編者按：澳門回歸祖國20周年文藝晚會以舞美、燈光、音響、視頻等多種舞臺技術(shù)手段，呈現(xiàn)出恢弘壯麗的舞臺效果，展現(xiàn)了澳門自回歸以來的斐然成就。本期特設(shè)“慶祝澳門回歸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演出中的應(yīng)用——以慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會為例》
1 引言
2019年12月19日，“慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會”在澳門東亞運(yùn)動會體育館舉行。整個(gè)演出在體育館臨時(shí)搭建平臺，所有舞臺機(jī)械設(shè)備、燈光、音視頻設(shè)備均按照通常流動演出的方式使用。
本次晚會主題為“濠江情 中國心”�！段液臀业淖鎳贰镀咦又琛返冉�(jīng)典歌曲抒發(fā)愛國愛澳的無限深情，多媒體情景講述《光陰的故事》，以獨(dú)特視角表現(xiàn)澳門回歸祖國20年來的輝煌成就。剛毅雄健的功夫表演《濠江雄風(fēng)》、慷慨激昂的經(jīng)典詩詞朗誦《少年中國說》，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)了澳門同胞對習(xí)近平主席的愛戴之情。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、共同逐夢的美好愿景。
演出過程中，舞臺機(jī)械比較出彩的設(shè)備為移動透明屏（俗稱“冰屏”）和開場蓮花（圖1）。15塊獨(dú)立的冰屏組成3組大屏，播放著澳門回歸祖國20年來取得的輝煌成就。11片金蓮花瓣，則作為特殊序幕拉開整個(gè)演出的序幕。
2 硬件系統(tǒng)
2.1 概述
演出過程中的舞臺機(jī)械主要有兩種結(jié)構(gòu)。一種為開場蓮花，開場蓮花由22臺吊機(jī)吊掛11片蓮花花瓣。上場口布置12臺吊機(jī)和一個(gè)車載，下場口布置10臺吊機(jī)和一個(gè)車載。每片花瓣由2臺吊機(jī)控制，通過控制吊機(jī)的速度差和運(yùn)行過程中速度不斷變化，實(shí)現(xiàn)蓮花花瓣在展開的過程呈現(xiàn)隨風(fēng)飄蕩的感覺。
另一種機(jī)械機(jī)構(gòu)由15塊冰屏組成，冰屏共由30臺數(shù)控葫蘆吊掛。每塊冰屏由2臺數(shù)控葫蘆吊掛，通過安全編組實(shí)現(xiàn)兩臺數(shù)控葫蘆位置偏差超限或者其中一臺故障，兩臺數(shù)控葫蘆都能安全停止來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普通以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，管理層和執(zhí)行層之間通過工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。
操作層由兩個(gè)主控臺組成，兩個(gè)主控臺互為備份，可實(shí)現(xiàn)在一臺故障的情況下切換到第二臺進(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)動端，一方面接收來自操作層的指令，并通過實(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)動單元。同時(shí)，管理層實(shí)時(shí)接收來自驅(qū)動單元反饋的設(shè)備狀態(tài)信息，如位置、速度、載荷、外部開關(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)動單元構(gòu)成，每個(gè)驅(qū)動單元包含軸控制器、變頻器、制動電阻等子單元。驅(qū)動單位接收管理層的控制命令，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的運(yùn)動指令，驅(qū)動變頻器進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。
2.2 驅(qū)動單元
驅(qū)動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)動單元使用的方便性，驅(qū)動單元具備如下特性。
控制方式：分為本地控制和遠(yuǎn)程控制。本地控制模式下，可通過本地面板自帶的按鍵進(jìn)行本地驅(qū)動參數(shù)設(shè)置和試運(yùn)行。遠(yuǎn)程控制模式下，則通過自帶的實(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)動單元在流動演出中使用，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、制動線、雙編碼器線、限位開關(guān)信號線等）、載荷傳感器接口。 高度集成：驅(qū)動單元包含控制單個(gè)電機(jī)常用的所有組成部件，如軸控制器、變頻器、制動電阻、空開、接觸器、安全回路、制動回路等。
圖4為驅(qū)動單元內(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輸入輸出通路。為了方便使用，通信和動力接口均采用包含輸入輸出的設(shè)計(jì)，可根據(jù)現(xiàn)場實(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，一路絕對值編碼器輸入，增量編碼器信號同時(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
在此類搭臺演出中，軸控制器相比傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)更為方便。對于流動演出行業(yè)，需要舞臺機(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)備帶到活動現(xiàn)場。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)總控和操作臺進(jìn)行控制。但是，此類應(yīng)用對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)備的編組來操控，或者多個(gè)設(shè)備間存在安全互鎖等使用情況，均無法很好地滿足要求，不僅需要攜帶大量的設(shè)備，還會帶來操控方式的不便。
