編者按：澳門回歸祖國20周年文藝晚會以舞美、燈光、音響、視頻等多種舞臺技術手段，呈現出恢弘壯麗的舞臺效果，展現了澳門自回歸以來的斐然成就。本期特設“慶祝澳門回歸20周年專題”，分析軸控制器在大型演出中的應用，介紹演出中的演出音響系統的設計、實施。
今天為大家分享《軸控制器在大型流動演出中的應用——以慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會為例》
1 引言
2019年12月19日，“慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會”在澳門東亞運動會體育館舉行。整個演出在體育館臨時搭建平臺，所有舞臺機械設備、燈光、音視頻設備均按照通常流動演出的方式使用。
本次晚會主題為“濠江情 中國心”。《我和我的祖國》《七子之歌》等經典歌曲抒發愛國愛澳的無限深情，多媒體情景講述《光陰的故事》，以獨特視角表現澳門回歸祖國20年來的輝煌成就。剛毅雄健的功夫表演《濠江雄風》、慷慨激昂的經典詩詞朗誦《少年中國說》，皆展現出自強不息的奮斗精神和中華優秀文化在澳門的傳承弘揚。深具傳統韻味的粵劇與南音表演，活力四射的現代舞和熱情奔放的葡式土風舞，描繪出澳門中西文化薈萃交融的獨特魅力。情景講述《溫馨一刻》，表達了澳門同胞對習近平主席的愛戴之情。歌曲《大灣區之美》《蓮成一家》《乘風破浪再出發》等唱出心手相牽、共同逐夢的美好愿景。
演出過程中，舞臺機械比較出彩的設備為移動透明屏（俗稱“冰屏”）和開場蓮花（圖1）。15塊獨立的冰屏組成3組大屏，播放著澳門回歸祖國20年來取得的輝煌成就。11片金蓮花瓣，則作為特殊序幕拉開整個演出的序幕。
2 硬件系統
2.1 概述
演出過程中的舞臺機械主要有兩種結構。一種為開場蓮花，開場蓮花由22臺吊機吊掛11片蓮花花瓣。上場口布置12臺吊機和一個車載，下場口布置10臺吊機和一個車載。每片花瓣由2臺吊機控制，通過控制吊機的速度差和運行過程中速度不斷變化，實現蓮花花瓣在展開的過程呈現隨風飄蕩的感覺。
另一種機械機構由15塊冰屏組成，冰屏共由30臺數控葫蘆吊掛。每塊冰屏由2臺數控葫蘆吊掛，通過安全編組實現兩臺數控葫蘆位置偏差超限或者其中一臺故障，兩臺數控葫蘆都能安全停止來保證其吊掛的冰屏安全。
如圖2所示，整個硬件系統采用分層設計的方式，分為操作層、管理層、執行層。操作層和管理層通過普通以太網進行互聯，管理層和執行層之間通過工業實時以太網進行互聯。
操作層由兩個主控臺組成，兩個主控臺互為備份，可實現在一臺故障的情況下切換到第二臺進行控制。
管理層主要是指主控單元和電源分配系統，主控單元用于協調多個操作終端和驅動端，一方面接收來自操作層的指令，并通過實時以太網將解析后的命令發送給執行層的驅動單元。同時，管理層實時接收來自驅動單元反饋的設備狀態信息，如位置、速度、載荷、外部開關等信息，并反饋到操作層，使操作員方便掌握底層 設備的狀態。
執行層主要是由一個個驅動單元構成，每個驅動單元包含軸控制器、變頻器、制動電阻等子單元。驅動單位接收管理層的控制命令，轉換成對應的運動指令，驅動變頻器進而驅動電機運行。
2.2 驅動單元
驅動單元主要用于控制單個設備，外觀如圖3所示。為了驅動單元使用的方便性，驅動單元具備如下特性。
控制方式：分為本地控制和遠程控制。本地控制模式下，可通過本地面板自帶的按鍵進行本地驅動參數設置和試運行。遠程控制模式下，則通過自帶的實時工業以太網接收指令進行設備操作。 外部接口：為了方便驅動單元在流動演出中使用，所有接插件采用快速連接的接口方式，如基于工業以太網的通信接口，基于CE接口的電源供電方式，外置的空開和保險接口，單根連接到電機的重載連接器接口（重載連接器包含所有的電機線、制動線、雙編碼器線、限位開關信號線等）、載荷傳感器接口。 高度集成：驅動單元包含控制單個電機常用的所有組成部件，如軸控制器、變頻器、制動電阻、空開、接觸器、安全回路、制動回路等。
圖4為驅動單元內部框圖。從圖中可以看出，軸控制器的主要組成部分和主要信號輸入輸出通路。為了方便使用，通信和動力接口均采用包含輸入輸出的設計，可根據現場實際需要進行菊花鏈的連接方式，方便快速布置和使用。
驅動單元內部采用閉環設計，編碼器可設計兩路輸入，一路增量編碼器輸入，一路絕對值編碼器輸入，增量編碼器信號同時進入軸控制器和變頻單元，可實現速度閉環和位置閉環。采用雙閉環設計方式，單個設備的電控定位精度能達到0.1 mm。
2.3 軸控制器
在此類搭臺演出中，軸控制器相比傳統的PLC控制系統更為方便。對于流動演出行業，需要舞臺機械設備達到類似燈光、音響設備“即插即用”的要求。燈光設備可以通過設置燈光的地址碼，方便地并入整個燈光系統。傳統方式采用PLC組態的機械控制系統，由于需要組態，一般需要軟件人員到演出現場進行臨時編程，或者把組態好的足夠多的設備帶到活動現場。而這種組態好的設備一般分為多個組，比如30個設備為一組，采用一個總控和操作臺進行控制。但是，此類應用對于特殊要求有所不足，比如某個演出需要采用多個設備的編組來操控，或者多個設備間存在安全互鎖等使用情況，均無法很好地滿足要求，不僅需要攜帶大量的設備，還會帶來操控方式的不便。
