澳門(mén)回歸祖國(guó)20周年文藝晚會(huì)以舞美、燈光、音響、視頻等多種舞臺(tái)技術(shù)手段，呈現(xiàn)出恢弘壯麗的舞臺(tái)效果，展現(xiàn)了澳門(mén)自回歸以來(lái)的斐然成就。本期特設(shè)“慶祝澳門(mén)回歸20周年專題”，分析軸控制器在大型演出中的應(yīng)用，介紹演出中的演出音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施。

　　今天為大家分享《軸控制器在大型流動(dòng)演出中的應(yīng)用——以慶祝澳門(mén)回歸祖國(guó)20周年文藝晚會(huì)為例》

　　1 引言

　　2019年12月19日，“慶祝澳門(mén)回歸祖國(guó)20周年文藝晚會(huì)”在澳門(mén)東亞運(yùn)動(dòng)會(huì)體育館舉行。整個(gè)演出在體育館臨時(shí)搭建平臺(tái)，所有舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備、燈光、音視頻設(shè)備均按照通常流動(dòng)演出的方式使用。

　　本次晚會(huì)主題為“濠江情 中國(guó)心”。《我和我的祖國(guó)》《七子之歌》等經(jīng)典歌曲抒發(fā)愛(ài)國(guó)愛(ài)澳的無(wú)限深情，多媒體情景講述《光陰的故事》，以獨(dú)特視角表現(xiàn)澳門(mén)回歸祖國(guó)20年來(lái)的輝煌成就。剛毅雄健的功夫表演《濠江雄風(fēng)》、慷慨激昂的經(jīng)典詩(shī)詞朗誦《少年中國(guó)說(shuō)》，皆展現(xiàn)出自強(qiáng)不息的奮斗精神和中華優(yōu)秀文化在澳門(mén)的傳承弘揚(yáng)。深具傳統(tǒng)韻味的粵劇與南音表演，活力四射的現(xiàn)代舞和熱情奔放的葡式土風(fēng)舞，描繪出澳門(mén)中西文化薈萃交融的獨(dú)特魅力。情景講述《溫馨一刻》，表達(dá)了澳門(mén)同胞對(duì)習(xí)近平主席的愛(ài)戴之情。歌曲《大灣區(qū)之美》《蓮成一家》《乘風(fēng)破浪再出發(fā)》等唱出心手相牽、共同逐夢(mèng)的美好愿景。

　　演出過(guò)程中，舞臺(tái)機(jī)械比較出彩的設(shè)備為移動(dòng)透明屏(俗稱“冰屏”)和開(kāi)場(chǎng)蓮花(圖1)。15塊獨(dú)立的冰屏組成3組大屏，播放著澳門(mén)回歸祖國(guó)20年來(lái)取得的輝煌成就。11片金蓮花瓣，則作為特殊序幕拉開(kāi)整個(gè)演出的序幕。

　　2 硬件系統(tǒng)

　　2.1

　　概述

　　演出過(guò)程中的舞臺(tái)機(jī)械主要有兩種結(jié)構(gòu)。一種為開(kāi)場(chǎng)蓮花，開(kāi)場(chǎng)蓮花由22臺(tái)吊機(jī)吊掛11片蓮花花瓣。上場(chǎng)口布置12臺(tái)吊機(jī)和一個(gè)車載，下場(chǎng)口布置10臺(tái)吊機(jī)和一個(gè)車載。每片花瓣由2臺(tái)吊機(jī)控制，通過(guò)控制吊機(jī)的速度差和運(yùn)行過(guò)程中速度不斷變化，實(shí)現(xiàn)蓮花花瓣在展開(kāi)的過(guò)程呈現(xiàn)隨風(fēng)飄蕩的感覺(jué)。

