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作者：拓豐舞臺
2023-06-30 15:40:48
摘 要：
根據(jù)北京冬奧會上空舞臺機械設備的實際使用需求，給出了其控制系統(tǒng)的軟件、硬件設計解決方案。從控制系統(tǒng)架構、安全控制策略實施和先進控制技術實現(xiàn)形式等三個方面進行了詳細的解析。
引言
2022年2月4日，北京冬奧會開幕式為全世界觀眾奉獻了一場簡約、浪漫、唯美、空靈的視聽盛宴。其中，上空舞臺機械設備（以下簡稱：上空設備）作為冬奧會開幕式上實現(xiàn)理念創(chuàng)新與科技力量完美融合的核心設備，其重要性不言而喻。上空設備包括上空威亞系統(tǒng)（以下簡稱：威亞系統(tǒng)）、主火炬姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機構（以下簡稱：火炬執(zhí)行機構）。在隆重盛大的開幕式演出中，參與廠商眾多，應用到的設備結構復雜，相互之間的交叉干涉時有發(fā)生。因此，在對上空設備進行操控時，更是需要考慮到多方面的因素，任何環(huán)節(jié)的失誤都可能導致演出中斷，帶來不可彌補的損失與影響。鑒于此，控制系統(tǒng)應滿足以下要求：
1）高可靠性
首先，保證控制系統(tǒng)具有較強的容錯性（包括通訊容錯、驅(qū)動容錯和操作容錯）；其次，保證即使在個別設備出現(xiàn)故障的情況下，也要有備份手段確保系統(tǒng)能夠繼續(xù)運行，完成演出環(huán)節(jié)的必要動作；最后，保證系統(tǒng)在時間上、空間上的運行精確度高，誤差小。
2）高安全性
上空設備都是在距離地面幾十米的高空完成表演，且多個設備運行還需和地面演出設備配合聯(lián)動完成，加上地面演出人員眾多，因而設備運行（包括空中自身位置、相互姿態(tài)）安全至關重要?？刂葡到y(tǒng)必須具備各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控及緊急處理手段，保證能夠?qū)崟r監(jiān)控設備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常并進行緊急處理。
1 控制對象描述
根據(jù)國家體育場（以下簡稱：鳥巢）的特點，新建的威亞系統(tǒng)由頂部支撐系統(tǒng)、承載鋼索、威亞裝置等組成，布置于鳥巢頂部。根據(jù)導演創(chuàng)意需求，南北布置3組10根固定索（8根直徑28 mm承載鋼索、2根直徑18 mm電纜鋼索），總跨度約200 m。
在3號鋼索上懸吊主火炬系統(tǒng)。其中，火炬執(zhí)行機構重4.4 t，火炬自重2.2 t?；鹁鎴?zhí)行機構吊掛在威亞小車之上，承擔了開幕式主火炬的供電、供氣及信號傳輸、提升和旋轉(zhuǎn)功能。
1.1 威亞系統(tǒng)
威亞系統(tǒng)包括10套威亞設備，由36臺電機驅(qū)動。通過控制威亞設備進行升降、水平移動，完成控制道具（奧運五環(huán)、大滑板、火炬執(zhí)行機構）動作舞臺控制系統(tǒng)，實現(xiàn)相關創(chuàng)意場景。
1）五環(huán)控制過程。提前控制2臺威亞小車水平移動至冰立方上方，兩吊點同步下降與冰立方內(nèi)的五環(huán)對接；隨著冰立方的升起，威亞同步升起到一定高度，然后停留在事先預定的位置；演出結束后，按要求降落到地面的冰立方內(nèi)。
2）火炬執(zhí)行機構控制過程?？刂?吊點威亞小車水平同步移動到中央升降臺的位置，將威亞的四吊點同步降入中央升降臺內(nèi)以便與火炬執(zhí)行機構連接；然后隨著中央升降臺升起至地面指定高度。威亞水平移動時，要控制收攬器對電纜進行相應收放。
3）大滑板控制過程?；迨孪葢覓煸谕讳撍鞯?個威亞上，控制威亞水平移動使滑板從南到北移動，同時控制威亞升降，使滑板運動軌跡為開口向上拋物線型。兩威亞的水平移動和升降動作都應保持一致。