演出專用軸控制器常應用于舞臺設備提升和移動設備，提供控制系統解決方案。尤其適合各種調速控制系統，按照用戶設定規則約束，控制設備上升、下降和懸停。產品設計緊湊，接口豐富，方便安裝，可供用戶快速集成開發。控制器集成安全功能，避免非故意的危險動作，對限位、超載、欠載、松繩、亂繩等進行安全監測輸入，并能確定變頻器安全運行啟動，同時確保設備在安全運行范圍，及時監測出設備在安全運行范圍內。當能導致安全功能丟失的危險故障被檢測到時，為了阻止危險，故障反應功能啟動，診斷和故障反應功能在給定的最大故障反應時間內執行，確保人身安全。
本次晚會中應用的軸控制器框圖如圖5所示，具有如下技術特點。
主控制器采用雙CPU架構，對安全相關信號進行輸入輸出表決，有效降低安全失效風險。 控制器提供失效安全數字量輸入（FSDI），接入信號如限位信號、超程信號、松繩信號、亂繩信號、急停、過載信號、欠載信號、抱閘反饋信號、變頻器正常信號、主接觸器狀態等反饋信號，所有點位都可以靈活配置。 電機制動控制為雙冗余控制，每個CPU控制一個安全失效繼電器輸出回路，釋放時，制動器將制動。繼電器采用安全繼電器輸出，即強制導向性繼電器，防止觸點粘連導致控制失效。同時，每路都提供制動器有效性信號反饋檢查，接入失效安全數字量輸入通道。 位置信號通過雙編碼器輸入，支持1路增量式編碼器+1路絕對值編碼器或者2路增量式編碼器，分別送入CPU1和CPU2進行表決。同時，每個信號通道以及電源都有監控電路反饋狀態。 變頻器通過模擬量給定控制變頻器轉速，并通過模擬量反饋來監控變頻器執行情況。其中，模擬量信號輸出也帶有輸出診斷功能。 控制器提供本地顯示面板。
3 軟件
3.1 概述
本次晚會中，蓮花在開場過程中需要做花瓣打開和飄揚的動作，而冰屏則需要在各種節目中配合節目形式完成不同的造型設置。
3.2 技術難點
整個節目使用的運動單元多達60臺。對于60多個設備的短期快速編程也是一個難點。
對于編程而言，由于軸數量較多，并且需要配合演出做出各種造型，因此工作量較大。為了簡化編程，系統引入項目管理、編組、時間序列混合編程、DMX觸發等概念和方法，用于簡化系統編程和操控。
（1）項目管理
項目管理是針對一場演出活動進行特定設備配置的過程。在系統配置的操作臺軟件中，可針對設備實際情況進行配置，包括設備使用的數量，設備地址碼的對應關系，每個設備對應的物理參數（最大速度、位置、加減速等）等（圖6）。針對這類信息進行統一管理，在不同的活動中，可將不同數量和不同功率的驅動單元進行統一管理和組合使用。
（2）編組
編組方式更像是一種基于對象的編程方式（圖7）。在演出過程中，每塊冰屏和每個蓮花花瓣都是由兩臺電機驅動。在這類驅動方式下，需要考慮安全和快速編程的能力，安全主要是針對多個電機驅動一個物體的情況，其中一個驅動出現故障，需要快速停止同一編組中的其他驅動單元。快速編程則可針對編組中的設備作為統一編程，不僅可針對物體進行統一升降或平移的編程，還可以針對其他運行的自由度進行編程，比如沿X方向的傾斜或沿Y方向的傾斜。
（3）時間序列混合編程功能
時間序列混合編程功能主要通過時間和動作序列結合的方式實現，通過時間來完成時間點的卡位，通過動作序列來實現設備編程的連貫性。比如一個設備執行完當前動作后，需要馬上執行下一個動作，最好的方式是通過序列編程，而一個設備需要在某個時間點進行特殊的動作，為了和其他設備的時間點進行配合，采用時間的編程又會變得簡單。
（4）DMX觸發
在實際活動中，為了將機械和燈光、音視頻進行統一管理，機械設備裝置支持外部信號觸發運行。本次晚會中配置的主控系統即可接入燈光控制臺進行統一觸發，燈光控制臺在收到中控命令后，可對機械設備和燈光進行統一觸發，保證系統運行的時間點準確，步調一致。
4 總結
軸控制器用于流動演出舞臺機械控制系統，是近年來行業技術進步的標志之一。慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會對于舞臺機械提出很高的要求，特別是機械的可靠性、靈活性要求極高，在系統穩定的大前提下，要求對系統能進行快速地調整，改變機械所呈現的狀態。軸控制器在本次晚會舞臺機械中的應用，達到系統要求，圓滿完成晚會任務。
選自《演藝科技》2020年第1-2期 侯鵬強，唐 偉，向 飛《軸控制器在大型流動演出中的應用——以慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會為例》，轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技》。
