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作者：拓豐舞臺(tái)
2023-06-30 15:40:48
舞臺(tái)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用的軸控制器主要是針對(duì)舞臺(tái)機(jī)械類設(shè)備專門研制的，側(cè)重于舞臺(tái)演出的運(yùn)動(dòng)控制器。目前，演藝行業(yè)用的機(jī)械控制系統(tǒng)主要有兩種：軸控制器和PLC（Programmable Logic Controller，可編程序控制器）。采用PLC控制的系統(tǒng)，一般采用主流自動(dòng)化廠家研發(fā)的中大型PLC控制系統(tǒng)，如西門子、施耐德、AB、貝加萊等，基于PLC的方案多采用CPU作為主控加擴(kuò)展模塊的方式來完成，一個(gè)系統(tǒng)中通常只采用1～2個(gè)主站來作為主控。采用軸控制器的系統(tǒng)，軸控制器主要來自于瓦格納、BBH、SBS等一些專業(yè)舞臺(tái)設(shè)備公司，一個(gè)軸控制器通常只控制1～4個(gè)設(shè)備，一個(gè)完整的系統(tǒng)中有幾十上百個(gè)軸控制器，并通過高速總線進(jìn)行互聯(lián)。兩種控制系統(tǒng)最大的區(qū)別主要體現(xiàn)在系統(tǒng)架構(gòu)方面，軸控制器一般采用分散控制的方式，而PLC則主要通過集中控制。因系統(tǒng)架構(gòu)的差別，會(huì)帶來可維護(hù)性、易用性、精度、安全等方面的很大不同。
針對(duì)國內(nèi)演藝市場需求及舞臺(tái)機(jī)械控制方面的特點(diǎn)，筆者所在技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了舞臺(tái)機(jī)械類的軸控制器，如圖1所示，下面解析其軟硬件的設(shè)計(jì)，分析比較軸控制器和PLC控制系統(tǒng)在應(yīng)用中的差異。
圖1 用于舞臺(tái)機(jī)械類的軸控制器
1 軸控制器的設(shè)計(jì)
1.1
軸控制器的基本功能
軸控制器作為舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備專用運(yùn)動(dòng)控制器，需具備如下基本功能。
1.2
硬件設(shè)計(jì)
軸控制器的硬件設(shè)計(jì)也存在共性，如安全輸入點(diǎn)、安全輸出點(diǎn)配置、通信接口設(shè)置、變頻器交互接口、本地配置接口等。如圖2所示為軸控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，具有如下技術(shù)特點(diǎn)。
圖2 軸控制器硬件設(shè)計(jì)框圖
1.3
軟件設(shè)計(jì)
為了滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，在軟件設(shè)計(jì)中需要滿足如下軟件安全要求規(guī)范：
對(duì)于舞臺(tái)軸控制器而言，有些安全功能的實(shí)現(xiàn)必須依賴于軟件的實(shí)現(xiàn)，而無法通過外部硬件電路的搭建來實(shí)現(xiàn)，比如編組同步安全功能；還有一些驅(qū)動(dòng)類安全功能也不容易通過簡單的硬件電路搭建來實(shí)現(xiàn)，比如運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測、速度監(jiān)測等，都需要進(jìn)行安全回路的設(shè)計(jì)并配合軟件來完成。該類安全功能用PLC也是不容易實(shí)現(xiàn)的，但又是舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行必備的。
以編組安全為例說明軟件設(shè)計(jì)方式。編組安全的常用方式是幾個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)物體，一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障要求組內(nèi)其他設(shè)備進(jìn)入快速停機(jī)模式。軟件實(shí)現(xiàn)過程如下：主控或者服務(wù)器下發(fā)單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行指令，設(shè)備生成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在收到運(yùn)行命令的情況下啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，假如設(shè)備發(fā)生任何故障，比如變頻器故障、超載、松繩、亂繩、運(yùn)行安全限位觸發(fā)等情況造成意外停機(jī)，軸控制器通過高速總線發(fā)送設(shè)備異常停機(jī)標(biāo)志到主控，主控判定故障并快速發(fā)送命令給其他編組內(nèi)設(shè)備使其快速停機(jī)。該種過程需要軟硬件進(jìn)行配合，一般為了使系統(tǒng)具備快速響應(yīng)能力，需要配置對(duì)外與主控的高速總線通信，比如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，使系統(tǒng)輪詢上百個(gè)軸控制器的時(shí)間在幾毫秒內(nèi)完成。
對(duì)于此類安全功能，都可以納入到軟件設(shè)計(jì)中，并對(duì)該類功能進(jìn)行詳細(xì)的黑盒測試和白盒測試，并通過第三方檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。而采用PLC方式則一般通過編程人員進(jìn)行編寫，認(rèn)證過程更為繁瑣且項(xiàng)目一致性較差。
