【文旅设计解读－第三十三期】汉秀剧场舞台机械自动化控制系统

本文作者作为汉秀剧场舞台机械自动化控制系统的专业负责人，全程管控了自控系统项目周期的全部工作。下面就简要介绍一下汉秀剧场的舞台机械自动化控制系统。

舞台机械的自动化控制系统是舞台机械的神经系统。汉秀剧场舞台机械自动化控制系统的承包商是英国的StageTechnologies (ST)公司。该公司的自动化控制系统产品是基于其自己开发的eChameleon自动化控制软件、西门子公司的Simotion运动控制系统、西门子公司新型的S120驱动器来实现舞台机械传动轴的自动化控制及驱动。

汉秀剧场舞台机械自动化控制系统的架构是以主控制台、移动控制台、便携控制台、就地控制盘、急停站等带人机界面的控制操作平台eChameleon，配置数据库服务器，通过混合型网络结构，在Simotion部件层面进行成组及组间的控制，在控制单元CU320和驱动器S120（变频器）层面进行舞台机械超过280多个传动轴的驱动和控制。同时，根据节目的需要，可以接入灯光系统、音响视频通讯系统SVC、特效系统SFX等厂家的控制点，与其控制系统通讯，接受或输出触发信号、停止信号等数千个，从而实现与其它系统形成联动控制、达到协同的演出效果。控制系统整体结构见图1。

图1 系统结构

本自动化控制系统是一个分布系统，允许剧院运营人来执行剧院中所有电动驱动元件的复杂运行，同时为演员及设备提供最大化安全水平。这些运行可以是在技术排练时预编程序，然后在正式演出时执行，也可以是在正式演出时实时启动及控制。

舞台机械及其自动化控制的安全性是首要的。当今世界上新建的大型的、顶级的剧场，尤其是国外的剧场，对舞台机械及其控制系统的安全性有所要求。对于控制系统来说，根据有关国际标准，业内一般要求达到SIL3安全等级。因此，武汉秀场的控制系统也要求达到该安全等级，该控制系统在Simotion运动控制器能满足SIL2安全等级的基础上增加安全型PLC系统，将与安全相关的信号通过Profisafe协议经安全型器件进行网络传输并进行处理，以达到SIL3安全等级。同时，通过3D编程与预可视化操作，可以避免设备及演员在三位空间内运行和表演时可能发生的干涉冲突或碰撞。

除了要求保证控制系统高的安全性以外，还要求控制系统有高的可用性。即在系统的某一部分或设备故障或失效时，还可以保证演出继续进行。控制系统的可用性是通过冗余和不同层级的控制来实现的。

本控制系统的网络拓扑结构为以冗余的环形光纤网为骨干网的混合型网络结构（见图2），并运行多种不同的网络协议和控制协议， 如Ethernet、Profinet、 Profinet IRT、Profisafe等。

图2 网络骨干网简要结构

本控制系统除了上述双环形骨干网冗余外，配置了控制台冗余、服务器冗余、磁盘冗余等不同层级的冗余，以及主控制、就地控制、手动操作、应急控制等不同层级的控制，从而实现了高可用性。

由于节目编排会要求多个舞台机械同时同步运行，故控制系统使用支持Profinet上IRT的硬件进行同步信号实时通讯。Profinet上的IRT通讯周期分为在此用途下不同的、特定时间的信道。第一条信道用于等时同步实时通讯（IRT），其后是实时通讯（RT）和标准TCP/IP通讯。以此种方式，数据传输的两种类型同时存在而互不干扰。当在ERTEC-ASIC（增强实时以太网控制器）中执行该通讯方法时，实现低于0.25ms的周期时间和1μs抖动精度。

本控制系统通过以上控制技术和解决方案，经过设计、审核、施工、测试及验收，最终实现安全的、多样的运行控制，从而带来丰富多彩、震撼的表演效果和观演体验。该控制系统是迄今为止世界上先进的、最庞大、最复杂的舞台机械控制系统。