15
作者：拓豐舞臺
2023-06-30 15:40:48
早期的舞臺設(shè)備數(shù)量較少，動作相對比較簡單，單個設(shè)備或者有限的設(shè)備采用按鈕的方式也可完成機械動作。但隨著演出需求的變化，舞臺機械以單純按鈕的方式已經(jīng)無法滿足節(jié)目需要呈現(xiàn)效果對設(shè)備的要求，在其控制系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)通信進行設(shè)備間的互聯(lián)以及主控和分控之間的互聯(lián)，已經(jīng)成為目前構(gòu)建舞臺機械設(shè)備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)通信發(fā)揮著越來越重要的作用。
筆者基于舞臺機械應(yīng)用中相關(guān)的數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識，闡明分層設(shè)計中的各種通信方式；并針對目前越來越多基于無線通信的應(yīng)用進行解析，有助于行業(yè)人員設(shè)計出有既合理又實用的解決方案。
1 有線數(shù)據(jù)通信
1.1
概述
舞臺機械控制系統(tǒng)應(yīng)用中，常采用分層設(shè)計，可分為操作層、管理層、執(zhí)行層，圖1所示為一種比較典型且相對簡單的舞臺演出機械控制系統(tǒng)的配置圖。
圖1 舞臺機械控制系統(tǒng)典型系統(tǒng)框圖
操作層通常指各種類型的操作終端舞臺機械，如主控臺、移動臺、便攜式操作終端等。用戶可通過操作終端進行人機交互，如設(shè)置設(shè)備狀態(tài)和運行參數(shù)、讀取設(shè)備狀態(tài)等。
管理層主要是指主控單元，用于協(xié)調(diào)多個操作終端和執(zhí)行層，一方面接收來自操作層的指令，并通過數(shù)據(jù)總線將解析后的命令發(fā)送給執(zhí)行層的驅(qū)動單元；同時，實時接收來自執(zhí)行層反饋的設(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)行層主要是由一個個驅(qū)動單元構(gòu)成，接收管理層的控制命令，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的運動指令，驅(qū)動變頻器進而驅(qū)動電機運行。
就通信而言，涉及操作層和管理層之間的通信，以及管理層和執(zhí)行層之間的通信。為了方便描述，文中將操作層和管理層之間的通信稱為操作層通信，管理層和執(zhí)行層之間的通信稱為驅(qū)動層通信，圖1中標(biāo)注綠色的ethernet總線為操作層通信，標(biāo)注紫色的profibus-dp為驅(qū)動層通信。
1.2
操作層通信
操作層通信主要用于操作終端和主控單元之間的數(shù)據(jù)通信，若系統(tǒng)中含有服務(wù)器，則表示操作終端和服務(wù)器以及服務(wù)器和主控單元的通信。目前采用的通信基本是基于以太網(wǎng)，但采用的通信協(xié)議各不一樣，常見的有自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議；還有基于實時的以太網(wǎng)通信協(xié)議，如ProfiNet、Modbus TCP、ethernet/IP，此類協(xié)議通常也是基于工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。
1.2.1 自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議
自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議的應(yīng)用比較自由靈活，可采用TCP協(xié)議，也可基于UDP協(xié)議，通過上層封裝數(shù)據(jù)包，建立心跳機制，針對過程數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)制訂對應(yīng)的通信協(xié)議。過程數(shù)據(jù)一般指設(shè)備運行中的數(shù)據(jù)，如運行設(shè)備當(dāng)前的位置、速度、載荷、電流、IO等信息，可將該類信息實時上傳給操作人員進行顯示。當(dāng)然該類協(xié)議還可以有更多靈活的組合配置方式。
配置數(shù)據(jù)一般不需要進行實時傳輸，但需要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛨?zhí)行結(jié)果的準(zhǔn)確反饋。比如設(shè)置某個設(shè)備的配置參數(shù)，設(shè)置cue運行的數(shù)據(jù)等，只需要保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性即可，并不需要實時進行數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸。
