（控制科学与工程专业论文）大型舞台运动控制系统关键技术研究及软件设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 本课题以奥运会开闭幕式表演控制系统设计与实现为背景，针对具有代表性 的两类舞台的台面的升降控制展开研究，从系统需求出发，详细分析和探讨了控 制系统的总体配置，安全性和可靠性设计、冗余配置以及控制系统软件的设计与 开发，具有重要实用价值。 首先，从控制系统总体设计角度详细分析了系统控制对象和功能需求，确定 了系统的设计原则，设计了系统整体结构。系统由“上位机( 触摸屏) + 过程控制 装置+ 现场驱动设备三层设备构成，通过“工业以太网+ p r o f i b u s d p 现场总线 两层网络进行连接。并对其平台的硬件组成及网络环境和软件设计做了整体的分 析。 其次，由于奥运会演出的特殊性、重要性，对控制系统的安全性、可靠性进 行了详细分析。从安全性、可靠性等方面做了大量设计研究，包括主要元器件的 选材、耐环境设计、抗干扰、降额设计系统结构的设计，安全与防护装置设计、 紧急停机设计、通讯网络设计等。 再次，为了提高系统的可靠性，合理应对和处理各种可能的故障情况，采用 多级冗余技术对控制系统进行设计，主要包括硬件冗余、软件冗余、通讯冗余及 多级操作设计；并对整个系统进行了可靠性分析，完成了可靠性预计。 最后，针对控制系统的功能需求和硬件配置，对控制系统的软件进行了详细 的设计与开发，主要对上位机软件和下位机软件的开发。运用s t e p 7 编程软件对 下位机进行了开发，运用v i s u a lc 抖6 0 开发工具完成了上位机监控软件的开发， 实现了对拖动系统的实时监控。 本课题研究成果成功地应用于奥运会开闭幕式的运动控制中，在表演过程中， 控制系统运行安全可靠，运行平稳、准确，圆满完成了奥运会舞台表演中的运动 控制任务。 主题词：集散控制系统可靠性设计安全性设计冗余设计软件设计 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o j e c ti so nt h eb a c k g r o u n do ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp e r f o r m i n g c o n t r o ls y s t e mo fo l y m p i cg a m e so p e n i n ga n dc l o s i n gc e r e m o n i e s t h er e s e a r c hi s c a r r i e do u to nt h el i f tc o n t r o lo ft w ok i n d so fr e p r e s e n t a t i v es t a g e f r o mt h es y s t e m r e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rd e t a i l st h eo v e r a l ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n , s e c u r i t y ，r e l i a b i l i t y ， r e d u n d a n c yc o n f i g u r a t i o n , s y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t , a n di ti so f s i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u e f i r s t l y ，f r o mt h ea n g l eo fo v e r a l ld e s i g no fs y s t e mt h i sp a p e ra n a l y s e sc o n t r o l o b j e c t sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s i nd e t a i l ，a n dt h e nt h ed e s i g n p r i n c i p l e sa r e d e t e r m i n e da n dt h ew h o l es t r u c t u r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mi sc o n s t i t u t e db y t h r e el a y e r so fe q u i p m e n t ：h o s tc o m p m e r ( t o u c hp a n e l ) ，p r o c e s sc o n t r o ld e v i c e sa n dt h e f i e l dd r i v e r s ，a n dt h e ya r ec o n n e c t e db yi n d u s t r i a le t h e m e ta n dp r o f i d b u s d pb u s s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n gt h ee s p e c i a li m