　　另一種機(jī)械機(jī)構(gòu)由15塊冰屏組成，冰屏共由30臺(tái)數(shù)控葫蘆吊掛。每塊冰屏由2臺(tái)數(shù)控葫蘆吊掛，通過(guò)安全編組實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)數(shù)控葫蘆位置偏差超限或者其中一臺(tái)故障，兩臺(tái)數(shù)控葫蘆都能安全停止來(lái)保證其吊掛的冰屏安全。

　　如圖2所示，整個(gè)硬件系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)的方式，分為操作層、管理層、執(zhí)行層。操作層和管理層通過(guò)普通以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，管理層和執(zhí)行層之間通過(guò)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。

　　操作層由兩個(gè)主控臺(tái)組成，兩個(gè)主控臺(tái)互為備份，可實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)故障的情況下切換到第二臺(tái)進(jìn)行控制。

　　管理層主要是指主控單元和電源分配系統(tǒng)，主控單元用于協(xié)調(diào)多個(gè)操作終端和驅(qū)動(dòng)端，一方面接收來(lái)自操作層的指令，并通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將解析后的命令發(fā)送給執(zhí)行層的驅(qū)動(dòng)單元。同時(shí)，管理層實(shí)時(shí)接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)單元反饋的設(shè)備狀態(tài)信息，如位置、速度、載荷、外部開(kāi)關(guān)等信息，并反饋到操作層，使操作員方便掌握底層

　　設(shè)備的狀態(tài)。

　　執(zhí)行層主要是由一個(gè)個(gè)驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包含軸控制器、變頻器、制動(dòng)電阻等子單元。驅(qū)動(dòng)單位接收管理層的控制命令，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

　　2.2

　　驅(qū)動(dòng)單元

　　驅(qū)動(dòng)單元主要用于控制單個(gè)設(shè)備，外觀如圖3所示。為了驅(qū)動(dòng)單元使用的方便性，驅(qū)動(dòng)單元具備如下特性。

　　控制方式：分為本地控制和遠(yuǎn)程控制。本地控制模式下，可通過(guò)本地面板自帶的按鍵進(jìn)行本地驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置和試運(yùn)行。遠(yuǎn)程控制模式下，則通過(guò)自帶的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)接收指令進(jìn)行設(shè)備操作。

　　外部接口：為了方便驅(qū)動(dòng)單元在流動(dòng)演出中使用，所有接插件采用快速連接的接口方式，如基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信接口，基于CE接口的電源供電方式，外置的空開(kāi)和保險(xiǎn)接口，單根連接到電機(jī)的重載連接器接口(重載連接器包含所有的電機(jī)線、制動(dòng)線、雙編碼器線、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)線等)、載荷傳感器接口。

　　高度集成：驅(qū)動(dòng)單元包含控制單個(gè)電機(jī)常用的所有組成部件，如軸控制器、變頻器、制動(dòng)電阻、空開(kāi)、接觸器、安全回路、制動(dòng)回路等。

　　圖4為驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部框圖。從圖中可以看出，軸控制器的主要組成部分和主要信號(hào)輸入輸出通路。為了方便使用，通信和動(dòng)力接口均采用包含輸入輸出的設(shè)計(jì)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行菊花鏈的連接方式，方便快速布置和使用。

　　驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，編碼器可設(shè)計(jì)兩路輸入，一路增量編碼器輸入，一路絕對(duì)值編碼器輸入，增量編碼器信號(hào)同時(shí)進(jìn)入軸控制器和變頻單元，可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。采用雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方式，單個(gè)設(shè)備的電控定位精度能達(dá)到0.1 mm。

