舞臺機械控制系統(tǒng)功能及性能分析

徐世章　趙麗珍　宋瀛海　鄭勁松

摘 要：我國從上個世紀八十年代開始出現(xiàn)了以手動為主的舞臺機械，并且隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的舞臺設(shè)計迎來了全新的發(fā)展春天，而舞臺機械也逐漸朝著電子化的方向發(fā)展，將我國同西方先進國家之間的距離進一步縮短。本文將舞臺機械控制系統(tǒng)作為研究對象，通過從簡單論述舞臺機械控制系統(tǒng)的基本功能以及軟件核心功能作為出發(fā)點，以網(wǎng)絡(luò)性能和系統(tǒng)響應(yīng)時間的角度，著重圍繞舞臺機械控制系統(tǒng)的性能進行簡要分析研究。

關(guān)鍵詞：舞臺;機械控制系統(tǒng)

引言

舞臺機械在歐洲已有上百年的發(fā)展歷史，在亞洲雖然起步較晚，但發(fā)展比較迅速。在20世紀80年代以前，我國舞臺機械大部分都是手動或局部電動控制的臺上設(shè)備，臺下設(shè)備只有少數(shù)劇場試驗性地使用，控制系統(tǒng)非常簡單。1984年，中國劇院為配合大型音樂舞蹈史詩《中國革命之歌》的演出，設(shè)置了臺上、臺下全套舞臺機械設(shè)備，并采用液壓和數(shù)控技術(shù)，開創(chuàng)了我國大型舞臺機械應(yīng)用的先例。在其后的十幾年中，我國舞臺機械及控制系統(tǒng)一直徘徊在較低的水平，沒有大的突破。20世紀末，上海大劇院的建成和國家大劇院的正式啟動，帶動我國大、中型舞臺的新建和改造工程進入一個高潮階段，使我國大型舞臺機械有了跨越式的發(fā)展，其控制水平也有了很大的提高，并建立了我國自己的控制模式。今天，我國大型舞臺機械控制系統(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控制模式。

一、舞臺機械控制系統(tǒng)的功能

規(guī)范的劇場品字型舞臺機械設(shè)備通常可以分成臺上與臺下這兩個部分，臺上設(shè)備由卷揚類作為核心，基礎(chǔ)配備有防火幕和假臺口以及大幕和二道幕等多種設(shè)備，部分還會配置反聲罩。臺下設(shè)備由升降和推拉以及旋轉(zhuǎn)當作核心，基礎(chǔ)配備包含主升降臺和左右車胎以及后車轉(zhuǎn)臺等多項補償臺設(shè)施。舞臺機械傳動模式通常是機械與流體傳動這兩種類型。軟件核心功能。舞臺機械控制系統(tǒng)通常鳳城PLC和上位機軟件功這兩種，PLC軟件核心功能，權(quán)限掌控，設(shè)置數(shù)據(jù)，設(shè)施互相鎖定，誤差檢查組，設(shè)備禁止使用和你旁路以及選擇。變頻器情況顯示和恢復(fù)位置警報，程序控制一和程序控制二。場景運轉(zhuǎn)介入，顯示故障情況，上位機核心功能，設(shè)置設(shè)備名字，場景數(shù)據(jù)設(shè)置和編場，設(shè)施信息顯示，日記記載，劇目計算時間，打印系統(tǒng)數(shù)據(jù)，主機信息展示，劇目下載。行程開關(guān)，行程開關(guān)有行程終止、中間定位、減速開關(guān)，可使用專用限位開關(guān)箱（如主令開關(guān)盒）或直碰式機械開關(guān)或接近開關(guān)。各類舞臺機械設(shè)備應(yīng)設(shè)置行程終止開關(guān);而中間定位、減速開關(guān)依據(jù)實際情況設(shè)置，也可以從位置傳感器內(nèi)取信號。

