翟錫葵

（萬達文化旅游規(guī)劃研究院，北京 100022）

一種劇院車臺自動化控制系統(tǒng)的解決方案

翟錫葵

（萬達文化旅游規(guī)劃研究院，北京 100022）

介紹西門子自動化和驅(qū)動的產(chǎn)品在劇院舞臺車臺系統(tǒng)的應(yīng)用，以及舞臺車臺控制系統(tǒng)的選型、組成、功能、特點、難點和關(guān)鍵點。

劇院；舞臺機械；無線；車臺；定位；制動器控制

現(xiàn)代的大劇場通常是城市的標(biāo)志性建筑，且“品”字形舞臺的大劇院在大劇院中有較高的占比，可以承接歌劇、話劇、舞劇、音樂劇、戲劇、音樂會和綜藝節(jié)目等文藝形式的演出。舞臺機械是演出場所用于在演出中實現(xiàn)布景、道具、燈光設(shè)備和演出人員的更迭變換和上場、下場的專業(yè)設(shè)備，可以實現(xiàn)升、降、平移、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等運動形式以及以上運動形式的組合。

1 舞臺工藝要求

本文要介紹的舞臺車臺位于“品”字形舞臺的左右兩側(cè)，每側(cè)各配置5臺，共10臺。在側(cè)車臺下面有10臺對應(yīng)的側(cè)補償臺。

某“品”字形舞臺大劇院的臺下舞臺機械工藝設(shè)備布置平面圖如圖1所示。側(cè)車臺可以經(jīng)過本側(cè)相鄰的側(cè)輔助升降臺（預(yù)先降低側(cè)車臺厚度）駛到中間的主舞臺升降臺上，還可以經(jīng)過對面的側(cè)輔助升降臺和側(cè)補償臺（預(yù)先降低側(cè)車臺厚度）駛到另一邊的側(cè)車臺或側(cè)補償臺上。經(jīng)過側(cè)補償臺、側(cè)輔助升降臺的抬升和降低，側(cè)車臺以保持整個舞臺平面高度不變的形式左右穿越整個舞臺，也可以只由側(cè)補償臺抬升其上面的側(cè)車臺。如此，側(cè)車臺可以在舞臺平面以上由一邊駛到另一邊，從而實現(xiàn)左右穿越整個舞臺。側(cè)車臺還可以駛到主舞臺升降臺上鎖定后隨同主舞臺升降臺一起升降，實現(xiàn)特殊的演出效果。側(cè)車臺運行速度為0～0.5 m/s，可調(diào)速。

圖1 某劇院臺下舞臺機械工藝布置平面圖

2 控制設(shè)備的選型及系統(tǒng)構(gòu)成

從以上工藝要求可以看出，項目要求側(cè)車臺必須是無拖纜的、且最好是無線遙控的舞臺車臺。車臺還要進行精確定位的運行，并要求與其他相關(guān)工藝設(shè)備進行運動協(xié)調(diào)與安全連鎖控制。由于車臺設(shè)備厚度尺寸所限，要求在只有大約17 cm高的空間內(nèi)安裝全部的電氣檢測、電氣控制、電氣傳動（如控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、電動鎖定裝置、安全邊、限位開關(guān)以及電源單元等）和機械傳動系統(tǒng)（電動機、減速機、換向器、萬向軸等），因此，設(shè)備的正確選型非常重要。

2.1 無線控制方案的確定

對于無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過比較，在傳輸速率、傳輸距離和客戶端數(shù)量等方面，無線局域網(wǎng)均可滿足工藝要求，并且隨著當(dāng)前以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展，無線局域網(wǎng)WLAN是無線工業(yè)控制的潮流和方向之一，因此，最終選定IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)方案，并根據(jù)工藝布局特點采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

西門子SIMATIC NET工業(yè)無線以太網(wǎng)IWLAN設(shè)備支持3種IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，并具有以下的優(yōu)點：

（1）堅固：金屬機架、高防護等級IP65、防震、防顫、寬的溫度范圍-20 ℃～+60 ℃；這樣可以直接安裝在控制柜外，方便安裝天線。

（2）可靠：循環(huán)的數(shù)據(jù)通信（確定性）、支持冗余、無線連接監(jiān)控、穩(wěn)定的無線連接。

（3）針對工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的工業(yè)特性。

本項目的無線工業(yè)以太網(wǎng)通訊采用1個W788-1PRO接入點和10個W744-1PRO客戶端（分別位于每一個側(cè)車臺中）構(gòu)成，結(jié)合系統(tǒng)運行的空間，采用缺省的全向天線傳輸，整個系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)方案的確定

