发生停机的按钮所在位置；同时点亮在LED显示面板上停机按钮对应位置，提示主控室操作人员发生停机的具体区域；3、与上位机通讯，以便上位机显示和记录停机信息；4、发送停机信号E1、E2或E3、E4给控制器，使其停止台上或台下设定区域的变频器输出，打开制动系统，确保所有处于停机范围内的设备都停止动作。由于每一台控制器都对应一个或者多个舞台设备，所以把E1、E2和E3、E4信号的回路设计成总线模式。E1&E2两路信号送到台上设备控制器，而E3&E4两路信号送到台下设备控制器。

       紧急停机模块原理框图，如图3.1所示，它内部包括：Intel 89C51单片机、74139和四片74154扩展为6线-64线译码器，两组各两片74LS148组成16线-4线优先编码器，四片74LS148级联成32线-5线的优先编码器，利用P512和CD40106搭建光电耦合电路与信号整形电路,两片MAX488和一片MAX202。MAX488是MAXIM公司推出的RS485电平全双工转换芯片，MAX202也是MAXIM公司的RS485到RS232C转换芯片，两者的最大优点是采用单+5V电源，电路搭接简单。

       +24V的SENSE信号经过光电隔离电路及信号整形后，分别经过3个区域的优先编码器：区域1包括舞台平面到栅顶以下的紧急停机站，有32路信号；区域2包括栅顶的紧急停机站以及台上控制房内的紧急停机站，有16路信号；区域3包括台下区域的紧急停机站及台下控制房内的紧急停机站，也有16路信号。调理整形后的SENSE信号送至89C51单片机P2口，利用脉冲的上升沿申请中断，CPU执行中断服务子程序；P0口输出6路LED显示电路以及指示灯信号；分别利用P0、P2余下的4个端口作为4路紧急停机信号的输出；Pl口作为单片机与上位机串行通信接口的主端口。

       串行通信接口设计：利用89C51的P1.0，P1．1口定义为串行异步接收发送端口，P1.2为RTS请求发送线，P3.3（利用其外部中断功能）为CTS允许发送线，可 实现查询和中断两种工作方式。该4端口线经两片MAX488电平转换后，再经MAX202转换为RS232C通道，然后连接上位机，实现与上位机的双向通信。

       利用89C51内部定时器T0产生定时中断，进入中断服务程序，其流程图如3.2所示。当单片机的P2口有紧急停机SENSE信号输入时，进入主程序。首先判断触发紧急停机的位置区域，然后向对应停机信号总线发出E1、E2或E3、E4信号（或者在区域1被触发时，同时发送4路信号）；并把紧急停机信息发送给上位机。

       在设计紧急停机模块时，为了使系统可靠，除了运用常规的软硬件抗干扰方法，还应注意舞台系统的干扰源的特殊性――大功率电机及变频器较多，容易产生高频电磁干扰。因此，在硬件设计时应注意在电源线、地线上用铜线绕制铁氧体而成的高频扼流器件阻断高频噪声的传导；电解电容要与高频特性好的去耦电容成对使用；软件设计时要注意对不用的ROM要做处理，做到万一程序落到这些区域可以自恢复。

       本文结合舞台控制系统对紧急停机系统进行研究和设计，所设计紧急停机系统，已经成功应用于某歌剧院舞台控制系统中，在现场通过调试并正常运行，能达到设计初所提出的各项技术要求。只需在电气设计方面稍加改动,该紧急停机系统便可与各种场合的控制系统相配合，如工业制造、机械加工、矿业开采等，具有较高应用与推广价值。

 

 

1. GB4064-83电气设备安全设计导则

2. 何立民．单片机应用系统设计．北京：航空航天大学出版社，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