舞臺機械技術與設備系列談（三）
——數據通信

侯鵬強，唐 偉，向 飛

(成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052)

早期的舞臺設備數量較少，動作相對比較簡單，單個設備或者有限的設備采用按鈕的方式也可完成機械動作。但隨著演出需求的變化，舞臺機械以單純按鈕的方式已經無法滿足節目需要呈現效果對設備的要求，在其控制系統中，采用數據通信進行設備間的互聯以及主控和分控之間的互聯，已經成為目前構建舞臺機械設備控制系統的基礎。因此，數據通信發揮著越來越重要的作用。

筆者基于舞臺機械應用中相關的數據通信基礎知識，闡明分層設計中的各種通信方式；并針對目前越來越多基于無線通信的應用進行解析，有助于行業人員設計出有既合理又實用的解決方案。

1 有線數據通信

1.1 概述

舞臺機械控制系統應用中，常采用分層設計，可分為操作層、管理層、執行層，圖1所示為一種比較典型且相對簡單的舞臺演出機械控制系統的配置圖。

操作層通常指各種類型的操作終端，如主控臺、移動臺、便攜式操作終端等。用戶可通過操作終端進行人機交互，如設置設備狀態和運行參數、讀取設備狀態等。

圖1 舞臺機械控制系統典型系統框圖

管理層主要是指主控單元，用于協調多個操作終端和執行層，一方面接收來自操作層的指令，并通過數據總線將解析后的命令發送給執行層的驅動單元；同時，實時接收來自執行層反饋的設備狀態信息，如位置、速度、載荷、外部開關等信息，并反饋到操作層，使操作員方便掌握底層設備的狀態。

執行層主要是由一個個驅動單元構成，接收管理層的控制命令，轉換成對應的運動指令，驅動變頻器進而驅動電機運行。

就通信而言，涉及操作層和管理層之間的通信，以及管理層和執行層之間的通信。為了方便描述，文中將操作層和管理層之間的通信稱為操作層通信，管理層和執行層之間的通信稱為驅動層通信，圖1中標注綠色的ethernet總線為操作層通信，標注紫色的profibus-dp為驅動層通信。

1.2 操作層通信

操作層通信主要用于操作終端和主控單元之間的數據通信，若系統中含有服務器，則表示操作終端和服務器以及服務器和主控單元的通信。目前采用的通信基本是基于以太網，但采用的通信協議各不一樣，常見的有自定義以太網通信協議；還有基于實時的以太網通信協議，如ProfiNet、Modbus TCP、ethernet/IP，此類協議通常也是基于工業以太網通信協議。

1.2.1 自定義以太網通信協議

自定義以太網通信協議的應用比較自由靈活，可采用TCP協議，也可基于UDP協議，通過上層封裝數據包，建立心跳機制，針對過程數據和配置數據制訂對應的通信協議。過程數據一般指設備運行中的數據，如運行設備當前的位置、速度、載荷、電流、IO等信息，可將該類信息實時上傳給操作人員進行顯示。當然該類協議還可以有更多靈活的組合配置方式。

配置數據一般不需要進行實時傳輸，但需要確保數據傳輸的可靠性和執行結果的準確反饋。比如設置某個設備的配置參數，設置cue運行的數據等，只需要保證傳輸的準確性即可，并不需要實時進行數據的重復傳輸。

1.2.2 工業以太網通信協議

基于工業以太網的通信協議，一般管理層主要配置的是PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），比如西門子S7-400或者西門子S7-1500系列PLC。此類通信方式多采用OPC（OLE for Process Control，過程控制的OLE）的方式。

1.2.3 兩種通信協議的應用

自定義以太網通信協議和工業以太網通信協議并無實質上的優劣之分。

采用自定義以太網通信，可靠性需要由協議制定者進行保證，一般由有建構系統架構能力的人員制定，需要在后期進行項目驗證，但該種方式相對靈活，可根據設備數量多少進行通信協議數據量的擴充，針對過程數據和配置數據進行更為有效的管理。

采用工業以太網通信，多數依靠編程方式進行數據交互，較為死板。采用OPC的通信方式對于過程數據的處理比較簡單，但是對于配置數據的傳遞并不友好。比如某種應用中所配置的設備數量多，有上百個，但是同時運行的設備數量比較少，只有十幾個，這也是多數舞臺固定劇場的實際應用情況，采用OPC的方式將所有設備的狀態數據以周期通信的方式傳遞給控制層，由于設備數量較多，通信數據量較大，需要將設備通信周期拉長，造成設備通信延遲。如采用自定義以太網通信，則容易進行快慢過程數據的區分，對于運行設備數據快速上傳，未運行設備的數據相對慢速上傳，使得人機交互效果更為友好，容易做到無延遲，實時性更好。

1.3 驅動層通信

驅動層通信在PLC系統架構中，一般作為PLC和變頻器之間的通信；在軸控方案中，一般作為主控單元和軸控之間的通信，也稱為現場級總線。該類總線大體可分為兩種類型，一種類型以profibus-dp、can總線為代表，該類總線出現時間較早，速度相對較低，本文中以低速工業總線作為該類總線的統稱；另一種類型以工業實時以太網為主，以ProfiNet、Modbus TCP、Powerlink、ethercat總線為代表，速度較高，文中以高速工業總線作為該類總線的統稱。