演出專用軸控制器常應(yīng)用于舞臺設(shè)備提升和移動設(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發(fā)�？刂破骷砂踩δ�，避免非故意的危險(xiǎn)動作，對限位、超載、欠載、松繩、亂繩等進(jìn)行安全監(jiān)測輸入，并能確定變頻器安全運(yùn)行啟動，同時(shí)確保設(shè)備在安全運(yùn)行范圍，及時(shí)監(jiān)測出設(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)故障被檢測到時(shí)，為了阻止危險(xiǎn)，故障反應(yīng)功能啟動，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)，對安全相關(guān)信號進(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），接入信號如限位信號、超程信號、松繩信號、亂繩信號、急停、過載信號、欠載信號、抱閘反饋信號、變頻器正常信號、主接觸器狀態(tài)等反饋信號，所有點(diǎn)位都可以靈活配置。 電機(jī)制動控制為雙冗余控制，每個(gè)CPU控制一個(gè)安全失效繼電器輸出回路，釋放時(shí)，制動器將制動。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)，每路都提供制動器有效性信號反饋檢查，接入失效安全數(shù)字量輸入通道。 位置信號通過雙編碼器輸入，支持1路增量式編碼器+1路絕對值編碼器或者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)信號通道以及電源都有監(jiān)控電路反饋狀態(tài)。 變頻器通過模擬量給定控制變頻器轉(zhuǎn)速，并通過模擬量反饋來監(jiān)控變頻器執(zhí)行情況。其中，模擬量信號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
本次晚會中，蓮花在開場過程中需要做花瓣打開和飄揚(yáng)的動作，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)動單元多達(dá)60臺。對于60多個(gè)設(shè)備的短期快速編程也是一個(gè)難點(diǎn)。
對于編程而言，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，用于簡化系統(tǒng)編程和操控。
（1）項(xiàng)目管理
項(xiàng)目管理是針對一場演出活動進(jìn)行特定設(shè)備配置的過程。在系統(tǒng)配置的操作臺軟件中，可針對設(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)備地址碼的對應(yīng)關(guān)系，每個(gè)設(shè)備對應(yīng)的物理參數(shù)（最大速度、位置、加減速等）等（圖6）。針對這類信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，在不同的活動中，可將不同數(shù)量和不同功率的驅(qū)動單元進(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象的編程方式（圖7）。在演出過程中，每塊冰屏和每個(gè)蓮花花瓣都是由兩臺電機(jī)驅(qū)動。在這類驅(qū)動方式下，需要考慮安全和快速編程的能力，安全主要是針對多個(gè)電機(jī)驅(qū)動一個(gè)物體的情況，其中一個(gè)驅(qū)動出現(xiàn)故障，需要快速停止同一編組中的其他驅(qū)動單元�？焖倬幊虅t可針對編組中的設(shè)備作為統(tǒng)一編程，不僅可針對物體進(jìn)行統(tǒng)一升降或平移的編程，還可以針對其他運(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時(shí)間和動作序列結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，通過時(shí)間來完成時(shí)間點(diǎn)的卡位，通過動作序列來實(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)前動作后，需要馬上執(zhí)行下一個(gè)動作，最好的方式是通過序列編程，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)間的編程又會變得簡單。
（4）DMX觸發(fā)
在實(shí)際活動中，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觸發(fā)運(yùn)行。本次晚會中配置的主控系統(tǒng)即可接入燈光控制臺進(jìn)行統(tǒng)一觸發(fā)，燈光控制臺在收到中控命令后，可對機(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)
軸控制器用于流動演出舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)，是近年來行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志之一。慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會對于舞臺機(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舞臺機(jī)械中的應(yīng)用，達(dá)到系統(tǒng)要求，圓滿完成晚會任務(wù)。
選自《演藝科技》2020年第1-2期 侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛《軸控制器在大型流動演出中的應(yīng)用——以慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會為例》，轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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