“夢(mèng)回巴國(guó)”舞臺(tái)機(jī)械電氣控制系統(tǒng)

宗井彬，劉文月，霍景然

（1.北京星凱達(dá)舞臺(tái)技術(shù)有限公司，北京 100162；2.北京長(zhǎng)征天民高科技有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著我國(guó)全面加快社會(huì)主義精神文明建設(shè)步伐，文化建設(shè)得到快速發(fā)展，并促使大眾對(duì)舞臺(tái)藝術(shù)的呈現(xiàn)效果提出更高的要求。近年來(lái)，隨著工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，通過工控機(jī)、HMI和PLC的合理設(shè)計(jì)，極大地提高了舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的性能，降低了舞臺(tái)控制系統(tǒng)的開發(fā)及控制難度，減少了開發(fā)時(shí)間，降低技術(shù)成本投入，使舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，同時(shí)確保舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、易操作性，為我國(guó)舞臺(tái)技術(shù)的發(fā)展提供可靠的參考[1-2]。

宣漢縣是國(guó)家級(jí)貧困縣，貧困人口20.94萬(wàn)，是四川省貧困人口最多的縣，在達(dá)州市委政府的大力支持下，大力發(fā)展旅游業(yè)，綠水青山就是金山銀山，以文旅扶貧，如今的巴山大峽谷已經(jīng)是國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)，“夢(mèng)回巴國(guó)”劇場(chǎng)位于巴山大峽谷景區(qū)內(nèi)，是一座現(xiàn)代化的旅游定制秀場(chǎng)劇場(chǎng)，占地面積約5 萬(wàn)m2，其中建筑占地面積約9000 m2，廣場(chǎng)及景觀占地約4.1 萬(wàn)m2。巴山大峽谷也將隨著“夢(mèng)回巴國(guó)”的演出啟動(dòng)，把鄉(xiāng)村旅游推向多元化成長(zhǎng)，為旅客們奉獻(xiàn)一套精彩的文化盛宴，打造“游巴山、親巴水、交巴人、夢(mèng)回巴國(guó)”的中國(guó)巴文化高地?！皦?mèng)回巴國(guó)”劇目由著名導(dǎo)演哈文及其團(tuán)隊(duì)打造設(shè)計(jì)，目的是讓世界了解巴文化、知道巴文化，其演出場(chǎng)景圖如圖1所示。

圖1 夢(mèng)回巴國(guó)演出現(xiàn)圖

1 劇場(chǎng)機(jī)械組成部分

1.1 觀眾席區(qū)機(jī)械設(shè)備

觀眾席區(qū)舞臺(tái)機(jī)械是由9組升降臺(tái)組成，其設(shè)備清單如表1所示。升降臺(tái)有3個(gè)停點(diǎn)位，分別在觀眾席一、二、三層入場(chǎng)口。觀眾進(jìn)入劇場(chǎng)后，隨著演出情節(jié)的發(fā)展，使觀眾置身于整個(gè)演出之中，增加觀眾的參與感；同時(shí)觀眾席的機(jī)械升降臺(tái)組同步運(yùn)行，能夠給視覺及觀演實(shí)時(shí)改變，增加舞臺(tái)視覺效果和獨(dú)特演出體驗(yàn)；每個(gè)升降臺(tái)有4個(gè)插銷，在演出結(jié)束后，升降臺(tái)回到初始位置，插銷插入，防止升降臺(tái)意外墜落，增強(qiáng)升降臺(tái)的安全性；每組升降臺(tái)組單獨(dú)配有備用電動(dòng)機(jī)，當(dāng)控制系統(tǒng)切換到本地模式，手動(dòng)控制升降臺(tái)啟動(dòng)，供緊急情況和維修維保[3]。劇場(chǎng)機(jī)械設(shè)備布置圖如圖2所示。

表1 觀眾席區(qū)設(shè)備清單及技術(shù)參數(shù)