1.2 火炬執(zhí)行機構
火炬執(zhí)行機構由旋轉(zhuǎn)裝置、提升裝置、移動吊點、電纜卷筒組成，由11臺電機驅(qū)動。通過控制這些裝置實現(xiàn)對執(zhí)行機構的動作控制，實現(xiàn)相關創(chuàng)意場景。
整體控制流程如下：
1）準備過程?？刂埔苿拥觞c1和移動吊點2至中間位置，將提升裝置1的吊點、電纜卷筒1和電纜卷筒2上的電纜和氣管下降到指定位置，以便與設備連接，為火炬執(zhí)行機構動作及供電做準備。
2）調(diào)整火炬執(zhí)行機構翻轉(zhuǎn)?？刂铺嵘b置1提升，使火炬執(zhí)行機構由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至45°，然后設備等待點火；提升裝置1提升的過程中，電纜卷筒同時收縮電纜和氣管，地面裝置同時配合托動火炬執(zhí)行機構。
3）調(diào)整火炬執(zhí)行機構提升。點火完成后，控制提升裝置1繼續(xù)提升，使火炬執(zhí)行機構豎立并提升至指定高度；提升裝置1提升的過程中，電纜卷筒同時收縮電纜和氣管；火炬執(zhí)行機構豎立過程中，地面裝置要配合相應動作。
4）調(diào)整火炬執(zhí)行機構旋轉(zhuǎn)?；鹁鎴?zhí)行機構提升到相應位置后，控制旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)，帶動火炬執(zhí)行機構以1 r/min的速度持續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到接收停止命令后停止。
5）調(diào)整火炬執(zhí)行機構下降。表演結束以后，將火炬執(zhí)行機構下降至初始狀態(tài)，控制過程是以上過程的反過程。
2 架構組成及功能
控制系統(tǒng)根據(jù)鳥巢設備運行特點和導演創(chuàng)意安排，在北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的舞臺機械控制軟件基礎上，依據(jù)分布式設計理念，采用模塊化配置思路，通過分層邏輯結構，將現(xiàn)場驅(qū)動設備、遠程安全采樣信號、安全保護輸出與核心控制器快速方便地聯(lián)系起來，為機械設備運行提供實時、安全、可靠的運行保證。
網(wǎng)絡結構如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構
控制系統(tǒng)功能劃分為PLC運行子系統(tǒng)（控制級軟件）、人機界面管理子系統(tǒng)（管理級軟件）和驅(qū)動子系統(tǒng)（現(xiàn)場級軟件）。
2.1 PLC運行子系統(tǒng)
采用透明化編程方式和可配置編程思路，主要功能包括：
1）運行控制：設備位置控制、速度控制和時間控制；
2）安全保護：檢測設備運行數(shù)據(jù)并和已建立的安全規(guī)則進行比對，及時阻止異常事件發(fā)生；
3）命令執(zhí)行：接受HMI各種命令，通過各種執(zhí)行函數(shù)和數(shù)據(jù)塊實現(xiàn)設定功能；
4）狀態(tài)反饋：監(jiān)測設備運行，數(shù)據(jù)及時傳遞到HMI顯示界面中，包括各種報警信息和狀態(tài)信息。
2.2 人機界面管理子系統(tǒng)
1）設備單控：將設備分配到控制臺上不同的功能區(qū)，手動控制設備速度和位置，適合裝臺和維修模式；
2）編場控制：場景運行過程中的多個設備聯(lián)動控制，包括曲線、跳躍及多段等空間復雜設備順序動作；
3）信息圖示：包括設備狀態(tài)信息、報警信息以及柱狀圖、3D顯示的設備排布位置信息；
4）維護操作：操作權限管理、設置數(shù)據(jù)、設備禁用、屏蔽外部故障、旁路選擇、報警及復位、編組同步等功能。
2.3 驅(qū)動子系統(tǒng)
主要實現(xiàn)電機調(diào)速定位運行，包含以下功能：