2 應(yīng)用中軸控制器與PLC的異同
PLC和軸控制器均可作為舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的核心，因此，需要明確實(shí)際應(yīng)用中軸控制器和PLC的異同，以及容易混淆的方面。
2.1
穩(wěn)定性和可維護(hù)性
軸控制器技術(shù)迭代性強(qiáng)，維護(hù)相對(duì)簡單，又因其功能及研制的特點(diǎn)一般由某個(gè)廠家進(jìn)行長期維護(hù)。對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)而言，究其根本還是有效控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、按照多快的速度、在指定時(shí)間所到達(dá)的位置、設(shè)備安全開關(guān)的處理，基本上是一系列通用的流程?；谙嗨菩院涂芍貜?fù)性較高，可集成為多個(gè)外部輸入和輸出的控制器來進(jìn)行控制，可以根據(jù)需求不斷迭代軸控制器的功能，進(jìn)行軟件升級(jí)和硬件升級(jí)，將單個(gè)設(shè)備或者幾個(gè)設(shè)備的控制做到極致，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更有保證。
采用PLC的控制系統(tǒng)，雖然可以進(jìn)行一定程度的代碼重用，但每個(gè)項(xiàng)目調(diào)試的最終效果與調(diào)試人員的技術(shù)水平有關(guān)，代碼的穩(wěn)定性相比軸控制器有所不如。因此，給用戶帶來的感覺就是，基于PLC的控制系統(tǒng)的舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)經(jīng)常需要不斷地完善一些功能，進(jìn)而會(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。
由于軸控制器模塊化程度更好，對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)也更簡單一些，某個(gè)模塊損壞一般只需要更換對(duì)應(yīng)的模塊即可，非專業(yè)人員也能進(jìn)行替換操作。對(duì)于PLC控制系統(tǒng)，某個(gè)模塊的損壞通常需要專業(yè)人員進(jìn)行診斷，先定位模塊故障點(diǎn)，再進(jìn)行對(duì)應(yīng)更換，對(duì)于人員技術(shù)水平要求較高。
2.2
安全性
目前的舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)，均會(huì)涉及到安全方面的設(shè)計(jì)，越來越多的安全事故讓人不得不更加重視安全。相比于PLC控制系統(tǒng)，軸控制器更容易做到安全。安全主要體現(xiàn)在一些安全的設(shè)計(jì)思路上，比如一個(gè)舞臺(tái)提升設(shè)備，有很多輸入要求保障安全，有很多輸出要求穩(wěn)定輸出，軸控制器能在設(shè)計(jì)之初就考慮這些內(nèi)容，比如采用雙CPU甚至3CPU的冗余仲裁機(jī)制來保障處理器的可靠運(yùn)行，用輸入回路多路采樣機(jī)制實(shí)現(xiàn)輸入的安全，用多路輸出耦合加對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行采樣反饋的機(jī)制從硬件原理上滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)然也可以采用一些安全機(jī)制，但不同于軸控制器的板級(jí)集成，PLC需要配合多個(gè)安全輸入和安全輸出模塊，并對(duì)安全輸入和輸出進(jìn)行特殊編程來完成安全功能，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，甚至有些PLC控制系統(tǒng)的安全功能和主邏輯功能采用分離的方式流動(dòng)舞臺(tái)設(shè)備，只能作為一種安全的補(bǔ)充，其設(shè)備安全功能的實(shí)現(xiàn)難度較高。
對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)而言，采用安全型PLC實(shí)現(xiàn)的安全功能和采用軸控制器實(shí)現(xiàn)的安全功能會(huì)有區(qū)別，舞臺(tái)機(jī)械常見的與位置信息相關(guān)的安全功能，比如位置偏差、編組安
全等，采用安全PLC搭建的方式都不容易滿足，必須在變頻器側(cè)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的安全功能，使用不靈活且功能受限。
2.3
定位精度和同步精度
（1）單軸定位精度
從單個(gè)設(shè)備定位精度而言，差異不大，兩種系統(tǒng)都能達(dá)到毫米級(jí)的定位精度。舞臺(tái)機(jī)械要求的定位精度也都在毫米級(jí)，優(yōu)劣不明顯。但對(duì)于軸控制器而言，可以將設(shè)備的運(yùn)行軌跡做得更多樣化一些，比如，加減速度的不同設(shè)定、運(yùn)行加減速過程中斜坡的角度、加速類型是普通的梯形加減速還是S型加減速。當(dāng)然，目前高端變頻器加高速PLC也能達(dá)到此類效果，只是有的過程會(huì)繁瑣一些。就單個(gè)設(shè)備實(shí)用角度而言，兩者差距不大。
（2）同步精度
