安徽廣電新中心演播劇場的舞臺機械控制系統設計

程 方，杜志強

（安徽廣播電視臺服務中心，安徽 合肥 230071）

安徽廣電新中心演播劇場的舞臺機械控制系統設計

程 方，杜志強

（安徽廣播電視臺服務中心，安徽 合肥 230071）

介紹安徽廣電新中心3 600 m2演播劇場的舞臺機械控制設計，采用多數據段尋址技術、按需掃描算法以及側車臺同步接力技術，充分考慮了藝術創作和演播需求的多樣性與獨特性，控制靈活，安全可靠。

安徽廣電新中心；機械控制；系統設計；多數據段尋址；側車臺同步接力

安徽廣播電視臺新中心3 600 m2演播劇場（以下簡稱“劇場”）于2009年10月16日動工建設，2011年1月16日建成并投入使用，其建設規模為亞洲最大，既有傳統的劇院舞臺表演功能，也能滿足廣電行業各類大型節目的錄（直）播功能。劇場建成后，已成功舉辦了《安徽衛視春節綜藝晚會》、《年度新聞人物》、《年度經濟人物頒獎盛典》、《春風頌》、《中國三大男高音與合唱音樂會》等許多大型節目演播活動。

通過計算機控制系統，該劇場的舞臺機械系統實現了舞臺大規模升降、平移、旋轉、補償，以及吊掛系統

的高度智能化控制運行，為實現舞臺場景的各種變化提供了更多的表現手段，也為節目表演的藝術性、觀賞性起到了錦上添花的作用。筆者就此介紹安徽廣電新中心3 600 m2演播劇場的舞臺機械控制系統設計與創新，與業內同仁分享。

1 舞臺機械控制系統設計概述

1.1 演播劇場功能設計定位

該劇場的功能定位，是以大型電視綜藝節目和主題晚會為主，能夠最大限度地滿足電視直播和錄播的需求，并能實現大型歌舞劇、戲劇、音樂會等舞臺劇及時裝表演需要。舞臺區可作為獨立的演播廳使用，整體技術水平要求達到國際、國內領先。

1.2 舞臺機械控制系統設計原則

（1）安全可靠性：舞臺機械屬特種設備，電視直播和現場演出都需要舞臺機械動作可靠，不能出現誤動和拒動，因此，控制系統必須安全可靠。

（2）技術先進性：控制系統設備和器件采用技術成熟定型的知名品牌產品，同時考慮較高的投資效益比。

（3）系統開放性：要求技術具有開放性，設備符合國際通用標準，線路端接口、配線和通信協議符合開放性原則，未來的擴充、升級容易。

2 舞臺機械控制系統設計

該劇場劃分為舞臺區和觀眾區，在臺口梁處設計安裝了32 t鋼制防火幕。防火幕收起時，舞臺區和觀眾區合并為一個完整的演播劇場；在防火幕落下時，舞臺區和觀眾區被一分為二，形成兩個獨立的演出區域，如圖1所示。

機械部分由臺上設備和臺下設備兩部分組成。臺下設備包括臺口升降臺、前區升降臺、子母升降臺、側臺車臺、側臺補償臺、伸縮看臺、拼裝轉臺、座椅車臺、演員升降小車、演員活門等。臺上設備包括前區單點吊機、燈光吊桿、防火幕、大幕機、假臺口、調速電動吊桿、側燈光排架、燈光吊架、軌道式單點吊機、移動式單點吊機、移動式天橋等。根據節目形態和導演要求，臺下設備和臺上設備通過控制系統實現模塊變換。如，臺口寬度可在16 m～36 m范圍內變化，臺口升降臺與前區升降臺可共同升降變化組成樂池，以方便大型樂隊演出；前區升降臺有旋轉子母升降臺，每個母臺有4個子臺，每個子臺內配有一套座椅臺，能夠靈活改變座椅面積和座椅數量，母臺還可以在演出需要時旋轉90°，改變座椅方向。主舞臺區由6個子母升降臺組成，子臺嵌在母臺中間，子母升降臺能夠靈活變換舞臺形式，可根據需要使整個主舞臺在平面和階梯之間任意變化，改變升降高度，形成包括T形臺在內的不同演出平臺。舞臺上空設置了具備對開提升功能的大幕電動景桿、燈光吊桿。觀眾區上空設有單點吊機，用于懸掛燈具、音箱、顯示屏和布光道具等，既可單獨運行，也可編組運行。