　　2.3

　　軸控制器

　　在此類搭臺(tái)演出中，軸控制器相比傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)更為方便。對(duì)于流動(dòng)演出行業(yè)，需要舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備達(dá)到類似燈光、音響設(shè)備“即插即用”的要求。燈光設(shè)備可以通過(guò)設(shè)置燈光的地址碼，方便地并入整個(gè)燈光系統(tǒng)。傳統(tǒng)方式采用PLC組態(tài)的機(jī)械控制系統(tǒng)，由于需要組態(tài)，一般需要軟件人員到演出現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行臨時(shí)編程，或者把組態(tài)好的足夠多的設(shè)備帶到活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)。而這種組態(tài)好的設(shè)備一般分為多個(gè)組，比如30個(gè)設(shè)備為一組，采用一個(gè)總控和操作臺(tái)進(jìn)行控制。但是，此類應(yīng)用對(duì)于特殊要求有所不足，比如某個(gè)演出需要采用多個(gè)設(shè)備的編組來(lái)操控，或者多個(gè)設(shè)備間存在安全互鎖等使用情況，均無(wú)法很好地滿足要求，不僅需要攜帶大量的設(shè)備，還會(huì)帶來(lái)操控方式的不便。

　　演出專用軸控制器常應(yīng)用于舞臺(tái)設(shè)備提升和移動(dòng)設(shè)備，提供控制系統(tǒng)解決方案。尤其適合各種調(diào)速控制系統(tǒng)，按照用戶設(shè)定規(guī)則約束，控制設(shè)備上升、下降和懸停。產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，接口豐富，方便安裝，可供用戶快速集成開(kāi)發(fā)。控制器集成安全功能，避免非故意的危險(xiǎn)動(dòng)作，對(duì)限位、超載、欠載、松繩、亂繩等進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)輸入，并能確定變頻器安全運(yùn)行啟動(dòng)，同時(shí)確保設(shè)備在安全運(yùn)行范圍，及時(shí)監(jiān)測(cè)出設(shè)備在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。當(dāng)能導(dǎo)致安全功能丟失的危險(xiǎn)故障被檢測(cè)到時(shí)，為了阻止危險(xiǎn)，故障反應(yīng)功能啟動(dòng)，診斷和故障反應(yīng)功能在給定的最大故障反應(yīng)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，確保人身安全。

　　本次晚會(huì)中應(yīng)用的軸控制器框圖如圖5所示，具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

　　主控制器采用雙CPU架構(gòu)，對(duì)安全相關(guān)信號(hào)進(jìn)行輸入輸出表決，有效降低安全失效風(fēng)險(xiǎn)。

　　控制器提供失效安全數(shù)字量輸入(FSDI)，接入信號(hào)如限位信號(hào)、超程信號(hào)、松繩信號(hào)、亂繩信號(hào)、急停、過(guò)載信號(hào)、欠載信號(hào)、抱閘反饋信號(hào)、變頻器正常信號(hào)、主接觸器狀態(tài)等反饋信號(hào)，所有點(diǎn)位都可以靈活配置。

　　電機(jī)制動(dòng)控制為雙冗余控制，每個(gè)CPU控制一個(gè)安全失效繼電器輸出回路，釋放時(shí)，制動(dòng)器將制動(dòng)。繼電器采用安全繼電器輸出，即強(qiáng)制導(dǎo)向性繼電器，防止觸點(diǎn)粘連導(dǎo)致控制失效。同時(shí)，每路都提供制動(dòng)器有效性信號(hào)反饋檢查，接入失效安全數(shù)字量輸入通道。

　　位置信號(hào)通過(guò)雙編碼器輸入，支持1路增量式編碼器+1路絕對(duì)值編碼器或者2路增量式編碼器，分別送入CPU1和CPU2進(jìn)行表決。同時(shí)，每個(gè)信號(hào)通道以及電源都有監(jiān)控電路反饋狀態(tài)。

　　變頻器通過(guò)模擬量給定控制變頻器轉(zhuǎn)速，并通過(guò)模擬量反饋來(lái)監(jiān)控變頻器執(zhí)行情況。其中，模擬量信號(hào)輸出也帶有輸出診斷功能。

　　控制器提供本地顯示面板。

　　3 軟件

　　3.1

　　概述

　　本次晚會(huì)中，蓮花在開(kāi)場(chǎng)過(guò)程中需要做花瓣打開(kāi)和飄揚(yáng)的動(dòng)作，而冰屏則需要在各種節(jié)目中配合節(jié)目形式完成不同的造型設(shè)置。

