國內常規劇場舞臺機械控制系統的軟、硬件設計與網絡構建探究

劉學信　劉建

【摘 要】 根據國內劇場舞臺機械控制系統的特點，探討了軟、硬件設計解決方案。根據實際工程經驗從控制系統硬件設 計組成、網絡系統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；現場總線

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.08.012

【Abstract】According to the characteristics of the theater stage machinery control system in China， the author discusses the solution of software and hardware design. According to the practical engineering experience， three aspects such as the hardware design of the control system， the construction of the network system and the functional requirements of the software are discussed.

【Key Words】PLC； stage machinery； frequency converter； field bus

常規劇院根據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，呈現在觀眾眼前的是一場場美輪美奐的視覺盛宴。

常規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展，現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。系統硬件由繼電器、接觸器和變頻器等低壓電器組成，網絡采用開放式工業現場總線通訊技術，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，系統具有處理速度快、系統資源裕量大、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，并通過以上電器環節的共同作用控制設備運動。

國內舞臺設備按控制方式包括常規定速控制和調速定位控制。

1.1 常規定速控制

常規定速控制——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、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，如圖1所示。

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。從設計經濟、硬件便捷的角度，通常在常規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。采集的位置信號經過現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。考慮到常規定速控制設計中不具備調速功能，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，在應用中要根據設備實際制動距離，在軟件調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，如圖2所示。

1.2 調速定位控制

調速定位控制——常規電機帶有編碼器，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調節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、狀態特性，并根據變頻器窗口到位值實現對所控設備的速度、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真實反應設備實際情況。由于只考慮單獨控制回路，現場調試成本較小，出現故障排查相對容易，系統后期維護人工成本較小，但如果控制單元的任何器件發生故障，則直接影響調速設備運行，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問題影響吊桿運行，通過切換矩陣的及時調整可以規避出現故障的控制單元，從而使設備更可靠地運行，提高了整個系統的風險抵御能力。同時，采用切換方式，節省了變頻器數量，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，一旦出現故障，排查和維護較繁瑣。endprint

通常來說，臺上調速吊桿采用切換矩陣方式，臺下調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30 kW以內，且功率較為相近，實際舞臺演藝中同時運動的最多吊桿數遠遠小于總吊桿數，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60 kW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 網絡系統的構建

舞臺機械控制系統從網路結構上分為三個層級：管理級、控制級和現場級。

2.1 管理級設備

管理級設備包括控制臺和服務器。控制臺中主要設備包括工控機、觸摸屏和電源、操作按鍵及操縱桿，主要為監控舞臺設備狀態、運行參數、報警信息，編場數據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據，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場總線的通訊單元。作為整個舞臺機械控制系統的“大腦”，中央處理單元是系統核心，主要負責向上通過以太網傳遞現場的監控信息（如升降臺、景桿等調速設備的位置、速度等實時參數，以及亂繩、電機過熱等安全信號），向下對現場級設備下達動作命令，協調現場設備動作次序（如舞臺機械設備的定位控制和設備延時啟動等）。

2.3 現場級設備

現場級設備：主要包括符合現場總線協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。現場級設備主要任務負責實現操作人員通過控制臺發送的具體的運動方案，同時采集必要的現場信息，傳遞給上層作為參考。圖4為采用標準三級網絡設計的結構圖。

2.4 網絡系統的構建中的關鍵問題

（1）控制系統的安全性設計要貫穿整個控制系統，包括核心控制器到單體設備的控制設計。控制系統應采用開放的現場總線技術，根據用戶的實際需要，采用可靠的冗余技術，包括核心部件的冗余和網絡的冗余。控制系統具有緊急停機系統，任意一個極限開關的動作會觸發本設備應急線路，任意一個急停按鈕應觸發控制系統的急停鏈路。同時，急停系統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）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）。對于調速定位設備，國內大多是通過每個變頻器的內置位置控制卡控制設備，當多個設備同時運動時，由于網絡傳輸的延遲性造成設備啟動的不統一和設備運行中間過程中的實際位置偏差。在設計控制網絡時，對于關鍵信息的傳遞需采用等式同步機制和數據優先級處理，保證數據傳輸的快速響應。變頻器和PLC交換標準格式見圖5.

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，根據實際用戶需求的不同，還應提供系統管理、維護和根據演出過程需要而附帶的工程組態功能。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，規避可能發生的設備誤動作引發的系統風險。

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據。互鎖軟件應采用順序控制程序，根據優先級管理機制，按照預先規定好的優先級動作順序，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，及時發送給設備數據塊運行或受限指令，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場驅動單元、現場采集單元等方便、快捷地聯系起來。通過開放的現場總線控制通信網絡把物理分散的設備構成為一個整體，用分布式數據庫實現全系統的信息集成，進而達到信息共享，從而實現同時在多臺控制終端上對舞臺設備的集中監視、集中操作和集中管理。

3.4 遠程維護要求

控制系統工程師可通過互聯網對現場控制系統進行遠程診斷和維護。操作系統中出現的故障，應及時記錄在上位機歷史數據庫中，用戶通過Internet網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場網絡節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的問題。

4 小結

在控制系統建設規劃中，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。在國內以可編程控制器為核心的舞臺機械控制系統已經形成了集網絡化、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劇場傳統品字型舞臺，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、科技館等領域的異型舞臺的出現，舞臺機械控制系統的軟、硬件設計也應隨著舞臺要求的變化不斷發展更新。

參考文獻

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作者簡介：

劉學信，山東藝術學院后勤管理處技術負責人、工程師，長期從事學院基礎設施建設和設備運營工作，在基建和機電設備運營管理方面有深入研究。endprint