安徽廣電新中心演播劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 方，杜志強(qiáng)

（安徽廣播電視臺(tái)服務(wù)中心，安徽 合肥 230071）

安徽廣電新中心演播劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 方，杜志強(qiáng)

（安徽廣播電視臺(tái)服務(wù)中心，安徽 合肥 230071）

介紹安徽廣電新中心3 600 m2演播劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制設(shè)計(jì)，采用多數(shù)據(jù)段尋址技術(shù)、按需掃描算法以及側(cè)車(chē)臺(tái)同步接力技術(shù)，充分考慮了藝術(shù)創(chuàng)作和演播需求的多樣性與獨(dú)特性，控制靈活，安全可靠。

安徽廣電新中心；機(jī)械控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；多數(shù)據(jù)段尋址；側(cè)車(chē)臺(tái)同步接力

安徽廣播電視臺(tái)新中心3 600 m2演播劇場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“劇場(chǎng)”）于2009年10月16日動(dòng)工建設(shè)，2011年1月16日建成并投入使用，其建設(shè)規(guī)模為亞洲最大，既有傳統(tǒng)的劇院舞臺(tái)表演功能，也能滿(mǎn)足廣電行業(yè)各類(lèi)大型節(jié)目的錄（直）播功能。劇場(chǎng)建成后，已成功舉辦了《安徽衛(wèi)視春節(jié)綜藝晚會(huì)》、《年度新聞人物》、《年度經(jīng)濟(jì)人物頒獎(jiǎng)盛典》、《春風(fēng)頌》、《中國(guó)三大男高音與合唱音樂(lè)會(huì)》等許多大型節(jié)目演播活動(dòng)。

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了舞臺(tái)大規(guī)模升降、平移、旋轉(zhuǎn)、補(bǔ)償，以及吊掛系統(tǒng)

的高度智能化控制運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)場(chǎng)景的各種變化提供了更多的表現(xiàn)手段，也為節(jié)目表演的藝術(shù)性、觀賞性起到了錦上添花的作用。筆者就此介紹安徽廣電新中心3 600 m2演播劇場(chǎng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，與業(yè)內(nèi)同仁分享。

1 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 演播劇場(chǎng)功能設(shè)計(jì)定位

該劇場(chǎng)的功能定位，是以大型電視綜藝節(jié)目和主題晚會(huì)為主，能夠最大限度地滿(mǎn)足電視直播和錄播的需求，并能實(shí)現(xiàn)大型歌舞劇、戲劇、音樂(lè)會(huì)等舞臺(tái)劇及時(shí)裝表演需要。舞臺(tái)區(qū)可作為獨(dú)立的演播廳使用，整體技術(shù)水平要求達(dá)到國(guó)際、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

1.2 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）安全可靠性：舞臺(tái)機(jī)械屬特種設(shè)備，電視直播和現(xiàn)場(chǎng)演出都需要舞臺(tái)機(jī)械動(dòng)作可靠，不能出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)，因此，控制系統(tǒng)必須安全可靠。

（2）技術(shù)先進(jìn)性：控制系統(tǒng)設(shè)備和器件采用技術(shù)成熟定型的知名品牌產(chǎn)品，同時(shí)考慮較高的投資效益比。

（3）系統(tǒng)開(kāi)放性：要求技術(shù)具有開(kāi)放性，設(shè)備符合國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，線路端接口、配線和通信協(xié)議符合開(kāi)放性原則，未來(lái)的擴(kuò)充、升級(jí)容易。

2 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該劇場(chǎng)劃分為舞臺(tái)區(qū)和觀眾區(qū)，在臺(tái)口梁處設(shè)計(jì)安裝了32 t鋼制防火幕。防火幕收起時(shí)，舞臺(tái)區(qū)和觀眾區(qū)合并為一個(gè)完整的演播劇場(chǎng)；在防火幕落下時(shí)，舞臺(tái)區(qū)和觀眾區(qū)被一分為二，形成兩個(gè)獨(dú)立的演出區(qū)域，如圖1所示。

