常规剧场舞台机械控制系统的软硬件设计

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【摘要】根据国内剧场舞台机械控制系统的特点，探讨了软、硬件设计解决方案。根据实际工程经验从控制系统硬件设计组成、网络系统构建和软件功能要求三个方面进行了详细的论述。

【关键词】PLC；舞台机械；变频器；现场总线

常规剧院根据功能可以划分为歌剧院、戏剧院、音乐厅和多功能厅等。舞台机械是现代化剧场不可缺少的核心设备，通过舞台机械设备不断升降、平移、开合运动，并配合灯光、音响的不断变换，呈现在观众眼前的是一场场美轮美奂的视觉盛宴。常规剧场舞台机械设备一般可分为台上和台下两个部分，台上以卷扬类为主，台上设备的基本配置有防火幕、假台口、大幕、二道幕、景吊杆、灯吊杆、单点吊机、灯光渡桥、灯光吊笼等设备，有的还配置了反声罩。台下以升降、推拉、旋转为主，台下设备的基本配置有主升降台、左右车台、后车转台、升降乐池、各种补偿台、插销和安全网等设备。其中，台上吊杆类设备、台下升降台类设备和车台类设备是舞台表演空间的主要设备。随着计算机技术的不断发展，现在舞台机械控制多采用以可编程控制器为主的分布式控制系统。系统硬件由继电器、接触器和变频器等低压电器组成，网络采用开放式工业现场总线通讯技术，软件设计采用功能完备的人机友好界面和安全互锁保护。整个系统快速、方便地将分散在台上、台下的设备和核心中央处理器联系起来，其各种不同类型的控制模块通过硬件接口和软件组态可进行广泛组合，为舞台机械运行提供实时、安全可靠的运行保证。同时，由于采用计算机控制，系统具有处理速度快、系统资源裕量大、通讯能力强、故障排除快速、定位准确的特点。

1设备电器设计组成

舞台设备电器控制回路一般由各种安全保护单元（如限位、乱绳、超载、超速、安全急停链路）、位置测量单元（如编码器、减速开关、行程开关）、控制电路（如各种继电器、PLC输入输出模块）、驱动单元（如变频器、交流接触器）和执行单元（如三相异步鼠笼电机、伺服电机）组成，并通过以上电器环节的共同作用控制设备运动。国内舞台设备按控制方式包括常规定速控制和调速定位控制。

1.1常规定速控制

常规定速控制——通过PLC起停输出、设备的行程开关、保护开关、继电器组成的中间回路控制对应的三相电源的相序通断，从而达到直接控制电机的正反向运动，如舞台各种插销、安全网、升降栏杆、安全门。该方式广泛应用在对时间要求不高的舞台设备硬件设计上，对于在运动过程中有位置需求但定位要求不高的设备（如灯光吊笼、假台口侧片、灯光渡桥）来说，该方式并不能满足要求。从设计经济、硬件便捷的角度，通常在常规电机传动轴上加装轴套型增量编码器，将编码器信号接入具有位置采集功能的模板（如西门子编码器模块FM350），同时，在硬件选型时根据模板的采样频率和电机转速确定所选编码器的每圈脉冲值。采集的位置信号经过现场总线传送到中央处理器中，和预设的目标位置做比较，决定设备是否到位停止运行。在实际的硬件设计中，为了能及时响应到位置信号，需把采集模板的实际输出值串入控制电机正反转回路。考虑到常规定速控制设计中不具备调速功能，电机高速运动过程中收到停止信号后制动运行较长，影响设备控制精度，在应用中要根据设备实际制动距离，在软件调试中加入制动停止提前长度来修正设备停止响应距离，从而提高设备实际到位精度