p o r t a n c eo ft h eo l y m p i cc e r e m o n ys e c u r i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y p l e n t yo fr e s e a r c h e sa r e m a d eo n s e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t y ，i n c l u d i n g c h o i c eo fm a i n c o m p o n e n t s ， a n t i - e n v i r o n m e n td e s i g n ，a n t i - i n t e r f e r e n c e ，d e r a t i n gs y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n ，s a f e t ya n d p r o t e c t i o nd e v i c ed e s i g n , e m e r g e n c ys h u t d o w nd e s i g n ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e s i g n z n ds oc 矗 t h i r d l y ，i no r d e rt oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y ，r e s p o n s ea n dd e a l 诵t ha l lp o s s i b l e f a u l tc o n d i t i o n sr e a s o n a b l y ，m u l t i - l e v e lr e d u n d a n c yt e c h n o l o g yi su s e df o rc o n t r o l s y s t e md e s i g n , i n c l u d i n gh a r d w a r er e d u n d a n c y ，s o f t w a r er e d u n d a n c y ，c o m m u n i c a t i o n r e d u n d a n c ya n dm u l t i l e v e lo p e r a t i o n ；t h ee n t i r es y s t e mr e l i a b i l i t yi sa n a l y z e da n dt h e r e l i a b i l i t yp r e d i c t i o ni sc o m p l e t e d f i n a l l y ，i nv i e wo ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n , t h e s o f t w a r ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nd e t a i lw h i c hm a i n l yi n c l u d e ds o f t w a r eo fh o s t a n ds a l v ec o m p u t e r s 砀es a l v ec o m p u t e rs o f t w a r ei s d e v e l o p e db ys t e p 7 p r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，a n dt h eh o s to n ei sd e v e l o p e db yv i s u a lc + + 6 0 t h es y s t e m r e a l i z e st h er e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ed r a g g i n gs y s t e m t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c ha r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ee x e r c i s ec o n t r o lo ft h e o l y m p i cg a m e so p e n i n ga n dc l o s i n gc e r e m o n i e s i nt h ep e r f o r m a n c ep r o c e s s ，t h e c o n t r o ls y s t e mr u n n i n gs m o o t h l ya n da c c u r a t e l ya n ds u c c e s s f u l l y c o m p l e t e s t h e o m i s s i o nc o n t r o le x e r c i s ei nt h eo l y m p i cs t a g ep e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) r e l i a