常規(guī)劇場舞臺機械控制系統(tǒng)的軟硬件設計
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【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、硬件設計解決方案。根據(jù)實際工程經(jīng)驗從控制系統(tǒng)硬件設計組成、網(wǎng)絡系統(tǒng)構建和軟件功能要求三個方面進行了詳細的論述。
【關鍵詞】PLC；舞臺機械；變頻器；現(xiàn)場總線
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備，通過舞臺機械設備不斷升降、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、燈光吊籠等設備，有的還配置了反聲罩。臺下以升降、推拉、旋轉為主，臺下設備的基本配置有主升降臺、左右車臺、后車轉臺、升降樂池、各種補償臺、插銷和安全網(wǎng)等設備。其中，臺上吊桿類設備、臺下升降臺類設備和車臺類設備是舞臺表演空間的主要設備。隨著計算機技術的不斷發(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)絡采用開放式工業(yè)現(xiàn)場總線通訊技術，軟件設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、定位準確的特點。
1設備電器設計組成
舞臺設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、行程開關）、控制電路（如各種繼電器、PLC輸入輸出模塊）、驅動單元（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)的共同作用控制設備運動。國內(nèi)舞臺設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、設備的行程開關、保護開關、繼電器組成的中間回路控制對應的三相電源的相序通斷，從而達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。該方式廣泛應用在對時間要求不高的舞臺設備硬件設計上，對于在運動過程中有位置需求但定位要求不高的設備（如燈光吊籠、假臺口側片、燈光渡橋）來說，該方式并不能滿足要求。從設計經(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，和預設的目標位置做比較，決定設備是否到位停止運行。在實際的硬件設計中，為了能及時響應到位置信號，需把采集模板的實際輸出值串入控制電機正反轉回路。考慮到常規(guī)定速控制設計中不具備調(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，影響設備控制精度，在應用中要根據(jù)設備實際制動距離，在軟件調(diào)試中加入制動停止提前長度來修正設備停止響應距離，從而提高設備實際到位精度
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位置的差值，通過PID調(diào)節(jié)輸出對應的頻率和電壓控制電機運轉速度，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，降低了對機械設備的沖擊，提高了設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，每個設備都是一個控制單元，控制電路結構相對簡單，每個變頻器的總線狀態(tài)真實反應設備實際情況。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)速設備在選定之前不對應固定變頻器，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，從而使設備更可靠地運行，提高了整個系統(tǒng)的風險抵御能力。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構復雜，軟件互鎖要求較高，一旦出現(xiàn)故障，排查和維護較繁瑣。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30kW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)遠遠小于總吊桿數(shù)，故采用切換方式。而臺下升降類設備在演出時載有大量演員，功率較大，通常達到60kW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)絡系統(tǒng)的構建
舞臺機械控制系統(tǒng)從網(wǎng)路結構上分為三個層級：管理級、控制級和現(xiàn)場級。2.1管理級設備管理級設備包括控制臺和服務器?？刂婆_中主要設備包括工控機、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)處理和控制設備起停，為操作人員提供友好的人機交互界面。服務器可記錄操作人員和設備的實時數(shù)據(jù)，為演出設備歷史追溯提供不可替代的手段。
2.2控制級設備
控制級設備主要包括可編程控制器的中央處理單元和各種適應現(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，主要負責向上通過以太網(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)場級設備下達動作命令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場設備動作次序（如舞臺機械設備的定位控制和設備延時啟動等）。
2.3現(xiàn)場級設備
現(xiàn)場級設備：主要包括符合現(xiàn)場總線協(xié)議的相關舞臺機械控制遠程I/O站點、對應的變頻器和電動機?，F(xiàn)場級設備主要任務負責實現(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為采用標準三級網(wǎng)絡設計的結構圖。
2.4網(wǎng)絡系統(tǒng)的構建中的關鍵問題
（1）控制系統(tǒng)的安全性設計要貫穿整個控制系統(tǒng)，包括核心控制器到單體設備的控制設計?？刂葡到y(tǒng)應采用開放的現(xiàn)場總線技術，根據(jù)用戶的實際需要，采用可靠的冗余技術，包括核心部件的冗余和網(wǎng)絡的冗余?？刂葡到y(tǒng)具有緊急停機系統(tǒng)，任意一個極限開關的動作會觸發(fā)本設備應急線路，任意一個急停按鈕應觸發(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動都采用雙制動器，并且互相獨立控制，保證驅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，中央處理單元應具備統(tǒng)一的授權管理，保證同一設備在任意時刻只接受來自單一控制臺的指令信息，防止設備由于接受不同控制臺指令信息而造成控制紊亂。（3）保證關鍵信息響應的實時性和同步性（如舞臺機械設備的啟動命令）。對于調(diào)速定位設備，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備，當多個設備同時運動時，由于網(wǎng)絡傳輸?shù)难舆t性造成設備啟動的不統(tǒng)一和設備運行中間過程中的實際位置偏差。在設計控制網(wǎng)絡時，對于關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?/p>
3軟件設計要求
3.1操作功能要求
操作功能要求：對于舞臺控制操作界面，應設有手動選擇、運動參數(shù)設定、設備編組、場景運行、設備位置綁定、運動禁止、設備位置記錄等功能，根據(jù)實際用戶需求的不同，還應提供系統(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，應提供演出中間的各種應急處理功能，如當在演出場景中編組的運行設備，設備出現(xiàn)報警停止運行時應具備手動快速介入，當設備撞到物理極限位后，應具備旁路控制使設備及時脫離危險位置。用戶一旦誤操作，不光有報警信息，同時提供相應的保護，規(guī)避可能發(fā)生的設備誤動作引發(fā)的系統(tǒng)風險。
3.2設備互鎖要求
設備運行互鎖是舞臺設備安全可靠運行必不可少的保障，互鎖軟件設計必須實時跟蹤設備運行的數(shù)據(jù)?；ユi軟件應采用順序控制程序，根據(jù)優(yōu)先級管理機制，按照預先規(guī)定好的優(yōu)先級動作順序，對控制過程各階段的設備互鎖順序進行自動判別和保護。每一個設備的運行條件都依存于其他相鄰設備的位置，當檢測到條件滿足或不滿足時，及時發(fā)送給設備數(shù)據(jù)塊運行或受限指令，使設備安全可靠地運行。
3.3分布式管理要求
通過現(xiàn)場總線技術，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)絡把物理分散的設備構成為一個整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進而達到信息共享，從而實現(xiàn)同時在多臺控制終端上對舞臺設備的集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。
3.4遠程維護要求
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)進行遠程診斷和維護。操作系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，應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程診斷實驗室，幫助用戶排除故障。通過專門遠程診斷軟件，可實時跟蹤鏈接到現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點的舞臺機械設備運動情況，及時幫助用戶解決操作中出現(xiàn)的問題。
4小結
在控制系統(tǒng)建設規(guī)劃中，要注重安全和效益并重的原則，適當降低建設成本和后期維護成本，同時還要從長遠著眼，技術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)、科技館等領域的異型舞臺的出現(xiàn)，舞臺機械控制系統(tǒng)的軟、硬件設計也應隨著舞臺要求的變化不斷發(fā)展更新。
參考文獻
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作者:劉學信 劉建喆 單位:山東藝術學院 北京師范大學第二附屬中學
