現代控制系統在劇院及舞臺中的應用

［英］馬克·艾格

（英國Stage Technoloies公司）

本文介紹英國Stage Technologies公司（以下簡稱ST公司）在參與相當多的娛樂演出場所建設后，設計出的控制系統（以下簡稱ST控制系統）。ST公司不僅與歌劇院（如倫敦皇家歌劇院）有過合作，還參與過其他演出場所的舞臺以及演唱會現場舞臺機械等工程項目；同時，還為許多大型演出項目，如拉斯維加斯太陽馬戲團的《Ka》、《Love》、《Elvis》、《Zumanity》以及澳門新濠天地的大型水景演出《水舞間》等提供控制系統。因此，ST公司了解這些類型的表演項目在舞臺控制上有特別的需求，并在控制系統中加入了相應的新內容。

1 舞臺新要求及新控制系統特征

在相當長的一段時間內，因為同一表演會在固定的劇院內重復演出多年，這對布景的吊掛設備并沒有很高的要求。但隨著舞臺運動復雜程度的提高，表演期間場景與演員間的互動大為增加。

這種復雜性表現在以下幾方面：

（1）演出中軸的運動次數增加。以前安裝在歌劇院中的軸只在很小范圍內移動（通常少于20%），如今，這些軸在演出中通常會百分之百地移動，而且次數是以前的3倍。而一場演出中的舞臺機械動作指令是以前的100～200倍。

（2）軸或者布景與表演者的互動次數遠高于演員停留在一個固定位置的情況。如果裝有表演飛行系統，這種互動會更加重要。運動的方式也變得更為復雜，二維或三維運動已很平常。布景可以向任意方向運動，如上下運動或適用于傳統歌劇院的左右移動。不同元素間的互動日漸復雜，多軸間運動的同步則更為復雜。

（3）軸運動的速度通常較快，而且觀眾看得見。無論在戲劇院還是歌劇院，很多場景在幕間進行轉換；在一些大型表演中，觀眾看得到這些轉換。由于劇院面積有限，吊桿的運動速度一般為2 m/s或者稍微再快一點，而飛行系統的運動速度則在4 m/s～5 m/s。

（4）舞臺上要操作的設備越來越龐大，包括從小功率電動機到大型液壓機、電動式升降機及飛行表演用的卷揚機等。表演時，這些設備還會與其他系統連接，將位置狀態信息傳遞給自動控制系統，以保證燈光及視頻能隨著自動控制系統同步運行。

為滿足以上這些需求，ST公司研發出一套控制系統來滿足客戶的需求。這套系統有以下特征：

（1）操作者需要在可見正在上演節目的地方進行操作。這表示在某些情況下一些控制的位置需要改變以保證有最佳的視角。特別是當演員與機械設備有連接時、執行高速CUE時，或者對問題做出反應時，必須拉近操作者與節目間的距離。

（2）隨著表演變得越來越復雜，操作者需要同時操控一個舞臺機械運動指令的多項內容。這要求控制系統既要保證能實現復雜的動作順序，同時，也能對舞臺上的問題及時做出反應；為了與演員形成互動，還要有改變CUE運行速度的能力。在一些復雜的場景轉換中，需要多個操作人員合作，每個軸/CUE要由幾個不同的操作人員/位置來完成控制。

（3）有強大的故障診斷系統及時識別問題并作出修正。裝置的大小意味著設計那些復雜運動的編程需要一段較長的時間。這需要利用各種可能的輔助手段來進行協助，如使用離線模擬編輯，它可以不受地域限制，預演那些已完成設計的機械運動指令，在劇目上演前演示設計團隊的設計效果。

（4）控制系統的可靠性和可維護性也很重要。沒有控制系統，演出便不可能進行。因此，這套控制系統有很強的可操作性，而且便于長期維護保養。

2 ST控制系統的特點

基于西門子Simotion系統的ST控制系統（見圖1），結合了可編程控制器（Programmable Logic Controller，以下簡稱PLC）和運動控制器的優點。

自定義運動控制器是為更有效地進行運動控制任務而設計的，它反應快且優化了運動控制所需的輸入/輸出類型（如編碼器、模擬計算值等）。控制編碼是優化的，能“實時”運行特別的編碼以完成一些更復雜的任務。但運動控制器往往是小批量生產，而且其軟件由規模較小的工程師隊伍編寫，隨之而來會產生系統的維護問題，尤其是在自投入使用之日起的5年內。

傳統PLC的優點是它們通常由大型公司批量生產，與運動控制器相比，有著更好的連通性，因為主流PLC的制造廠商會提供全方位的配套產品如各種網絡系統及連接工具，以便其應用在很多不同的領域中。

西門子的Simotion運動控制系統結合了上述兩種控制器的優點。它是工業用控制器，能優化運動控制任務，而且能勝任一些復雜的“實時”運動任務；另外，它由世界知名的工業自動化產品企業生產，因此，會有相對應的配套產品供應，現在和未來都能得到良好的支持。這些產品完全可以使用20年以上，遠高于傳統運動控制器5年的壽命。而且，擁有大量經過培訓的可處理系統故障的工程師，進一步保證了系統的使用壽命。此外，它可以與西門子一系列相關的網絡連結驅動器如Sinamics控制器等更好地配合，允許系統進一步去實施“緩解”工作。

