戴明

（江蘇大劇院運營管理有限公司，江蘇南京 210019）

舞臺機械系統(tǒng)的控制模式經(jīng)歷了從人工控制到半自動化控制，再到智能控制的轉變。在舞臺機械智能控制系統(tǒng)中，工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)揮了至關重要的作用。在前沿技術的推動下，基于TCP/IP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)因為數(shù)據(jù)傳輸時間有一定延遲，無法滿足新時期舞臺同步控制的要求，在這一背景下基于Power-Link 實時協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，由于在兼容性、實時性方面優(yōu)勢顯著，逐漸成為現(xiàn)階段舞臺機械控制系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。探究基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺機械控制系統(tǒng)構建與優(yōu)化策略成為當前的一項重要研究課題。

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺機械控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 舞臺機械控制系統(tǒng)的硬件結構

整個控制系統(tǒng)的硬件部分共包含3 個層次，各個層次的功能如下：（1）管理層。涵蓋了管理員工作站，、舞臺機械控制器、操作臺等硬件設備。作為整個系統(tǒng)的核心部分，管理員可通過人機交互界面編輯操作程序、下達控制指令。同時，前端各個模塊運行狀態(tài)參數(shù)，也會通過顯示器反饋給管理員，從而實時掌握舞臺機械控制系統(tǒng)的工況。（2）過程層。包含了以太網(wǎng)交換機、工業(yè)PLC 兩部分。前者負責將舞臺各部分機械控制接口與主機的總線相連，采用“一對多”的數(shù)據(jù)傳輸模式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。后者則負責根據(jù)管理層下達的指令，向前端動作單元發(fā)布控制命令，保證舞臺機械作出相應動作。（3）設備層。主要由交換機與PN 卡件、現(xiàn)場設備、變頻/異步電機等設備組成。具體組成如圖1 所示。

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺機械控制系統(tǒng)硬件結構

1.2 舞臺機械控制對象設計

控制對象主要包括兩部分，即臺面設備和舞臺吊桿。其中，臺面設備又涵蓋了車臺、升降臺、車載轉臺等核心設備。車臺用于實現(xiàn)舞臺機械的平面運動，車載轉臺可支持直線運動或左右靈活轉動，邊緣轉動速度最大可以達到1.0m/s。另外，臺面設備還需要由變頻電機、繼電器等電氣設備支持控制命令的實現(xiàn)。吊桿系統(tǒng)也是舞臺機械的重要組成，同樣配備異步電機提供吊桿升降動力，以及配備繼電器用于控制吊桿的急停，最大升降速度可達0.8m/s。

1.3 通訊系統(tǒng)設計

實時性是舞臺機械控制系統(tǒng)設計與應用的核心指標，這就對該控制系統(tǒng)的通訊能力提出了較高的要求。通常情況下，在工業(yè)以太網(wǎng)的技術支持下，舞臺機械控制系統(tǒng)中，從終端指令發(fā)送到變頻器、繼電器等電器設備作出相應，最大時延不得超過10ms。通訊系統(tǒng)的組成架構如圖2 所示。其中，速度傳感器、位置傳感器的數(shù)據(jù)采樣頻率為1.2ms/次。從工業(yè)PLC 生成并發(fā)送指令，到電氣執(zhí)行機構完成動作并將信號反饋給工業(yè)PLC 的整個閉環(huán)周期，所用時間不得超過15ms。

圖2 通訊系統(tǒng)的組成架構

1.4 網(wǎng)絡拓撲設計

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構以總線型較為常見，但是從實際應用效果來看有較多的弊端，例如響應速度慢、網(wǎng)絡通道易堵塞等。因此，本文在網(wǎng)絡拓撲設計中提出了一種“內(nèi)層環(huán)形+外層樹形”相結合的混合式拓撲結構。其中，內(nèi)層環(huán)行結構有助于增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，確保PLC 控制指令能夠準確傳達至電氣執(zhí)行機構。而前端動作單元的運行情況、位置變化等信息，也能夠同步傳輸至PLC，從而實現(xiàn)了信息同步。外層樹形結構可最大程度上降低時延。無論是以太網(wǎng)交換機，還是繼電器、變頻器等設備，都能夠做到即時相應，進一步增強了舞臺機械控制的實時性?；旌鲜骄W(wǎng)絡拓撲結構的組成如圖3 所示。

圖3 舞臺機械控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構

其功能主要包括：（1）權限管理。所有訪問舞臺機械控制系統(tǒng)的用戶，必須具備相應的權限，進行驗證之后才能解鎖人機交互界面完成各項操作，最大程度避免非管理人員的誤操作行為。（2）設備控制。提供手動和自動兩種控制方式，默認為自動，切換為手動后可通過鼠標點擊按鈕控制設備。（3）狀態(tài)監(jiān)測。對舞臺機械（如升降機、吊桿設備等）的運行工況進行實施監(jiān)測、反饋，并以XML 文件的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。（4）故障報警和系統(tǒng)保護。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測結果，發(fā)現(xiàn)異常工況后進行故障報警，并根據(jù)故障發(fā)生位置采取強制斷電等保護措施。

2.4 上位機可靠性設計

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺機械控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 舞臺機械控制系統(tǒng)的軟件結構

