国家大剧院戏剧场舞台机械设备控制操作系统简评.pdf

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1、舞台叠4 口国家大层叫院又l 层殂场栅桩设备控制操作系统简评秦晓明(国家大剧院舞台技术部，北京1 0 0 0 3 1)【摘要】简要介绍、分析国家大剧院戏剧场舞台机械控制系统的构成、特点和设计思想。【关键词】国家大剧院；戏剧场；舞台机械；电气控制系统；轴控制器；S Y B 2 0 0 0；可编程控制器T h eS t a g eM a c h i n e r yC o n t r o lS y s t e mo ft h eD r a m aH a l lo ft h eN a t i o n a lG r a n dT h e a t e rQ i nX i a o m i n g(S t a

2、 g eT e c h n o l o g yD e p a r t m e n t，T h eN a t i o n a lC e n t e rf o rP e r f o r m i n gA r t s，B e i j i n g10 0 0 31，C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r e，c h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g np r i n c i p l e so f t h es t

3、 a g em a c h i n e r yc o n t r o ls y s t e mu s e di nt h ed F a n l a1 1 a no f t h eN a t i o n a lG r a n dT h e a t e r K e yW o r d s N a t i o n a lG r a n dT h e a t e r；d r a m ah a l l；s t a g em a c h i n a r y；e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m；s h a f tc o n t r o l l e r；S Y B 2

4、 0 0 0；P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r国家大剧院戏剧场是主要供戏曲包括京剧和各种地方戏曲、话剧及民族歌舞使用的剧场。观众厅设有池座一层和楼座三层，共有观众席10 3 8 个(包括乐池4 4 个和舞刽申出台3 5 个坐席)。4 0国家大剧院戏剧场的机械设备是由德国s B s 舞台工程技术有限公司研发、加工制造的，而其电气控制设备是由博世一力士乐公司设计生产的。1 精简的结构表现住合理的系统配置戏剧场的电气控制系统设计特点非常独特，设计理念完全由剧目演出出发，精简的结构，人性化的操控，万方数据让本来就已经是精品的组合更加

5、深得人心。从整个系统来看，所有的设备均集中管理维护，组成了一个人机交互式系统，按其功能可分为执行层和控制层。2 执：f 亍层低频参与演 f 的设备分散控制剧场机械设备电气控制独具特色的没计是：把不是频繁参与演出的设备从人机交互式集中控制系统内独立出来，变成就地单独控制，每个设备拥有独立的操作盘。比如假台口上片及侧片，防火幕，还有后舞台吊杆，当需要与系统进行互锁控制时则采用电气开关信号互相制约；又如可动天棚，在正常演出中几乎不需要调整，则独立采用西门子可编程序控制器控制，运行中低速运行，不设计精确定位，采用高可靠性极限位停车技术。这种思路减少了人力物力投入，而且运行可靠，同时又不占用人机交互式集

6、中控制系统的总线带宽，使得那些频繁参与演出用的设备有了更加通畅的通讯环境。当然，这里说的分散控制设备主要是指其在操作层上是独立演出场馆建设B u i l d i n 9o fE n t e r t a i n m e n tS t a d i u m的，而在设备的电源系统中是集中供电的，惟一例外的就是防火幕，原因是要满足消防要求，但在这里也将其列入舞台分散控制设备类进行描述，如图1 所示。3 执行层高频参I 孑演H j 的没备集I-摔制在剧场中，电动吊杆、单点吊机、转台、升降台块是在节目准备及演出中高频应用的设备，主要用来使舞台设计和布景具有一种强烈的刺激感，让想象和现实场景在视觉上更具冲击性

7、，让剧本中的思想在演出中更直接地引导观众的情绪，让演出更加丰富、更加圆满。这些设备由S Y B 2 0 0 0 操作系统控制，组成一个人机交互式集中控制系统，它独有M R 一1 0 实时通讯网络，网络传输速率为l OM b p s，该系统的操作层和控制层划分地非常明显。操作层内的E P 或E A P 柜，均设有M R l 0 星形总线集线器，编程计算机R C，状态计算机s M，以及组成主操作台、移动式操作盘的操作盘S C、垂吊式操作盘C P 等，就是通过这些设备连接在一起构成操作层。控制层主要表现为E A柜，也有E A P 柜，同样设有M R l 0 星形总线，B L E 轴计算机，驱动器控制