目前，同步測試效果比較理想的情況，主要在于機(jī)械設(shè)備的一致性做得比較好。假如測試條件換成兩個(gè)不同類型的設(shè)備流動(dòng)舞臺(tái)設(shè)備，比如對(duì)一個(gè)升降臺(tái)和一個(gè)吊桿進(jìn)行同步，如若吊桿正在下降的過程中升降臺(tái)也同步下降，同步的效果就會(huì)因系統(tǒng)的不同而不同。在PLC控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并不容易，而采用軸控制器的方式實(shí)現(xiàn)則相對(duì)簡單。不同類型的設(shè)備同步需要多種條件，功率差異大的設(shè)備，變頻器需要的勵(lì)磁時(shí)間差異很大，吊桿設(shè)備都運(yùn)行了，升降臺(tái)還沒開始運(yùn)行，假如要同步，需要兩個(gè)設(shè)備都具備零速懸停、高速總線、高速同步的能力，這在PLC控制系統(tǒng)中不是辦不到，只是比較困難，代價(jià)昂貴。在軸控制器系統(tǒng)中做起來相對(duì)簡單，更像是設(shè)計(jì)之初就考慮的必要問題，其出身自帶高速總線，多數(shù)在幾毫秒內(nèi)同步傳輸上百個(gè)軸數(shù)據(jù)；另外，采用雙電機(jī)或多電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是一種解決之道。
2.4
PLC控制系統(tǒng)的適用性
目前，在國內(nèi)PLC控制系統(tǒng)還是主流系統(tǒng)，以PLC作為主控系統(tǒng)，入門門檻較低，熟練的PLC人員能比較好地完成舞臺(tái)系統(tǒng)軟件的編寫，特別是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)劇場，PLC依然是一種比較理想的解決方案。常規(guī)劇場標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備多數(shù)是卷揚(yáng)系統(tǒng)和升降臺(tái)（塊）系統(tǒng)，且多數(shù)情況下是對(duì)單個(gè)設(shè)備的定位精度，對(duì)于同步精度有要求的設(shè)備，多數(shù)也為同種類型的設(shè)備，設(shè)備的同步要求也都在可達(dá)到的范圍之內(nèi)。PLC系統(tǒng)一般均可滿足劇場的需求。流動(dòng)演出對(duì)控制系統(tǒng)有一些特殊要求，包括靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即插即用、自動(dòng)識(shí)別的硬性需求，而普通的PLC控制系統(tǒng)難以滿足這些要求，不太適用。當(dāng)然一些特殊的秀場，也采用了軸控制器，以獲得更靈活方便的控制效果。
3 結(jié)語
筆者針對(duì)軸控制器系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，以及軸控制器應(yīng)用中的共性進(jìn)行分析，并分析比較了PLC控制系統(tǒng)和軸控制器系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。相比PLC控制系統(tǒng)，軸控制器系統(tǒng)更具優(yōu)勢，特別是在安全性方面更為明顯。雖然目前的安全型PLC控制系統(tǒng)也可以完成不少的安全功能，但是對(duì)于一些核心的安全功能，比如驅(qū)動(dòng)類安全、編組類安全、偏差類安全等功能，采用PLC的方式依然不容易實(shí)現(xiàn)，或者實(shí)現(xiàn)的成本極高，或者根本無法實(shí)現(xiàn)。
舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備對(duì)于安全的要求會(huì)越來越高，采用軸控制器的方案能更好地滿足此類需要。但目前國內(nèi)外關(guān)于軸控制方面的進(jìn)展依然存在不小的差距，歐美等地區(qū)國家的軸控制器發(fā)展時(shí)間久，成熟度高，均有滿足SIL3的軸控制器產(chǎn)品，并在國內(nèi)一些大型的劇場如《重慶大劇院》《江蘇大劇院》《無錫大劇院》等得到廣泛應(yīng)用；反觀國內(nèi)軸控制器，由于發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，多數(shù)國內(nèi)企業(yè)承建的劇場依然以PLC控制系統(tǒng)為主。但近兩年，國內(nèi)自主研發(fā)的軸控制器也越來越多地得到應(yīng)用，特別是應(yīng)用于流動(dòng)演出行業(yè)，如《澳門回歸祖國20周年文藝晚會(huì)》《阿里20周年慶典》《2019天貓雙十一》《2020蘇寧618》《2020東方衛(wèi)視跨年晚會(huì)》《2020浙江衛(wèi)視跨年晚會(huì)》《五月天2019演唱會(huì)》《容祖兒出道20周年演唱會(huì)》等，均采用了自主研發(fā)的軸控制器的控制方案。
PLC方案在發(fā)展初期可以提供一種解決方案，會(huì)為軸控制器的研發(fā)爭取過渡時(shí)間。未來的舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)，將會(huì)有越來越多的國內(nèi)廠家能提供軸控制器的產(chǎn)品和方案，軸控制器將得到更好的研發(fā)應(yīng)用。
選自《演藝科技》2020年第9期侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛《舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)與設(shè)備系列談（四）——軸控制器》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱《演藝科技》。
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