现代控制系统在剧院及舞台中的应用

时间：2024-05-19

［英］马克·艾格

（英国Stage Technoloies公司）

本文介绍英国Stage Technologies公司（以下简称ST公司）在参与相当多的娱乐演出场所建设后，设计出的控制系统（以下简称ST控制系统）。ST公司不仅与歌剧院（如伦敦皇家歌剧院）有过合作，还参与过其他演出场所的舞台以及演唱会现场舞台机械等工程项目；同时，还为许多大型演出项目，如拉斯维加斯太阳马戏团的《Ka》、《Love》、《Elvis》、《Zumanity》以及澳门新濠天地的大型水景演出《水舞间》等提供控制系统。因此，ST公司了解这些类型的表演项目在舞台控制上有特别的需求，并在控制系统中加入了相应的新内容。

1 舞台新要求及新控制系统特征

在相当长的一段时间内，因为同一表演会在固定的剧院内重复演出多年，这对布景的吊挂设备并没有很高的要求。但随着舞台运动复杂程度的提高，表演期间场景与演员间的互动大为增加。

这种复杂性表现在以下几方面：

（1）演出中轴的运动次数增加。以前安装在歌剧院中的轴只在很小范围内移动（通常少于20%），如今，这些轴在演出中通常会百分之百地移动，而且次数是以前的3倍。而一场演出中的舞台机械动作指令是以前的100～200倍。

（2）轴或者布景与表演者的互动次数远高于演员停留在一个固定位置的情况。如果装有表演飞行系统，这种互动会更加重要。运动的方式也变得更为复杂，二维或三维运动已很平常。布景可以向任意方向运动，如上下运动或适用于传统歌剧院的左右移动。不同元素间的互动日渐复杂，多轴间运动的同步则更为复杂。

（3）轴运动的速度通常较快，而且观众看得见。无论在戏剧院还是歌剧院，很多场景在幕间进行转换；在一些大型表演中，观众看得到这些转换。由于剧院面积有限，吊杆的运动速度一般为2 m/s或者稍微再快一点，而飞行系统的运动速度则在4 m/s～5 m/s。

（4）舞台上要操作的设备越来越庞大，包括从小功率电动机到大型液压机、电动式升降机及飞行表演用的卷扬机等。表演时，这些设备还会与其他系统连接，将位置状态信息传递给自动控制系统，以保证灯光及视频能随着自动控制系统同步运行。

为满足以上这些需求，ST公司研发出一套控制系统来满足客户的需求。这套系统有以下特征：

（1）操作者需要在可见正在上演节目的地方进行操作。这表示在某些情况下一些控制的位置需要改变以保证有最佳的视角。特别是当演员与机械设备有连接时、执行高速CUE时，或者对问题做出反应时，必须拉近操作者与节目间的距离。

（2）随着表演变得越来越复杂，操作者需要同时操控一个舞台机械运动指令的多项内容。这要求控制系统既要保证能实现复杂的动作顺序，同时，也能对舞台上的问题及时做出反应；为了与演员形成互动，还要有改变CUE运行速度的能力。在一些复杂的场景转换中，需要多个操作人员合作，每个轴/CUE要由几个不同的操作人员/位置来完成控制。

（3）有强大的故障诊断系统及时识别问题并作出修正。装置的大小意味着设计那些复杂运动的编程需要一段较长的时间。这需要利用各种可能的辅助手段来进行协助，如使用离线模拟编辑，它可以不受地域限制，预演那些已完成设计的机械运动指令，在剧目上演前演示设计团队的设计效果。

（4）控制系统的可靠性和可维护性也很重要。没有控制系统，演出便不可能进行。因此，这套控制系统有很强的可操作性，而且便于长期维护保养。

2 ST控制系统的特点

基于西门子Simotion系统的ST控制系统（见图1），结合了可编程控制器（Programmable Logic Controller，以下简称PLC）和运动控制器的优点。

自定义运动控制器是为更有效地进行运动控制任务而设计的，它反应快且优化了运动控制所需的输入/输出类型（如编码器、模拟计算值等）。控制编码是优化的，能“实时”运行特别的编码以完成一些更复杂的任务。但运动控制器往往是小批量生产，而且其软件由规模较小的工程师队伍编写，随之而来会产生系统的维护问题，尤其是在自投入使用之日起的5年内。

传统PLC的优点是它们通常由大型公司批量生产，与运动控制器相比，有着更好的连通性，因为主流PLC的制造厂商会提供全方位的配套产品如各种网络系统及连接工具，以便其应用在很多不同的领域中。