　　3.2

　　技術(shù)難點(diǎn)

　　整個(gè)節(jié)目使用的運(yùn)動(dòng)單元多達(dá)60臺(tái)。對(duì)于60多個(gè)設(shè)備的短期快速編程也是一個(gè)難點(diǎn)。

　　對(duì)于編程而言，由于軸數(shù)量較多，并且需要配合演出做出各種造型，因此工作量較大。為了簡(jiǎn)化編程，系統(tǒng)引入項(xiàng)目管理、編組、時(shí)間序列混合編程、DMX觸發(fā)等概念和方法，用于簡(jiǎn)化系統(tǒng)編程和操控。

　　(1)項(xiàng)目管理

　　項(xiàng)目管理是針對(duì)一場(chǎng)演出活動(dòng)進(jìn)行特定設(shè)備配置的過(guò)程。在系統(tǒng)配置的操作臺(tái)軟件中，可針對(duì)設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行配置，包括設(shè)備使用的數(shù)量，設(shè)備地址碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)(最大速度、位置、加減速等)等(圖6)。針對(duì)這類信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，在不同的活動(dòng)中，可將不同數(shù)量和不同功率的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行統(tǒng)一管理和組合使用。

　　(2)編組

　　編組方式更像是一種基于對(duì)象的編程方式(圖7)。在演出過(guò)程中，每塊冰屏和每個(gè)蓮花花瓣都是由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在這類驅(qū)動(dòng)方式下，需要考慮安全和快速編程的能力，安全主要是針對(duì)多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)物體的情況，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障，需要快速停止同一編組中的其他驅(qū)動(dòng)單元。快速編程則可針對(duì)編組中的設(shè)備作為統(tǒng)一編程，不僅可針對(duì)物體進(jìn)行統(tǒng)一升降或平移的編程，還可以針對(duì)其他運(yùn)行的自由度進(jìn)行編程，比如沿X方向的傾斜或沿Y方向的傾斜。

　　(3)時(shí)間序列混合編程功能

　　時(shí)間序列混合編程功能主要通過(guò)時(shí)間和動(dòng)作序列結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)時(shí)間來(lái)完成時(shí)間點(diǎn)的卡位，通過(guò)動(dòng)作序列來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備編程的連貫性。比如一個(gè)設(shè)備執(zhí)行完當(dāng)前動(dòng)作后，需要馬上執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，最好的方式是通過(guò)序列編程，而一個(gè)設(shè)備需要在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行特殊的動(dòng)作，為了和其他設(shè)備的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行配合，采用時(shí)間的編程又會(huì)變得簡(jiǎn)單。

　　(4)DMX觸發(fā)

　　在實(shí)際活動(dòng)中，為了將機(jī)械和燈光、音視頻進(jìn)行統(tǒng)一管理，機(jī)械設(shè)備裝置支持外部信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行。本次晚會(huì)中配置的主控系統(tǒng)即可接入燈光控制臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一觸發(fā)，燈光控制臺(tái)在收到中控命令后，可對(duì)機(jī)械設(shè)備和燈光進(jìn)行統(tǒng)一觸發(fā)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)確，步調(diào)一致。

　　4 總結(jié)

　　軸控制器用于流動(dòng)演出舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，是近年來(lái)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一。慶祝澳門(mén)回歸祖國(guó)20周年文藝晚會(huì)對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械提出很高的要求，特別是機(jī)械的可靠性、靈活性要求極高，在系統(tǒng)穩(wěn)定的大前提下，要求對(duì)系統(tǒng)能進(jìn)行快速地調(diào)整，改變機(jī)械所呈現(xiàn)的狀態(tài)。軸控制器在本次晚會(huì)舞臺(tái)機(jī)械中的應(yīng)用，達(dá)到系統(tǒng)要求，圓滿完成晚會(huì)任務(wù)。