機(jī)械部分由臺(tái)上設(shè)備和臺(tái)下設(shè)備兩部分組成。臺(tái)下設(shè)備包括臺(tái)口升降臺(tái)、前區(qū)升降臺(tái)、子母升降臺(tái)、側(cè)臺(tái)車(chē)臺(tái)、側(cè)臺(tái)補(bǔ)償臺(tái)、伸縮看臺(tái)、拼裝轉(zhuǎn)臺(tái)、座椅車(chē)臺(tái)、演員升降小車(chē)、演員活門(mén)等。臺(tái)上設(shè)備包括前區(qū)單點(diǎn)吊機(jī)、燈光吊桿、防火幕、大幕機(jī)、假臺(tái)口、調(diào)速電動(dòng)吊桿、側(cè)燈光排架、燈光吊架、軌道式單點(diǎn)吊機(jī)、移動(dòng)式單點(diǎn)吊機(jī)、移動(dòng)式天橋等。根據(jù)節(jié)目形態(tài)和導(dǎo)演要求，臺(tái)下設(shè)備和臺(tái)上設(shè)備通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊變換。如，臺(tái)口寬度可在16 m～36 m范圍內(nèi)變化，臺(tái)口升降臺(tái)與前區(qū)升降臺(tái)可共同升降變化組成樂(lè)池，以方便大型樂(lè)隊(duì)演出；前區(qū)升降臺(tái)有旋轉(zhuǎn)子母升降臺(tái)，每個(gè)母臺(tái)有4個(gè)子臺(tái)，每個(gè)子臺(tái)內(nèi)配有一套座椅臺(tái)，能夠靈活改變座椅面積和座椅數(shù)量，母臺(tái)還可以在演出需要時(shí)旋轉(zhuǎn)90°，改變座椅方向。主舞臺(tái)區(qū)由6個(gè)子母升降臺(tái)組成，子臺(tái)嵌在母臺(tái)中間，子母升降臺(tái)能夠靈活變換舞臺(tái)形式，可根據(jù)需要使整個(gè)主舞臺(tái)在平面和階梯之間任意變化，改變升降高度，形成包括T形臺(tái)在內(nèi)的不同演出平臺(tái)。舞臺(tái)上空設(shè)置了具備對(duì)開(kāi)提升功能的大幕電動(dòng)景桿、燈光吊桿。觀眾區(qū)上空設(shè)有單點(diǎn)吊機(jī)，用于懸掛燈具、音箱、顯示屏和布光道具等，既可單獨(dú)運(yùn)行，也可編組運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

該劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)由主控制單元、智能手動(dòng)控制單元和緊急控制單元組成?？刂乒駲C(jī)房共有4個(gè)，其中臺(tái)上控制柜機(jī)房有2個(gè)，分別位于演播劇場(chǎng)兩側(cè)的5層房間，臺(tái)下控制柜機(jī)房有2個(gè)，分別位于-11 m 舞臺(tái)區(qū)基坑兩側(cè)?？刂乒窆灿?jì)110個(gè)，其中臺(tái)上65個(gè)，臺(tái)下45個(gè)。舞臺(tái)前區(qū)升降臺(tái)還設(shè)有74個(gè)控制箱。另外，舞臺(tái)機(jī)械控制室配備了2個(gè)主控制臺(tái)，位于舞臺(tái)區(qū)上場(chǎng)門(mén)的2層與舞臺(tái)相連的房間內(nèi)，設(shè)有觀察窗，使得舞臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)狀況直觀明了、盡收眼底。此外，舞臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)還配備了1個(gè)移動(dòng)控制臺(tái)和1個(gè)便攜控制臺(tái)。

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控設(shè)備、外部執(zhí)行設(shè)備、外部傳感器、動(dòng)力及控制電纜、電器元件等組成。其中，主控設(shè)備包括主控制臺(tái)、移動(dòng)控制臺(tái)、便攜控制臺(tái)、控制柜、控制箱等；外部執(zhí)行設(shè)備包括電機(jī)、減速器、制動(dòng)器等；外部傳感器包括位置檢測(cè)編碼器、限位開(kāi)關(guān)、防剪切開(kāi)關(guān)等。

控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制機(jī)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)4級(jí)控制：控制臺(tái)上位機(jī)程控→控制臺(tái)下位機(jī)程控→控制臺(tái)手控→就近控制（柜控）?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制臺(tái)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）與可編程控制器（下位機(jī)）組成。上位機(jī)采用高速工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），每臺(tái)IPC獨(dú)立運(yùn)行一套完全相同的上位機(jī)軟件，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與西門(mén)子可編程控制器（PLC）進(jìn)行通訊。2臺(tái)上位機(jī)均可獨(dú)立進(jìn)行表演場(chǎng)景運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控及實(shí)時(shí)故障響應(yīng)，同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)分配機(jī)制完成相互之間的邏輯互鎖。下位機(jī)采用PLC作為傳動(dòng)設(shè)備的專(zhuān)用控制器，PLC的CPU與分布式現(xiàn)場(chǎng)I/O從站、移動(dòng)近控單元、變頻器等設(shè)備之間采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，即使某臺(tái)設(shè)備故障，也不影響其他設(shè)備運(yùn)行。PLC模塊采用主從式雙機(jī)熱備份，通過(guò)熱備控制器來(lái)通信并實(shí)現(xiàn)同步掃描，且主控制臺(tái)的I/O狀態(tài)表在每一個(gè)掃描周期傳給PLC，以隨時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)，在主PLC出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行判斷，并在需要時(shí)與WinCC（過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)）自動(dòng)進(jìn)行通訊切換，此時(shí)，備PLC代替主PLC繼續(xù)對(duì)遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，從而保證控制系統(tǒng)的場(chǎng)景表演和監(jiān)控不會(huì)中斷。IPC和PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，使用TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

