鄧煒 戴明

[摘要]介紹江蘇大劇院戲劇廳舞臺機械計算機輔助劇院（cAT）控制系統(tǒng)的架構(gòu)、配置，以及模塊化、冗余的設(shè)計方法。

[關(guān)鍵詞]舞臺機械;計算機輔助劇院控制系統(tǒng);模塊化;冗余

文章編號：10.3969/i.issn.1674-8239.2019.04.009

近幾年，隨著國家對文化產(chǎn)業(yè)的大力投入，國內(nèi)的劇院建設(shè)也進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。一線城市的劇院建設(shè)已基本呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，但二三線城市的劇院建設(shè)還保持良好的發(fā)展勢頭。在這些各式各樣的劇院中，舞臺機械占據(jù)舉足輕重的位置，而舞臺機械的控制系統(tǒng)無疑是其核心。在中國劇場建設(shè)中，對于舞臺機械控制系統(tǒng)總體技術(shù)的掌握、運用較成熟的企業(yè)有總裝備部工程設(shè)計研究院（已改組），浙江大豐實業(yè)股份有限公司，奧地利的瓦格納一比羅舞臺系統(tǒng)股份公司（以下簡稱“瓦格納-比羅”）等。

江蘇大劇院由于體量大，廳多且規(guī)模、用途不一，所以各廳的舞臺機械控制系統(tǒng)不盡相同。其中，歌劇廳采用的是BBH系統(tǒng)，綜藝廳采用的是神舟3000系統(tǒng)，戲劇廳采用的是CAT（計算機輔助劇院）控制系統(tǒng)。正是通過這些差異，才能全面了解、掌握舞臺機械控制系統(tǒng)的核心技術(shù)和運營經(jīng)驗。通過劇院一年多的運營使用情況發(fā)現(xiàn)，相對而言，神州3000系統(tǒng)操作簡單，但穩(wěn)定性欠佳，編寫CUE時極為不便;BBH操作系統(tǒng)雖比較穩(wěn)定，但操作不便，CUE的編寫相對繁瑣;瓦格納一比羅的CAT控制系統(tǒng)則具有一定的優(yōu)勢。

CAT控制系統(tǒng)應(yīng)用于軸控制器、控制臺與服務(wù)器的各個控制層面，且是基于Linux操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是一種公開資源的軟件，可以免費得到其資源代碼。CAT控制系統(tǒng)使用該操作系統(tǒng)，很重要一點就是不依靠某個特定公司，保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。CAT控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速編寫CUE，且非常容易上手。

下面就以江蘇大劇院戲劇廳為例，著重介紹一下CAT控制系統(tǒng)的架構(gòu)、功能及操作。

1CAT控制系統(tǒng)框架

江蘇大劇院戲劇廳CAT控制系統(tǒng)控制著臺上與臺下設(shè)備中數(shù)量繁多的電動或液壓驅(qū)動單元，如吊桿、燈桿、單點吊機、大幕、升降臺、鼓筒式轉(zhuǎn)臺、傾斜裝置、樂池，如圖1、圖2所示。通過遍布臺上，臺下的11個OUTLET轉(zhuǎn)接箱，使用者可以方便地從各個方位來控制設(shè)備的運行，從而方便裝臺、排演和演出時對舞臺設(shè)備的控制，降低工作量。其符合EN 61508/VDE 0803安全標準，滿足安全完整性等級3（sIL3）的要求;另外，它還符合下列歐洲標準：BGV c1（GUV 6.15），EN954-1，EN 418，EN60204-1，EN61508。

相較于傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，CAT控制系統(tǒng)所采用的軸控制系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，精度更高;具有良好的人機界面，同步運行驅(qū)動器數(shù)量不受限制，各級冗余確保同一時間的高度可靠性;具有很高的安全性?；谏鲜鎏攸c，cAT控制系統(tǒng)適合運用于各類場合，已得到廣泛應(yīng)用。