由于本項目的工藝功能及其控制要求的特點，并結(jié)合上述無線工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的要求，最終確定采用基于PROFINET的控制網(wǎng)絡(luò)。PROFINET作為一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的實時網(wǎng)絡(luò)，兼容國際以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3，可以基于無線工業(yè)以太網(wǎng)進行安全、可靠、實時的數(shù)據(jù)通訊。西門子的最新產(chǎn)品全面支持PROFINET。PROFINET具有如下特性：

（1）PROFINET是開放的國際標(biāo)準(zhǔn)，使用現(xiàn)行的IT標(biāo)準(zhǔn)，全面支持TCP/IP協(xié)議，從管理層至現(xiàn)場層均可實現(xiàn)直接的訪問操作，能同時保障縱向及橫向集成。

（2）用于控制器、分布式外圍設(shè)備以及運動控制的實時通訊，具有可伸縮性，因此可提供極短的響應(yīng)時間，能滿足與自動化相關(guān)的所有包括時鐘同步實時要求。用PROFINET在實時狀態(tài)下實現(xiàn)分散式和分布式自動化系統(tǒng)的同步運行，可用于高性能運動控制。

（3）通過PROFINET可將分布式現(xiàn)場設(shè)備PROFINET IO直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，這樣就能在外圍設(shè)備與控制器之間進行快速數(shù)據(jù)交換，且能提供較好的診斷方法。

如上所述，由于在側(cè)車臺中的控制系統(tǒng)的安裝空間被限制在了17 cm的高度范圍內(nèi)，筆者也考慮過常規(guī)的交—直—交傳動方案和不同品牌廠商的產(chǎn)品，如CT公司的UNIDRIVE SP系列產(chǎn)品、SEW公司的MOVIDRIVE MDX60/61B系列產(chǎn)品，以及西門子的緊湊型SIMOVERT MASTERDRIVES產(chǎn)品和SINAMICS系列的S120產(chǎn)品等等。由于既要保證本項目的功能、性能指標(biāo)、安全性和可靠性，又要控制項目的成本，還要滿足安裝尺寸方面的苛刻要求，進行了多輪多種控制方案的比較、篩選。

圖2 側(cè)車臺SCALANCE無線工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

由于掌握SINAMICS系列S120產(chǎn)品的情況，其控制單元、端子模塊、傳感器模塊箱、功率單元、制動單元的厚度均為50 mm，以上厚度的模塊化產(chǎn)品正好滿足側(cè)車臺空間的要求，最終確定采用西門子的書本型SINAMICS S120的DC/AC產(chǎn)品。這一方案也是其在國內(nèi)舞臺機械行業(yè)中最早得到應(yīng)用的首個案例。

本項目用蓄電池組直接提供常規(guī)交—直—交形式驅(qū)動器中的直流鏈路電壓，這樣就省去了交—直—交形式驅(qū)動器中需要的逆變電源及其整流單元，同時也解決了大部分安裝空間的難題。驅(qū)動裝置用10套SINAMICS S120驅(qū)動交流異步電動機，通過加裝通訊模板CBE20，S120作為PN IO設(shè)備連接SCALANCE W744-1PRO客戶端，同時S120配置增量編碼器和絕對值編碼器，實現(xiàn)速度和位置雙閉環(huán)控制。對于PLC，采用1套帶PN接口的SIMATIC S7-300的CPU315-2PN/DP，并配置相應(yīng)的I/O模塊。SIMATIC S7-300作為PN IO的控制器連接SCALANCE W788-1PRO接入點，通過無線工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)與S120的PROFINET IO實時通訊。對于HMI人機接口，選用SIMATIC HMI Mobile Panel 277。這是因為該西門子便攜移動操作盤有以下特點：

