舞台机械技术与设备系列谈（四）——轴控制器

侯鹏强，唐 伟，向 飞

(成都炎兴自动化工程有限公司，四川 成都 610052)

舞台机械领域应用的轴控制器主要是针对舞台机械类设备专门研制的，侧重于舞台演出的运动控制器。目前，演艺行业用的机械控制系统主要有两种：轴控制器和PLC（Programmable Logic Controller，可编程序控制器）。采用PLC控制的系统，一般采用主流自动化厂家研发的中大型PLC控制系统，如西门子、施耐德、AB、贝加莱等，基于PLC的方案多采用CPU作为主控加扩展模块的方式来完成，一个系统中通常只采用1～2个主站来作为主控。采用轴控制器的系统，轴控制器主要来自于瓦格纳、BBH、SBS等一些专业舞台设备公司，一个轴控制器通常只控制1～4个设备，一个完整的系统中有几十上百个轴控制器，并通过高速总线进行互联。两种控制系统最大的区别主要体现在系统架构方面，轴控制器一般采用分散控制的方式，而PLC则主要通过集中控制。因系统架构的差别，会带来可维护性、易用性、精度、安全等方面的很大不同。

针对国内演艺市场需求及舞台机械控制方面的特点，笔者所在技术团队研发了舞台机械类的轴控制器，如图1所示，下面解析其软硬件的设计，分析比较轴控制器和PLC控制系统在应用中的差异。

1 轴控制器的设计

1.1 轴控制器的基本功能

轴控制器作为舞台机械设备专用运动控制器，需具备如下基本功能。

（1）驱动器控制：舞台演出中越来越多的设备采用调速控制，由于设备功率偏大，常采用变频器进行驱动，轴控制器则需要和变频器实施良好的数据交互，最终完成设备的控制。

（2）外部快速通信：采用轴控的方式一般是以主控（或服务器）+轴控的方式搭建系统，为了与主控一层进行数据交互，并且能实现基于编组安全一类的快速故障响应，就需要轴控制器具备高速外部通信能力。

图1 用于舞台机械类的轴控制器

（3）安全防控机制：区别于其他的运动控制器，舞台演出几乎所有的表演形式都存在人和设备的协作，保障人身安全就是最基本的要求。轴控制器设计过程中，需要按照高标准的要求来进行设计，比如依照IEC61508一类的安全标准进行设计、验证、确认。

1.2 硬件设计

轴控制器的硬件设计也存在共性，如安全输入点、安全输出点配置、通信接口设置、变频器交互接口、本地配置接口等。如图2所示为轴控制器系统设计框图，具有如下技术特点。

（1）主控制器采用双MCU（微控制单元）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。双MCU进行数据的实时交换和比较分析，对于安全输入类信号共同采集和诊断，对于安全输出类信号采用共同表决的方式。

（2）控制器提供失效安全数字量输入（FSDI），接入信号如超程信号、松绳信号、乱绳信号、防剪切信号、急停等；并配置常规输入接口，接收来自抱闸的反馈信号、变频器状态信号、主接触器状态等反馈信号，所有点位都可以灵活配置。

（3）电机制动为双冗余控制，每个MCU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，即强制导向型继电器，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。

（4）位置信号通过双编码器输入，支持2路增量式编码器+1路绝对值编码器，分别送入MCU1和MCU2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。

（5）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。同时配置变频器通信接口，方便采集变频器的数字量信号状态，比如转矩、速度、I/O点等信息。

（6）系统配置看门狗电路。

（7）系统配置独立的电源模块，降低共因失效风险。

（8）控制器提供本地显示面板。

图2 轴控制器硬件设计框图

1.3 软件设计

为了满足安全标准的要求，在软件设计中需要满足如下软件安全要求规范：

（1）针对软件设计进行概述，明确软件的安全要求；

（2）描述软件功能和架构，比如针对启动和重启的逻辑、电压监视、编码器采集和诊断等；

（3）通过状态图描述系统功能的状态转移过程；

（4）设备自诊断，比如针对RAM和ROM的读写测试，CRC校验、电压测试、双通道交叉检测、输入输出脉冲监视等。

对于舞台轴控制器而言，有些安全功能的实现必须依赖于软件的实现，而无法通过外部硬件电路的搭建来实现，比如编组同步安全功能；还有一些驱动类安全功能也不容易通过简单的硬件电路搭建来实现，比如运动轨迹监测、速度监测等，都需要进行安全回路的设计并配合软件来完成。该类安全功能用PLC也是不容易实现的，但又是舞台机械设备安全运行必备的。