圖1 劇場(chǎng)分布示意圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的中央處理單元采用Profibus-DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與分布式現(xiàn)場(chǎng)從站和變頻器通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)12 Mb/s?？刂栖浖蓪?duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行組合并設(shè)定參數(shù)，對(duì)劇場(chǎng)中連接到Profibus-DP節(jié)點(diǎn)的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程監(jiān)測(cè)診斷。行程檢測(cè)采用增量編碼器，使系統(tǒng)構(gòu)成了全數(shù)字控制方式，提高了控制精度。電機(jī)調(diào)速裝置采用德國(guó)SEW高精度矢量控制交流變頻器；空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、按鈕選用法國(guó)施耐德產(chǎn)品；所有電纜采用優(yōu)質(zhì)阻燃屏蔽電纜。急停系統(tǒng)采用安全繼電器，具有更安全的啟動(dòng)監(jiān)控功能。關(guān)鍵元器件故障排除前，系統(tǒng)的啟動(dòng)被禁止，可防止危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。

3.2 控制系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、顯示、交換、存儲(chǔ)、備份、響應(yīng)、控制指令發(fā)送、設(shè)備操作等諸多功能。

主控制臺(tái)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集中操作，分上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)IPC具有監(jiān)控功能，IPC的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)提供友好的人機(jī)交互界面，以使主控制臺(tái)具有協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)采集、顯示、交換、存儲(chǔ)、備份、響應(yīng)、控制指令發(fā)送和設(shè)備操作等諸多顯示及監(jiān)測(cè)功能。上位機(jī)顯示屏可模擬顯示各機(jī)械設(shè)備的實(shí)際布置圖、實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行速度、運(yùn)行位置、限位狀況、故障信息、參數(shù)設(shè)定對(duì)話框等。下位機(jī)PLC是控制系統(tǒng)的核心，核心部分的CPU、供電模塊和用于CPU通訊的同步模塊全部為冗余配置。PLC完成對(duì)各設(shè)備的主要操作、控制功能，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作次序，同時(shí)計(jì)算處理原始數(shù)據(jù)，對(duì)各設(shè)備狀態(tài)、故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

變頻器是受控設(shè)備，其控制功能主要是接收外部限位信號(hào)、增量編碼器信號(hào)，由PLC通過(guò)DP通訊發(fā)來(lái)的控制字、速度給定字和位置給定字驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對(duì)自身及電機(jī)的安全保護(hù)功能。同時(shí)，變頻器可通過(guò)通訊狀態(tài)字向PLC發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、增量編碼器脈沖等數(shù)據(jù)，并通過(guò)預(yù)設(shè)的變頻器至PLC的參數(shù)通道，向PLC發(fā)送變頻器參數(shù)（包括電機(jī)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、故障代碼等）。

控制系統(tǒng)還具有編組功能，分為鎖定型編組、安全型編組、連鎖型編組、自由型編組。

4 控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 采用多數(shù)據(jù)段尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的跨段存儲(chǔ)訪問(wèn)

首先，控制系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量巨大，受控設(shè)備總數(shù)達(dá)916個(gè)。其中，變頻調(diào)速設(shè)備293個(gè)，定速定位設(shè)備368個(gè)，定速不定位設(shè)備256個(gè)，系統(tǒng)控制和檢測(cè)的輸入輸出點(diǎn)多達(dá)6 500個(gè)，需要設(shè)置的設(shè)備參數(shù)多達(dá)11 000個(gè)，控制設(shè)備總數(shù)是普通劇場(chǎng)設(shè)備數(shù)的4～5倍。其次，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主CPU連接包括2個(gè)主控制臺(tái)、2個(gè)移動(dòng)控制臺(tái)和4個(gè)總數(shù)達(dá)347個(gè)從站的大型Profibus子網(wǎng)，其中采用10個(gè)中繼器增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度。

在軟件方面，系統(tǒng)要求突破64K數(shù)據(jù)段對(duì)設(shè)備數(shù)量的限制，采用多數(shù)據(jù)段尋址技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的跨段存儲(chǔ)訪問(wèn)，使系統(tǒng)控制設(shè)備數(shù)量限制由一般劇院的250個(gè)擴(kuò)展到1 000個(gè)。因此，采用即時(shí)調(diào)度算法將設(shè)備分為1周期和N周期（N可調(diào)）兩個(gè)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分批次掃描監(jiān)控，使系統(tǒng)掃描周期由改進(jìn)算法前的200 ms提升至小于90 ms，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。主要受控設(shè)備見(jiàn)表1。

