舞臺機械技術(shù)與設(shè)備系列談（四）
——軸控制器

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)

舞臺機械領(lǐng)域應(yīng)用的軸控制器主要是針對舞臺機械類設(shè)備專門研制的，側(cè)重于舞臺演出的運動控制器。目前，演藝行業(yè)用的機械控制系統(tǒng)主要有兩種：軸控制器和PLC（Programmable Logic Controller，可編程序控制器）。采用PLC控制的系統(tǒng)，一般采用主流自動化廠家研發(fā)的中大型PLC控制系統(tǒng)，如西門子、施耐德、AB、貝加萊等，基于PLC的方案多采用CPU作為主控加擴展模塊的方式來完成，一個系統(tǒng)中通常只采用1～2個主站來作為主控。采用軸控制器的系統(tǒng)，軸控制器主要來自于瓦格納、BBH、SBS等一些專業(yè)舞臺設(shè)備公司，一個軸控制器通常只控制1～4個設(shè)備，一個完整的系統(tǒng)中有幾十上百個軸控制器，并通過高速總線進行互聯(lián)。兩種控制系統(tǒng)最大的區(qū)別主要體現(xiàn)在系統(tǒng)架構(gòu)方面，軸控制器一般采用分散控制的方式，而PLC則主要通過集中控制。因系統(tǒng)架構(gòu)的差別，會帶來可維護性、易用性、精度、安全等方面的很大不同。

針對國內(nèi)演藝市場需求及舞臺機械控制方面的特點，筆者所在技術(shù)團隊研發(fā)了舞臺機械類的軸控制器，如圖1所示，下面解析其軟硬件的設(shè)計，分析比較軸控制器和PLC控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的差異。

1 軸控制器的設(shè)計

1.1 軸控制器的基本功能

軸控制器作為舞臺機械設(shè)備專用運動控制器，需具備如下基本功能。

（1）驅(qū)動器控制：舞臺演出中越來越多的設(shè)備采用調(diào)速控制，由于設(shè)備功率偏大，常采用變頻器進行驅(qū)動，軸控制器則需要和變頻器實施良好的數(shù)據(jù)交互，最終完成設(shè)備的控制。

（2）外部快速通信：采用軸控的方式一般是以主控（或服務(wù)器）+軸控的方式搭建系統(tǒng)，為了與主控一層進行數(shù)據(jù)交互，并且能實現(xiàn)基于編組安全一類的快速故障響應(yīng)，就需要軸控制器具備高速外部通信能力。

圖1 用于舞臺機械類的軸控制器

（3）安全防控機制：區(qū)別于其他的運動控制器，舞臺演出幾乎所有的表演形式都存在人和設(shè)備的協(xié)作，保障人身安全就是最基本的要求。軸控制器設(shè)計過程中，需要按照高標(biāo)準(zhǔn)的要求來進行設(shè)計，比如依照IEC61508一類的安全標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、驗證、確認(rèn)。

1.2 硬件設(shè)計

軸控制器的硬件設(shè)計也存在共性，如安全輸入點、安全輸出點配置、通信接口設(shè)置、變頻器交互接口、本地配置接口等。如圖2所示為軸控制器系統(tǒng)設(shè)計框圖，具有如下技術(shù)特點。

（1）主控制器采用雙MCU（微控制單元）架構(gòu)，對安全相關(guān)信號進行輸入輸出表決，有效降低安全失效風(fēng)險。雙MCU進行數(shù)據(jù)的實時交換和比較分析，對于安全輸入類信號共同采集和診斷，對于安全輸出類信號采用共同表決的方式。

（2）控制器提供失效安全數(shù)字量輸入（FSDI），接入信號如超程信號、松繩信號、亂繩信號、防剪切信號、急停等；并配置常規(guī)輸入接口，接收來自抱閘的反饋信號、變頻器狀態(tài)信號、主接觸器狀態(tài)等反饋信號，所有點位都可以靈活配置。

（3）電機制動為雙冗余控制，每個MCU控制一個安全失效繼電器輸出回路，釋放時，制動器將制動。繼電器采用安全繼電器輸出，即強制導(dǎo)向型繼電器，防止觸點粘連導(dǎo)致控制失效。同時，每路都提供制動器有效性信號反饋檢查，接入失效安全數(shù)字量輸入通道。

