舞臺機械設備信息集成與協同控制系統

白彥斌 侯俊杰

甘肅工大舞臺技術工程有限公司 甘肅 蘭州 730050

引言

近年來，我國舞臺藝術表演行業發展迅猛，為增加表演藝術效果，提高舞臺表演感染力，在表演過程中，不僅用到多種類舞臺機械設備，還增設了燈光、音響、視頻以及用來烘托表演效果的其他特殊設備[1-3]。目前，不同舞臺設備多通過各自獨立的控制系統進行控制，每個獨立的控制系統間基本沒有信息傳輸，難以實現各設備間緊密聯動，易造成舞臺整體合成效果不佳，導致舞臺藝術效果無法完美呈現出來。因此，舞臺設備的信息集成與協同控制技術研究具有重要意義。

彭可等[4]發明了一種多點伺服驅動的協同控制方法，可對舞臺上的簾幕、燈光等舞臺設備進行時間和位置預設定，使舞臺呈現特定形狀或顯示效果。蔣玉暕等[5]實現了舞臺視覺效果設備（煙霧機、雪花機、泡泡機等）的集成控制。浙江大豐公司基于物聯網發明了一種舞臺協同控制系統，可以實現演出過程中舞臺燈光、音響、顯示、危險防控及效果輔助各子系統的集成控制，使舞臺表演效果更加協調流暢[6]。上述舞臺設備協同控制方法只對舞臺場景和增加視覺效果設備進行了協同控制，并未實現舞臺機械的協同控制。

李化等[7]研發的舞臺設備集成控制系統既可控制燈光、音響，還可對舞臺機械設備中的升降機構進行控制，實現了舞臺設備統一管理和同步控制，有利于舞臺表演的完整性。豐其云等[8]將舞臺機械、視覺設備、燈光、音響及其他舞臺設備控制模塊集成為一個控制系統，集成控制系統可對各設備輸入的數據流信息進行轉換處理，繼而發送到各設備進行控制。豐其云等人研發的集成控制系統是目前國內集成的舞臺設備種類最多的控制系統，實現了運動、視覺、聽覺等舞臺表演的協調配合，減少了舞臺各設備配合間的誤操作。

舞臺各設備的集成與協同控制是舞臺控制技術發展的趨勢，如何穩定可靠的通過一個控制系統實現不同種類舞臺設備在演出過程中的完美配合也是關鍵難題。綜上所述國內舞臺設備集成控制系統對占主要地位的多類型舞臺機械設備的集成與協同控制研究較少，穩定可靠的舞臺機械設備的集成與協同控制是多類型舞臺設備集成控制的基礎。針對這一關鍵問題，本文研發了舞臺機械設備的信息集成與協同控制系統，該系統由硬件系統構建和軟件設計組成，對多類型舞臺機械設備的集成與協同控制具有重要意義。

1 控制系統總體設計方案

舞臺機械設備信息集成與協同控制系統總體設計方案如圖1所示，由管理層、控制層和執行層組成。該控制系統基于成熟的可編程控制器（PLC）和工業現場總線（ProfiNet）開發，對不同類型的舞臺機械設備可以實現運行控制、設備聯鎖、狀態監視、預選擇、設定運動參數、編組運行、場景記憶、場景序列、故障診斷、系統維護等功能。

圖1 控制系統總體方案

控制系統控制舞臺機械設備協同運行時，先通過管理層發送指令到控制層PLC系統，然后PLC控制執行層的變頻器，進而驅動電機等執行層設備按照指令運行并接收現場反饋的實時數據。

2 控制系統硬件選型與設計

該系統控制方案的流程如圖2所示。借于圖2對整個控制系統的硬件設計進行詳細闡述。

圖2 系統控制流程

2.1 管理層硬件設備

控制系統管理層主要是集成設備，包括主控制站、移動控制站、便攜式控制盒和遠程監控服務站。

主控制站是多類型舞臺機械設備控制和操作的核心。主要硬件設備包含工控機、觸摸屏、手動操作桿及控制按鈕。主控制站可以控制設備運行、進行設備編場及數據處理、提供人機交互界面方便操作者實時監測設備運行狀態，對整個設備層有監控和控制功能。具體實物如圖3所示。