圖2 劇場(chǎng)機(jī)械設(shè)備布置圖

1.2 舞臺(tái)區(qū)機(jī)械設(shè)備

1.2.1 舞臺(tái)區(qū)臺(tái)下機(jī)械設(shè)備

臺(tái)下機(jī)械設(shè)備包括臺(tái)唇升降臺(tái)、前升降臺(tái)、4組側(cè)升降臺(tái)、圓形升降旋轉(zhuǎn)傾斜升降臺(tái)、大布景升降臺(tái)，其設(shè)備清單如表2所示。

表2 舞臺(tái)區(qū)臺(tái)下設(shè)備清單及技術(shù)參數(shù)

臺(tái)唇升降臺(tái)是距離觀眾席最近的臺(tái)下機(jī)械結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)不僅可以運(yùn)輸?shù)谰吆脱輪T，還可以將鏡框式舞臺(tái)進(jìn)行畫面分割，呈現(xiàn)出不同比例的畫面，演員獲得更多的表演空間。

前升降臺(tái)位于舞臺(tái)建筑臺(tái)口內(nèi)側(cè)的上方，演出時(shí)可以升降。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成中空通道，為演出和演員提供不同空間高度的表演區(qū)域，同時(shí)又可以結(jié)合其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，將整個(gè)鏡框式舞臺(tái)進(jìn)行畫面分割，并且使舞臺(tái)具有縱深空間的延伸效果。

側(cè)升降臺(tái)組由4臺(tái)升降臺(tái)組成，能夠獨(dú)立運(yùn)行，設(shè)計(jì)安裝在圓形臺(tái)左右兩側(cè)，在完成演員和布景切換的同時(shí)，還可以配合主升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而使得演出畫面和演員調(diào)度更加豐富，當(dāng)4套升降臺(tái)組處在不同的高度，使舞臺(tái)形成不同的階梯造型。

圓形升降旋轉(zhuǎn)傾斜臺(tái)設(shè)計(jì)安裝在舞臺(tái)上主要的表演區(qū)域，是演出劇情發(fā)展及觀眾視點(diǎn)主要聚焦區(qū)。升降功能可以滿足演員及道具的專場(chǎng)切換；旋轉(zhuǎn)功能生動(dòng)的展現(xiàn)舞臺(tái)演出的動(dòng)態(tài)美感，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作可以打破單一垂直升降臺(tái)的視覺效果，從而豐富觀眾的視覺感受；傾斜臺(tái)在旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，賦予了主升降臺(tái)新的功能和活力，觀眾視覺畫面不再單一停留于井字分割和縱深運(yùn)行。

大布景升降臺(tái)設(shè)計(jì)安裝在舞臺(tái)后區(qū)，中間有1個(gè)停點(diǎn)位，主要功能是切換大型道具及演員串場(chǎng)調(diào)度，使大型道具及演員快速切換。

1.2.2 舞臺(tái)區(qū)臺(tái)上機(jī)械設(shè)備

臺(tái)上機(jī)械設(shè)備由64套電動(dòng)吊桿、電動(dòng)燈桿和側(cè)燈光吊排組成，其設(shè)備清單如表3所示。電動(dòng)吊桿和電動(dòng)燈桿不僅能單獨(dú)運(yùn)行，還能多臺(tái)編組運(yùn)行，用于吊掛景物、燈架；側(cè)燈光吊桿用于吊掛燈具。電動(dòng)吊桿和電動(dòng)燈桿布滿在舞臺(tái)區(qū)上空，每道間距約400～500 mm，承載400～1500 kg, 電動(dòng)吊桿最大速度為0.8 m/s，電動(dòng)燈桿最大速度為0.2 m/s。

表3 舞臺(tái)區(qū)臺(tái)上設(shè)備清單及技術(shù)參數(shù)

2 舞臺(tái)系統(tǒng)