硬件功能的實現(xiàn)必須依靠軟件系統(tǒng)，基于工業(yè)以太網(wǎng)的舞臺機械控制系統(tǒng)軟件部分，主要由PLC 程序、上位機軟件兩個模塊組成。上位機是管理員了解系統(tǒng)功能、下達操作指令和掌握舞臺機械運行情況的主要設備；而PLC 程序則根據(jù)舞臺機械運行的需要，涵蓋了多項功能：（1）數(shù)據(jù)交換。以工業(yè)以太網(wǎng)作為連接樞紐，對上連接PLC、工業(yè)以太網(wǎng)交換機，對下連接吊桿、升降機等設備，實現(xiàn)雙方之間的數(shù)據(jù)實時交換。（2）設備控制。以PLC 程序指令作為前端執(zhí)行機構的動作指令，在PLC 的控制下，舞臺機械作出相應的動作，配合舞臺演出的順利完成。（3）異常處理。在舞臺機械發(fā)生異常工況后，PLC 能夠根據(jù)反饋信息，準確判斷故障類型、位置，然后結合預設的程序發(fā)送停止指令，采取斷電保護等措施。該控制系統(tǒng)的軟件組成如圖4 所示。

圖4 舞臺機械控制系統(tǒng)的軟件組成架構

考慮到舞臺機械控制系統(tǒng)運行情況直接關系到舞臺演出人員和現(xiàn)場觀眾的安全，因此在系統(tǒng)設計時除了要求控制功能的穩(wěn)定實現(xiàn)外，還必須進行可靠性設計。具體內(nèi)容包括：（1）指令的有效性判斷。對管理層發(fā)出的操作指令，上位機根據(jù)當前系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷能否正常完成指令操作。得出有效性結論后，再執(zhí)行動作。（2）信號跟蹤監(jiān)測。從指令接受到指令執(zhí)行完畢，整個過程被納入監(jiān)測范疇。若指令執(zhí)行未完成閉環(huán)，則將其錄入到故障記錄表。（3）軟件互鎖。某個軟件出現(xiàn)故障后，與之配套運行的設備被鎖定，防止安全事故的發(fā)生。

2.5 PLC 程序功能模塊開發(fā)

根據(jù)舞臺機械控制系統(tǒng)的運行需要，終端PLC 程序需要實現(xiàn)的功能包括：（1）判斷系統(tǒng)能否開始運行，并選擇控制方式；（2）控制車臺的行進；（3）控制車載轉臺的行進、轉動；（4）控制升降臺的升降；（5）控制吊桿的升降；（6）異常情況的處理等。

PLC 執(zhí)行啟動程序后，首先進行一遍系統(tǒng)工況的自檢，只有確定舞臺機械的各個部分均處于正常情況、具備運行條件后，才能正式啟動。通過該功能可以有效預防舞臺機械帶病運行的情況，切實保障設備運行安全。其判斷流程如圖5 所示。

圖5 PLC 系統(tǒng)運行條件判斷流程圖

2.2 數(shù)據(jù)交換模式設計

按照數(shù)據(jù)交換對象的不同，該模塊的設計內(nèi)容主要分為兩部分：第一是PLC 與現(xiàn)場設備之間的數(shù)據(jù)交換。常用的交換方式有制定虛擬I/O 地址進行交換，以及依托調用標準進行交換。前者適用于數(shù)據(jù)量較小、只在主站與從站之間進行數(shù)據(jù)傳遞的情況；后者則適用于主站與從站、從站與從站之間的數(shù)據(jù)傳遞，并且對數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)量沒有限制，因此實用性更好。第二是PLC 與上位機之間的數(shù)據(jù)交換。為了減輕海量數(shù)據(jù)傳遞對通訊系統(tǒng)造成的負荷，兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞要借助于數(shù)據(jù)塊DB1 來完成。在保證信息交互及時性、信息本身完整性的前提下，最大程度上降低對網(wǎng)絡資源的占用。

完成上述判定后，PLC 上電、控制系統(tǒng)確定控制方式（手動/自動）。至此完成第一道程序的執(zhí)行。PLC 繼續(xù)執(zhí)行第二段程序，即控制車臺的行進。PLC 發(fā)出的啟動、停止等指令，配合前端的限位開關實現(xiàn)對車臺運行的控制。其中，flag1 為主變量，可通過設定flag[x]=1，實現(xiàn)對x+1 個車臺的控制；flag2 為輔助變量，在車臺行進速度過快時，或者繼電器過熱時進行異常處理。車臺控制的執(zhí)行程序如圖6 所示。

圖6 基于PLC 的車臺控制流程圖

2.3 上位機軟件功能設計

在車臺行進期間，PLC 還會同步執(zhí)行車載轉臺控制程序、升降臺控制程序、吊桿控制程序，配合完成舞臺表演的需要。另外，指示燈控制程序和異常處理程序也是兩個與舞臺機械控制系統(tǒng)運行同步的程序，管理員可通過指示燈了解設備狀態(tài)，根據(jù)異常處理程序了解熱繼電器是否存在過熱、吊桿運行是否超限等故障，切實保障舞臺控制系統(tǒng)的運行安全。

結束語

舞臺機械控制系統(tǒng)相對于一般的工業(yè)系統(tǒng)，對時延要求更高。采用Power-Link 實時協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，具有網(wǎng)絡傳輸流量大、信息通訊時效性強、數(shù)據(jù)保密效果好等一系列特點，能夠較好地滿足舞臺機械控制系統(tǒng)的運行需要。在系統(tǒng)硬件方面，重點做好硬件方面的管理層、過程層、設備層的設計以及通訊系統(tǒng)和網(wǎng)絡拓撲結構的設計。軟件方面則需要關注數(shù)據(jù)交換模式設計、上位機軟件功能設計。以工業(yè)以太網(wǎng)作為紐帶，將硬件和軟件結合起來，才能讓舞臺機械控制系統(tǒng)的各項功能順利實現(xiàn)。