圖3 ST

圖4 ST控制系統布局圖

3 硬軟件結構

圖2為ST控制系統的硬件結構，系統采用Simotion處理器。系統的核心是D4×5處理器系列，這些功能強大的單元提供了所有被業界所要求的運動控制任務中的標準處理程序。

處理器通過標準的工業以太網連接到ST的控制臺。電動驅動器及液壓控制系統通過自定義的實時網絡連接，一個大的I/O模組可以應付任意接口任務。

圖3是ST控制系統的軟件結構。使用這個系統的好處之一，是在Simotion處理器中預置了所有標準的運動控制指令，不只有簡單的點對點移動，也有精密的同步指令，以完成一些復雜的機械運動。運用這一系統，直流、交流、伺服器及液壓軸都能無縫合作。除了標準的西門子軟件，ST控制系統加入了軸控制代碼，使處理器能與ST公司的一系列控制臺通訊；也可以添加自定義軸模塊以提供更強大的功能，如實現二維和三維空間移動、扭矩控制及防搖移動。

4 布局和控制臺

多個D4×5處理器連接起來可組成更大的控制系統，可將這個網絡架構應用于200組以上轉軸的運動控制。

圖4為ST控制系統的布局圖。除了標準的以太網接口、驅動器接口及軸控制，還有僅在D4×5處理器間連接用的同步網絡，這使位移及其他信息能通過處理器網絡分享而實現更復雜的同步操作。整個系統能與互聯網連接，可進行遠程登陸和診斷，所有用戶條目如運行、停止、速度、編程指令以及系統錯誤等被記錄，并可通過界面查看。此外，從輸入電壓到發動機電流I/O狀態等，西門子軟件都能對整個系統進行全面診斷。

其他西門子處理器也可因應不同的需求而整合到這個架構中。如在一個大型系統中，安全處理器可被整合進緊急停止信號中，一個監察處理器能使系統達至SIL3的安全水平。也可以添加其他任何不同部件，比如無線電連接軸等。

ST控制系統可以連接一個或多個控制臺，后者可在ST公司的控制臺中自由選配。所有控制臺都運行一個共同的通用軟件平臺——變色龍（eChameleon）表演控制系統，用戶能登入指定的帳號對系統進行操作。單個軸或者同一編組的軸可以在各個控制位置之間方便且無縫地傳遞。

Acrobat控制臺為大型表演提供復雜的編程和錄放功能；Nomad控制臺除有著與Acrobat相似的功能外，還便于攜帶，使操作員能在最佳位置對特定表演效果進行觀察。此外，還有體積更為輕巧的Solo手提控制器及其他一系列為小型表演場地而設的控制臺。

變色龍表演控制系統為復雜的表演提供所需的全套功能。多位操作者能同時登入系統操作并進行互動，分配給一個操作者的機械運動指令可以被其他操作者取消，還可以給操作者分配編程權限，以限制對某些軸或功能的使用（如錄制節目等）。

機械的運動模式從點對點移動（設定速度，加速度和減速）到多目標移動，甚至更復雜的移動路徑都可以被編程。

圖5 在Acrobat控制臺上錄放CUE運行

圖6 變色龍系統資料顯示模式范例

圖7 三維空間移動示例

圖8 與其他系統的連接

所有控制臺的一個主要功能，就是能夠在不同的錄放上啟用機械運動指令中的多個組成部分。這對歌劇院及其他劇場的演出非常適用，在大型表演中也必不可少。每一個CUE都能控制任何數目的電動機，可以獨立于其他的錄放去單獨執行運動、啟動和停止指令，甚至可以根據現場演出需要進行加速或減速。在控制臺上，不同的錄放都會以不同的顏色（紅、藍、綠等）來標示，如圖5所示。用戶可以自行選擇系統信息和CUE表信息在界面上的顯示方式，包括從任意一個方向看上去的劇場3D視圖，如圖6所示。

控制臺能對整個自動化系統進行全面精細的診斷，從單個軸的狀態、緊急停止到安全連鎖狀態等。用戶可自行設定診斷的內容，用以監察系統的主要組成部分。

5 運用實例

大型演出中經常有復雜的機械運動，例如三維空間飛行。飛行表演者被數臺卷揚機吊起，并借著調校卷揚機上鋼索的長度來實現三維空間的飛行效果。鋼索長度的計算取決于X、Y、Z這三個位置，這可通過一個連接控制臺的三軸控制桿或3DS軟件獲得（或同時使用控制桿及3DS軟件，該軟件能根據控制桿的記錄對運動作進一步編輯）。操作者能實時了解鋼索的長度并與飛行表演者進行實時互動，只需修改傳遞函數（?），就能因應表演的需要而做出各種各樣的飛行表演效果。如圖7所示。

6 與其他系統互聯

ST控制系統需與劇院內其他系統相互溝通，主要是提供視頻和燈光系統的位置或狀態等信息。

圖8展示了系統與其他系統的連線狀況（以視頻系統為例，其他類似）。Simotion處理器將實時計算的X、Y、Z的位置數據傳輸給視頻處理器，視頻系統使用這些信息追蹤該移動目標的視頻。只要選用ST公司研發的F:Light產品，便能把相同的功能應用到燈光追蹤系統。