以编组安全为例说明软件设计方式。编组安全的常用方式是几个设备同时驱动一个物体，一个设备发生故障要求组内其他设备进入快速停机模式。软件实现过程如下：主控或者服务器下发单个设备的运行指令，设备生成对应的运动轨迹，在收到运行命令的情况下启动设备运行，假如设备发生任何故障，比如变频器故障、超载、松绳、乱绳、运行安全限位触发等情况造成意外停机，轴控制器通过高速总线发送设备异常停机标志到主控，主控判定故障并快速发送命令给其他编组内设备使其快速停机。该种过程需要软硬件进行配合，一般为了使系统具备快速响应能力，需要配置对外与主控的高速总线通信，比如实时以太网总线，使系统轮询上百个轴控制器的时间在几毫秒内完成。

对于此类安全功能，都可以纳入到软件设计中，并对该类功能进行详细的黑盒测试和白盒测试，并通过第三方检测机构的认证。而采用PLC方式则一般通过编程人员进行编写，认证过程更为繁琐且项目一致性较差。

2 应用中轴控制器与PLC的异同

PLC和轴控制器均可作为舞台机械控制系统的核心，因此，需要明确实际应用中轴控制器和PLC的异同，以及容易混淆的方面。

2.1 稳定性和可维护性

轴控制器技术迭代性强，维护相对简单，又因其功能及研制的特点一般由某个厂家进行长期维护。对于舞台机械系统而言，究其根本还是有效控制电机的正反转、按照多快的速度、在指定时间所到达的位置、设备安全开关的处理，基本上是一系列通用的流程。基于相似性和可重复性较高，可集成为多个外部输入和输出的控制器来进行控制，可以根据需求不断迭代轴控制器的功能，进行软件升级和硬件升级，将单个设备或者几个设备的控制做到极致，从而使系统的稳定性更有保证。

采用PLC的控制系统，虽然可以进行一定程度的代码重用，但每个项目调试的最终效果与调试人员的技术水平有关，代码的稳定性相比轴控制器有所不如。因此，给用户带来的感觉就是，基于PLC的控制系统的舞台机械系统经常需要不断地完善一些功能，进而会带来一定的风险。

由于轴控制器模块化程度更好，对于系统的维护也更简单一些，某个模块损坏一般只需要更换对应的模块即可，非专业人员也能进行替换操作。对于PLC控制系统，某个模块的损坏通常需要专业人员进行诊断，先定位模块故障点，再进行对应更换，对于人员技术水平要求较高。

2.2 安全性

目前的舞台机械系统，均会涉及到安全方面的设计，越来越多的安全事故让人不得不更加重视安全。相比于PLC控制系统，轴控制器更容易做到安全。安全主要体现在一些安全的设计思路上，比如一个舞台提升设备，有很多输入要求保障安全，有很多输出要求稳定输出，轴控制器能在设计之初就考虑这些内容，比如采用双CPU甚至3CPU的冗余仲裁机制来保障处理器的可靠运行，用输入回路多路采样机制实现输入的安全，用多路输出耦合加对输出结果进行采样反馈的机制从硬件原理上满足安全标准。

对于PLC控制系统，当然也可以采用一些安全机制，但不同于轴控制器的板级集成，PLC需要配合多个安全输入和安全输出模块，并对安全输入和输出进行特殊编程来完成安全功能，实现较为复杂，甚至有些PLC控制系统的安全功能和主逻辑功能采用分离的方式，只能作为一种安全的补充，其设备安全功能的实现难度较高。

对于舞台机械控制系统而言，采用安全型PLC实现的安全功能和采用轴控制器实现的安全功能会有区别，舞台机械常见的与位置信息相关的安全功能，比如位置偏差、编组安全等，采用安全PLC搭建的方式都不容易满足，必须在变频器侧设计对应的安全功能，使用不灵活且功能受限。