2.1 舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

舞臺(tái)區(qū)控制系統(tǒng)與觀眾席區(qū)控制系統(tǒng)相似，分別是兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，而舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)更復(fù)雜，所以本文只做舞臺(tái)區(qū)控制系統(tǒng)介紹。舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由服務(wù)器、操作臺(tái)、研華交換機(jī)、倍福PLC、MOXA無(wú)線AP收發(fā)器、光纖收發(fā)器、CT變頻器組成，上位機(jī)與PLC通過以太網(wǎng)通信，PLC與變頻器、變頻器與變頻器采用EtherCAT通信，圓形臺(tái)的旋轉(zhuǎn)傾斜的PLC通過無(wú)線AP收發(fā)器與臺(tái)下PLC通信，臺(tái)上左右側(cè)PLC通過光纖通信。上位機(jī)由工控機(jī)、觸摸屏組成[4]。其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 舞臺(tái)區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

2.2 舞臺(tái)區(qū)控制系統(tǒng)

舞臺(tái)區(qū)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、交換機(jī)、倍福PLC、無(wú)線AP收發(fā)器、光纖收發(fā)器、CT變頻器、三相變頻器電動(dòng)機(jī)、ELCO編碼器、上下限位開關(guān)、上下極限位開關(guān)、防剪切檢測(cè)開關(guān)等組成，上位機(jī)由工控機(jī)、觸摸屏組成。雙臺(tái)上位機(jī)互為冗余控制系統(tǒng)，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；UPS電源防止劇場(chǎng)突然斷電，可以進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的保護(hù)；舞臺(tái)區(qū)的操作臺(tái)、升降臺(tái)、電動(dòng)吊桿、電動(dòng)燈桿配有急停按鈕，急停按鈕信號(hào)串聯(lián)在一起，防止意外發(fā)生。由于圓形臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和傾斜控制電纜較多，采用無(wú)線通信，既減少了工程量，又節(jié)省了施工空間[5]。其控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 舞臺(tái)區(qū)控制系統(tǒng)圖

3 舞臺(tái)控制軟件

3.1 PLC控制程序

PLC程序是在TwinCAT 2環(huán)境開發(fā)的，PLC程序采用功能模塊化程序設(shè)計(jì)，PLC程序由通信模塊、設(shè)備控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、異常處理模塊、設(shè)備保護(hù)模塊等組成[6]。當(dāng)上位機(jī)軟件啟動(dòng)時(shí)，首先應(yīng)與PLC建立通信鏈接。首先上位機(jī)與PLC通信的參數(shù)表，獲取PLC的IP地址，并與PLC建立鏈接，鏈接建立成功后，在程序運(yùn)行期間，每一循環(huán)周期（100 ms），HMI軟件去PLC的數(shù)據(jù)塊讀寫一次。上位機(jī)軟件讀取PLC的數(shù)據(jù)：軸的當(dāng)前位置、速度、狀態(tài)、工作模式（單控、集控、本地/遠(yuǎn)程控制）、接收通信標(biāo)志、發(fā)送通信標(biāo)志。上位機(jī)傳送給PLC的數(shù)據(jù)：軸的設(shè)定位置、設(shè)定位置、延遲時(shí)間、系統(tǒng)是否允許標(biāo)志及通信標(biāo)志位。其控制流程如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)流程圖

3.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)

上位機(jī)操作系統(tǒng)是基于Microsoft Windows 7系統(tǒng)，采用Visual Studio軟件開發(fā)的，采用了Windows中標(biāo)準(zhǔn)的窗口空間，如對(duì)話框（Dialog）、文本輸入框（Textbox）、列表框（List）、按鈕（Button）、單選按鈕（Radio Button）、多選按鈕（Checkbox）、鍵（Key）等。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，具有設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、編組、場(chǎng)景設(shè)置/圖形數(shù)字動(dòng)態(tài)顯示、屏幕菜單操作、自動(dòng)記憶、故障診斷、故障處理提示等功能。操作權(quán)限分管理員、操作員等不同權(quán)限，由系統(tǒng)管理員進(jìn)行分配。上位機(jī)組態(tài)軟件功能如圖6所示。

