北京三博中自科技有限公司

    倍受瞩目的2010年广州亚运会开幕式于11月12日20点在广州海心沙岛成功举行。水是开幕式的最大特色和核心主题，其中喷泉表演贯穿始终，体现出亚运会“水文化”的理念。北京三博中自科技公司凭借其创新能力、工程实力和良好信誉，承担并实施了该喷泉控制系统项目。系统实施的难度在于要控制各种水型的复杂组合，而且要求配合演员演出及音乐，响应快、控制精准，采用西门子大型自动控制系统，通过技术攻关和反复排练解决了这些难题。开幕式上水火交融，喷泉表演给人奇妙的视觉感受，是一场气势磅礴的盛宴。216个升降喷头形成一幅长208米，宽128米，喷高38米的巨船造型喷泉，以水载舟，以水“造”船，气势宏大、视觉冲击强烈、巨大的震撼力堪称世界之最。那一排排、一柱柱喷泉，似众仙子翩翩起舞，飘舞水袖，如海面波涛翻涌，托起一叶小舟，时而婀娜婆娑时而又激昂澎湃，直冲云霄。所有这些变幻莫测的喷泉水型花样均在我们的控制系统“指挥”下表演自如。
      
                          

     系统设计

    现在大型的喷泉项目常用的方式都是在PC电脑上加装输出板卡，在电脑上运行控制程序和编舞程序，可以根据音乐的音量大小和频率高低实时演绎水型；其缺点是PC机的稳定性和可靠性不是很高，时有死机等非常规故障。小型喷泉也有使用PLC控制，其设备和控制点少，水型变化少，只能实现简单水型变化的循环表演。
               
                              

                                     图1  S7-400H冗余控制器

    由于亚运会的可靠性和安全性要求，避免由于电脑死机等因素影响亚运会开闭幕式的正常运行，采用了高可靠性的PLC作为控制主体，使用西门子S7-400H系列大型冗余控制器、冗余的Profi bus-DP通讯网络、1台工程师站和多台操作员站，监控软件采用了WINCC V7.0。这样的核心控制系统可以确保将系统的故障概率降到最低程度，最大限度地保证亚运会开/闭幕式的正常运行。

    整个喷泉系统控制1200路模拟量设备（通过变频器控制各种水泵）、2000路数字量设备（包括水底灯、火龙和电磁阀）、400路UDP步进电机。所有的控制设备分22个机柜组装，分布在8个控制室分别安装，通过Profi bus-DP网络和光纤网络进行通信连接。

    硬件选型及软件设计

    系统的主处理器使用的是CPU417-4-2H，满足中、高等控制规模的中低成本解决方案。使用S7-400H的CPU，具有MPI/DP接口，可以在PROFIBUS-DP中运行。容错自动化系统安装在带有分段背板总线的一个UR2－H紧凑型机架中，可实现冗余子系统的物理分立。该款处理器的位处理速度高达45ns，可以满足大型控制系统对于快速处理速度的需求，同时使用冗余系统，可以最大程度地确保控制系统的高可用性，当任何一个控制器出现故障时，不会影响整个系统的正常运转。

    选择西门子冗余控制器完成这个项目的另一个主要原因，还在于其冗余控制机制是采用的事件同步的专利技术具有极佳的表现。通过采用这样一个同步机制，可以最大化地节省CPU的资源，同时可以确保再出现同步切换时能够实现无扰切换，这样对于亚运会的开、闭幕仪式不会因为控制系统故障产生影响。同时，系统切换后，所有的控制输出保持、系统信息不会丢失，使得在调试和运行期间可以最大程度地节省调试时间并有效地提升系统整体的表现。

    控制系统中UDP设备的通讯模块使用高性能的以太网通讯模块CP443-1(6GK7 443-1EX20-0XE0)。系统的各个就地控制根据现场的情况分布在喷泉的不同位置，主控制站通过PROFIBUS-DP与就地控制柜内的分布式I/O ET200M连接。为了确保通讯的质量和速度，ET200M分布式I/O站主要由高性能型IM153-2通讯接口模块与中央控制器进行连接。
         
                      
                                图2  ASCII 码指令 

   在喷泉水型编舞排练过程中，由于PLC无法像电脑一样运行大型程序来根据音乐的音量大小和频率高低来实时演绎水型，经过研发和工程攻关，决定在上位机用MFC程序进行水型编舞，产生水型数据，存入EXCEL 文件，然后把水型数据从EXCEL读出使用西门子PRODAVE_MPI_IE_V6.0把水型数据下载到PLC进行存储，表演的时候完全脱离开上位机，PLC独立进行表演。既满足了系统稳定可靠的要求，又满足了在节目编排过程中导演要求高、水型多变复杂的要求。

    使用PRODAVE_MPI_IE_V6.0下载数据时，首先在上位机和PLC建立PRODAVE_IE连接：通过函数LoadConnection_ex6(ConNr，AccessPoint，ConTableLen，pConTable)申请与PLC建立相关网络连接，如果返回值为0则说明建立连接成功。再激活所建立的链接激活连接：使用函数SetActiveConnection_ex6 (unsigned short ConNr)。数据下载时，调用写函数fi eld_write_ex6才能正确地把数据写到PLC相应的DB块中，而不能使用DB块专用写函数db _write_ex6（测试表明：db _write_ex6用在单CPU系统中能够正常使用，用在冗余CPU系统中则不能正常使用；而函数fi eld_write_ex6在无论是单CPU还是冗余CPU系统都能正常使用）。由于水型数据存储量大，数据下载时间较长，下载前数据要进行压缩存储（16进制数代替ASCII码）；下载机制由TCP/IP改为CP1613ISO；PLC与上位机通信是在OB1循环“间隙”进行，两个CPU做数据同步也要占用“间隙”，在下载数据时停掉备用CPU，同时让OB1中的程序暂时不运行。上位机中的数据格式和PLC中的数据格式是不同的，MFC从EXCEL中读取的数据全部为字符型，而实际DB块中有多种数据类型（BOOL，REAL，CHAR，INT），每种数据类型都有不同的转换方法：kf_2_integer_ex6将高低字节交换，把字符型转换为整型数；kf_2_fl oat_ex6将高低字节交换，把字符型转换为实型数。

    系统控制400路UDP步进电机，是由PLC系统建立每个设备的UDP连接，CPU通过CP443-1以太网通讯卡给UDP设备发送ASCII码指令。由于每套CPU所能建立的连接数不能超过52个，所以建立非固定地址的UDP连接，而在ASCII码指令里包涵对方UDP设备的端口和地址等参数，如图2所示。

    给UDP设备的命令主要有速度命令和位置命令，对于速度命令，UDP设备要求达到10MS级别的变化速度。在试验中发现，由于CPU和CP443-1通讯卡直接通过UR2-H底板进行指令发送，其发送速度UR2-H底板的传输速度影响，对于每个大约60个字节的UDP指令每个循环周期最多能发送50，指令越长发送的指令数相应减少。

    结语

    在克服了系统数据存储量大、程序量大、现场执行过程中频繁变动、导演要求变化快和时间急等众多困难，顺利高效地完成了整个项目的实施，最终使喷泉水型表演雄伟、壮观、水型复杂多变，满足导演的高难度要求，圆满完成亚运会开/闭幕式表演。

    摘自《自动化博览》2011年第十一期