b i l i t yd e s i g n s e c u r i t yd e s i g nr e d u n d a n c yd e s i g n s o f t w a r ed e s i g n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1受控设备基本情况9 表2 2 几种现场总线特性对比表1 3 表2 3 上位机与下位机三种通讯方式对照表1 4 表3 1 三种电动机性能对照表1 8 表4 1 系统故障数据表4 0 表4 2 系统可靠性对照表4 1 表5 1p l c 软件功能划分表5 3 表5 2p l c 软件外部接口简述5 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图目录 “梦幻地球”片断7 剪刀撑升降台和单点吊升降台8 通讯网络图1 5 s 7 - 4 0 0 h 硬件结构图与同步光纤连接2 0 e t 2 0 0 从站与y l i n k 耦合器2 1 神州3 0 0 0 控制台图2 1 p l c 控制系统各部分故障率图2 4 两种升降台同轴连接图3 l 通讯冗余结构示意图3 2 两种操作部分的连接图3 3 串联模型3 6 并联模型3 6 可靠性预计基本流程图3 7 软件功能关系简图4 4 上位机软件模块结构图4 6 设置窗口界面4 7 场次编辑窗口界面4 8 剧目选择和设备重命名窗口4 8 编组运行界面4 9 数据显示界面4 9 上位机组态软件体系结构5 0 上下位机通讯连接图。5 1 上下位机通讯流程图5 2 p l c 软件的数据流图。5 4 p l c 软件外部接口图5 5 程序结构图5 7 循环程序流程图5 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：盘型舞金重型撞剑丞统羞毽挞苤盈窒丛筮佳遮! 土 学位论文作者签名： 套血亟空一 日期： 口p 7 年弓月1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查l 阅和借阒；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：态型鑫佥重边控剑丕红差鳇拉盔盟窥区筮佳遮进 学位论文作者签名：盈地! 主日期：7 年专月f 日 作者指导教师签名：鱼塞丛 日期： 卵7 年弓月f 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 课题来源与背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本项目为2 0 0 8 年第2 9 届北京奥运会奥运科技专项，是奥运会开闭幕式表演 设备控制系统的预研项目，属于国家科技支撑计划，项目组织单位为北京市科委， 北京奥组委。项目名称为奥运会开闭幕式表演设备信息诊断及快速备份控制技术 研究，项目编号为2 0 0 7 b a k l 2 8 0 2 。 1 1 2 课题背景 2 0 0 8 年第2 9 届北京奥运会在北京举行，这是本世纪初我国承办的最重大的国 际活动，也是首次在中国举办的一届奥运会。奥运会是世界上最高水平的体育赛 事，也是当今规模最大、时间最长的文化庆典和全球盛会。北京奥运会是我们这 个文明古国五千年以来规模最大的国际活动，奥运会开闭幕式也是有史以来最大 的盛典仪式，受到国内外的广泛关注。北京奥组委提出了要举办一次“见所未见， 闻所未闻”的科技奥运会，开闭幕式作为奥运会最重要的一个环节，其重要性不 言而喻。根据导演组2 0 0 6 年l o 月1 8 日创意方案要求及奥组委设计任务书，需开 发开闭幕式演出技术支撑的平台：开闭幕式地面、上空及火炬塔装置设备控制系 统。 从政治性、影响性方面来看，奥运会开闭幕式是展示一个国家综合国力、文 化魅力与科技实力的大舞台，它与一般的剧场演出有本质上的区别，其高可靠性、 高安全性、高稳定性的特征将上升到前所未有的境界。从以往几届奥运会的开闭 幕式的情况分析，由于奥运会开闭幕式舞台机械及控制系统的结构的庞大复杂， 以及局部脆弱性导致其高科技表演或多或少留下遗憾。如悉尼奥运会在点燃圣火 后，火炬盘的上升过程中就曾出现机械故障，导致停顿了几分钟左右，差点因为 燃料不足导致演出失败，除设计问题外，排除故障时间过长亦是差点导致点火失 败重要原因。为了举办一届无任何遗憾的高科技奥运会开闭幕式，必须用最可靠 的技术保证演出设备的运行平稳、精确，确保所有人员的人身安全，同时又要准 确实现导演的演出意图，因此对控制系统的高可靠性、高安全性等设计和应对各 种故障的冗余备份研究非常必要。 1 2 国内外舞台机械控制系统的发展现状 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 舞台机械控制系统的发展与舞台机械的发展紧密相连，密不可分。舞台机械 是为了使演出的效果更加完美从而引领观众进入更深的艺术境界而采用的各类机 械装置的总称，是艺术创作必不可少的科学技术结晶。它与其它产业机械一样， 属于机电设备，只不过它服务于舞台演出，实现艺术表演所要求的各种运动和动 作。为了适应当代表演艺术的要求，舞台表演也需要高精度、系列化的机械系统。 1 1 1 国外舞台机械控制系统发展 国外舞台机械的发展以欧洲为典型，最早在1 7 世纪出现了镜框式舞台，为舞 台机械的使用提供了载体，在此之前则普遍是露天剧场以及观众环绕的敞开式舞 台。舞台设备只有少量的木制器具，还算不上真正的舞台机械。