舞台机械设备信息集成与协同控制系统

白彦斌 侯俊杰

甘肃工大舞台技术工程有限公司 甘肃 兰州 730050

引言

近年来，我国舞台艺术表演行业发展迅猛，为增加表演艺术效果，提高舞台表演感染力，在表演过程中，不仅用到多种类舞台机械设备，还增设了灯光、音响、视频以及用来烘托表演效果的其他特殊设备[1-3]。目前，不同舞台设备多通过各自独立的控制系统进行控制，每个独立的控制系统间基本没有信息传输，难以实现各设备间紧密联动，易造成舞台整体合成效果不佳，导致舞台艺术效果无法完美呈现出来。因此，舞台设备的信息集成与协同控制技术研究具有重要意义。

彭可等[4]发明了一种多点伺服驱动的协同控制方法，可对舞台上的帘幕、灯光等舞台设备进行时间和位置预设定，使舞台呈现特定形状或显示效果。蒋玉暕等[5]实现了舞台视觉效果设备（烟雾机、雪花机、泡泡机等）的集成控制。浙江大丰公司基于物联网发明了一种舞台协同控制系统，可以实现演出过程中舞台灯光、音响、显示、危险防控及效果辅助各子系统的集成控制，使舞台表演效果更加协调流畅[6]。上述舞台设备协同控制方法只对舞台场景和增加视觉效果设备进行了协同控制，并未实现舞台机械的协同控制。

李化等[7]研发的舞台设备集成控制系统既可控制灯光、音响，还可对舞台机械设备中的升降机构进行控制，实现了舞台设备统一管理和同步控制，有利于舞台表演的完整性。丰其云等[8]将舞台机械、视觉设备、灯光、音响及其他舞台设备控制模块集成为一个控制系统，集成控制系统可对各设备输入的数据流信息进行转换处理，继而发送到各设备进行控制。丰其云等人研发的集成控制系统是目前国内集成的舞台设备种类最多的控制系统，实现了运动、视觉、听觉等舞台表演的协调配合，减少了舞台各设备配合间的误操作。

舞台各设备的集成与协同控制是舞台控制技术发展的趋势，如何稳定可靠的通过一个控制系统实现不同种类舞台设备在演出过程中的完美配合也是关键难题。综上所述国内舞台设备集成控制系统对占主要地位的多类型舞台机械设备的集成与协同控制研究较少，稳定可靠的舞台机械设备的集成与协同控制是多类型舞台设备集成控制的基础。针对这一关键问题，本文研发了舞台机械设备的信息集成与协同控制系统，该系统由硬件系统构建和软件设计组成，对多类型舞台机械设备的集成与协同控制具有重要意义。

1 控制系统总体设计方案

舞台机械设备信息集成与协同控制系统总体设计方案如图1所示，由管理层、控制层和执行层组成。该控制系统基于成熟的可编程控制器（PLC）和工业现场总线（ProfiNet）开发，对不同类型的舞台机械设备可以实现运行控制、设备联锁、状态监视、预选择、设定运动参数、编组运行、场景记忆、场景序列、故障诊断、系统维护等功能。

图1 控制系统总体方案

控制系统控制舞台机械设备协同运行时，先通过管理层发送指令到控制层PLC系统，然后PLC控制执行层的变频器，进而驱动电机等执行层设备按照指令运行并接收现场反馈的实时数据。

2 控制系统硬件选型与设计

该系统控制方案的流程如图2所示。借于图2对整个控制系统的硬件设计进行详细阐述。

图2 系统控制流程

2.1 管理层硬件设备

控制系统管理层主要是集成设备，包括主控制站、移动控制站、便携式控制盒和远程监控服务站。

主控制站是多类型舞台机械设备控制和操作的核心。主要硬件设备包含工控机、触摸屏、手动操作杆及控制按钮。主控制站可以控制设备运行、进行设备编场及数据处理、提供人机交互界面方便操作者实时监测设备运行状态，对整个设备层有监控和控制功能。具体实物如图3所示。