1）運行控制：接收來自PLC的位置控制、速度控制和時間控制命令，驅(qū)動威亞電機按指令運行；
2）狀態(tài)反饋：傳遞變頻器狀態(tài)、電機狀態(tài)給PLC。
3安全策略實施
控制系統(tǒng)是整個舞臺設備的指揮中樞，可靠性和安全性是承接北京冬奧會舞臺控制系統(tǒng)的核心設計理念，保證控制系統(tǒng)設備運行過程中的高魯棒性和強抗干擾性是其必要條件。從電氣設計、軟件編程到設備帶裝聯(lián)排，可靠性和安全性應始終貫穿在所有舞臺機械工程實施環(huán)節(jié)。
3.1 冗余雙控制臺+備用遠程手控盒
控制系統(tǒng)采用三種控制模式互為備份，分別為遠程計算機程序控制、遠程控制臺手動控制、備用遠程手操盒端子近控。為增加系統(tǒng)的多種操作手段，采用“靜態(tài)搶權后次有效、動態(tài)讓權運行有效”多控制臺的安全管理技術。中央兩控制臺既可以同時使用，亦互為備用。所有的控制臺獨立授權、方式平等，操作方式之間轉(zhuǎn)換不需要等待時間。用戶可進行多控制臺同時控制場景運行，也可由其中的某控制臺單獨控制場景。所有控制臺是熱冗余狀態(tài)，任何控制臺都能替代，出現(xiàn)故障并不影響其他控制臺工作。
控制系統(tǒng)中設置本地操作處理器，在中央控制臺旁邊放置備用遠程手控盒。當系統(tǒng)正常工作時，該操作處理器充當網(wǎng)關的作用，監(jiān)督設備運動。當系統(tǒng)出現(xiàn)致命錯誤造成網(wǎng)絡、控制臺或是核心處理器癱瘓不能工作時，本地控制器通過備用遠程手控盒喚醒，接管設備備用驅(qū)動控制權限，實現(xiàn)對設備繼續(xù)控制。
這種操作冗余熱備份技術，做到了不因為繁冗的授權管理而延緩各控制模式對設備的控制，也杜絕了多操作方式對同一設備操作而造成命令的混亂從而使設備失控。
3.2 冗余光纖環(huán)網(wǎng)+路由星型網(wǎng)絡
主干通訊網(wǎng)絡采用光纖環(huán)網(wǎng)，當網(wǎng)絡的某個方向或是一段網(wǎng)絡出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸問題時，可從另外一側(cè)路由傳輸相同的數(shù)據(jù)。同時對驅(qū)動設備采用管理型交換機支持的星型網(wǎng)絡傳輸驅(qū)動信號，通過預先規(guī)劃備用路由路徑，降低某一個或幾個設備通訊中斷對網(wǎng)絡的干擾。
網(wǎng)絡介質(zhì)冗余結構顯著提高了設備的可用性，單個鏈路的故障對通信沒有影響。采用管理型交換機配置的路由星型網(wǎng)絡，所需的維修工作可以在不需要停機的情況下進行。在發(fā)生網(wǎng)絡故障時，通過人機界面管理系統(tǒng)，可以快速進行網(wǎng)絡診斷并加快故障排除。
為進一步保障網(wǎng)絡的維護性，對所有遠距離的光纖進行硬件備份，當光纖出現(xiàn)故障時能及時更換。
3.3 冗余熱備驅(qū)動
所有主要設備均設置兩套電氣驅(qū)動裝置。每套驅(qū)動對應獨立的物理通道和統(tǒng)一的設備邏輯名稱，實際分離的兩套驅(qū)動設備的數(shù)據(jù)信息互備份提取，方便場景的斷點續(xù)接。設備互備份信息包括設備靜態(tài)、動態(tài)信息。采樣點、設備運行屬性（運行分類、現(xiàn)實分類、地址），從屬區(qū)域等屬于靜態(tài)信息；動態(tài)信息包括設備的位置、速度、狀態(tài)、命令、互鎖標志。當某一設備的主驅(qū)動出現(xiàn)問題造成運行停止，通過人機界面可以迅速切換到備用驅(qū)動，設備數(shù)據(jù)信息同時傳遞到備用驅(qū)動。操作人員接續(xù)啟動當前場景的設備，而不需做任何多余的更改，方便設備在電器驅(qū)動故障情況下的快速接力運行。
3.4 冗余核心控制器