8、接口如B V H 板及变频器，共同组成控制动作与反馈终端。无论是操作层还是控制层均按欧州D I NV19 2 5 0C L A S S5标准执行，采用双网同时在线制工作方式，不仅仅是冗余设计，而且是双C P U 硬件冗余，是数据的高精确对比的工作方式，所以，它对计算机技术要求更高，可靠性也更高。同一时间有数个处理器监视网络中的数据流，一旦出现故障，相应的运动立即被终止，进入紧急停车状态。图2 为该系统说明。操作层网络中由编程计算机、状态计算机S M、移动式全功能操作台S C、便携式手动功能操作台C P 组成。编程计算机、状态计算机设置在控制室，作为舞台机械组工程师站，工程师在这里进行远程登录、

9、系统维护、编辑和修改演出动作程序，而其他操作台则分布在控制室及剧场各个便于操作的工位。一个操作台出现故障时，其他操作台仍能保持全功能运行。4 1 万方数据N o 3 2 0 0 9A c c u m u l a t e dN o3 6E N T E R T AIN M E N TT E C H N O L O G Y4 执行层人性化操控表现任高品质的操作台移动式操作台S C 的安装方式有壁装式、天桥轨道式和舞台推车式，可移动1 5m，供操作人员在设备附近或能够观察到设备大部分运动过程的地方进行操作，具有可通过软件的授权进行权限设定，防止非操作人员误操作，充分满足了装台、排练、演出等各种控制与操

10、作要求。S C 操作盘可同时在网上以分散和独立的方式有效地操作1 6 个“多主机”，可根据同时间S C 操作盘启动的数量来增加所需的更多的机械设备。例如，当需要4 5 个电动吊杆同时工作时，可以启动3 个S C操作盘，每个盘上面控制l5 个吊杆即可；或者说，如果同时还要分散启动其他设备，只需增加启动S C 操作盘的数量即可。图3 为S C 操作盘界面。S C 操作盘有三种工作模式：(1)设置模式：小范围设定，直接在面板上设定一些上下限值，手动推拉操作杆就能在限定值内任意移动设备；(2)参数模式：可以通过设定运行时间，设备自动计算速度进行动作；4 2(3)编程模式：可通过S C 操作盘编辑一个程

11、序，完成设定的场景顺序变化，或增减场景变化。每台移动式全功能操作台均为可触摸操控方式，所有设备分布图按地形实际位置排列在操作界面上，筒单直观，能让操作人员迅速找到相应的设备。每个操控对象的属性设定值集中平铺在易于操作的方位，同时也可以查看所选设备的条形图，这个图形象地描绘出了设备静态及动态时速度、位移大小及运动方向，随时调整任意参数。操作面板上同时配有操作手柄，手动时可以改变选中设备的运行方向和速度，自动时可以改变程序默认的速度，方便操控人员及时针对现场设备人员情况做出加减速反应。人性化设计更体现在自动运行方面。在剧目排练过程中，导演经常根据剧情发展做出改变，这就要求剧场的设备能够快速地在尽可

12、能节省时间的情况下返回到上一个场景，也许目前这个程序只进行了一半，也许其中哪一个景物不需要，也许哪一个景物要调整位置，而戏剧场的操作台就可以更好地完成任务，想更改哪一个设备哪一个参数，只需在界面上点几下即可；要返到上一个场景，只需走一个相反的程序，也就是换一个相应按钮，瞬间即可完成。这样的工况已经广泛得到广大剧团的赞赏，本来由于机械的原因要眈误时间的问题，现在轻易就解决了，所以，在别的地方可能要排练丽天的戏在这里排练也许只要一天的时间，大大提高了艺术创造的效率，让剧团在这里能够用更多时间去提高艺术表演水平。5 执行层集中控制表现为多网共存的特色控制整个系统以M R-1 0 网络为主，以T C

