“梦回巴国”舞台机械电气控制系统

宗井彬，刘文月，霍景然

（1.北京星凯达舞台技术有限公司，北京 100162；2.北京长征天民高科技有限公司，北京 102600）

0 引言

随着我国全面加快社会主义精神文明建设步伐，文化建设得到快速发展，并促使大众对舞台艺术的呈现效果提出更高的要求。近年来，随着工业以太网、现场总线的发展，通过工控机、HMI和PLC的合理设计，极大地提高了舞台机械控制系统的性能，降低了舞台控制系统的开发及控制难度，减少了开发时间，降低技术成本投入，使舞台机械控制系统实现网络化、智能化，同时确保舞台机械控制系统的可靠性、安全性、易操作性，为我国舞台技术的发展提供可靠的参考[1-2]。

宣汉县是国家级贫困县，贫困人口20.94万，是四川省贫困人口最多的县，在达州市委政府的大力支持下，大力发展旅游业，绿水青山就是金山银山，以文旅扶贫，如今的巴山大峡谷已经是国家AAAA级旅游景区，“梦回巴国”剧场位于巴山大峡谷景区内，是一座现代化的旅游定制秀场剧场，占地面积约5 万m2，其中建筑占地面积约9000 m2，广场及景观占地约4.1 万m2。巴山大峡谷也将随着“梦回巴国”的演出启动，把乡村旅游推向多元化成长，为旅客们奉献一套精彩的文化盛宴，打造“游巴山、亲巴水、交巴人、梦回巴国”的中国巴文化高地。“梦回巴国”剧目由著名导演哈文及其团队打造设计，目的是让世界了解巴文化、知道巴文化，其演出场景图如图1所示。

图1 梦回巴国演出现图

1 剧场机械组成部分

1.1 观众席区机械设备

观众席区舞台机械是由9组升降台组成，其设备清单如表1所示。升降台有3个停点位，分别在观众席一、二、三层入场口。观众进入剧场后，随着演出情节的发展，使观众置身于整个演出之中，增加观众的参与感；同时观众席的机械升降台组同步运行，能够给视觉及观演实时改变，增加舞台视觉效果和独特演出体验；每个升降台有4个插销，在演出结束后，升降台回到初始位置，插销插入，防止升降台意外坠落，增强升降台的安全性；每组升降台组单独配有备用电动机，当控制系统切换到本地模式，手动控制升降台启动，供紧急情况和维修维保[3]。剧场机械设备布置图如图2所示。

表1 观众席区设备清单及技术参数

图2 剧场机械设备布置图

1.2 舞台区机械设备

1.2.1 舞台区台下机械设备

台下机械设备包括台唇升降台、前升降台、4组侧升降台、圆形升降旋转倾斜升降台、大布景升降台，其设备清单如表2所示。

表2 舞台区台下设备清单及技术参数

台唇升降台是距离观众席最近的台下机械结构，其运动不仅可以运输道具和演员，还可以将镜框式舞台进行画面分割，呈现出不同比例的画面，演员获得更多的表演空间。

前升降台位于舞台建筑台口内侧的上方，演出时可以升降。整体结构设计成中空通道，为演出和演员提供不同空间高度的表演区域，同时又可以结合其他机械结构，将整个镜框式舞台进行画面分割，并且使舞台具有纵深空间的延伸效果。

侧升降台组由4台升降台组成，能够独立运行，设计安装在圆形台左右两侧，在完成演员和布景切换的同时，还可以配合主升降台运动，从而使得演出画面和演员调度更加丰富，当4套升降台组处在不同的高度，使舞台形成不同的阶梯造型。

圆形升降旋转倾斜台设计安装在舞台上主要的表演区域，是演出剧情发展及观众视点主要聚焦区。升降功能可以满足演员及道具的专场切换；旋转功能生动的展现舞台演出的动态美感，旋转的动作可以打破单一垂直升降台的视觉效果，从而丰富观众的视觉感受；倾斜台在旋转的基础上设计，赋予了主升降台新的功能和活力，观众视觉画面不再单一停留于井字分割和纵深运行。

大布景升降台设计安装在舞台后区，中间有1个停点位，主要功能是切换大型道具及演员串场调度，使大型道具及演员快速切换。

1.2.2 舞台区台上机械设备

台上机械设备由64套电动吊杆、电动灯杆和侧灯光吊排组成，其设备清单如表3所示。电动吊杆和电动灯杆不仅能单独运行，还能多台编组运行，用于吊挂景物、灯架；侧灯光吊杆用于吊挂灯具。电动吊杆和电动灯杆布满在舞台区上空，每道间距约400～500 mm，承载400～1500 kg, 电动吊杆最大速度为0.8 m/s，电动灯杆最大速度为0.2 m/s。

表3 舞台区台上设备清单及技术参数

2 舞台系统

2.1 舞台区网络系统

舞台区控制系统与观众席区控制系统相似，分别是两套独立的控制系统，而舞台区网络控制系统更复杂，所以本文只做舞台区控制系统介绍。舞台区网络系统由服务器、操作台、研华交换机、倍福PLC、MOXA无线AP收发器、光纤收发器、CT变频器组成，上位机与PLC通过以太网通信，PLC与变频器、变频器与变频器采用EtherCAT通信，圆形台的旋转倾斜的PLC通过无线AP收发器与台下PLC通信，台上左右侧PLC通过光纤通信。上位机由工控机、触摸屏组成[4]。其网络系统图如图3所示。

