國內(nèi)常規(guī)劇場舞臺機械控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建探究

劉學(xué)信　劉建

【摘 要】 根據(jù)國內(nèi)劇場舞臺機械控制系統(tǒng)的特點，探討了軟、硬件設(shè)計解決方案。根據(jù)實際工程經(jīng)驗從控制系統(tǒng)硬件設(shè) 計組成、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建和軟件功能要求三個方面進行了詳細(xì)的論述。

【關(guān)鍵詞】 PLC；舞臺機械；變頻器；現(xiàn)場總線

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.08.012

【Abstract】According to the characteristics of the theater stage machinery control system in China， the author discusses the solution of software and hardware design. According to the practical engineering experience， three aspects such as the hardware design of the control system， the construction of the network system and the functional requirements of the software are discussed.

【Key Words】PLC； stage machinery； frequency converter； field bus

常規(guī)劇院根據(jù)功能可以劃分為歌劇院、戲劇院、音樂廳和多功能廳等。舞臺機械是現(xiàn)代化劇場不可缺少的核心設(shè)備，通過舞臺機械設(shè)備不斷升降、平移、開合運動，并配合燈光、音響的不斷變換，呈現(xiàn)在觀眾眼前的是一場場美輪美奐的視覺盛宴。

常規(guī)劇場舞臺機械設(shè)備一般可分為臺上和臺下兩個部分，臺上以卷揚類為主，臺上設(shè)備的基本配置有防火幕、假臺口、大幕、二道幕、景吊桿、燈吊桿、單點吊機、燈光渡橋、燈光吊籠等設(shè)備，有的還配置了反聲罩。臺下以升降、推拉、旋轉(zhuǎn)為主，臺下設(shè)備的基本配置有主升降臺、左右車臺、后車轉(zhuǎn)臺、升降樂池、各種補償臺、插銷和安全網(wǎng)等設(shè)備。其中，臺上吊桿類設(shè)備、臺下升降臺類設(shè)備和車臺類設(shè)備是舞臺表演空間的主要設(shè)備。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在舞臺機械控制多采用以可編程控制器為主的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由繼電器、接觸器和變頻器等低壓電器組成，網(wǎng)絡(luò)采用開放式工業(yè)現(xiàn)場總線通訊技術(shù)，軟件設(shè)計采用功能完備的人機友好界面和安全互鎖保護。整個系統(tǒng)快速、方便地將分散在臺上、臺下的設(shè)備和核心中央處理器聯(lián)系起來，其各種不同類型的控制模塊通過硬件接口和軟件組態(tài)可進行廣泛組合，為舞臺機械運行提供實時、安全可靠的運行保證。同時，由于采用計算機控制，系統(tǒng)具有處理速度快、系統(tǒng)資源裕量大、通訊能力強、故障排除快速、定位準(zhǔn)確的特點。

1 設(shè)備電器設(shè)計組成

舞臺設(shè)備電器控制回路一般由各種安全保護單元（如限位、亂繩、超載、超速、安全急停鏈路）、位置測量單元（如編碼器、減速開關(guān)、行程開關(guān)）、控制電路（如各種繼電器、PLC輸入輸出模塊）、驅(qū)動單元（如變頻器、交流接觸器）和執(zhí)行單元（如三相異步鼠籠電機、伺服電機）組成，并通過以上電器環(huán)節(jié)的共同作用控制設(shè)備運動。

國內(nèi)舞臺設(shè)備按控制方式包括常規(guī)定速控制和調(diào)速定位控制。

1.1 常規(guī)定速控制

常規(guī)定速控制——通過PLC起停輸出、設(shè)備的行程開關(guān)、保護開關(guān)、繼電器組成的中間回路控制對應(yīng)的三相電源的相序通斷，從而達(dá)到直接控制電機的正反向運動，如舞臺各種插銷、安全網(wǎng)、升降欄桿、安全門。該方式廣泛應(yīng)用在對時間要求不高的舞臺設(shè)備硬件設(shè)計上，如圖1所示。