图3 主控制站实物

移动控制站作为主控制站的补充，功能与主控制站功能相近，可以移动到设备附近或能够观察到设备运行状态的位置进行控制设备，移动灵活，方便演出装台和彩排。

便携式控制盒主要用来对舞台机械设备进行区域或就地控制，也可以作为主控制站的补充控制。

远程监控系统通过Web server功能对整个控制系统进行远程诊断、维护和监视。

以上四个管理层设备的相互补充设计实现了舞台机械设备稳定、安全与可靠的运行控制。

2.2 控制层硬件选型与设计

控制层设计采用PLC控制单元，PLC产品系列化、规模化程度高，可靠性强且抗干扰能力好，维护方便、易于改造，适用于舞台机械集成与协同控制系统。

控制系统PLC选用西门子S7-1500系列产品，诊断能力和安全性高，采用的新型背板总线技术和高波特率、高传输协议增强了系统信号的抗干扰能力。CPU选用1516-3PN产品，具有1～3个Profinet接口，可实现低成本快速组态现场通信；还具有故障诊断功能，增加了系统的安全性。 I/O设备选用西门子配套的数字量输入模块SM521DI、数字量输出模块SM522DO。

主控制站和PLC控制单元通过主网光纤进行数据传输，传输速率快，可实现实时控制，且PLC控制单元基本指令和应用指令运行时间、扫描周期、存储器（EPROM）的容量等性能参数满足不同类型舞台机械设备的集成控制与操作要求。

2.3 执行层硬件选型与设计

执行层部分包括控制系统软硬件集成的变频器、运行电机和数据反馈所需要的编码器和传感器等设备。

变频器选用诺德SK 500E系列产品，其独特的位置、速度闭环控制功能，从根本上保证了整个控制系统无障碍运行，提高了控制系统的可靠性。同时，SK 500E系列产品具有PLC功能的集成定位POS控制功能，可以减少主控制器系统的程序量及运行循环时间，提高了控制系统的实时性。

电机选用丹马ATPEJ系列产品，编码器选用ELCO系列产品，便于与电机后出轴安装。

3 控制系统软件设计

舞台机械设备信息集成与协同控制系统中各控制模块基于工业以太网连接，管理层通过工业以太网发送命令给控制层PLC控制单元，最后对执行层进行控制，并接收执行层设备反馈信息。因此，需要设计上位机操作系统用来管理、分析、判断、显示多类型舞台设备当前动作、设备状态、设备实时参数。

该操作系统主界面如图4所示，包含八个区域：①标题栏：用于显示系统 Log、系统名称、当前时间；②功能按钮区：用于设备设置、设备状态、系统状态、移除设备、全部清空、操作指南；③设备监控区：设计了十六个显示设备相关信息的通道；④操作栏：具有操作设备、编组、剧目管理的相关按钮，用于实时操作舞台机械设备；⑤信息提示栏：用于显示软件当前运行状态和用户的操作信息；⑥状态栏：用于显示系统当前状态（系统状态是否正常）、显示用户属性（管理员、普通用户）和用户名称、软件工作模式（装台模式、演出模式、监控模式）；⑦功能菜单栏：用于剧目管理、编组管理、设置使能、系统配置。各按钮功能将在后面详细介绍；⑧系统模式栏：分为装台模式、演出模式、监控模式、退出按钮。点击不同栏可将软件切换到指定的工作模式。

图4 舞台设备操作系统主界面

操作系统主界面为使用者提供了良好的人机交互，操作方式通过键盘结合鼠标点击界面，弹出所需要对话框，操作过程方便快捷。

4 控制系统具有功能

舞台设备信息集成与协同控制控制系统具有以下功能：①舞台设备编组运行，控制系统可存储设备编组数量大于300个；②剧目管理，可实现剧目的新建和删除、场次的添加和删除、剧目的复制与粘贴、剧目下场次的从新排序等功能；③对舞台设备进行信息管理、实时记录，处理测量参数、运行状态、位置信息、控制指标等不同类型数据；④能够进行故障诊断和安全保护，对控制系统接收到的异常现象和控制元器件故障，能够发出报警，并对危险信号直接中断，进而停止设备运行。

5 结束语

针对目前我国舞台设备协同控制难、信号干扰严重、可靠性差引起的控制问题，研发了舞台成套装备信息集成与协同控制系统，实现了多类型舞台设备编组运行、剧目管理以及对每个舞台设备进行信息实时记录、运行状态和位置信息监测功能。PLC控制器的使用使产品系列化、规模化程度提高，可靠性强且抗干扰能力增强。系统还具备故障诊断功能，进一步保障了硬件设备的安全运行。该舞台设备信息集成与协同控制系统对舞台表演行业具有重要意义。