采用硬冗余控制系統(tǒng)。通過雙CPU之間的雙光纖實現(xiàn)程序、數(shù)據(jù)和硬件組態(tài)的實時更新和備份。當主CPU出現(xiàn)故障停機時，系統(tǒng)自動切到備用CPU接管控制權限進行程序控制。能夠有效防止數(shù)據(jù)丟失以及避免停機，盡可能地降低舞臺控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或意外停機的可能性。
同時，在核心控制器設置統(tǒng)一系統(tǒng)IP，系統(tǒng)IP是兩個控制器的公共設置端點，可以方便地切換控制臺人機界面的訪問接口，減少通訊延時和判斷時間。
4先進技術實現(xiàn)
通過先進的技術手段把舞臺機械設備完美展現(xiàn)在全世界觀眾面前一直是設計上空設備控制系統(tǒng)的出發(fā)點和落腳點，從重達3 t 的冰雪五環(huán)在冰立方中破冰而出、大滑板在空中的優(yōu)雅飄過，到創(chuàng)意無限的大雪花火炬，控制系統(tǒng)結合人機工程學理念，融合自適應控制、有限元分析和模糊控制等先進控制技術，結合高速實時現(xiàn)場總線，很好地解決了控制過程中的多設備軸控聯(lián)動耦合復雜、位置空間不確定、軌跡解析過程非線性強等技術難題，用智慧和實力完美地實現(xiàn)了導演的意圖。
4.1 空中防搖穩(wěn)定技術
空中懸吊設備在水平移動或是旋轉(zhuǎn)運動的啟動/停止過程中，由于受到自身加減速產(chǎn)生的力沖擊，從而造成鋼絲繩晃動，影響設備運行的穩(wěn)定。為了消除鋼絲繩震蕩，根據(jù)繩長的擺動周期，采用開環(huán)前饋控制降低干擾。通過在設備啟動/停止過程中使用“多段加減速-勻速算法”和“降低加減速斜率”的方法，加入模糊控制計算“多段加減速-勻速權值”反向耦合擺動周期克服擾動，使設備在水平移動或是旋轉(zhuǎn)中保持穩(wěn)定性。
當開幕式演出進入高潮時，直徑約15 m、重約2.4 t大雪花承載著已成功點燃的火炬在鳥巢上空靈動飄逸地邊旋轉(zhuǎn)邊上升舞臺控制系統(tǒng)，火炬執(zhí)行機構應用的是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定技術；在“致敬人民”場景中，當演員在鳥巢中心場地進行滑雪表演時，大滑板由兩臺威亞同步從南側(cè)牽引到北側(cè)，水平移動距離160 m，水平移動速度為1.7 m/s，平穩(wěn)完美地實現(xiàn)弧線運動，應用的是水平穩(wěn)定技術。大雪花升空并平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)見圖2。
圖2 火炬執(zhí)行機構帶動2.4 t大雪花平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)上升
4.2 同步快速跟隨技術
傳統(tǒng)的編組同步方式在組內(nèi)設備超過一定偏差值后就會保護停車，再次啟動由于安全保護限制，需人工處理偏差值到合理設定范圍內(nèi)才能啟動組內(nèi)同步設備。同時編組方式一般采用并行同步處理，多為虛擬主軸或是主從聯(lián)動方式，組內(nèi)從屬軸偏差跟隨響應不及時?？紤]到冬奧會開閉幕式演出的多條威亞使用是軟性連接同步，設備故障復位和再次運行間隔等待時間要求較短，演出吊裝為大負載表演道具（如南北橫索1，使用2臺威亞小車吊裝冰雪五環(huán)，滿載負荷3.2 t。南北橫索3使用四吊點威亞小車吊裝火炬執(zhí)行機構和大雪花，滿載負荷6.6 t），所有提升/下降過程中道具均需保持水平，空中演出姿態(tài)要保持穩(wěn)定，同時超差故障后能快速恢復。為了實現(xiàn)以上要求，對傳統(tǒng)的編組同步采用如下措施進行修正：
1）在編組同步程序內(nèi)部加入主從偏差時序記憶序列，在威亞運行時監(jiān)測偏差值變換趨勢。在超過同步偏差再次啟動威亞設備時，趨勢變小則繼續(xù)運行，趨勢變大停止運行。有效克服組內(nèi)超差故障處理需人工修正缺陷，加快了響應時間。