圖3 主控制站實物

移動控制站作為主控制站的補充，功能與主控制站功能相近，可以移動到設備附近或能夠觀察到設備運行狀態的位置進行控制設備，移動靈活，方便演出裝臺和彩排。

便攜式控制盒主要用來對舞臺機械設備進行區域或就地控制，也可以作為主控制站的補充控制。

遠程監控系統通過Web server功能對整個控制系統進行遠程診斷、維護和監視。

以上四個管理層設備的相互補充設計實現了舞臺機械設備穩定、安全與可靠的運行控制。

2.2 控制層硬件選型與設計

控制層設計采用PLC控制單元，PLC產品系列化、規模化程度高，可靠性強且抗干擾能力好，維護方便、易于改造，適用于舞臺機械集成與協同控制系統。

控制系統PLC選用西門子S7-1500系列產品，診斷能力和安全性高，采用的新型背板總線技術和高波特率、高傳輸協議增強了系統信號的抗干擾能力。CPU選用1516-3PN產品，具有1～3個Profinet接口，可實現低成本快速組態現場通信；還具有故障診斷功能，增加了系統的安全性。 I/O設備選用西門子配套的數字量輸入模塊SM521DI、數字量輸出模塊SM522DO。

主控制站和PLC控制單元通過主網光纖進行數據傳輸，傳輸速率快，可實現實時控制，且PLC控制單元基本指令和應用指令運行時間、掃描周期、存儲器（EPROM）的容量等性能參數滿足不同類型舞臺機械設備的集成控制與操作要求。

2.3 執行層硬件選型與設計

執行層部分包括控制系統軟硬件集成的變頻器、運行電機和數據反饋所需要的編碼器和傳感器等設備。

變頻器選用諾德SK 500E系列產品，其獨特的位置、速度閉環控制功能，從根本上保證了整個控制系統無障礙運行，提高了控制系統的可靠性。同時，SK 500E系列產品具有PLC功能的集成定位POS控制功能，可以減少主控制器系統的程序量及運行循環時間，提高了控制系統的實時性。

電機選用丹馬ATPEJ系列產品，編碼器選用ELCO系列產品，便于與電機后出軸安裝。

3 控制系統軟件設計

舞臺機械設備信息集成與協同控制系統中各控制模塊基于工業以太網連接，管理層通過工業以太網發送命令給控制層PLC控制單元，最后對執行層進行控制，并接收執行層設備反饋信息。因此，需要設計上位機操作系統用來管理、分析、判斷、顯示多類型舞臺設備當前動作、設備狀態、設備實時參數。

該操作系統主界面如圖4所示，包含八個區域：①標題欄：用于顯示系統 Log、系統名稱、當前時間；②功能按鈕區：用于設備設置、設備狀態、系統狀態、移除設備、全部清空、操作指南；③設備監控區：設計了十六個顯示設備相關信息的通道；④操作欄：具有操作設備、編組、劇目管理的相關按鈕，用于實時操作舞臺機械設備；⑤信息提示欄：用于顯示軟件當前運行狀態和用戶的操作信息；⑥狀態欄：用于顯示系統當前狀態（系統狀態是否正常）、顯示用戶屬性（管理員、普通用戶）和用戶名稱、軟件工作模式（裝臺模式、演出模式、監控模式）；⑦功能菜單欄：用于劇目管理、編組管理、設置使能、系統配置。各按鈕功能將在后面詳細介紹；⑧系統模式欄：分為裝臺模式、演出模式、監控模式、退出按鈕。點擊不同欄可將軟件切換到指定的工作模式。

圖4 舞臺設備操作系統主界面

操作系統主界面為使用者提供了良好的人機交互，操作方式通過鍵盤結合鼠標點擊界面，彈出所需要對話框，操作過程方便快捷。

4 控制系統具有功能

舞臺設備信息集成與協同控制控制系統具有以下功能：①舞臺設備編組運行，控制系統可存儲設備編組數量大于300個；②劇目管理，可實現劇目的新建和刪除、場次的添加和刪除、劇目的復制與粘貼、劇目下場次的從新排序等功能；③對舞臺設備進行信息管理、實時記錄，處理測量參數、運行狀態、位置信息、控制指標等不同類型數據；④能夠進行故障診斷和安全保護，對控制系統接收到的異常現象和控制元器件故障，能夠發出報警，并對危險信號直接中斷，進而停止設備運行。

5 結束語

針對目前我國舞臺設備協同控制難、信號干擾嚴重、可靠性差引起的控制問題，研發了舞臺成套裝備信息集成與協同控制系統，實現了多類型舞臺設備編組運行、劇目管理以及對每個舞臺設備進行信息實時記錄、運行狀態和位置信息監測功能。PLC控制器的使用使產品系列化、規模化程度提高，可靠性強且抗干擾能力增強。系統還具備故障診斷功能，進一步保障了硬件設備的安全運行。該舞臺設備信息集成與協同控制系統對舞臺表演行業具有重要意義。