3 控制系統結構與功能

該劇場舞臺機械控制系統由主控制單元、智能手動控制單元和緊急控制單元組成。控制柜機房共有4個，其中臺上控制柜機房有2個，分別位于演播劇場兩側的5層房間，臺下控制柜機房有2個，分別位于-11 m 舞臺區基坑兩側。控制柜共計110個，其中臺上65個，臺下45個。舞臺前區升降臺還設有74個控制箱。另外，舞臺機械控制室配備了2個主控制臺，位于舞臺區上場門的2層與舞臺相連的房間內，設有觀察窗，使得舞臺現場狀況直觀明了、盡收眼底。此外，舞臺現場還配備了1個移動控制臺和1個便攜控制臺。

3.1 控制系統結構

舞臺機械控制系統結構由主控設備、外部執行設備、外部傳感器、動力及控制電纜、電器元件等組成。其中，主控設備包括主控制臺、移動控制臺、便攜控制臺、控制柜、控制箱等；外部執行設備包括電機、減速器、制動器等；外部傳感器包括位置檢測編碼器、限位開關、防剪切開關等。

控制系統采用先進的計算機控制機工業網絡技術實現4級控制：控制臺上位機程控→控制臺下位機程控→控制臺手控→就近控制（柜控）。控制系統結構如圖2所示。

主控制臺由工業控制計算機（上位機）與可編程控制器（下位機）組成。上位機采用高速工業控制計算機（IPC），每臺IPC獨立運行一套完全相同的上位機軟件，通過工業以太網與西門子可編程控制器（PLC）進行通訊。2臺上位機均可獨立進行表演場景運行、實時監控及實時故障響應，同時通過動態優先權分配機制完成相互之間的邏輯互鎖。下位機采用PLC作為傳動設備的專用控制器，PLC的CPU與分布式現場I/O從站、移動近控單元、變頻器等設備之間采用Profibus-DP網絡進行數據傳輸，其優點是數據傳輸速度快，即使某臺設備故障，也不影響其他設備運行。PLC模塊采用主從式雙機熱備份，通過熱備控制器來通信并實現同步掃描，且主控制臺的I/O狀態表在每一個掃描周期傳給PLC，以隨時更新系統狀態，在主PLC出現故障時系統自動進行判斷，并在需要時與WinCC（過程監視系統）自動進行通訊切換，此時，備PLC代替主PLC繼續對遠程I/O進行控制，從而保證控制系統的場景表演和監控不會中斷。IPC和PLC之間采用工業以太網通訊，使用TCP/IP數據傳輸協議。

圖1 劇場分布示意圖

圖2 控制系統結構示意圖

系統的中央處理單元采用Profibus-DP工業現場總線與分布式現場從站和變頻器通訊，數據傳輸速率可達12 Mb/s。控制軟件可對現場設備進行組合并設定參數，對劇場中連接到Profibus-DP節點的舞臺機械設備進行運動控制和過程監測診斷。行程檢測采用增量編碼器，使系統構成了全數字控制方式，提高了控制精度。電機調速裝置采用德國SEW高精度矢量控制交流變頻器；空氣開關、接觸器、按鈕選用法國施耐德產品；所有電纜采用優質阻燃屏蔽電纜。急停系統采用安全繼電器，具有更安全的啟動監控功能。關鍵元器件故障排除前，系統的啟動被禁止，可防止危險情況出現。

3.2 控制系統功能

控制系統具有數據采集、顯示、交換、存儲、備份、響應、控制指令發送、設備操作等諸多功能。

主控制臺對整個網絡系統集中操作，分上位機和下位機。上位機IPC具有監控功能，IPC的主要任務是負責提供友好的人機交互界面，以使主控制臺具有協調、數據采集、顯示、交換、存儲、備份、響應、控制指令發送和設備操作等諸多顯示及監測功能。上位機顯示屏可模擬顯示各機械設備的實際布置圖、實時顯示設備的實際運行狀態、運行速度、運行位置、限位狀況、故障信息、參數設定對話框等。下位機PLC是控制系統的核心，核心部分的CPU、供電模塊和用于CPU通訊的同步模塊全部為冗余配置。PLC完成對各設備的主要操作、控制功能，協調現場設備動作次序，同時計算處理原始數據，對各設備狀態、故障進行在線監測，保證設備安全、可靠運行。

變頻器是受控設備，其控制功能主要是接收外部限位信號、增量編碼器信號，由PLC通過DP通訊發來的控制字、速度給定字和位置給定字驅動電機、制動器運行，并實現對自身及電機的安全保護功能。同時，變頻器可通過通訊狀態字向PLC發送設備運行狀態、增量編碼器脈沖等數據，并通過預設的變頻器至PLC的參數通道，向PLC發送變頻器參數（包括電機運行參數、狀態參數、故障代碼等）。