西门子的Simotion运动控制系统结合了上述两种控制器的优点。它是工业用控制器，能优化运动控制任务，而且能胜任一些复杂的“实时”运动任务；另外，它由世界知名的工业自动化产品企业生产，因此，会有相对应的配套产品供应，现在和未来都能得到良好的支持。这些产品完全可以使用20年以上，远高于传统运动控制器5年的寿命。而且，拥有大量经过培训的可处理系统故障的工程师，进一步保证了系统的使用寿命。此外，它可以与西门子一系列相关的网络连结驱动器如Sinamics控制器等更好地配合，允许系统进一步去实施“缓解”工作。

图3 ST

图4 ST控制系统布局图

3 硬软件结构

图2为ST控制系统的硬件结构，系统采用Simotion处理器。系统的核心是D4×5处理器系列，这些功能强大的单元提供了所有被业界所要求的运动控制任务中的标准处理程序。

处理器通过标准的工业以太网连接到ST的控制台。电动驱动器及液压控制系统通过自定义的实时网络连接，一个大的I/O模组可以应付任意接口任务。

图3是ST控制系统的软件结构。使用这个系统的好处之一，是在Simotion处理器中预置了所有标准的运动控制指令，不只有简单的点对点移动，也有精密的同步指令，以完成一些复杂的机械运动。运用这一系统，直流、交流、伺服器及液压轴都能无缝合作。除了标准的西门子软件，ST控制系统加入了轴控制代码，使处理器能与ST公司的一系列控制台通讯；也可以添加自定义轴模块以提供更强大的功能，如实现二维和三维空间移动、扭矩控制及防摇移动。

4 布局和控制台

多个D4×5处理器连接起来可组成更大的控制系统，可将这个网络架构应用于200组以上转轴的运动控制。

图4为ST控制系统的布局图。除了标准的以太网接口、驱动器接口及轴控制，还有仅在D4×5处理器间连接用的同步网络，这使位移及其他信息能通过处理器网络分享而实现更复杂的同步操作。整个系统能与互联网连接，可进行远程登陆和诊断，所有用户条目如运行、停止、速度、编程指令以及系统错误等被记录，并可通过界面查看。此外，从输入电压到发动机电流I/O状态等，西门子软件都能对整个系统进行全面诊断。

其他西门子处理器也可因应不同的需求而整合到这个架构中。如在一个大型系统中，安全处理器可被整合进紧急停止信号中，一个监察处理器能使系统达至SIL3的安全水平。也可以添加其他任何不同部件，比如无线电连接轴等。

ST控制系统可以连接一个或多个控制台，后者可在ST公司的控制台中自由选配。所有控制台都运行一个共同的通用软件平台——变色龙（eChameleon）表演控制系统，用户能登入指定的帐号对系统进行操作。单个轴或者同一编组的轴可以在各个控制位置之间方便且无缝地传递。

Acrobat控制台为大型表演提供复杂的编程和录放功能；Nomad控制台除有着与Acrobat相似的功能外，还便于携带，使操作员能在最佳位置对特定表演效果进行观察。此外，还有体积更为轻巧的Solo手提控制器及其他一系列为小型表演场地而设的控制台。

变色龙表演控制系统为复杂的表演提供所需的全套功能。多位操作者能同时登入系统操作并进行互动，分配给一个操作者的机械运动指令可以被其他操作者取消，还可以给操作者分配编程权限，以限制对某些轴或功能的使用（如录制节目等）。

机械的运动模式从点对点移动（设定速度，加速度和减速）到多目标移动，甚至更复杂的移动路径都可以被编程。

图5 在Acrobat控制台上录放CUE运行

图6 变色龙系统资料显示模式范例

图7 三维空间移动示例

图8 与其他系统的连接

所有控制台的一个主要功能，就是能够在不同的录放上启用机械运动指令中的多个组成部分。这对歌剧院及其他剧场的演出非常适用，在大型表演中也必不可少。每一个CUE都能控制任何数目的电动机，可以独立于其他的录放去单独执行运动、启动和停止指令，甚至可以根据现场演出需要进行加速或减速。在控制台上，不同的录放都会以不同的颜色（红、蓝、绿等）来标示，如图5所示。用户可以自行选择系统信息和CUE表信息在界面上的显示方式，包括从任意一个方向看上去的剧场3D视图，如图6所示。

控制台能对整个自动化系统进行全面精细的诊断，从单个轴的状态、紧急停止到安全连锁状态等。用户可自行设定诊断的内容，用以监察系统的主要组成部分。

5 运用实例

大型演出中经常有复杂的机械运动，例如三维空间飞行。飞行表演者被数台卷扬机吊起，并借着调校卷扬机上钢索的长度来实现三维空间的飞行效果。钢索长度的计算取决于X、Y、Z这三个位置，这可通过一个连接控制台的三轴控制杆或3DS软件获得（或同时使用控制杆及3DS软件，该软件能根据控制杆的记录对运动作进一步编辑）。操作者能实时了解钢索的长度并与飞行表演者进行实时互动，只需修改传递函数（ƒ），就能因应表演的需要而做出各种各样的飞行表演效果。如图7所示。