安徽广电新中心演播剧场的舞台机械控制系统设计

程 方，杜志强

（安徽广播电视台服务中心，安徽 合肥 230071）

安徽广电新中心演播剧场的舞台机械控制系统设计

程 方，杜志强

（安徽广播电视台服务中心，安徽 合肥 230071）

介绍安徽广电新中心3 600 m2演播剧场的舞台机械控制设计，采用多数据段寻址技术、按需扫描算法以及侧车台同步接力技术，充分考虑了艺术创作和演播需求的多样性与独特性，控制灵活，安全可靠。

安徽广电新中心；机械控制；系统设计；多数据段寻址；侧车台同步接力

安徽广播电视台新中心3 600 m2演播剧场（以下简称“剧场”）于2009年10月16日动工建设，2011年1月16日建成并投入使用，其建设规模为亚洲最大，既有传统的剧院舞台表演功能，也能满足广电行业各类大型节目的录（直）播功能。剧场建成后，已成功举办了《安徽卫视春节综艺晚会》、《年度新闻人物》、《年度经济人物颁奖盛典》、《春风颂》、《中国三大男高音与合唱音乐会》等许多大型节目演播活动。

通过计算机控制系统，该剧场的舞台机械系统实现了舞台大规模升降、平移、旋转、补偿，以及吊挂系统

的高度智能化控制运行，为实现舞台场景的各种变化提供了更多的表现手段，也为节目表演的艺术性、观赏性起到了锦上添花的作用。笔者就此介绍安徽广电新中心3 600 m2演播剧场的舞台机械控制系统设计与创新，与业内同仁分享。

1 舞台机械控制系统设计概述

1.1 演播剧场功能设计定位

该剧场的功能定位，是以大型电视综艺节目和主题晚会为主，能够最大限度地满足电视直播和录播的需求，并能实现大型歌舞剧、戏剧、音乐会等舞台剧及时装表演需要。舞台区可作为独立的演播厅使用，整体技术水平要求达到国际、国内领先。

1.2 舞台机械控制系统设计原则

（1）安全可靠性：舞台机械属特种设备，电视直播和现场演出都需要舞台机械动作可靠，不能出现误动和拒动，因此，控制系统必须安全可靠。

（2）技术先进性：控制系统设备和器件采用技术成熟定型的知名品牌产品，同时考虑较高的投资效益比。

（3）系统开放性：要求技术具有开放性，设备符合国际通用标准，线路端接口、配线和通信协议符合开放性原则，未来的扩充、升级容易。

2 舞台机械控制系统设计

该剧场划分为舞台区和观众区，在台口梁处设计安装了32 t钢制防火幕。防火幕收起时，舞台区和观众区合并为一个完整的演播剧场；在防火幕落下时，舞台区和观众区被一分为二，形成两个独立的演出区域，如图1所示。

机械部分由台上设备和台下设备两部分组成。台下设备包括台口升降台、前区升降台、子母升降台、侧台车台、侧台补偿台、伸缩看台、拼装转台、座椅车台、演员升降小车、演员活门等。台上设备包括前区单点吊机、灯光吊杆、防火幕、大幕机、假台口、调速电动吊杆、侧灯光排架、灯光吊架、轨道式单点吊机、移动式单点吊机、移动式天桥等。根据节目形态和导演要求，台下设备和台上设备通过控制系统实现模块变换。如，台口宽度可在16 m～36 m范围内变化，台口升降台与前区升降台可共同升降变化组成乐池，以方便大型乐队演出；前区升降台有旋转子母升降台，每个母台有4个子台，每个子台内配有一套座椅台，能够灵活改变座椅面积和座椅数量，母台还可以在演出需要时旋转90°，改变座椅方向。主舞台区由6个子母升降台组成，子台嵌在母台中间，子母升降台能够灵活变换舞台形式，可根据需要使整个主舞台在平面和阶梯之间任意变化，改变升降高度，形成包括T形台在内的不同演出平台。舞台上空设置了具备对开提升功能的大幕电动景杆、灯光吊杆。观众区上空设有单点吊机，用于悬挂灯具、音箱、显示屏和布光道具等，既可单独运行，也可编组运行。