2.3 定位精度和同步精度

（1）单轴定位精度

从单个设备定位精度而言，差异不大，两种系统都能达到毫米级的定位精度。舞台机械要求的定位精度也都在毫米级，优劣不明显。但对于轴控制器而言，可以将设备的运行轨迹做得更多样化一些，比如，加减速度的不同设定、运行加减速过程中斜坡的角度、加速类型是普通的梯形加减速还是S型加减速。当然，目前高端变频器加高速PLC也能达到此类效果，只是有的过程会繁琐一些。就单个设备实用角度而言，两者差距不大。

（2）同步精度

目前，同步测试效果比较理想的情况，主要在于机械设备的一致性做得比较好。假如测试条件换成两个不同类型的设备，比如对一个升降台和一个吊杆进行同步，如若吊杆正在下降的过程中升降台也同步下降，同步的效果就会因系统的不同而不同。在PLC控制系统中实现并不容易，而采用轴控制器的方式实现则相对简单。不同类型的设备同步需要多种条件，功率差异大的设备，变频器需要的励磁时间差异很大，吊杆设备都运行了，升降台还没开始运行，假如要同步，需要两个设备都具备零速悬停、高速总线、高速同步的能力，这在PLC控制系统中不是办不到，只是比较困难，代价昂贵。在轴控制器系统中做起来相对简单，更像是设计之初就考虑的必要问题，其出身自带高速总线，多数在几毫秒内同步传输上百个轴数据；另外，采用双电机或多电机驱动也是一种解决之道。

2.4 PLC控制系统的适用性

目前，在国内PLC控制系统还是主流系统，以PLC作为主控系统，入门门槛较低，熟练的PLC人员能比较好地完成舞台系统软件的编写，特别是对于标准剧场，PLC依然是一种比较理想的解决方案。常规剧场标准设备多数是卷扬系统和升降台（块）系统，且多数情况下是对单个设备的定位精度，对于同步精度有要求的设备，多数也为同种类型的设备，设备的同步要求也都在可达到的范围之内。PLC系统一般均可满足剧场的需求。

流动演出对控制系统有一些特殊要求，包括灵活的系统结构形式，即插即用、自动识别的硬性需求，而普通的PLC控制系统难以满足这些要求，不太适用。当然一些特殊的秀场，也采用了轴控制器，以获得更灵活方便的控制效果。

3 结语

笔者针对轴控制器系统的基本设计，从硬件设计到软件设计，以及轴控制器应用中的共性进行分析，并分析比较了PLC控制系统和轴控制器系统的优缺点。

相比PLC控制系统，轴控制器系统更具优势，特别是在安全性方面更为明显。虽然目前的安全型PLC控制系统也可以完成不少的安全功能，但是对于一些核心的安全功能，比如驱动类安全、编组类安全、偏差类安全等功能，采用PLC的方式依然不容易实现，或者实现的成本极高，或者根本无法实现。

舞台机械设备对于安全的要求会越来越高，采用轴控制器的方案能更好地满足此类需要。但目前国内外关于轴控制方面的进展依然存在不小的差距，欧美等地区国家的轴控制器发展时间久，成熟度高，均有满足SIL3的轴控制器产品，并在国内一些大型的剧场如《重庆大剧院》《江苏大剧院》《无锡大剧院》等得到广泛应用；反观国内轴控制器，由于发展时间相对较短，多数国内企业承建的剧场依然以PLC控制系统为主。但近两年，国内自主研发的轴控制器也越来越多地得到应用，特别是应用于流动演出行业，如《澳门回归祖国20周年文艺晚会》《阿里20周年庆典》《2019天猫双十一》《2020苏宁618》《2020东方卫视跨年晚会》《2020浙江卫视跨年晚会》《五月天2019演唱会》《容祖儿出道20周年演唱会》等，均采用了自主研发的轴控制器的控制方案。

PLC方案在发展初期可以提供一种解决方案，会为轴控制器的研发争取过渡时间。未来的舞台机械行业，将会有越来越多的国内厂家能提供轴控制器的产品和方案，轴控制器将得到更好的研发应用。