2CAT控制系統(tǒng)配置

CAT控制系統(tǒng)的主要配置包括：CATl90控制臺或CATl92控制臺、CATl 10可移動控制臺、CATl00R無線控制臺、Unicorn控制柜、AXIOⅡ軸控制器、緊急操作控制盤CAT60等，如圖3、圖4所示。

江蘇大劇院戲劇廳CAT控制系統(tǒng)見圖5，設(shè)備配置如表1所示。其中，主操作臺是CATl92，它擁有兩個顯示屏，一個屏幕顯示CAT控制編程界面（見圖6），另一個屏幕顯示CAT驅(qū)動的整體運行情況（見圖7），不再需要在兩個界面切換瀏覽。

CAT控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，每一個驅(qū)動設(shè)備配備一個軸控制器AXlO II，控制安全運行，并監(jiān)控運動狀態(tài)，是核心部件。由于安全功能的重要性，AXIO II由兩個處理器組成，如圖8所示，一個控制運行狀態(tài)，一個用于監(jiān)測，兩處理器協(xié)同工作可以消除系統(tǒng)的錯誤。為了適配更多類型的信號，AXIO II備有模擬、數(shù)字等不同的輸入輸出信號接口。

AXlO II具體完成以下安全功能：計算與檢測軌道曲線、運動控制器與監(jiān)測控制器的比較、位置信號的確認（增量值和絕對值）、位置偏離的監(jiān)測、制動器與頻率器的控制與檢查、載荷測量、過載和欠載的檢測、過繞極限開關(guān)、松纜檢測等。

由于模塊化的設(shè)計，單個AXIO II出問題，只會影響相應(yīng)的驅(qū)動設(shè)備，除一個AXIO II控制多臺定速設(shè)備或者不需要準確定位設(shè)備的情況。

AXlO II能將有關(guān)驅(qū)動狀態(tài)、位置或設(shè)備故障信息直接顯示在操作臺上，以方便操作人員發(fā)現(xiàn)故障并更換;如有AXIO II更換，可自動配置，無須費時調(diào)整其地址和參數(shù)等。

3CAT控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計

江蘇大劇院戲劇廳cAT控制系統(tǒng)采用了不同級別的冗余備份的設(shè)計，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、交換機、控制臺等關(guān)鍵設(shè)備配有備份，以保障不同控制系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時仍可正常穩(wěn)定運行。cAT控制系統(tǒng)配有兩臺服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)庫資料管理、文件日志管理和遠程維護的訪問，備份服務(wù)器每小時即備份主服務(wù)器的數(shù)據(jù)，一旦主服務(wù)器出現(xiàn)問題，可以從備份服務(wù)器復(fù)制數(shù)據(jù)，恢復(fù)運行狀態(tài)。

此外，如果整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)崩潰，操作員仍可以使用cAT60應(yīng)急操作面板來完成單臺設(shè)備的運行控制。

在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，對CAT控制系統(tǒng)中每種關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下進行檢測、排除，如表2所示，列出了幾項常見故障的解決方法及時間，解決問題的最長時間在3min左右。其中，很多故障都能自動檢測，像服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)故障等能自動切換，不影響正常演出。

4CAT控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

CAT控制系統(tǒng)的所有設(shè)備都能通過基于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議連接。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了很高的傳輸速度，不需要任何額外的數(shù)據(jù)壓縮和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，能夠并行處理器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時、準確的運行處理。同樣，該系統(tǒng)也設(shè)計為主備兩個網(wǎng)絡(luò)，主網(wǎng)一旦出現(xiàn)故障，會自動切換到備網(wǎng)，保障演出順利進行。這一點非常重要，在戲劇廳的一場演出中，28號吊桿主網(wǎng)接口松動，系統(tǒng)自動切換，絲毫沒有影響演出。

5結(jié)語

該項目的CAT控制系統(tǒng)，采用模塊化和不同冗余等級的設(shè)計方法，可避免單點故障，也可防止系統(tǒng)的缺陷，使系統(tǒng)具有高可靠性，不會因系統(tǒng)故障導(dǎo)致演出停止。