实操 | 轴控制器在大型流动演出中如何用？

　　澳门回归祖国20周年文艺晚会以舞美、灯光、音响、视频等多种舞台技术手段，呈现出恢弘壮丽的舞台效果，展现了澳门自回归以来的斐然成就。本期特设“庆祝澳门回归20周年专题”，分析轴控制器在大型演出中的应用，介绍演出中的演出音响系统的设计、实施。

　　今天为大家分享《轴控制器在大型流动演出中的应用——以庆祝澳门回归祖国20周年文艺晚会为例》

　　1 引言

　　2019年12月19日，“庆祝澳门回归祖国20周年文艺晚会”在澳门东亚运动会体育馆举行。整个演出在体育馆临时搭建平台，所有舞台机械设备、灯光、音视频设备均按照通常流动演出的方式使用。

　　本次晚会主题为“濠江情 中国心”。《我和我的祖国》《七子之歌》等经典歌曲抒发爱国爱澳的无限深情，多媒体情景讲述《光阴的故事》，以独特视角表现澳门回归祖国20年来的辉煌成就。刚毅雄健的功夫表演《濠江雄风》、慷慨激昂的经典诗词朗诵《少年中国说》，皆展现出自强不息的奋斗精神和中华优秀文化在澳门的传承弘扬。深具传统韵味的粤剧与南音表演，活力四射的现代舞和热情奔放的葡式土风舞，描绘出澳门中西文化荟萃交融的独特魅力。情景讲述《温馨一刻》，表达了澳门同胞对习近平主席的爱戴之情。歌曲《大湾区之美》《莲成一家》《乘风破浪再出发》等唱出心手相牵、共同逐梦的美好愿景。

　　演出过程中，舞台机械比较出彩的设备为移动透明屏(俗称“冰屏”)和开场莲花(图1)。15块独立的冰屏组成3组大屏，播放着澳门回归祖国20年来取得的辉煌成就。11片金莲花瓣，则作为特殊序幕拉开整个演出的序幕。

　　2 硬件系统

　　2.1

　　概述

　　演出过程中的舞台机械主要有两种结构。一种为开场莲花，开场莲花由22台吊机吊挂11片莲花花瓣。上场口布置12台吊机和一个车载，下场口布置10台吊机和一个车载。每片花瓣由2台吊机控制，通过控制吊机的速度差和运行过程中速度不断变化，实现莲花花瓣在展开的过程呈现随风飘荡的感觉。

　　另一种机械机构由15块冰屏组成，冰屏共由30台数控葫芦吊挂。每块冰屏由2台数控葫芦吊挂，通过安全编组实现两台数控葫芦位置偏差超限或者其中一台故障，两台数控葫芦都能安全停止来保证其吊挂的冰屏安全。

　　如图2所示，整个硬件系统采用分层设计的方式，分为操作层、管理层、执行层。操作层和管理层通过普通以太网进行互联，管理层和执行层之间通过工业实时以太网进行互联。

　　操作层由两个主控台组成，两个主控台互为备份，可实现在一台故障的情况下切换到第二台进行控制。

　　管理层主要是指主控单元和电源分配系统，主控单元用于协调多个操作终端和驱动端，一方面接收来自操作层的指令，并通过实时以太网将解析后的命令发送给执行层的驱动单元。同时，管理层实时接收来自驱动单元反馈的设备状态信息，如位置、速度、载荷、外部开关等信息，并反馈到操作层，使操作员方便掌握底层

　　设备的状态。

　　执行层主要是由一个个驱动单元构成，每个驱动单元包含轴控制器、变频器、制动电阻等子单元。驱动单位接收管理层的控制命令，转换成对应的运动指令，驱动变频器进而驱动电机运行。

　　2.2

　　驱动单元

　　驱动单元主要用于控制单个设备，外观如图3所示。为了驱动单元使用的方便性，驱动单元具备如下特性。

　　控制方式：分为本地控制和远程控制。本地控制模式下，可通过本地面板自带的按键进行本地驱动参数设置和试运行。远程控制模式下，则通过自带的实时工业以太网接收指令进行设备操作。

　　外部接口：为了方便驱动单元在流动演出中使用，所有接插件采用快速连接的接口方式，如基于工业以太网的通信接口，基于CE接口的电源供电方式，外置的空开和保险接口，单根连接到电机的重载连接器接口(重载连接器包含所有的电机线、制动线、双编码器线、限位开关信号线等)、载荷传感器接口。

　　高度集成：驱动单元包含控制单个电机常用的所有组成部件，如轴控制器、变频器、制动电阻、空开、接触器、安全回路、制动回路等。

　　图4为驱动单元内部框图。从图中可以看出，轴控制器的主要组成部分和主要信号输入输出通路。为了方便使用，通信和动力接口均采用包含输入输出的设计，可根据现场实际需要进行菊花链的连接方式，方便快速布置和使用。

　　驱动单元内部采用闭环设计，编码器可设计两路输入，一路增量编码器输入，一路绝对值编码器输入，增量编码器信号同时进入轴控制器和变频单元，可实现速度闭环和位置闭环。采用双闭环设计方式，单个设备的电控定位精度能达到0.1 mm。