對于在運動過程中有位置需求但定位要求不高的設(shè)備（如燈光吊籠、假臺口側(cè)片、燈光渡橋）來說，該方式并不能滿足要求。從設(shè)計經(jīng)濟、硬件便捷的角度，通常在常規(guī)電機傳動軸上加裝軸套型增量編碼器，將編碼器信號接入具有位置采集功能的模板（如西門子編碼器模塊FM350），同時，在硬件選型時根據(jù)模板的采樣頻率和電機轉(zhuǎn)速確定所選編碼器的每圈脈沖值。采集的位置信號經(jīng)過現(xiàn)場總線傳送到中央處理器中，和預(yù)設(shè)的目標(biāo)位置做比較，決定設(shè)備是否到位停止運行。在實際的硬件設(shè)計中，為了能及時響應(yīng)到位置信號，需把采集模板的實際輸出值串入控制電機正反轉(zhuǎn)回路?？紤]到常規(guī)定速控制設(shè)計中不具備調(diào)速功能，電機高速運動過程中收到停止信號后制動運行較長，影響設(shè)備控制精度，在應(yīng)用中要根據(jù)設(shè)備實際制動距離，在軟件調(diào)試中加入制動停止提前長度來修正設(shè)備停止響應(yīng)距離，從而提高設(shè)備實際到位精度，如圖2所示。

1.2 調(diào)速定位控制

調(diào)速定位控制——常規(guī)電機帶有編碼器，編碼器接入具有位置控制功能的高性能交流矢量變頻器，變頻器通過本身的內(nèi)置位置控制卡計算電機運行的實時位置和給定目標(biāo)位置的差值，通過PID調(diào)節(jié)輸出對應(yīng)的頻率和電壓控制電機運轉(zhuǎn)速度，中央處理器通過總線通訊方式比較變頻器傳回來的位置、狀態(tài)特性，并根據(jù)變頻器窗口到位值實現(xiàn)對所控設(shè)備的速度、位置精確控制，控制電路如圖3所示。

使用調(diào)速定位控制，降低了對機械設(shè)備的沖擊，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。因此，在國內(nèi)中、大型劇場中，該控制方式是控制吊桿、升降臺、車臺等機械設(shè)備的主流方案。

調(diào)速定位按控制電路功能一般可分為一對一控制和矩陣切換控制。對于前者，每個設(shè)備都是一個控制單元，控制電路結(jié)構(gòu)相對簡單，每個變頻器的總線狀態(tài)真實反應(yīng)設(shè)備實際情況。由于只考慮單獨控制回路，現(xiàn)場調(diào)試成本較小，出現(xiàn)故障排查相對容易，系統(tǒng)后期維護人工成本較小，但如果控制單元的任何器件發(fā)生故障，則直接影響調(diào)速設(shè)備運行，同時對于電器元件、變頻器的成本支出較高。對于后者，由于采用繼電器矩陣切換，控制回路采用冗余備份方式，每個調(diào)速設(shè)備在選定之前不對應(yīng)固定變頻器，如果某一個控制單元出現(xiàn)問題影響吊桿運行，通過切換矩陣的及時調(diào)整可以規(guī)避出現(xiàn)故障的控制單元，從而使設(shè)備更可靠地運行，提高了整個系統(tǒng)的風(fēng)險抵御能力。同時，采用切換方式，節(jié)省了變頻器數(shù)量，降低了電器成本支出。但這種控制方式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件互鎖要求較高，一旦出現(xiàn)故障，排查和維護較繁瑣。endprint

通常來說，臺上調(diào)速吊桿采用切換矩陣方式，臺下調(diào)速設(shè)備采用一對一控制方式。這主要是因為各種類型的吊桿大多功率在30 kW以內(nèi)，且功率較為相近，實際舞臺演藝中同時運動的最多吊桿數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總吊桿數(shù)，故采用切換方式。而臺下升降類設(shè)備在演出時載有大量演員，功率較大，通常達(dá)到60 kW以上，為了避免頻繁切換對用電回路的沖擊，并考慮到實際運行的安全性，故采取一對一方式。