控制系統還具有編組功能，分為鎖定型編組、安全型編組、連鎖型編組、自由型編組。

4 控制系統的創新點

4.1 采用多數據段尋址技術實現大型數據結構的跨段存儲訪問

首先，控制系統設備數量巨大，受控設備總數達916個。其中，變頻調速設備293個，定速定位設備368個，定速不定位設備256個，系統控制和檢測的輸入輸出點多達6 500個，需要設置的設備參數多達11 000個，控制設備總數是普通劇場設備數的4～5倍。其次，系統結構和網絡結構復雜。主CPU連接包括2個主控制臺、2個移動控制臺和4個總數達347個從站的大型Profibus子網，其中采用10個中繼器增強網絡的信號強度。

在軟件方面，系統要求突破64K數據段對設備數量的限制，采用多數據段尋址技術，實現大型數據結構的跨段存儲訪問，使系統控制設備數量限制由一般劇院的250個擴展到1 000個。因此，采用即時調度算法將設備分為1周期和N周期（N可調）兩個優先級進行分批次掃描監控，使系統掃描周期由改進算法前的200 ms提升至小于90 ms，提高了系統運行效率。主要受控設備見表1。

4.2 采用按需掃描算法僅對運行設備進行掃描

傳統劇場的定速定位設備一般不超過16套，可以使計數模塊的門電路全部輸出，全通道掃描訪問，控制方法簡單。而該劇場的系統規模龐大，設備互鎖關系復雜，臺上的34套軌道單點吊機、16套燈光吊架、2套移動天橋、臺下6套字母升降臺、12套側車臺、12套側補償臺、24套演員活門、66套護網、24套插銷、前區22套升降與旋轉臺、88套子臺、64套升降座椅與翻轉等設備間存在互鎖關系，需要實現總數達360套定速定位設備的可靠控制與運行。該系統的設備數量比傳統劇場增加了20倍之多，在這種情況下，若采用全通道掃描法訪問，會導致系統的24 V電路電壓降到17 V以下，直接影響系統工作。同時，每周期都訪問所有設備會極大地增加系統的掃描時間。因此，系統采用的按需掃描法僅對運行設備的門電路和通道進行掃描，保證24 V供電系統正常工作，同時降低了系統掃描周期，保證了系統工作穩定可靠。

表1 主要受控設備一覽表

4.3 側車臺同步接力技術

側車臺同步接力技術是該系統應用的一項非常規的控制技術，匠心獨運、頗具新意。采用3套變頻器驅動2個側車臺同步接力或異步對開，這需要位于主升降臺的從機通過切換編碼器脈沖和開關量信號分別與位于上、下臺口的主機進行同步運行，當需要兩側的側車臺對開至舞臺中心時，從機變頻器需要解除同步，由兩側變頻器單獨運行驅動側車臺到位。

5 結束語

安徽廣播電視臺新中心3 600 m2演播劇場舞臺機械控制系統的設計與創新，體現了技術和藝術的完美結合。通過近年來在演播劇場成功舉辦的一系列大型綜藝演出實踐，充分驗證了舞臺機械控制系統的安全性和可靠性，也驗證了控制技術的先進性和系統的開放性，其關鍵技術的創新設計在舞臺魔幻般的場景變化和觀眾的喝彩聲中得到了完美體現。

隨著現代科學技術的發展和進步，新技術、新工藝、新設備不斷出現。相信，我國的劇場演藝設備以及舞臺機械系統技術，在總結前人創新經驗和成功實踐的基礎上，將會得到更好的提高和發展。

程方，安徽廣播電視臺服務中心副主任，高級工程師。杜志強，安徽廣播電視臺服務中心工程師。

（編輯 薛云霞）

Design of Stage Machinery Control System about the Anhui Radio and Television Studio New Center Theater

CHENG Fang, DU Zhi-qiang
(Anhui Television Service Center, Hefei Anhui 230071, China)

The author describes the design of stage machinery control system about the Anhui radio and television studio 3 600 m2new center theater. The system uses multiple data segments addressing technology, on-demand scanning algorithm, and side of the car frame synchronous relay technology, giving full consideration to the needs of studio art and diversity and unique. The control technology is flexible, safe and reliable.

Anhui radio and television studio new center; mechanical control; system design; multiple data segments addressed; side of the car frame synchronous relay

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.04.008