1.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議
基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議，一般管理層主要配置的是PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），比如西門子S7-400或者西門子S7-1500系列PLC。此類通信方式多采用OPC（OLE for Process Control，過程控制的OLE）的方式。
1.2.3 兩種通信協(xié)議的應(yīng)用
自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議并無實質(zhì)上的優(yōu)劣之分。
采用自定義以太網(wǎng)通信，可靠性需要由協(xié)議制定者進行保證，一般由有建構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)能力的人員制定，需要在后期進行項目驗證，但該種方式相對靈活，可根據(jù)設(shè)備數(shù)量多少進行通信協(xié)議數(shù)據(jù)量的擴充，針對過程數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)進行更為有效的管理。
采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，多數(shù)依靠編程方式進行數(shù)據(jù)交互，較為死板。采用OPC的通信方式對于過程數(shù)據(jù)的處理比較簡單，但是對于配置數(shù)據(jù)的傳遞并不友好。比如某種應(yīng)用中所配置的設(shè)備數(shù)量多，有上百個，但是同時運行的設(shè)備數(shù)量比較少，只有十幾個，這也是多數(shù)舞臺固定劇場的實際應(yīng)用情況，采用OPC的方式將所有設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)以周期通信的方式傳遞給控制層，由于設(shè)備數(shù)量較多，通信數(shù)據(jù)量較大，需要將設(shè)備通信周期拉
長，造成設(shè)備通信延遲。如采用自定義以太網(wǎng)通信，則容易進行快慢過程數(shù)據(jù)的區(qū)分，對于運行設(shè)備數(shù)據(jù)快速上傳，未運行設(shè)備的數(shù)據(jù)相對慢速上傳，使得人機交互效果更為友好，容易做到無延遲，實時性更好。
1.3
驅(qū)動層通信
驅(qū)動層通信在PLC系統(tǒng)架構(gòu)中，一般作為PLC和變頻器之間的通信；在軸控方案中，一般作為主控單元和軸控之間的通信，也稱為現(xiàn)場級總線。該類總線大體可分為兩種類型，一種類型以profibus-dp、can總線為代表，該類總線出現(xiàn)時間較早，速度相對較低，本文中以低速工業(yè)總線作為該類總線的統(tǒng)稱；另一種類型以工業(yè)實時以太網(wǎng)為主，以ProfiNet、Modbus TCP、Powerlink、ethercat總線為代表，速度較高，文中以高速工業(yè)總線作為該類總線的統(tǒng)稱。
1.3.1 低速工業(yè)總線
使用該類總線的設(shè)備往往只包含一個通信口，該類總線通信速率相對較低，通信速率高的一般也就十幾兆。圖2所示為典型的低速工業(yè)總線的連接線路圖，每個設(shè)備配置一個總線接頭，每個總線接頭分為in和out兩組接線端，通過connect接頭和變頻器直接連接，在總線接頭內(nèi)部這兩組基本上是互通的，或者短接了一個終端電阻。通過總線的連接方式可知，每個設(shè)備都是直接掛接在總線上的，每個設(shè)備的通信端口從物理上直連到整個總線網(wǎng)絡(luò)上。該種連接方式，網(wǎng)絡(luò)中任意一臺設(shè)備與總線的連接與否都與其他設(shè)備和總線的連接狀態(tài)無關(guān)。
圖2 低速工業(yè)總線的典型連接方式
1.3.2 高速工業(yè)總線
使用高速工業(yè)總線的設(shè)備往往只包含2個通信口，很容易通過2個通信口構(gòu)成菊花鏈連接方式，如圖3所示，總線速度也要快的多，速率基本都在100M以上。此類總線構(gòu)成方式靈活多樣，可以構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)、其他組合網(wǎng)絡(luò)。
圖3 高速工業(yè)總線的典型連接方式
1.3.3 兩類型總線優(yōu)缺點分析
兩種類型的總線各具優(yōu)缺點，如表1所示，不過目前還在快速發(fā)展，在舞臺機械的應(yīng)用中推薦使用高速工業(yè)總線。