2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建

舞臺機械控制系統(tǒng)從網(wǎng)路結(jié)構(gòu)上分為三個層級：管理級、控制級和現(xiàn)場級。

2.1 管理級設(shè)備

管理級設(shè)備包括控制臺和服務(wù)器。控制臺中主要設(shè)備包括工控機、觸摸屏和電源、操作按鍵及操縱桿，主要為監(jiān)控舞臺設(shè)備狀態(tài)、運行參數(shù)、報警信息，編場數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備起停，為操作人員提供友好的人機交互界面。服務(wù)器可記錄操作人員和設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，為演出設(shè)備歷史追溯提供不可替代的手段。

2.2 控制級設(shè)備

控制級設(shè)備主要包括可編程控制器的中央處理單元和各種適應(yīng)現(xiàn)場總線的通訊單元。作為整個舞臺機械控制系統(tǒng)的“大腦”，中央處理單元是系統(tǒng)核心，主要負(fù)責(zé)向上通過以太網(wǎng)傳遞現(xiàn)場的監(jiān)控信息（如升降臺、景桿等調(diào)速設(shè)備的位置、速度等實時參數(shù)，以及亂繩、電機過熱等安全信號），向下對現(xiàn)場級設(shè)備下達(dá)動作命令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備動作次序（如舞臺機械設(shè)備的定位控制和設(shè)備延時啟動等）。

2.3 現(xiàn)場級設(shè)備

現(xiàn)場級設(shè)備：主要包括符合現(xiàn)場總線協(xié)議的相關(guān)舞臺機械控制遠(yuǎn)程I/O站點、對應(yīng)的變頻器和電動機。現(xiàn)場級設(shè)備主要任務(wù)負(fù)責(zé)實現(xiàn)操作人員通過控制臺發(fā)送的具體的運動方案，同時采集必要的現(xiàn)場信息，傳遞給上層作為參考。圖4為采用標(biāo)準(zhǔn)三級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖。

2.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建中的關(guān)鍵問題

（1）控制系統(tǒng)的安全性設(shè)計要貫穿整個控制系統(tǒng)，包括核心控制器到單體設(shè)備的控制設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)采用開放的現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)用戶的實際需要，采用可靠的冗余技術(shù)，包括核心部件的冗余和網(wǎng)絡(luò)的冗余?？刂葡到y(tǒng)具有緊急停機系統(tǒng)，任意一個極限開關(guān)的動作會觸發(fā)本設(shè)備應(yīng)急線路，任意一個急停按鈕應(yīng)觸發(fā)控制系統(tǒng)的急停鏈路。同時，急停系統(tǒng)和中央處理器通過安全總線進行信息交換。所有具有提升性能的驅(qū)動都采用雙制動器，并且互相獨立控制，保證驅(qū)動能及時有效地停止工作。

（2）所有的舞臺機械系統(tǒng)主控制臺、移動控制臺，應(yīng)具備即插即用的特點。對于單一控制臺，用戶可根據(jù)實際情況方便地選擇切換到不同的操作方式（如手控、程控、更改參數(shù)）對設(shè)備進行操作；對于不同控制臺之間的切換操作，中央處理單元應(yīng)具備統(tǒng)一的授權(quán)管理，保證同一設(shè)備在任意時刻只接受來自單一控制臺的指令信息，防止設(shè)備由于接受不同控制臺指令信息而造成控制紊亂。

（3）保證關(guān)鍵信息響應(yīng)的實時性和同步性（如舞臺機械設(shè)備的啟動命令）。對于調(diào)速定位設(shè)備，國內(nèi)大多是通過每個變頻器的內(nèi)置位置控制卡控制設(shè)備，當(dāng)多個設(shè)備同時運動時，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t性造成設(shè)備啟動的不統(tǒng)一和設(shè)備運行中間過程中的實際位置偏差。在設(shè)計控制網(wǎng)絡(luò)時，對于關(guān)鍵信息的傳遞需采用等式同步機制和數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)。變頻器和PLC交換標(biāo)準(zhǔn)格式見圖5.