1.2调速定位控制

调速定位控制——常规电机带有编码器，编码器接入具有位置控制功能的高性能交流矢量变频器，变频器通过本身的内置位置控制卡计算电机运行的实时位置和给定目标位置的差值，通过PID调节输出对应的频率和电压控制电机运转速度，中央处理器通过总线通讯方式比较变频器传回来的位置、状态特性，并根据变频器窗口到位值实现对所控设备的速度、位置精确控制，控制电路如图3所示。使用调速定位控制，降低了对机械设备的冲击，提高了设备的安全性和可靠性。因此，在国内中、大型剧场中，该控制方式是控制吊杆、升降台、车台等机械设备的主流方案。调速定位按控制电路功能一般可分为一对一控制和矩阵切换控制。对于前者，每个设备都是一个控制单元，控制电路结构相对简单，每个变频器的总线状态真实反应设备实际情况。由于只考虑单独控制回路，现场调试成本较小，出现故障排查相对容易，系统后期维护人工成本较小，但如果控制单元的任何器件发生故障，则直接影响调速设备运行，同时对于电器元件、变频器的成本支出较高。对于后者，由于采用继电器矩阵切换，控制回路采用冗余备份方式，每个调速设备在选定之前不对应固定变频器，如果某一个控制单元出现问题影响吊杆运行，通过切换矩阵的及时调整可以规避出现故障的控制单元，从而使设备更可靠地运行，提高了整个系统的风险抵御能力。同时，采用切换方式，节省了变频器数量，降低了电器成本支出。但这种控制方式电路结构复杂，软件互锁要求较高，一旦出现故障，排查和维护较繁琐。通常来说，台上调速吊杆采用切换矩阵方式，台下调速设备采用一对一控制方式。这主要是因为各种类型的吊杆大多功率在30kW以内，且功率较为相近，实际舞台演艺中同时运动的最多吊杆数远远小于总吊杆数，故采用切换方式。而台下升降类设备在演出时载有大量演员，功率较大，通常达到60kW以上，为了避免频繁切换对用电回路的冲击，并考虑到实际运行的安全性，故采取一对一方式。

2网络系统的构建

舞台机械控制系统从网路结构上分为三个层级：管理级、控制级和现场级。2.1管理级设备管理级设备包括控制台和服务器。控制台中主要设备包括工控机、触摸屏和电源、操作按键及操纵杆，主要为监控舞台设备状态、运行参数、报警信息，编场数据处理和控制设备起停，为操作人员提供友好的人机交互界面。服务器可记录操作人员和设备的实时数据，为演出设备历史追溯提供不可替代的手段。

2.2控制级设备

控制级设备主要包括可编程控制器的中央处理单元和各种适应现场总线的通讯单元。作为整个舞台机械控制系统的“大脑”，中央处理单元是系统核心，主要负责向上通过以太网传递现场的监控信息（如升降台、景杆等调速设备的位置、速度等实时参数，以及乱绳、电机过热等安全信号），向下对现场级设备下达动作命令，协调现场设备动作次序（如舞台机械设备的定位控制和设备延时启动等）。

2.3现场级设备

现场级设备：主要包括符合现场总线协议的相关舞台机械控制远程I/O站点、对应的变频器和电动机。现场级设备主要任务负责实现操作人员通过控制台发送的具体的运动方案，同时采集必要的现场信息，传递给上层作为参考。图4为采用标准三级网络设计的结构图。

2.4网络系统的构建中的关键问题

（1）控制系统的安全性设计要贯穿整个控制系统，包括核心控制器到单体设备的控制设计。控制系统应采用开放的现场总线技术，根据用户的实际需要，采用可靠的冗余技术，包括核心部件的冗余和网络的冗余。控制系统具有紧急停机系统，任意一个极限开关的动作会触发本设备应急线路，任意一个急停按钮应触发控制系统的急停链路。同时，急停系统和中央处理器通过安全总线进行信息交换。所有具有提升性能的驱动都采用双制动器，并且互相独立控制，保证驱动能及时有效地停止工作。（2）所有的舞台机械系统主控制台、移动控制台，应具备即插即用的特点。对于单一控制台，用户可根据实际情况方便地选择切换到不同的操作方式（如手控、程控、更改参数）对设备进行操作；对于不同控制台之间的切换操作，中央处理单元应具备统一的授权管理，保证同一设备在任意时刻只接受来自单一控制台的指令信息，防止设备由于接受不同控制台指令信息而造成控制紊乱。（3）保证关键信息响应的实时性和同步性（如舞台机械设备的启动命令）。对于调速定位设备，国内大多是通过每个变频器的内置位置控制卡控制设备，当多个设备同时运动时，由于网络传输的延迟性造成设备启动的不统一和设备运行中间过程中的实际位置偏差。在设计控制网络时，对于关键信息的传递需采用等式同步机制和数据优先级处理，保证数据传输的快速响应。