（4）位置信號通過雙編碼器輸入，支持2路增量式編碼器+1路絕對值編碼器，分別送入MCU1和MCU2進行表決。同時每個信號通道以及電源都有監(jiān)控電路反饋狀態(tài)。

（5）變頻器通過模擬量給定控制變頻器轉(zhuǎn)速，并通過模擬量反饋來監(jiān)控變頻器執(zhí)行情況。其中，模擬量信號輸出也帶有輸出診斷功能。同時配置變頻器通信接口，方便采集變頻器的數(shù)字量信號狀態(tài)，比如轉(zhuǎn)矩、速度、I/O點等信息。

（6）系統(tǒng)配置看門狗電路。

（7）系統(tǒng)配置獨立的電源模塊，降低共因失效風(fēng)險。

（8）控制器提供本地顯示面板。

圖2 軸控制器硬件設(shè)計框圖

1.3 軟件設(shè)計

為了滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，在軟件設(shè)計中需要滿足如下軟件安全要求規(guī)范：

（1）針對軟件設(shè)計進行概述，明確軟件的安全要求；

（2）描述軟件功能和架構(gòu)，比如針對啟動和重啟的邏輯、電壓監(jiān)視、編碼器采集和診斷等；

（3）通過狀態(tài)圖描述系統(tǒng)功能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程；

（4）設(shè)備自診斷，比如針對RAM和ROM的讀寫測試，CRC校驗、電壓測試、雙通道交叉檢測、輸入輸出脈沖監(jiān)視等。

對于舞臺軸控制器而言，有些安全功能的實現(xiàn)必須依賴于軟件的實現(xiàn)，而無法通過外部硬件電路的搭建來實現(xiàn)，比如編組同步安全功能；還有一些驅(qū)動類安全功能也不容易通過簡單的硬件電路搭建來實現(xiàn)，比如運動軌跡監(jiān)測、速度監(jiān)測等，都需要進行安全回路的設(shè)計并配合軟件來完成。該類安全功能用PLC也是不容易實現(xiàn)的，但又是舞臺機械設(shè)備安全運行必備的。

以編組安全為例說明軟件設(shè)計方式。編組安全的常用方式是幾個設(shè)備同時驅(qū)動一個物體，一個設(shè)備發(fā)生故障要求組內(nèi)其他設(shè)備進入快速停機模式。軟件實現(xiàn)過程如下：主控或者服務(wù)器下發(fā)單個設(shè)備的運行指令，設(shè)備生成對應(yīng)的運動軌跡，在收到運行命令的情況下啟動設(shè)備運行，假如設(shè)備發(fā)生任何故障，比如變頻器故障、超載、松繩、亂繩、運行安全限位觸發(fā)等情況造成意外停機，軸控制器通過高速總線發(fā)送設(shè)備異常停機標(biāo)志到主控，主控判定故障并快速發(fā)送命令給其他編組內(nèi)設(shè)備使其快速停機。該種過程需要軟硬件進行配合，一般為了使系統(tǒng)具備快速響應(yīng)能力，需要配置對外與主控的高速總線通信，比如實時以太網(wǎng)總線，使系統(tǒng)輪詢上百個軸控制器的時間在幾毫秒內(nèi)完成。

對于此類安全功能，都可以納入到軟件設(shè)計中，并對該類功能進行詳細(xì)的黑盒測試和白盒測試，并通過第三方檢測機構(gòu)的認(rèn)證。而采用PLC方式則一般通過編程人員進行編寫，認(rèn)證過程更為繁瑣且項目一致性較差。