1.3.1 低速工業總線

使用該類總線的設備往往只包含一個通信口，該類總線通信速率相對較低，通信速率高的一般也就十幾兆。圖2所示為典型的低速工業總線的連接線路圖，每個設備配置一個總線接頭，每個總線接頭分為in和out兩組接線端，通過connect接頭和變頻器直接連接，在總線接頭內部這兩組基本上是互通的，或者短接了一個終端電阻。通過總線的連接方式可知，每個設備都是直接掛接在總線上的，每個設備的通信端口從物理上直連到整個總線網絡上。該種連接方式，網絡中任意一臺設備與總線的連接與否都與其他設備和總線的連接狀態無關。

1.3.2 高速工業總線

使用高速工業總線的設備往往只包含2個通信口，很容易通過2個通信口構成菊花鏈連接方式，如圖3所示，總線速度也要快的多，速率基本都在100M以上。此類總線構成方式靈活多樣，可以構成星型網絡、菊花鏈網絡、其他組合網絡。

1.3.3 兩類型總線優缺點分析

圖2 低速工業總線的典型連接方式

圖3 高速工業總線的典型連接方式

兩種類型的總線各具優缺點，如表1所示，不過目前還在快速發展，在舞臺機械的應用中推薦使用高速工業總線。

2 無線數據通信

目前，在一些舞臺機械設備的設計過程中，無法用有線連接的方式進行供電或者通信。這種情況下一般都需要對供電和信號進行特殊處理，供電需要用滑觸線或者蓄電池的方式；通信則采用無線網絡或者滑觸線的方式。此類設備常見于無線車臺、軌道小車特別是異形軌道小車、隨設備移動的旋轉臺等。

目前，在設計和實施過程中，常見的無線產品有兩個種類：一種是通過漏波電纜鋪設的方式，沿運動物體行走的路線鋪設；一種是和商業用途接近的采用各種外置定向全向天線的方式。

對于無線的使用，以及無線和有線連接，實踐中常會遇到以下誤區。

（1）有線連接不一定安全

一般情況下，采用固定的有線連接方式，相對來說可靠性要高很多，但是具體到實際應用中，還需要判斷內部通信方式及軟件的設計方案。假設一個使用場景，控制臺通過網線連接主控單元，操作人員通過控臺操作設備運行，此時網絡發生異常，控臺和主控單元網絡連接失效，設備并不一定會自動停止，還要看系統架構人員和編程人員對此類問題的解決方式，如果沒有設計主控單元針對網絡進行實時檢測或者做心跳協議處理，就會出現上述所說的設備在斷網時不自動停機的情況，造成失控。此種情況下，有線連接也并不可靠。

表1 兩種總線的優缺點

（2）無線連接也可以很安全

無線連接的情況下，主要是考慮其他同頻段無線的干擾以及無線系統架構設計問題；同時，軟件設計的完善性至關重要。對于無線連接應用的安全，首先，盡量保障無線信號的質量；其次，保障無線信號被干擾的情況下設備不至于失控。兩個條件的實現既要靠硬件系統的架構，又要靠軟件的設計，缺一不可。

（3）燈光系統的無線控制方式并不能簡單地遷移到舞臺機械的無線控制

燈光系統無線控制方式和舞臺機械無線控制方式的應用難度差異較大。這與設備控制方式的不同有較大的關系。在燈光系統的實際應用中，一般采用的是DMX的通信協議，并且在實時控制中，幾乎都是單向控制，即燈控臺通過廣播發送燈光控制命令，不需要回傳信號給燈控臺。在舞臺機械設備的使用過程中，由于多數都存在安全風險，操作人員需要通過控臺實時了解設備的實際運行情況，包括位置、電流、載荷、安全開關等信息，并做出判斷實施對應的操作，這就需要系統中具備可靠的雙向無線通信功能，使終端設備實時發送設備的各種狀態信息到主控臺。這種使用功能的差異會造成無線系統難度的倍增，燈光通信方式由于主要使用場景是單向的，可以將基站的發射功率做大，保證每個終端能收到信號即可；而舞臺機械設備的無線通信是雙向的，就必須保證基站和AP的通信狀況良好，以及AP到基站的通信可靠，不是簡單的單個天線功率增加就能實現的。

無線數據通信在舞臺機械應用中越來越普及，如在張藝謀導演的《歸來三峽》實景演出項目（見圖4）中，使用了64臺小車參與演出，小車的控制采用無線通信方式，在一年多演出過程中，未發生因無線通信系統故障造成的系統故障和安全風險。

圖4 《歸來三峽》

3 結語

舞臺機械應用中的數據通信，使用方式多種多樣，要根據實際的情況來決定采用哪種數據交互方式。對于有線數據通信的使用，特別是操作層和驅動層總線的選型，均涉及到系統架構層面的設計，以及設備數量多少、設備造價成本的高低等，對于設備數量少的設備，采用相對速度低的總線也未嘗不可。對于無線數據通信的使用，現在也越來越多地被采用，需要做好天線的布置以及通信協議的指定。