图3 舞台区网络系统图

2.2 舞台区控制系统

舞台区控制系统由上位机、交换机、倍福PLC、无线AP收发器、光纤收发器、CT变频器、三相变频器电动机、ELCO编码器、上下限位开关、上下极限位开关、防剪切检测开关等组成，上位机由工控机、触摸屏组成。双台上位机互为冗余控制系统，均可独立进行表演场景运行，实时监控及实时故障响应，同时通过动态优先权分配机制完成相互之间的逻辑互锁；UPS电源防止剧场突然断电，可以进行控制数据的保护；舞台区的操作台、升降台、电动吊杆、电动灯杆配有急停按钮，急停按钮信号串联在一起，防止意外发生。由于圆形台的旋转和倾斜控制电缆较多，采用无线通信，既减少了工程量，又节省了施工空间[5]。其控制系统如图4所示。

图4 舞台区控制系统图

3 舞台控制软件

3.1 PLC控制程序

PLC程序是在TwinCAT 2环境开发的，PLC程序采用功能模块化程序设计，PLC程序由通信模块、设备控制模块、参数设置模块、异常处理模块、设备保护模块等组成[6]。当上位机软件启动时，首先应与PLC建立通信链接。首先上位机与PLC通信的参数表，获取PLC的IP地址，并与PLC建立链接，链接建立成功后，在程序运行期间，每一循环周期（100 ms），HMI软件去PLC的数据块读写一次。上位机软件读取PLC的数据：轴的当前位置、速度、状态、工作模式（单控、集控、本地/远程控制）、接收通信标志、发送通信标志。上位机传送给PLC的数据：轴的设定位置、设定位置、延迟时间、系统是否允许标志及通信标志位。其控制流程如图5所示。

图5 PLC控制系统流程图

3.2 上位机控制系统

上位机操作系统是基于Microsoft Windows 7系统，采用Visual Studio软件开发的，采用了Windows中标准的窗口空间，如对话框（Dialog）、文本输入框（Textbox）、列表框（List）、按钮（Button）、单选按钮（Radio Button）、多选按钮（Checkbox）、键（Key）等。系统具有良好的人机界面，具有设备运行参数的设定、编组、场景设置/图形数字动态显示、屏幕菜单操作、自动记忆、故障诊断、故障处理提示等功能。操作权限分管理员、操作员等不同权限，由系统管理员进行分配。上位机组态软件功能如图6所示。

图6 上位机功能框图

3.2.1 上位机操作界面

当软件启动后，会弹出用户登录窗口。StageAPP设置4级权限，分别通过4个用户名来实现，其中，权限级别越高，拥有的功能就越多。在用户登录的过程中，StageAPP会在后台主动与PLC进行数据同步，数据同步成功后，StageAPP会提示数据同步成功，确保系统的安全可靠性。系统登录成功后，直接进入操作主界面，主界面分为8个区域，分别是标题栏、功能按钮、设备监控区、操作区、信息提示栏、状态栏、功能菜单区、系统按钮区，如图7所示。

图7 上位机主操作界面图

标题栏显示OEM厂家信息、本机软件的名称和系统时间；功能按钮包含设备的操作、状态的显示和系统状态的显示；设备监控区用于显示舞台设备64个操作与监控通道，分两页显示，每页32个操作与监控通道；操作区用于设备、剧目选择的相关界面；信息提示栏显示软件当前运行状态和用户的操作信息；状态栏显示系统当前状态（系统状态是否正常）、显示用户属性（管理员、普通用户）和用户名称、软件工作模式（装台模式、演出模式、监控模式）；功能菜单按钮用于剧目管理、设置配置、系统选项；系统按钮区用于StageApp的工作模式选择。

3.2.2 数据库

数据库采用MySQL8.0开发，根据功能把数据库分为用户表、实时数据表、历史数据表、操作记录、系统参数表、剧目表、故障记录表、设备地址等[7]，数据库如图8所示。

图8 StageAPP数据库

用户表负责账号管理，主要记录用户登录、操作人员身份识别及权限验证等功能；实时数据表存储系统的当前运行状态，包括升降台和吊杆的位置、速度等数据；操作记录表记录工作人员对系统的操作，包括用户名、登录时间及操作名称；系统参数表存储系统的设置信息，包括系统更新时间、上下软限位的位置等；剧目表存储舞台剧目，可以复制粘贴相似剧目或场景，减轻了舞台工作组人员的工作量；故障记录表存储设备报警、异常、故障信息及其发生的时间；设备地址表存储网络系统及总线系统中的设备通信IP地址及通信配置文件。

4 结语

“梦回巴国”剧场是专门为“梦回巴国”剧目量身设计打造的，是一场立足于古老巴国文化，展现从古至今磅礴壮美的自然景象、底蕴深厚的历史文化、丰富多彩的人文风情和传承不息的巴人精神的大型剧目，让世界了解巴文化，知道巴文化。在该项目中，将舞台机械控制系统的硬件部分和软件部分采用标准功能模块设计，按照工程实际需要，将标准模块进行组合，实现控制系统设计的简单化、功能的灵活化。其硬件、软件配置均达到国内较先进的水平，可为目前国内剧场建设提供参考。