二、多設(shè)備控制精度計算

在實際的工程實踐中將設(shè)備運行同步方式分為綁定同步運行和變頻器同步運行。綁定同步運行：舞臺機械在使用中經(jīng)常出現(xiàn)要求兩個或多個單體設(shè)備同步運行來執(zhí)行演出任務(wù)的情況，設(shè)備同步由PLC完成。如幾個吊點共同吊掛一個燈桿，以及北京奧運會開閉幕式中吊索電機控制等示例。要求綁定的設(shè)備同時啟動、同速度運行相同的距離，不允許設(shè)備間產(chǎn)生較大的偏差。變頻器同步運行：電機間有剛性連接，同步要求精度高。采用主從同步方式，由變頻器完成同步。主要用于多臺固定的設(shè)備，在運行過程中，始終保持同步運行。比如劇場的車臺接力驅(qū)動，雙電機驅(qū)動的升降臺、后車轉(zhuǎn)臺等。綁定同步運行這種綁定要求有較大的隨意性，同步的設(shè)備包括同類或不同類設(shè)備，設(shè)備速度及功率可能差別很大，同步位置要求可能相同或保持固定偏差，同步設(shè)定要求靈活，可以按要求設(shè)置同步組合，也可以解除同步狀態(tài)，恢復(fù)單體運行。

三、舞臺機械控制系統(tǒng)的性能

系統(tǒng)響應(yīng)時間從控制臺發(fā)出命令到設(shè)備啟動運行需要經(jīng)歷的時間就是舞臺機械控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，基于PLC的舞臺控制系統(tǒng)主要使用循環(huán)掃描的方式，因此系統(tǒng)的響應(yīng)時間應(yīng)當是主循環(huán)時間，即TMax=TOB+TTMC+TBP其中系統(tǒng)設(shè)備最大響應(yīng)時間用TMax表示，基于PLC舞臺控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間用TOB表示，系統(tǒng)傳輸所有設(shè)備可控響應(yīng)時間用TTMC表示，包括制動反應(yīng)時間在內(nèi)的變頻器響應(yīng)時間則用TBP表示。因此我們可以得知，當系統(tǒng)傳輸所有設(shè)備的相應(yīng)時間，在從站數(shù)為39且傳輸速率為6Mbps之下，最大響應(yīng)時間應(yīng)為8ms。而在正常情況下，基于PLC舞臺控制系統(tǒng)掃描循環(huán)的時間為5到15ms，而變頻器的響應(yīng)時間一般在500到1000ms之間，因此系統(tǒng)設(shè)備的最大響應(yīng)時間將不會超過1.5s。

四、我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成模式

現(xiàn)代舞臺機械控制系統(tǒng)是運動控制系統(tǒng)在舞臺機械控制中應(yīng)用的一個分支，其核心是解決機械（如升降臺、升降樂池、車臺、轉(zhuǎn)臺和各種吊桿等設(shè)備）位移運動速度、加速度、轉(zhuǎn)矩與位置的控制。運動控制以自動控制理論為基礎(chǔ)，以電機為控制對象，以控制為核心，以電力電子及功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，組成高精度的電氣傳動系統(tǒng)。當前，舞臺機械的運動控制系統(tǒng)基本由控制器、變頻器、電機三大部分組成，由變頻器解決運動控制系統(tǒng)中的速度、加速度和轉(zhuǎn)矩控制。我國典型的舞臺機械控制系統(tǒng)以雙冗余PLC作為核心，通過高速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（雙網(wǎng)）與控制臺上位機聯(lián)接，上位機采用雙冗余的工控機;通過高速現(xiàn)場總線（光纖環(huán)網(wǎng)）與下位機聯(lián)接，下位機采用PLC遠程終端及矢量變頻器作為從站，直接控制和驅(qū)動舞臺機械設(shè)備的運行。我國舞臺機械運動控制系統(tǒng)發(fā)展起步較晚，真正意義上的舞臺機械運動控制系統(tǒng)是在20世紀90年代末到21世紀初建立的。而在此期間，國內(nèi)外自動化控制領(lǐng)域發(fā)展迅速，控制方式有了很大的變革，其技術(shù)進步極大地推動了舞臺機械控制技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。其中，最具代表性的是在運動控制系統(tǒng)迅速崛起的PLC和多功能矢量控制器。

結(jié)束語

總而言之，本文通過簡要分析研究舞臺機械控制系統(tǒng)的功能以及性能，了解到廣義的舞臺已經(jīng)不再拘泥于傳統(tǒng)的正規(guī)劇場中的品字形舞臺，包括電視劇場、體育場館以及科技館等在內(nèi)的眾多異性舞臺的相繼出現(xiàn)，也使得我國舞臺機械控制系統(tǒng)的應(yīng)用正在朝著多元化的方向發(fā)展。基于PLC開發(fā)下的舞臺控制系統(tǒng)擁有強大的優(yōu)勢與性能，能夠有效提升產(chǎn)品的檔次，進而推動我國舞臺控制系統(tǒng)朝著自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向?qū)崿F(xiàn)長久穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

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