4.2 采用按需掃描算法僅對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行掃描

傳統(tǒng)劇場(chǎng)的定速定位設(shè)備一般不超過(guò)16套，可以使計(jì)數(shù)模塊的門(mén)電路全部輸出，全通道掃描訪問(wèn)，控制方法簡(jiǎn)單。而該劇場(chǎng)的系統(tǒng)規(guī)模龐大，設(shè)備互鎖關(guān)系復(fù)雜，臺(tái)上的34套軌道單點(diǎn)吊機(jī)、16套燈光吊架、2套移動(dòng)天橋、臺(tái)下6套字母升降臺(tái)、12套側(cè)車(chē)臺(tái)、12套側(cè)補(bǔ)償臺(tái)、24套演員活門(mén)、66套護(hù)網(wǎng)、24套插銷(xiāo)、前區(qū)22套升降與旋轉(zhuǎn)臺(tái)、88套子臺(tái)、64套升降座椅與翻轉(zhuǎn)等設(shè)備間存在互鎖關(guān)系，需要實(shí)現(xiàn)總數(shù)達(dá)360套定速定位設(shè)備的可靠控制與運(yùn)行。該系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量比傳統(tǒng)劇場(chǎng)增加了20倍之多，在這種情況下，若采用全通道掃描法訪問(wèn)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的24 V電路電壓降到17 V以下，直接影響系統(tǒng)工作。同時(shí)，每周期都訪問(wèn)所有設(shè)備會(huì)極大地增加系統(tǒng)的掃描時(shí)間。因此，系統(tǒng)采用的按需掃描法僅對(duì)運(yùn)行設(shè)備的門(mén)電路和通道進(jìn)行掃描，保證24 V供電系統(tǒng)正常工作，同時(shí)降低了系統(tǒng)掃描周期，保證了系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

表1 主要受控設(shè)備一覽表

4.3 側(cè)車(chē)臺(tái)同步接力技術(shù)

側(cè)車(chē)臺(tái)同步接力技術(shù)是該系統(tǒng)應(yīng)用的一項(xiàng)非常規(guī)的控制技術(shù)，匠心獨(dú)運(yùn)、頗具新意。采用3套變頻器驅(qū)動(dòng)2個(gè)側(cè)車(chē)臺(tái)同步接力或異步對(duì)開(kāi)，這需要位于主升降臺(tái)的從機(jī)通過(guò)切換編碼器脈沖和開(kāi)關(guān)量信號(hào)分別與位于上、下臺(tái)口的主機(jī)進(jìn)行同步運(yùn)行，當(dāng)需要兩側(cè)的側(cè)車(chē)臺(tái)對(duì)開(kāi)至舞臺(tái)中心時(shí)，從機(jī)變頻器需要解除同步，由兩側(cè)變頻器單獨(dú)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)側(cè)車(chē)臺(tái)到位。

5 結(jié)束語(yǔ)

安徽廣播電視臺(tái)新中心3 600 m2演播劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，體現(xiàn)了技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。通過(guò)近年來(lái)在演播劇場(chǎng)成功舉辦的一系列大型綜藝演出實(shí)踐，充分驗(yàn)證了舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，也驗(yàn)證了控制技術(shù)的先進(jìn)性和系統(tǒng)的開(kāi)放性，其關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在舞臺(tái)魔幻般的場(chǎng)景變化和觀眾的喝彩聲中得到了完美體現(xiàn)。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不斷出現(xiàn)。相信，我國(guó)的劇場(chǎng)演藝設(shè)備以及舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)，在總結(jié)前人創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)和成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將會(huì)得到更好的提高和發(fā)展。

程方，安徽廣播電視臺(tái)服務(wù)中心副主任，高級(jí)工程師。杜志強(qiáng)，安徽廣播電視臺(tái)服務(wù)中心工程師。

（編輯 薛云霞）

Design of Stage Machinery Control System about the Anhui Radio and Television Studio New Center Theater

CHENG Fang, DU Zhi-qiang
(Anhui Television Service Center, Hefei Anhui 230071, China)

The author describes the design of stage machinery control system about the Anhui radio and television studio 3 600 m2new center theater. The system uses multiple data segments addressing technology, on-demand scanning algorithm, and side of the car frame synchronous relay technology, giving full consideration to the needs of studio art and diversity and unique. The control technology is flexible, safe and reliable.

Anhui radio and television studio new center; mechanical control; system design; multiple data segments addressed; side of the car frame synchronous relay

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.04.008