（1）重量輕，約為1.8 kg，方便手持就近操作；

（2）防護等級IP54，并抗1.2 m跌落；

圖3 側(cè)車臺控制系統(tǒng)部件

圖4 數(shù)據(jù)流示意圖

（3）帶鑰匙開關(guān)、啟動鍵、急停按鈕、手輪、安全開關(guān)等，可以直接進行操作；

（4）人機界面Mobile Panel 277通過PROFIBUS與S7-300PLC連接通訊；

本項目側(cè)車臺的控制系統(tǒng)部件安裝如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)完成的功能

本控制系統(tǒng)實現(xiàn)以下主要功能：

（1）通過車載蓄電池組實現(xiàn)無拖纜供電；

（2）通過SCALANCE無線工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)無線控制和監(jiān)視；

（3）通過Mobile Panel 277的人機界面以及應(yīng)用程序，可以在排練和演出前預(yù)先編好演出劇目中用到側(cè)車臺的演出程序。數(shù)據(jù)流示意圖如圖4所示。

（4）通過Mobile Panel 277的人機界面來選中要運行的幾個側(cè)車臺編組成一個組，例如1號、3號和5號為一組，2號和4號為另一組，也可以是其他形式的組合，即側(cè)車臺應(yīng)用程序編程實現(xiàn)編組運行；

（5）通過Mobile Panel 277的人機界面選定需要使用的側(cè)車臺，并輸入相同的運行參數(shù)和運行命令實現(xiàn)幾個側(cè)車臺的同步運行；也可以輸入不同的運行參數(shù)進行側(cè)車臺異步運行；

（6）Mobile Panel 277到2個連接盒間有10 m長的專用電纜，實現(xiàn)在舞臺面左右2個半徑10 m范圍內(nèi)的就地就近控制，實現(xiàn)畫面監(jiān)控和人工目視監(jiān)控，保證側(cè)車臺安全運行；

（7）通過Mobile Panel 277的旋轉(zhuǎn)手輪對側(cè)車臺進行調(diào)速控制；（8）通過Mobile Panel 277的人機界面實現(xiàn)運行監(jiān)控，可監(jiān)控運行位置、運行速度、故障信息等。

另外，在側(cè)車臺上還配備了手動控制盤，當(dāng)PLC和無線局域網(wǎng)故障并無法短時恢復(fù)時，可用手動控制盤直接操作S120驅(qū)動器就地調(diào)速運行側(cè)車臺；如果S120驅(qū)動器發(fā)生故障而無法短時恢復(fù)時，或者電動機故障時（這種情況發(fā)生的概率較小，因為設(shè)計了電動機內(nèi)置熱敏開關(guān)電路進行熱保護），可以通過手動控制盤將制動器打開，人工推動側(cè)車臺。

該項目通過以上功能，實現(xiàn)了側(cè)車臺的高安全性、高可靠性和高可用性的無拖纜的無線任意單臺或多臺編組同步定位運行、控制和監(jiān)視。

4 應(yīng)用體會

通過主持該項目和全程進行方案設(shè)計、試驗、加工成套、安裝、調(diào)試以及驗收，對西門子的SIMATIC SCALANCE無線工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品、PROFINET網(wǎng)絡(luò)、SINAMICS S120驅(qū)動產(chǎn)品、SIMATIC HMI人機界面產(chǎn)品等有了進一步深入的了解和掌握，實現(xiàn)操作界面如無線工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)、PROFINET通訊、編碼器的速度和位置反饋及定位、制動器的控制、軟限位等，拓展了項目思路和產(chǎn)品的應(yīng)用。該項目也體現(xiàn)出西門子自動化與驅(qū)動產(chǎn)品的全集成自動化（TIA）平臺概念及其解決方案。該車臺系統(tǒng)的解決方案在技術(shù)和工藝上處于國內(nèi)舞臺機械行業(yè)的領(lǐng)先水平。經(jīng)過幾年的劇院運營，該系統(tǒng)運行正常。總結(jié)以上使用經(jīng)驗，以供業(yè)內(nèi)同行借鑒。

（編輯 薛云霞）

One Solution on the Theatre Wagon Automation Control System

ZHAI Xi-kui
(Wanda Cultural Tourism Planning and Research Institute, Beijing 100022, China)

In this paper, the author introduced application of SIEMENS automation and drive products in theatre platform system, and the selection, configuration, functions, features, difficulties and crucial points of the stage wagon control system.

theatre; stage machinery; wireless; wagon; positioning; brake control

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.04.009