圖6 上位機(jī)功能框圖

3.2.1 上位機(jī)操作界面

當(dāng)軟件啟動(dòng)后，會(huì)彈出用戶登錄窗口。StageAPP設(shè)置4級(jí)權(quán)限，分別通過4個(gè)用戶名來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，權(quán)限級(jí)別越高，擁有的功能就越多。在用戶登錄的過程中，StageAPP會(huì)在后臺(tái)主動(dòng)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)同步成功后，StageAPP會(huì)提示數(shù)據(jù)同步成功，確保系統(tǒng)的安全可靠性。系統(tǒng)登錄成功后，直接進(jìn)入操作主界面，主界面分為8個(gè)區(qū)域，分別是標(biāo)題欄、功能按鈕、設(shè)備監(jiān)控區(qū)、操作區(qū)、信息提示欄、狀態(tài)欄、功能菜單區(qū)、系統(tǒng)按鈕區(qū)，如圖7所示。

圖7 上位機(jī)主操作界面圖

標(biāo)題欄顯示OEM廠家信息、本機(jī)軟件的名稱和系統(tǒng)時(shí)間；功能按鈕包含設(shè)備的操作、狀態(tài)的顯示和系統(tǒng)狀態(tài)的顯示；設(shè)備監(jiān)控區(qū)用于顯示舞臺(tái)設(shè)備64個(gè)操作與監(jiān)控通道，分兩頁(yè)顯示，每頁(yè)32個(gè)操作與監(jiān)控通道；操作區(qū)用于設(shè)備、劇目選擇的相關(guān)界面；信息提示欄顯示軟件當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和用戶的操作信息；狀態(tài)欄顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)（系統(tǒng)狀態(tài)是否正常）、顯示用戶屬性（管理員、普通用戶）和用戶名稱、軟件工作模式（裝臺(tái)模式、演出模式、監(jiān)控模式）；功能菜單按鈕用于劇目管理、設(shè)置配置、系統(tǒng)選項(xiàng)；系統(tǒng)按鈕區(qū)用于StageApp的工作模式選擇。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL8.0開發(fā)，根據(jù)功能把數(shù)據(jù)庫(kù)分為用戶表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)表、操作記錄、系統(tǒng)參數(shù)表、劇目表、故障記錄表、設(shè)備地址等[7]，數(shù)據(jù)庫(kù)如圖8所示。

圖8 StageAPP數(shù)據(jù)庫(kù)

用戶表負(fù)責(zé)賬號(hào)管理，主要記錄用戶登錄、操作人員身份識(shí)別及權(quán)限驗(yàn)證等功能；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，包括升降臺(tái)和吊桿的位置、速度等數(shù)據(jù)；操作記錄表記錄工作人員對(duì)系統(tǒng)的操作，包括用戶名、登錄時(shí)間及操作名稱；系統(tǒng)參數(shù)表存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置信息，包括系統(tǒng)更新時(shí)間、上下軟限位的位置等；劇目表存儲(chǔ)舞臺(tái)劇目，可以復(fù)制粘貼相似劇目或場(chǎng)景，減輕了舞臺(tái)工作組人員的工作量；故障記錄表存儲(chǔ)設(shè)備報(bào)警、異常、故障信息及其發(fā)生的時(shí)間；設(shè)備地址表存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及總線系統(tǒng)中的設(shè)備通信IP地址及通信配置文件。

4 結(jié)語(yǔ)

“夢(mèng)回巴國(guó)”劇場(chǎng)是專門為“夢(mèng)回巴國(guó)”劇目量身設(shè)計(jì)打造的，是一場(chǎng)立足于古老巴國(guó)文化，展現(xiàn)從古至今磅礴壯美的自然景象、底蘊(yùn)深厚的歷史文化、豐富多彩的人文風(fēng)情和傳承不息的巴人精神的大型劇目，讓世界了解巴文化，知道巴文化。在該項(xiàng)目中，將舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分采用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊設(shè)計(jì)，按照工程實(shí)際需要，將標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化、功能的靈活化。其硬件、軟件配置均達(dá)到國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的水平，可為目前國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)建設(shè)提供參考。