2 應(yīng)用中軸控制器與PLC的異同

PLC和軸控制器均可作為舞臺機械控制系統(tǒng)的核心，因此，需要明確實際應(yīng)用中軸控制器和PLC的異同，以及容易混淆的方面。

2.1 穩(wěn)定性和可維護性

軸控制器技術(shù)迭代性強，維護相對簡單，又因其功能及研制的特點一般由某個廠家進行長期維護。對于舞臺機械系統(tǒng)而言，究其根本還是有效控制電機的正反轉(zhuǎn)、按照多快的速度、在指定時間所到達的位置、設(shè)備安全開關(guān)的處理，基本上是一系列通用的流程?；谙嗨菩院涂芍貜?fù)性較高，可集成為多個外部輸入和輸出的控制器來進行控制，可以根據(jù)需求不斷迭代軸控制器的功能，進行軟件升級和硬件升級，將單個設(shè)備或者幾個設(shè)備的控制做到極致，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更有保證。

采用PLC的控制系統(tǒng)，雖然可以進行一定程度的代碼重用，但每個項目調(diào)試的最終效果與調(diào)試人員的技術(shù)水平有關(guān)，代碼的穩(wěn)定性相比軸控制器有所不如。因此，給用戶帶來的感覺就是，基于PLC的控制系統(tǒng)的舞臺機械系統(tǒng)經(jīng)常需要不斷地完善一些功能，進而會帶來一定的風(fēng)險。

由于軸控制器模塊化程度更好，對于系統(tǒng)的維護也更簡單一些，某個模塊損壞一般只需要更換對應(yīng)的模塊即可，非專業(yè)人員也能進行替換操作。對于PLC控制系統(tǒng)，某個模塊的損壞通常需要專業(yè)人員進行診斷，先定位模塊故障點，再進行對應(yīng)更換，對于人員技術(shù)水平要求較高。

2.2 安全性

目前的舞臺機械系統(tǒng)，均會涉及到安全方面的設(shè)計，越來越多的安全事故讓人不得不更加重視安全。相比于PLC控制系統(tǒng)，軸控制器更容易做到安全。安全主要體現(xiàn)在一些安全的設(shè)計思路上，比如一個舞臺提升設(shè)備，有很多輸入要求保障安全，有很多輸出要求穩(wěn)定輸出，軸控制器能在設(shè)計之初就考慮這些內(nèi)容，比如采用雙CPU甚至3CPU的冗余仲裁機制來保障處理器的可靠運行，用輸入回路多路采樣機制實現(xiàn)輸入的安全，用多路輸出耦合加對輸出結(jié)果進行采樣反饋的機制從硬件原理上滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

對于PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)然也可以采用一些安全機制，但不同于軸控制器的板級集成，PLC需要配合多個安全輸入和安全輸出模塊，并對安全輸入和輸出進行特殊編程來完成安全功能，實現(xiàn)較為復(fù)雜，甚至有些PLC控制系統(tǒng)的安全功能和主邏輯功能采用分離的方式，只能作為一種安全的補充，其設(shè)備安全功能的實現(xiàn)難度較高。

對于舞臺機械控制系統(tǒng)而言，采用安全型PLC實現(xiàn)的安全功能和采用軸控制器實現(xiàn)的安全功能會有區(qū)別，舞臺機械常見的與位置信息相關(guān)的安全功能，比如位置偏差、編組安全等，采用安全PLC搭建的方式都不容易滿足，必須在變頻器側(cè)設(shè)計對應(yīng)的安全功能，使用不靈活且功能受限。

2.3 定位精度和同步精度

（1）單軸定位精度

從單個設(shè)備定位精度而言，差異不大，兩種系統(tǒng)都能達到毫米級的定位精度。舞臺機械要求的定位精度也都在毫米級，優(yōu)劣不明顯。但對于軸控制器而言，可以將設(shè)備的運行軌跡做得更多樣化一些，比如，加減速度的不同設(shè)定、運行加減速過程中斜坡的角度、加速類型是普通的梯形加減速還是S型加減速。當(dāng)然，目前高端變頻器加高速PLC也能達到此類效果，只是有的過程會繁瑣一些。就單個設(shè)備實用角度而言，兩者差距不大。