　　2.3

　　轴控制器

　　在此类搭台演出中，轴控制器相比传统的PLC控制系统更为方便。对于流动演出行业，需要舞台机械设备达到类似灯光、音响设备“即插即用”的要求。灯光设备可以通过设置灯光的地址码，方便地并入整个灯光系统。传统方式采用PLC组态的机械控制系统，由于需要组态，一般需要软件人员到演出现场进行临时编程，或者把组态好的足够多的设备带到活动现场。而这种组态好的设备一般分为多个组，比如30个设备为一组，采用一个总控和操作台进行控制。但是，此类应用对于特殊要求有所不足，比如某个演出需要采用多个设备的编组来操控，或者多个设备间存在安全互锁等使用情况，均无法很好地满足要求，不仅需要携带大量的设备，还会带来操控方式的不便。

　　演出专用轴控制器常应用于舞台设备提升和移动设备，提供控制系统解决方案。尤其适合各种调速控制系统，按照用户设定规则约束，控制设备上升、下降和悬停。产品设计紧凑，接口丰富，方便安装，可供用户快速集成开发。控制器集成安全功能，避免非故意的危险动作，对限位、超载、欠载、松绳、乱绳等进行安全监测输入，并能确定变频器安全运行启动，同时确保设备在安全运行范围，及时监测出设备在安全运行范围内。当能导致安全功能丢失的危险故障被检测到时，为了阻止危险，故障反应功能启动，诊断和故障反应功能在给定的最大故障反应时间内执行，确保人身安全。

　　本次晚会中应用的轴控制器框图如图5所示，具有如下技术特点。

　　主控制器采用双CPU架构，对安全相关信号进行输入输出表决，有效降低安全失效风险。

　　控制器提供失效安全数字量输入(FSDI)，接入信号如限位信号、超程信号、松绳信号、乱绳信号、急停、过载信号、欠载信号、抱闸反馈信号、变频器正常信号、主接触器状态等反馈信号，所有点位都可以灵活配置。

　　电机制动控制为双冗余控制，每个CPU控制一个安全失效继电器输出回路，释放时，制动器将制动。继电器采用安全继电器输出，即强制导向性继电器，防止触点粘连导致控制失效。同时，每路都提供制动器有效性信号反馈检查，接入失效安全数字量输入通道。

　　位置信号通过双编码器输入，支持1路增量式编码器+1路绝对值编码器或者2路增量式编码器，分别送入CPU1和CPU2进行表决。同时，每个信号通道以及电源都有监控电路反馈状态。

　　变频器通过模拟量给定控制变频器转速，并通过模拟量反馈来监控变频器执行情况。其中，模拟量信号输出也带有输出诊断功能。

　　控制器提供本地显示面板。

　　3 软件

　　3.1

　　概述

　　本次晚会中，莲花在开场过程中需要做花瓣打开和飘扬的动作，而冰屏则需要在各种节目中配合节目形式完成不同的造型设置。

　　3.2

　　技术难点

　　整个节目使用的运动单元多达60台。对于60多个设备的短期快速编程也是一个难点。

　　对于编程而言，由于轴数量较多，并且需要配合演出做出各种造型，因此工作量较大。为了简化编程，系统引入项目管理、编组、时间序列混合编程、DMX触发等概念和方法，用于简化系统编程和操控。

　　(1)项目管理

　　项目管理是针对一场演出活动进行特定设备配置的过程。在系统配置的操作台软件中，可针对设备实际情况进行配置，包括设备使用的数量，设备地址码的对应关系，每个设备对应的物理参数(最大速度、位置、加减速等)等(图6)。针对这类信息进行统一管理，在不同的活动中，可将不同数量和不同功率的驱动单元进行统一管理和组合使用。

　　(2)编组

　　编组方式更像是一种基于对象的编程方式(图7)。在演出过程中，每块冰屏和每个莲花花瓣都是由两台电机驱动。在这类驱动方式下，需要考虑安全和快速编程的能力，安全主要是针对多个电机驱动一个物体的情况，其中一个驱动出现故障，需要快速停止同一编组中的其他驱动单元。快速编程则可针对编组中的设备作为统一编程，不仅可针对物体进行统一升降或平移的编程，还可以针对其他运行的自由度进行编程，比如沿X方向的倾斜或沿Y方向的倾斜。

　　(3)时间序列混合编程功能

　　时间序列混合编程功能主要通过时间和动作序列结合的方式实现，通过时间来完成时间点的卡位，通过动作序列来实现设备编程的连贯性。比如一个设备执行完当前动作后，需要马上执行下一个动作，最好的方式是通过序列编程，而一个设备需要在某个时间点进行特殊的动作，为了和其他设备的时间点进行配合，采用时间的编程又会变得简单。

　　(4)DMX触发

　　在实际活动中，为了将机械和灯光、音视频进行统一管理，机械设备装置支持外部信号触发运行。本次晚会中配置的主控系统即可接入灯光控制台进行统一触发，灯光控制台在收到中控命令后，可对机械设备和灯光进行统一触发，保证系统运行的时间点准确，步调一致。

　　4 总结

　　轴控制器用于流动演出舞台机械控制系统，是近年来行业技术进步的标志之一。庆祝澳门回归祖国20周年文艺晚会对于舞台机械提出很高的要求，特别是机械的可靠性、灵活性要求极高，在系统稳定的大前提下，要求对系统能进行快速地调整，改变机械所呈现的状态。轴控制器在本次晚会舞台机械中的应用，达到系统要求，圆满完成晚会任务。