3 控制系统结构与功能

该剧场舞台机械控制系统由主控制单元、智能手动控制单元和紧急控制单元组成。控制柜机房共有4个，其中台上控制柜机房有2个，分别位于演播剧场两侧的5层房间，台下控制柜机房有2个，分别位于-11 m 舞台区基坑两侧。控制柜共计110个，其中台上65个，台下45个。舞台前区升降台还设有74个控制箱。另外，舞台机械控制室配备了2个主控制台，位于舞台区上场门的2层与舞台相连的房间内，设有观察窗，使得舞台现场状况直观明了、尽收眼底。此外，舞台现场还配备了1个移动控制台和1个便携控制台。

3.1 控制系统结构

舞台机械控制系统结构由主控设备、外部执行设备、外部传感器、动力及控制电缆、电器元件等组成。其中，主控设备包括主控制台、移动控制台、便携控制台、控制柜、控制箱等；外部执行设备包括电机、减速器、制动器等；外部传感器包括位置检测编码器、限位开关、防剪切开关等。

控制系统采用先进的计算机控制机工业网络技术实现4级控制：控制台上位机程控→控制台下位机程控→控制台手控→就近控制（柜控）。控制系统结构如图2所示。

主控制台由工业控制计算机（上位机）与可编程控制器（下位机）组成。上位机采用高速工业控制计算机（IPC），每台IPC独立运行一套完全相同的上位机软件，通过工业以太网与西门子可编程控制器（PLC）进行通讯。2台上位机均可独立进行表演场景运行、实时监控及实时故障响应，同时通过动态优先权分配机制完成相互之间的逻辑互锁。下位机采用PLC作为传动设备的专用控制器，PLC的CPU与分布式现场I/O从站、移动近控单元、变频器等设备之间采用Profibus-DP网络进行数据传输，其优点是数据传输速度快，即使某台设备故障，也不影响其他设备运行。PLC模块采用主从式双机热备份，通过热备控制器来通信并实现同步扫描，且主控制台的I/O状态表在每一个扫描周期传给PLC，以随时更新系统状态，在主PLC出现故障时系统自动进行判断，并在需要时与WinCC（过程监视系统）自动进行通讯切换，此时，备PLC代替主PLC继续对远程I/O进行控制，从而保证控制系统的场景表演和监控不会中断。IPC和PLC之间采用工业以太网通讯，使用TCP/IP数据传输协议。

图1 剧场分布示意图

图2 控制系统结构示意图

系统的中央处理单元采用Profibus-DP工业现场总线与分布式现场从站和变频器通讯，数据传输速率可达12 Mb/s。控制软件可对现场设备进行组合并设定参数，对剧场中连接到Profibus-DP节点的舞台机械设备进行运动控制和过程监测诊断。行程检测采用增量编码器，使系统构成了全数字控制方式，提高了控制精度。电机调速装置采用德国SEW高精度矢量控制交流变频器；空气开关、接触器、按钮选用法国施耐德产品；所有电缆采用优质阻燃屏蔽电缆。急停系统采用安全继电器，具有更安全的启动监控功能。关键元器件故障排除前，系统的启动被禁止，可防止危险情况出现。

3.2 控制系统功能

控制系统具有数据采集、显示、交换、存储、备份、响应、控制指令发送、设备操作等诸多功能。

主控制台对整个网络系统集中操作，分上位机和下位机。上位机IPC具有监控功能，IPC的主要任务是负责提供友好的人机交互界面，以使主控制台具有协调、数据采集、显示、交换、存储、备份、响应、控制指令发送和设备操作等诸多显示及监测功能。上位机显示屏可模拟显示各机械设备的实际布置图、实时显示设备的实际运行状态、运行速度、运行位置、限位状况、故障信息、参数设定对话框等。下位机PLC是控制系统的核心，核心部分的CPU、供电模块和用于CPU通讯的同步模块全部为冗余配置。PLC完成对各设备的主要操作、控制功能，协调现场设备动作次序，同时计算处理原始数据，对各设备状态、故障进行在线监测，保证设备安全、可靠运行。