（2）同步精度

目前，同步測試效果比較理想的情況，主要在于機械設(shè)備的一致性做得比較好。假如測試條件換成兩個不同類型的設(shè)備，比如對一個升降臺和一個吊桿進行同步，如若吊桿正在下降的過程中升降臺也同步下降，同步的效果就會因系統(tǒng)的不同而不同。在PLC控制系統(tǒng)中實現(xiàn)并不容易，而采用軸控制器的方式實現(xiàn)則相對簡單。不同類型的設(shè)備同步需要多種條件，功率差異大的設(shè)備，變頻器需要的勵磁時間差異很大，吊桿設(shè)備都運行了，升降臺還沒開始運行，假如要同步，需要兩個設(shè)備都具備零速懸停、高速總線、高速同步的能力，這在PLC控制系統(tǒng)中不是辦不到，只是比較困難，代價昂貴。在軸控制器系統(tǒng)中做起來相對簡單，更像是設(shè)計之初就考慮的必要問題，其出身自帶高速總線，多數(shù)在幾毫秒內(nèi)同步傳輸上百個軸數(shù)據(jù)；另外，采用雙電機或多電機驅(qū)動也是一種解決之道。

2.4 PLC控制系統(tǒng)的適用性

目前，在國內(nèi)PLC控制系統(tǒng)還是主流系統(tǒng)，以PLC作為主控系統(tǒng)，入門門檻較低，熟練的PLC人員能比較好地完成舞臺系統(tǒng)軟件的編寫，特別是對于標(biāo)準(zhǔn)劇場，PLC依然是一種比較理想的解決方案。常規(guī)劇場標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備多數(shù)是卷揚系統(tǒng)和升降臺（塊）系統(tǒng)，且多數(shù)情況下是對單個設(shè)備的定位精度，對于同步精度有要求的設(shè)備，多數(shù)也為同種類型的設(shè)備，設(shè)備的同步要求也都在可達到的范圍之內(nèi)。PLC系統(tǒng)一般均可滿足劇場的需求。

流動演出對控制系統(tǒng)有一些特殊要求，包括靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即插即用、自動識別的硬性需求，而普通的PLC控制系統(tǒng)難以滿足這些要求，不太適用。當(dāng)然一些特殊的秀場，也采用了軸控制器，以獲得更靈活方便的控制效果。

3 結(jié)語

筆者針對軸控制器系統(tǒng)的基本設(shè)計，從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計，以及軸控制器應(yīng)用中的共性進行分析，并分析比較了PLC控制系統(tǒng)和軸控制器系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

相比PLC控制系統(tǒng)，軸控制器系統(tǒng)更具優(yōu)勢，特別是在安全性方面更為明顯。雖然目前的安全型PLC控制系統(tǒng)也可以完成不少的安全功能，但是對于一些核心的安全功能，比如驅(qū)動類安全、編組類安全、偏差類安全等功能，采用PLC的方式依然不容易實現(xiàn)，或者實現(xiàn)的成本極高，或者根本無法實現(xiàn)。

舞臺機械設(shè)備對于安全的要求會越來越高，采用軸控制器的方案能更好地滿足此類需要。但目前國內(nèi)外關(guān)于軸控制方面的進展依然存在不小的差距，歐美等地區(qū)國家的軸控制器發(fā)展時間久，成熟度高，均有滿足SIL3的軸控制器產(chǎn)品，并在國內(nèi)一些大型的劇場如《重慶大劇院》《江蘇大劇院》《無錫大劇院》等得到廣泛應(yīng)用；反觀國內(nèi)軸控制器，由于發(fā)展時間相對較短，多數(shù)國內(nèi)企業(yè)承建的劇場依然以PLC控制系統(tǒng)為主。但近兩年，國內(nèi)自主研發(fā)的軸控制器也越來越多地得到應(yīng)用，特別是應(yīng)用于流動演出行業(yè)，如《澳門回歸祖國20周年文藝晚會》《阿里20周年慶典》《2019天貓雙十一》《2020蘇寧618》《2020東方衛(wèi)視跨年晚會》《2020浙江衛(wèi)視跨年晚會》《五月天2019演唱會》《容祖兒出道20周年演唱會》等，均采用了自主研發(fā)的軸控制器的控制方案。

PLC方案在發(fā)展初期可以提供一種解決方案，會為軸控制器的研發(fā)爭取過渡時間。未來的舞臺機械行業(yè)，將會有越來越多的國內(nèi)廠家能提供軸控制器的產(chǎn)品和方案，軸控制器將得到更好的研發(fā)應(yīng)用。