2 無線數(shù)據(jù)通信
目前，在一些舞臺機械設(shè)備的設(shè)計過程中，無法用有線連接的方式進行供電或者通信。這種情況下一般都需要對供電和信號進行特殊處理，供電需要用滑觸線或者蓄電池的方式；通信則采用無線網(wǎng)絡(luò)或者滑觸線的方式。此類設(shè)備常見于無線車臺、軌道小車特別是異形軌道小車、隨設(shè)備移動的旋轉(zhuǎn)臺等。
目前，在設(shè)計和實施過程中，常見的無線產(chǎn)品有兩個種類：一種是通過漏波電纜鋪設(shè)的方式，沿運動物體行走的路線鋪設(shè)；一種是和商業(yè)用途接近的采用各種外置定向全向天線的方式。
對于無線的使用，以及無線和有線連接，實踐中常會遇到以下誤區(qū)。
（1）有線連接不一定安全
一般情況下，采用固定的有線連接方式，相對來說可靠性要高很多，但是具體到實際應(yīng)用中，還需要判斷內(nèi)部通信方式及軟件的設(shè)計方案。假設(shè)一個使用場景，控制臺通過網(wǎng)線連接主控單元，操作人員通過控臺操作設(shè)備運行，此時網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常，控臺和主控單元網(wǎng)絡(luò)連接失效，設(shè)備并不一定會自動停止，還要看系統(tǒng)架構(gòu)人員和編程人員對此類問題的解決方式，如果沒有設(shè)計主控單元針對網(wǎng)絡(luò)進行實時檢測或者做心跳協(xié)議處理，就
會出現(xiàn)上述所說的設(shè)備在斷網(wǎng)時不自動停機的情況，造成失控。此種情況下，有線連接也并不可靠。
（2）無線連接也可以很安全
無線連接的情況下，主要是考慮其他同頻段無線的干擾以及無線系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計問題；同時，軟件設(shè)計的完善性至關(guān)重要。對于無線連接應(yīng)用的安全，首先，盡量保障無線信號的質(zhì)量；其次舞臺機械，保障無線信號被干擾的情況下設(shè)備不至于失控。兩個條件的實現(xiàn)既要靠硬件系統(tǒng)的架構(gòu)，又要靠軟件的設(shè)計，缺一不可。
（3）燈光系統(tǒng)的無線控制方式并不能簡單地遷移到舞臺機械的無線控制
燈光系統(tǒng)無線控制方式和舞臺機械無線控制方式的應(yīng)用難度差異較大。這與設(shè)備控制方式的不同有較大的關(guān)系。在燈光系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，一般采用的是DMX的通信協(xié)議，并且在實時控制中，幾乎都是單向控制，即燈控臺通過廣播發(fā)送燈光控制命令，不需要回傳信號給燈控臺。在舞臺機械設(shè)備的使用過程中，由于多數(shù)都存在安全風(fēng)險，操作人員需要通過控臺實時了解設(shè)備的實際運行情況，包括位置、電流、載荷、安全開關(guān)等信息，并做出判斷實施對應(yīng)的操作，這就需要系統(tǒng)中具備可靠的雙向無線通信功能，使終端設(shè)備實時發(fā)送設(shè)備的各種狀態(tài)信息到主控臺。這種使用功能的差異會造成無線系統(tǒng)難度的倍增，燈光通信方式由于主要使用場景是單向的，可以將基站的發(fā)射功率做大，保證每個終端能收到信號即可；而舞臺機械設(shè)備的無線通信是雙向的，就必須保證基站和AP的通信狀況良好，以及AP到基站的通信可靠，不是簡單的單個天線功率增加就能實現(xiàn)的。無線數(shù)據(jù)通信在舞臺機械應(yīng)用中越來越普及，如在張藝謀導(dǎo)演的《歸來三峽》實景演出項目（見圖4）中，使用了64臺小車參與演出，小車的控制采用無線通信方式，在一年多演出過程中，未發(fā)生因無線通信系統(tǒng)故障造成的系統(tǒng)故障和安全風(fēng)險。
圖4 《歸來三峽》
3 結(jié)語
舞臺機械應(yīng)用中的數(shù)據(jù)通信，使用方式多種多樣，要根據(jù)實際的情況來決定采用哪種數(shù)據(jù)交互方式。對于有線數(shù)據(jù)通信的使用，特別是操作層和驅(qū)動層總線的選型，均涉及到系統(tǒng)架構(gòu)層面的設(shè)計，以及設(shè)備數(shù)量多少、設(shè)備造價成本的高低等，對于設(shè)備數(shù)量少的設(shè)備，采用相對速度低的總線也未嘗不可。對于無線數(shù)據(jù)通信的使用，現(xiàn)在也越來越多地被采用，需要做好天線的布置以及通信協(xié)議的指定。
選自《演藝科技》2020年第8期侯鵬強，唐 偉，向 飛《舞臺機械技術(shù)與設(shè)備系列談（三）——數(shù)據(jù)通信》，轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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