國內(nèi)常規(guī)劇場舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)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(jī)械控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了軟、硬件設(shè)計(jì)解決方案。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)從控制系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì)組成、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建和軟件功能要求三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

【關(guān)鍵詞】 PLC；舞臺機(jī)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(jī)械是現(xiàn)代化劇場不可缺少的核心設(shè)備，通過舞臺機(jī)械設(shè)備不斷升降、平移、開合運(yùn)動(dòng)，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(jī)械設(shè)備一般可分為臺上和臺下兩個(gè)部分，臺上以卷揚(yáng)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(diǎn)吊機(jī)、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(bǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在舞臺機(jī)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(jì)采用功能完備的人機(jī)友好界面和安全互鎖保護(hù)。整個(gè)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(jìn)行廣泛組合，為舞臺機(jī)械運(yùn)行提供實(shí)時(shí)、安全可靠的運(yùn)行保證。同時(shí)，由于采用計(jì)算機(jī)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(qiáng)、故障排除快速、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

1 設(shè)備電器設(shè)計(jì)組成

舞臺設(shè)備電器控制回路一般由各種安全保護(hù)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(dòng)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(jī)、伺服電機(jī)）組成，并通過以上電器環(huán)節(jié)的共同作用控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)。

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(hù)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(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，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(shí)間要求不高的舞臺設(shè)備硬件設(shè)計(jì)上，如圖1所示。

對于在運(yùn)動(dòng)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(jì)經(jīng)濟(jì)、硬件便捷的角度，通常在常規(guī)電機(jī)傳動(dòng)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(shí)，在硬件選型時(shí)根據(jù)模板的采樣頻率和電機(jī)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(yùn)行。在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，為了能及時(shí)響應(yīng)到位置信號，需把采集模板的實(shí)際輸出值串入控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)回路。考慮到常規(guī)定速控制設(shè)計(jì)中不具備調(diào)速功能，電機(jī)高速運(yùn)動(dòng)過程中收到停止信號后制動(dòng)運(yùn)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(shí)際制動(dòng)距離，在軟件調(diào)試中加入制動(dòng)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(shí)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(jī)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(jì)算電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(jī)運(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)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(gè)設(shè)備都是一個(gè)控制單元，控制電路結(jié)構(gòu)相對簡單，每個(gè)變頻器的總線狀態(tài)真實(shí)反應(yīng)設(shè)備實(shí)際情況。由于只考慮單獨(dú)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(hù)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(yùn)行，同時(shí)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(gè)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(gè)控制單元出現(xiàn)問題影響吊桿運(yùn)行，通過切換矩陣的及時(shí)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(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。同時(shí)，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(hù)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?yàn)楦鞣N類型的吊桿大多功率在30 kW以內(nèi)，且功率較為相近，實(shí)際舞臺演藝中同時(shí)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)際運(yùn)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(jī)械控制系統(tǒng)從網(wǎng)路結(jié)構(gòu)上分為三個(gè)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(jī)、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(yùn)行參數(shù)、報(bào)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(jī)交互界面。服務(wù)器可記錄操作人員和設(shè)備的實(shí)時(shí)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(gè)舞臺機(jī)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(shí)時(shí)參數(shù)，以及亂繩、電機(jī)過熱等安全信號），向下對現(xiàn)場級設(shè)備下達(dá)動(dòng)作命令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備動(dòng)作次序（如舞臺機(jī)械設(shè)備的定位控制和設(shè)備延時(shí)啟動(dòng)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(jī)械控制遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)、對應(yīng)的變頻器和電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)場級設(shè)備主要任務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)操作人員通過控制臺發(fā)送的具體的運(yùn)動(dòng)方案，同時(shí)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(jì)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(jì)要貫穿整個(gè)控制系統(tǒng)，包括核心控制器到單體設(shè)備的控制設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)應(yīng)采用開放的現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)用戶的實(shí)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。控制系統(tǒng)具有緊急停機(jī)系統(tǒng)，任意一個(gè)極限開關(guān)的動(dòng)作會觸發(fā)本設(shè)備應(yīng)急線路，任意一個(gè)急停按鈕應(yīng)觸發(fā)控制系統(tǒng)的急停鏈路。同時(shí)，急停系統(tǒng)和中央處理器通過安全總線進(jìn)行信息交換。所有具有提升性能的驅(qū)動(dòng)都采用雙制動(dòng)器，并且互相獨(dú)立控制，保證驅(qū)動(dòng)能及時(shí)有效地停止工作。