3软件设计要求

3.1操作功能要求

操作功能要求：对于舞台控制操作界面，应设有手动选择、运动参数设定、设备编组、场景运行、设备位置绑定、运动禁止、设备位置记录等功能，根据实际用户需求的不同，还应提供系统管理、维护和根据演出过程需要而附带的工程组态功能。同时，应提供演出中间的各种应急处理功能，如当在演出场景中编组的运行设备，设备出现报警停止运行时应具备手动快速介入，当设备撞到物理极限位后，应具备旁路控制使设备及时脱离危险位置。用户一旦误操作，不光有报警信息，同时提供相应的保护，规避可能发生的设备误动作引发的系统风险。

3.2设备互锁要求

设备运行互锁是舞台设备安全可靠运行必不可少的保障，互锁软件设计必须实时跟踪设备运行的数据。互锁软件应采用顺序控制程序，根据优先级管理机制，按照预先规定好的优先级动作顺序，对控制过程各阶段的设备互锁顺序进行自动判别和保护。每一个设备的运行条件都依存于其他相邻设备的位置，当检测到条件满足或不满足时，及时发送给设备数据块运行或受限指令，使设备安全可靠地运行。

3.3分布式管理要求

通过现场总线技术，把分布在舞台控制室的控制台、上位机、台上及台下控制柜间的现场驱动单元、现场采集单元等方便、快捷地联系起来。通过开放的现场总线控制通信网络把物理分散的设备构成为一个整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享，从而实现同时在多台控制终端上对舞台设备的集中监视、集中操作和集中管理。

3.4远程维护要求

控制系统工程师可通过互联网对现场控制系统进行远程诊断和维护。操作系统中出现的故障，应及时记录在上位机历史数据库中，用户通过Internet网以文本形式传送到远程诊断实验室，帮助用户排除故障。通过专门远程诊断软件，可实时跟踪链接到现场网络节点的舞台机械设备运动情况，及时帮助用户解决操作中出现的问题。

4小结

在控制系统建设规划中，要注重安全和效益并重的原则，适当降低建设成本和后期维护成本，同时还要从长远着眼，技术方案要有一定的前瞻性，充分考虑将来整个系统的整体升级、扩容问题。随着计算机和控制理论的不断进步，舞台控制技术逐渐趋于完善，带有自诊断功能和微机通信接口的PLC元器件也越来越普及，价格也趋向便宜。在国内以可编程控制器为核心的舞台机械控制系统已经形成了集网络化、集散化、自动化、智能化为一体的先进的自动控制模式。目前，广义舞台的概念已不再仅仅局限于正规剧场传统品字型舞台，随着电视剧场、演播厅、体育场馆等组合式舞台，以及各种类型的动感、多维影院、VA多媒体互动系统、科技馆等领域的异型舞台的出现，舞台机械控制系统的软、硬件设计也应随着舞台要求的变化不断发展更新。

参考文献

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[3]刘基顺,田广军,高恒伦等.PLC运动控制器在舞台机械系统中的设计与研究[J].自动化仪表,2013(1).

[4]李炜,李青朋,毛海杰等.基于切换与容错的舞台吊杆系统控制方法研究[J].计算机仿真,2015(3).

作者:刘学信 刘建喆 单位:山东艺术学院 北京师范大学第二附属中学