13、P-I P 网络为辅，而整个舞台设备系统是由R S 4 8 5 网络组建在一起的。R S 4 8 5 网络承担的功能是在M R-1 0 网络指定区域传输程序；同时，实时传送保障B L E 正常工作所必须的指令，比如说设备电源供电和设备故障判断，以及设备应急操作；并且，通过R S 4 8 5 网络组成了架构于以西门子工控网络为基础的维护网络。R S 4 8 5 网络中应用最多的就是西门子工控设备，由3 台S 7 3 0 0 系列可编程控制器和众多P R O F I B U S 智能模块组成，这个网络 万方数据完成了液压站动力支持、所有设备电源管理、分散控制设备的数据处理，科技含量突出，这一层网络

14、设备的可靠性直接影响整个系统完整性，其与M R-1 0 网络相辅相成，缺一不可。具体如图4 所示。6 控制层控制层中，最重要的基本组成设备就是轴控制器B L E 和变频器。B L E从数据网上接收拟行的功能、运行速度、目标位置等信息和控制指令，当设备运行时可以向S C 操作盘提供准确的速度、位置、状态等数据显示。B L E 是按双通道结构工作的，每台B L E 包含两个轴计算机，具有4 个轴的控制接口，即4 套机械设备的执行器、传感器同时由两台计算机处理。当一台机械设备出现错误，驱动装置均切换到安全模式，系统的安全标准符合D I NVV D E 0 8 0 1、D I NV1 9 2 5 0C

15、 L A s S5 要求，有很好的互换性，同时具有过电压保护和E M C 设计。基于安全性能、驱动方式考虑，B L E 分为液压型和电动型。液压型B L E 为升降台和升降块提供运行指令，电动型B L E 为除了升降台和升降块的其他推拉升降设备提供运行指令，主要用于变频器的控制。剧场内电动型B L E 控制的机械设备均采用变频技术驱动电机，这里选用的变频器均为矢量控制的变频器。所谓矢量控制，最通俗地讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。矢量控制与速度传感器配合，具有更高

16、的速度控制精度。这里的每一台电机配备一台变频器，变频器与电机之间是一对一的关系，主电路及控制电路简单，利于维护，不会出现一台设备的控制电路或主电路发生故障而影响其他同时参加演出的设备的情况。变频器内实现速度闭环控制，主控制系统监控速度信号，并进行速度设定，轴控制器监控设备位置，主控制系统对设备进行全行程内任意定位并有连续位置显示。当实际速度与设定速度出现2 0 的偏差时，起动速度偏差保护。超程保护通过硬件线路接人紧急停机系统，并具有超程保护反方向复位功能。电动机内置测温元件实现电动机的热保护，负载传感器实现过载保护，变频器内实现过力矩保护。演出场馆建设B u i l d i n go f n

17、l e r i a i n m e n lS t a d i u m7 控制系统易 I 现的I i l J 题整套系统的人性化设计给日常使用与维护提供了最大程度的便利，每个设备均是模块化设计，查找故障非常方便。当然，也存在一些问题，比如，轴控制器是厂家专利产品，硬件与软件不具备市场化更换因素，对厂家的依赖程度极高。另外，高可靠性是建立在高精度数据对比基础之上，如果通讯上有任何干扰，就会产生不可测量、不可重复的错误，不容易直观查出问题所在，这就对布线、空间设施、电源系统、接地系统提出了较高的要求，也就是在日常应用及维护中，要从更高层面去保证通讯环境的清洁与畅通。8 结束语计算机技术发展迅速，在舞

18、台设备机械设备控制系统中，软件需要与硬件配合才能发挥出最佳效果，在未来较长一段时期应用与维护工作中，每一次小故障的出现都有可能导致系统的不稳定。所以，电子器件的稳定性及通用性，是未来设备维护的重点研究方向，高可靠性的产品更需要高可靠性的技术支持，这不仅仅是用户的责任，更对设备研发人员提出了更高的要求。国家大剧院是世界领先的剧院之一，拥有先进的舞台设备，控制系统整体设计思路新颖、实用，设备的选择与其搭配恰如其分，在实际运行中表现良好，为完成优秀剧目的演出奠定了坚实的基础。躏(编辑潘浪)4 3 万方数据国家大剧院戏剧场舞台机械设备控制操作系统简评国家大剧院戏剧场舞台机械设备控制操作系统简评作者：秦晓明，Qin Xiao-ming作者单位：国家大剧院,舞台技术部,北京,100031刊名：演艺设备与科技英文刊名：ENTERTAINMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：2009(3)本文链接：http:/