变频器是受控设备，其控制功能主要是接收外部限位信号、增量编码器信号，由PLC通过DP通讯发来的控制字、速度给定字和位置给定字驱动电机、制动器运行，并实现对自身及电机的安全保护功能。同时，变频器可通过通讯状态字向PLC发送设备运行状态、增量编码器脉冲等数据，并通过预设的变频器至PLC的参数通道，向PLC发送变频器参数（包括电机运行参数、状态参数、故障代码等）。

控制系统还具有编组功能，分为锁定型编组、安全型编组、连锁型编组、自由型编组。

4 控制系统的创新点

4.1 采用多数据段寻址技术实现大型数据结构的跨段存储访问

首先，控制系统设备数量巨大，受控设备总数达916个。其中，变频调速设备293个，定速定位设备368个，定速不定位设备256个，系统控制和检测的输入输出点多达6 500个，需要设置的设备参数多达11 000个，控制设备总数是普通剧场设备数的4～5倍。其次，系统结构和网络结构复杂。主CPU连接包括2个主控制台、2个移动控制台和4个总数达347个从站的大型Profibus子网，其中采用10个中继器增强网络的信号强度。

在软件方面，系统要求突破64K数据段对设备数量的限制，采用多数据段寻址技术，实现大型数据结构的跨段存储访问，使系统控制设备数量限制由一般剧院的250个扩展到1 000个。因此，采用即时调度算法将设备分为1周期和N周期（N可调）两个优先级进行分批次扫描监控，使系统扫描周期由改进算法前的200 ms提升至小于90 ms，提高了系统运行效率。主要受控设备见表1。

4.2 采用按需扫描算法仅对运行设备进行扫描

传统剧场的定速定位设备一般不超过16套，可以使计数模块的门电路全部输出，全通道扫描访问，控制方法简单。而该剧场的系统规模庞大，设备互锁关系复杂，台上的34套轨道单点吊机、16套灯光吊架、2套移动天桥、台下6套字母升降台、12套侧车台、12套侧补偿台、24套演员活门、66套护网、24套插销、前区22套升降与旋转台、88套子台、64套升降座椅与翻转等设备间存在互锁关系，需要实现总数达360套定速定位设备的可靠控制与运行。该系统的设备数量比传统剧场增加了20倍之多，在这种情况下，若采用全通道扫描法访问，会导致系统的24 V电路电压降到17 V以下，直接影响系统工作。同时，每周期都访问所有设备会极大地增加系统的扫描时间。因此，系统采用的按需扫描法仅对运行设备的门电路和通道进行扫描，保证24 V供电系统正常工作，同时降低了系统扫描周期，保证了系统工作稳定可靠。

表1 主要受控设备一览表

4.3 侧车台同步接力技术

侧车台同步接力技术是该系统应用的一项非常规的控制技术，匠心独运、颇具新意。采用3套变频器驱动2个侧车台同步接力或异步对开，这需要位于主升降台的从机通过切换编码器脉冲和开关量信号分别与位于上、下台口的主机进行同步运行，当需要两侧的侧车台对开至舞台中心时，从机变频器需要解除同步，由两侧变频器单独运行驱动侧车台到位。

5 结束语

安徽广播电视台新中心3 600 m2演播剧场舞台机械控制系统的设计与创新，体现了技术和艺术的完美结合。通过近年来在演播剧场成功举办的一系列大型综艺演出实践，充分验证了舞台机械控制系统的安全性和可靠性，也验证了控制技术的先进性和系统的开放性，其关键技术的创新设计在舞台魔幻般的场景变化和观众的喝彩声中得到了完美体现。

随着现代科学技术的发展和进步，新技术、新工艺、新设备不断出现。相信，我国的剧场演艺设备以及舞台机械系统技术，在总结前人创新经验和成功实践的基础上，将会得到更好的提高和发展。

程方，安徽广播电视台服务中心副主任，高级工程师。杜志强，安徽广播电视台服务中心工程师。

（编辑 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