2）在從屬設備中加入預先設置有加減速的虛擬追趕軸。根據(jù)啟動時間點的主從偏差位置設置閾值，當超過閾值后以當前主從位置差為目標位置啟動虛擬追趕軸計算插補，疊加到從屬軸的速度發(fā)生器中，快速修正主從偏差，達到空中設備姿態(tài)快速校正，穩(wěn)定運行。
同步吊點將冰雪五環(huán)從冰立方中穩(wěn)定提升見圖3。
圖3 冰雪五環(huán)依靠同步吊點從冰立方中破冰而出
4.3 動態(tài)位置-速度優(yōu)化技術
采用優(yōu)先級管理機制，按照規(guī)定好的威亞設備空間尺寸、位置對控制過程各階段的順序進行自動判別和保護，啟動威亞小車運行狀態(tài)和動態(tài)空間位置監(jiān)測定時巡檢邏輯隨時跟蹤，及時將運動控制指令發(fā)送給調(diào)速定位驅(qū)動單元，在內(nèi)部算法功能塊的統(tǒng)一識別下，在線及時修正目標位置和設定速度改變運行狀態(tài)，做到被控設備和表演場景要求的高度契合。
例如，在大雪花上升過程中，火炬執(zhí)行機構負責保證提升位置的準確和空中姿態(tài)的穩(wěn)定。特別是在大雪花從地面傾斜上升過程中，地面輔助提升機構是勻速垂直運動，反映到大雪花提升的運行軌跡是吊點可變的速度時變弧線運動，所以在控制程序內(nèi)部必須以火炬執(zhí)行機構提升的速度和位置為依據(jù)，根據(jù)大雪花運行弧度進行分段線性化，確保安裝在大雪花上的提升鋼索和地面中央升降臺、大雪花輔助提升機構動作的一致性。如果負責提升大雪花的火炬執(zhí)行機構速度過快，會拉斷電纜、氣管（為大雪花提供電源、氣源)，同時大雪花會出現(xiàn)傾斜觸地風險；如果火炬執(zhí)行機構提升速度過慢，鋼絲繩、電纜、氣管會有明顯懸垂，影響表演效果。通過現(xiàn)場反復實驗調(diào)整和算法更替，最終達到滿意效果。
4.4 鋼索柔性處理技術
鳥巢南北方向威亞的水平運行距離160 m，鋼索懸垂度水平落差8 m。為了保證在鋼索運行的設備空中姿態(tài)的一致，必須進行鋼索垂直補償。根據(jù)鋼索南北距離和懸垂度的多組實測數(shù)據(jù)進行有限元分析，建立數(shù)學模型，通過位置逆解和坐標變換把鋼索的懸垂度轉(zhuǎn)化為鋼索上威亞小車提升補償高度，最后對威亞小車運動軌跡規(guī)劃和提取，采用離散化處理轉(zhuǎn)化為NC控制邏輯輸出到電機驅(qū)動器。
其中在“致敬人民”場景中，大滑板由兩臺威亞小車同步從南側(cè)牽引到北側(cè)展示弧線運動，垂直往復運行60 m。運行前半段為不斷向下的俯沖姿態(tài)，在后半段為不斷向上的仰起姿態(tài)，在大滑板運行到冰雪五環(huán)下方時進行空中姿態(tài)變換，演出道具為重心靠前的重300 kg人偶滑板模型。為了保證大滑板姿態(tài)的完整性、動作的穩(wěn)定性和演出動作的一致性，需要根據(jù)威亞小車在鋼索行走的水平位置和鋼索離散后的懸垂進行小車提升的不斷修正，應用此項技術實現(xiàn)大滑板在空中弧線運行。大滑板俯沖和仰起見圖4、圖5。
圖4 大滑板保持固定傾斜角俯沖下降
圖5 大滑板保持固定傾斜角仰起上升
5結語
北京冬奧會上空設備控制系統(tǒng)除了切實保障機械控制安全性能外，在控制理論不斷發(fā)展的前提下，充分應用了計算機、現(xiàn)場總線方面突破性的新技術，控制系統(tǒng)的應用也越來越向人性化的方向發(fā)展，在使用上更注重人的能力和機械的潛力有效地配合，提高了管理和控制效率。北京冬奧會上空設備控制系統(tǒng)就是人、機完美結合的一次成功展現(xiàn)。
選自2022年第二期《演藝科技》劉基順，劉慶龍，李同進，孫建鋒，周 嬌《北京冬奧會上空舞臺機械設備的控制系統(tǒng)架構及軟件應用解析》。轉(zhuǎn)載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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