3 軟件設(shè)計要求

3.1 操作功能要求

操作功能要求：對于舞臺控制操作界面，應(yīng)設(shè)有手動選擇、運動參數(shù)設(shè)定、設(shè)備編組、場景運行、設(shè)備位置綁定、運動禁止、設(shè)備位置記錄等功能，根據(jù)實際用戶需求的不同，還應(yīng)提供系統(tǒng)管理、維護和根據(jù)演出過程需要而附帶的工程組態(tài)功能。同時，應(yīng)提供演出中間的各種應(yīng)急處理功能，如當(dāng)在演出場景中編組的運行設(shè)備，設(shè)備出現(xiàn)報警停止運行時應(yīng)具備手動快速介入，當(dāng)設(shè)備撞到物理極限位后，應(yīng)具備旁路控制使設(shè)備及時脫離危險位置。用戶一旦誤操作，不光有報警信息，同時提供相應(yīng)的保護，規(guī)避可能發(fā)生的設(shè)備誤動作引發(fā)的系統(tǒng)風(fēng)險。

3.2 設(shè)備互鎖要求

設(shè)備運行互鎖是舞臺設(shè)備安全可靠運行必不可少的保障，互鎖軟件設(shè)計必須實時跟蹤設(shè)備運行的數(shù)據(jù)?；ユi軟件應(yīng)采用順序控制程序，根據(jù)優(yōu)先級管理機制，按照預(yù)先規(guī)定好的優(yōu)先級動作順序，對控制過程各階段的設(shè)備互鎖順序進行自動判別和保護。每一個設(shè)備的運行條件都依存于其他相鄰設(shè)備的位置，當(dāng)檢測到條件滿足或不滿足時，及時發(fā)送給設(shè)備數(shù)據(jù)塊運行或受限指令，使設(shè)備安全可靠地運行。

3.3 分布式管理要求

通過現(xiàn)場總線技術(shù)，把分布在舞臺控制室的控制臺、上位機、臺上及臺下控制柜間的現(xiàn)場驅(qū)動單元、現(xiàn)場采集單元等方便、快捷地聯(lián)系起來。通過開放的現(xiàn)場總線控制通信網(wǎng)絡(luò)把物理分散的設(shè)備構(gòu)成為一個整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進而達(dá)到信息共享，從而實現(xiàn)同時在多臺控制終端上對舞臺設(shè)備的集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。

3.4 遠(yuǎn)程維護要求

控制系統(tǒng)工程師可通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程診斷和維護。操作系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，應(yīng)及時記錄在上位機歷史數(shù)據(jù)庫中，用戶通過Internet網(wǎng)以文本形式傳送到遠(yuǎn)程診斷實驗室，幫助用戶排除故障。通過專門遠(yuǎn)程診斷軟件，可實時跟蹤鏈接到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的舞臺機械設(shè)備運動情況，及時幫助用戶解決操作中出現(xiàn)的問題。

4 小結(jié)

在控制系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃中，要注重安全和效益并重的原則，適當(dāng)降低建設(shè)成本和后期維護成本，同時還要從長遠(yuǎn)著眼，技術(shù)方案要有一定的前瞻性，充分考慮將來整個系統(tǒng)的整體升級、擴容問題。隨著計算機和控制理論的不斷進步，舞臺控制技術(shù)逐漸趨于完善，帶有自診斷功能和微機通信接口的PLC元器件也越來越普及，價格也趨向便宜。在國內(nèi)以可編程控制器為核心的舞臺機械控制系統(tǒng)已經(jīng)形成了集網(wǎng)絡(luò)化、集散化、自動化、智能化為一體的先進的自動控制模式。

目前，廣義舞臺的概念已不再僅僅局限于正規(guī)劇場傳統(tǒng)品字型舞臺，隨著電視劇場、演播廳、體育場館等組合式舞臺，以及各種類型的動感、多維影院、VA多媒體互動系統(tǒng)、科技館等領(lǐng)域的異型舞臺的出現(xiàn)，舞臺機械控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計也應(yīng)隨著舞臺要求的變化不斷發(fā)展更新。

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作者簡介：

劉學(xué)信，山東藝術(shù)學(xué)院后勤管理處技術(shù)負(fù)責(zé)人、工程師，長期從事學(xué)院基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)備運營工作，在基建和機電設(shè)備運營管理方面有深入研究。endprint