倍受矚目的2010年廣州亞運會開幕式于11月12日20點在廣州海心沙島成功舉行。水是開幕式的最大特色和核心主題，其中噴泉表演貫穿始終，體現出亞運會“水文化”的理念。北京三博中自科技公司憑借其創新能力、工程實力和良好信譽，承擔并實施了該噴泉控制系統項目。系統實施的難度在于要控制各種水型的復雜組合，而且要求配合演員演出及音樂，響應快、控制精準，采用西門子大型自動控制系統，通過技術攻關和反復排練解決了這些難題。開幕式上水火交融，噴泉表演給人奇妙的視覺感受，是一場氣勢磅礴的盛宴。216個升降噴頭形成一幅長208米，寬128米，噴高38米的巨船造型噴泉，以水載舟，以水“造”船，氣勢宏大、視覺沖擊強烈、巨大的震撼力堪稱世界之最。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，時而婀娜婆娑時而又激昂澎湃，直沖云霄。所有這些變幻莫測的噴泉水型花樣均在我們的控制系統“指揮”下表演自如。
      
                          

     系統設計

    現在大型的噴泉項目常用的方式都是在PC電腦上加裝輸出板卡，在電腦上運行控制程序和編舞程序，可以根據音樂的音量大小和頻率高低實時演繹水型；其缺點是PC機的穩定性和可靠性不是很高，時有死機等非常規故障。小型噴泉也有使用PLC控制，其設備和控制點少，水型變化少，只能實現簡單水型變化的循環表演。
               
                              

                                     圖1  S7-400H冗余控制器

    由于亞運會的可靠性和安全性要求，避免由于電腦死機等因素影響亞運會開閉幕式的正常運行，采用了高可靠性的PLC作為控制主體，使用西門子S7-400H系列大型冗余控制器、冗余的Profi bus-DP通訊網絡、1臺工程師站和多臺操作員站，監控軟件采用了WINCC V7.0。這樣的核心控制系統可以確保將系統的故障概率降到最低程度，最大限度地保證亞運會開/閉幕式的正常運行。

    整個噴泉系統控制1200路模擬量設備（通過變頻器控制各種水泵）、2000路數字量設備（包括水底燈、火龍和電磁閥）、400路UDP步進電機。所有的控制設備分22個機柜組裝，分布在8個控制室分別安裝，通過Profi bus-DP網絡和光纖網絡進行通信連接。

    硬件選型及軟件設計

    系統的主處理器使用的是CPU417-4-2H，滿足中、高等控制規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中運行。容錯自動化系統安裝在帶有分段背板總線的一個UR2－H緊湊型機架中，可實現冗余子系統的物理分立。該款處理器的位處理速度高達45ns，可以滿足大型控制系統對于快速處理速度的需求，同時使用冗余系統，可以最大程度地確保控制系統的高可用性，當任何一個控制器出現故障時，不會影響整個系統的正常運轉。

    選擇西門子冗余控制器完成這個項目的另一個主要原因，還在于其冗余控制機制是采用的事件同步的專利技術具有極佳的表現。通過采用這樣一個同步機制，可以最大化地節省CPU的資源，同時可以確保再出現同步切換時能夠實現無擾切換，這樣對于亞運會的開、閉幕儀式不會因為控制系統故障產生影響。同時，系統切換后，所有的控制輸出保持、系統信息不會丟失，使得在調試和運行期間可以最大程度地節省調試時間并有效地提升系統整體的表現。

    控制系統中UDP設備的通訊模塊使用高性能的以太網通訊模塊CP443-1(6GK7 443-1EX20-0XE0)。系統的各個就地控制根據現場的情況分布在噴泉的不同位置，主控制站通過PROFIBUS-DP與就地控制柜內的分布式I/O ET200M連接。為了確保通訊的質量和速度，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行連接。
         
                      
                                圖2  ASCII 碼指令 

   在噴泉水型編舞排練過程中，由于PLC無法像電腦一樣運行大型程序來根據音樂的音量大小和頻率高低來實時演繹水型，經過研發和工程攻關，決定在上位機用MFC程序進行水型編舞，產生水型數據，存入EXCEL 文件，然后把水型數據從EXCEL讀出使用西門子PRODAVE_MPI_IE_V6.0把水型數據下載到PLC進行存儲，表演的時候完全脫離開上位機，PLC獨立進行表演。既滿足了系統穩定可靠的要求，又滿足了在節目編排過程中導演要求高、水型多變復雜的要求。

    使用PRODAVE_MPI_IE_V6.0下載數據時，首先在上位機和PLC建立PRODAVE_IE連接：通過函數LoadConnection_ex6(ConNr，AccessPoint，ConTableLen，pConTable)申請與PLC建立相關網絡連接，如果返回值為0則說明建立連接成功。再激活所建立的鏈接激活連接：使用函數SetActiveConnection_ex6 (unsigned short ConNr)。數據下載時，調用寫函數fi eld_write_ex6才能正確地把數據寫到PLC相應的DB塊中，而不能使用DB塊專用寫函數db _write_ex6（測試表明：db _write_ex6用在單CPU系統中能夠正常使用，用在冗余CPU系統中則不能正常使用；而函數fi eld_write_ex6在無論是單CPU還是冗余CPU系統都能正常使用）。由于水型數據存儲量大，數據下載時間較長，下載前數據要進行壓縮存儲（16進制數代替ASCII碼）；下載機制由TCP/IP改為CP1613ISO；PLC與上位機通信是在OB1循環“間隙”進行，兩個CPU做數據同步也要占用“間隙”，在下載數據時停掉備用CPU，同時讓OB1中的程序暫時不運行。上位機中的數據格式和PLC中的數據格式是不同的，MFC從EXCEL中讀取的數據全部為字符型，而實際DB塊中有多種數據類型（BOOL，REAL，CHAR，INT），每種數據類型都有不同的轉換方法：kf_2_integer_ex6將高低字節交換，把字符型轉換為整型數；kf_2_fl oat_ex6將高低字節交換，把字符型轉換為實型數。

    系統控制400路UDP步進電機，是由PLC系統建立每個設備的UDP連接，CPU通過CP443-1以太網通訊卡給UDP設備發送ASCII碼指令。由于每套CPU所能建立的連接數不能超過52個，所以建立非固定地址的UDP連接，而在ASCII碼指令里包涵對方UDP設備的端口和地址等參數，如圖2所示。

    給UDP設備的命令主要有速度命令和位置命令，對于速度命令，UDP設備要求達到10MS級別的變化速度。在試驗中發現，由于CPU和CP443-1通訊卡直接通過UR2-H底板進行指令發送，其發送速度UR2-H底板的傳輸速度影響，對于每個大約60個字節的UDP指令每個循環周期最多能發送50，指令越長發送的指令數相應減少。

    結語

    在克服了系統數據存儲量大、程序量大、現場執行過程中頻繁變動、導演要求變化快和時間急等眾多困難，順利高效地完成了整個項目的實施，最終使噴泉水型表演雄偉、壯觀、水型復雜多變，滿足導演的高難度要求，圓滿完成亞運會開/閉幕式表演。

    摘自《自動化博覽》2011年第十一期