（2）所有的舞臺機(jī)械系統(tǒng)主控制臺、移動(dòng)控制臺，應(yīng)具備即插即用的特點(diǎn)。對于單一控制臺，用戶可根據(jù)實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)時(shí)性和同步性（如舞臺機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)命令）。對于調(diào)速定位設(shè)備，國內(nèi)大多是通過每個(gè)變頻器的內(nèi)置位置控制卡控制設(shè)備，當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t性造成設(shè)備啟動(dòng)的不統(tǒng)一和設(shè)備運(yùn)行中間過程中的實(shí)際位置偏差。在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對于關(guān)鍵信息的傳遞需采用等式同步機(jī)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(jì)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(dòng)選擇、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定、設(shè)備編組、場景運(yùn)行、設(shè)備位置綁定、運(yùn)動(dòng)禁止、設(shè)備位置記錄等功能，根據(jù)實(shí)際用戶需求的不同，還應(yīng)提供系統(tǒng)管理、維護(hù)和根據(jù)演出過程需要而附帶的工程組態(tài)功能。同時(shí)，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(yùn)行設(shè)備，設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警停止運(yùn)行時(shí)應(yīng)具備手動(dòng)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(shí)脫離危險(xiǎn)位置。用戶一旦誤操作，不光有報(bào)警信息，同時(shí)提供相應(yīng)的保護(hù)，規(guī)避可能發(fā)生的設(shè)備誤動(dòng)作引發(fā)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 設(shè)備互鎖要求

設(shè)備運(yùn)行互鎖是舞臺設(shè)備安全可靠運(yùn)行必不可少的保障，互鎖軟件設(shè)計(jì)必須實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)。互鎖軟件應(yīng)采用順序控制程序，根據(jù)優(yōu)先級管理機(jī)制，按照預(yù)先規(guī)定好的優(yōu)先級動(dòng)作順序，對控制過程各階段的設(shè)備互鎖順序進(jìn)行自動(dòng)判別和保護(hù)。每一個(gè)設(shè)備的運(yùn)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(shí)，及時(shí)發(fā)送給設(shè)備數(shù)據(jù)塊運(yùn)行或受限指令，使設(shè)備安全可靠地運(yùn)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(jī)、臺上及臺下控制柜間的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)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(gè)整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進(jìn)而達(dá)到信息共享，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)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(hù)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(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。操作系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，應(yīng)及時(shí)記錄在上位機(jī)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(shí)驗(yàn)室，幫助用戶排除故障。通過專門遠(yuǎn)程診斷軟件，可實(shí)時(shí)跟蹤鏈接到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的舞臺機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況，及時(shí)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(hù)成本，同時(shí)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(gè)系統(tǒng)的整體升級、擴(kuò)容問題。隨著計(jì)算機(jī)和控制理論的不斷進(jìn)步，舞臺控制技術(shù)逐漸趨于完善，帶有自診斷功能和微機(jī)通信接口的PLC元器件也越來越普及，價(jià)格也趨向便宜。在國內(nèi)以可編程控制器為核心的舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)已經(jīng)形成了集網(wǎng)絡(luò)化、集散化、自動(dòng)化、智能化為一體的先進(jìn)的自動(dòng)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(dòng)感、多維影院、VA多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、科技館等領(lǐng)域的異型舞臺的出現(xiàn)，舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)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(yùn)營工作，在基建和機(jī)電設(shè)備運(yùn)營管理方面有深入研究。endprint