1 9 世纪后期，欧 洲出现了木铁合制的较为复杂的舞台机械，大都用人力推动绞盘驱动，通过复杂 的滑车绳索系统传动来实现其动作。1 8 7 6 年落成的巴黎大剧院舞台第一个安装了 水压式的机械升降台。1 8 9 6 年，电力驱动的转台出现于德国慕尼黑地方剧院。1 9 0 4 年到1 9 1 4 年间德来士顿国家剧场把升降台与车台结合起来形成了世界上第一个混 合型的机械舞台。从1 8 世纪末到2 0 世纪初的一百多年来，欧洲的舞台机械随着 舞台艺术和工业技术的发展而空前发展n 】。 目前发达国家舞台技术产品发展得很快。有人说，在西方高新技术应用得最 集中的，除了军事部门，就是艺术娱乐业了。西方的经典剧目，虽剧本内容基本 不变，但随着新技术、新材料、新概念的出现，舞台美术总是追求不断创出新意， 经常能看到精心设计的新形式、新形象，因而能常演常新。如美国百老汇的音乐 剧，法国丽都、红磨坊的歌舞，这类商业性演出以及迪斯尼、拉斯维加斯、好莱 坞等娱乐场所，更是充分运用资金优势，刻意标新立异，用尽一切高新技术手段。 舞台上船艇破浪，直升飞机由天而降，一切都有如真的，吸引观众身临其境，感 受其神奇的意境。 发达的欧洲舞台机械也很复杂，复杂的舞台机械向人们展示了欧洲发达的舞 台机械生产及控制技术。按舞台机械的空间位置可将舞台机械分为台上部分和台 下部分。台上有：吊杆、吊点、灯光渡桥、灯光吊笼、防火幕，台下有：升降台、 车台、转台、升降乐池等多种形式，有的升降台中套转台，有的转台中含有升降 台，还有声反射板、升缩台、假台口等，有的还有控制大型道具运动的机械、控 制观众厅座椅运动和控制墙体运动的机械，最先进的机械一般由液压或机械传动、 计算机控制。舞台机械设备与灯具、电脑灯、调光设备、音调设备一起，在发达 国家都已形成了一批著名的专业生产厂，每年在技术上、工艺上都会涌现一批专 利，组成了蓬勃发展的舞台技术产业。 归纳起来，目前国外的舞台机械发展主要有以下特点船3 ： 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 1 ) 专业剧场的部分机械设备设置己形成基本模式，有时还根据特定剧情设置 专用的舞台机械设备、为特定剧目服务，并且舞台机械设备有向大型化发展的趋 势。 ( 2 ) 舞台机械设备具有高科技含量。在舞台机械设备中大量应用高新技术成果， 如计算机技术，数控技术，液压技术，传感反馈技术，现场总线技术，d c s 技术 等等，这些新技术的应用使得机械设备的运行速度，空间位置变化丰富多彩，使 推、拉、升、降、转各种功能的组合变化更加灵活，舞台艺术更完美更逼真。 ( 3 ) 台上设备的配置更趋于灵活、成组、集成；电动，传动和执行机构趋向多 样化，舞台设备的驱动方式包括液缸式、齿轮条式、丝杠螺母式和钢绳曳引式等 在盘 号 o ( 4 ) 舞台机械设备外延的扩大。在一些公共娱乐场所，如体育馆、会议中心、 电视演播厅、歌舞厅等，除设置类似剧场用的舞台机械之外，还根据特有的使用 功能要求设置一些机械设备，如：可开闭的活动屋顶、活动分隔墙、座椅升降台、 伸缩座椅等设备，使这些文化设施的使用功能日趋完善。 ( 5 ) 对舞台设备可靠性及操作的便捷性的要求进一步提高。 ( 6 ) 舞台机械设计、制造规范化标准化。在舞台机械的设计、制造、检测、验 收、维修等方面，德国、奥地利、日本的舞台机械设备除执行本国机械行业的通 用标准外，还必须执行舞台机械的专用标准。 1 1 1 国内舞台机械控制系统发展 解放前，我国舞台机械的发展非常缓慢，设备极其简陋。1 9 4 9 年以前我国的 舞台机械几乎是一片空白。随着新中国的建立，党和政府非常重视人民群众文化 事业的发展，5 0 年代初，我国兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了相当数量 的舞台机械设备，如手动吊杆，假台口，电动垂直吊杆等。北京的首都剧场是国 内第一个设有假台口、直径1 6 m 的电动调速转台的剧场，另外还设有电动灯光吊 杆等设备；北京的天桥剧场、人民大会堂等也设有吊杆等舞台机械设备，但这些 设备大多功能单一，水平较低，与同时代的欧洲产品无法相比。 改革开放后，文艺活动进入一个空前活跃、繁荣的阶段。进入8 0 年代后，我 国经济条件好转，根据各自不同的演出效果要求，设计了各种不同类型的舞台机 械：用于戏剧表演的中央戏剧学院排练场使用了国内第一台带有8 块升降台的鼓 桶式转台并第一次使用了气垫车台，还设定了防火幕、天幕吊杆、定速电动吊杆、 假台口等设备。用于歌舞表演的中国剧院，设置了台上、台下全套舞台机械设备， 并在国内的舞台上第一次设置了4 对灯光吊笼，在控制手段上应用了电液比例同 步技术、液压技术、数字脉冲吊杆自动定位技术。此外还有用于话剧表演的中国 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 少儿艺术剧院等。这些舞台机械适应了不同的演出要求，丰富了人民的业余文化 生活。 9 0 年代初，我国在舞台机械方面又有了长足的进步，先后建成了深圳大剧院 等一系列的较先进的现代化影剧院。这些剧院的舞台机械已经较为齐全，如台上 舞台机械有匀速吊杆、活动假台口、电动伸缩大幕，还有灯光渡桥、灯光调笼、 天幕灯架等。台下舞台机械有升降乐池、乐池升降栏杆、舞台升降台及车台。特 别是后舞台还有移动式转台，该设备具有可以电动行走到主台并可以旋转的功能， 技术含量高，应用较方便。 近年来，由于科技的不断发展，特别是计算机和变频技术的发展，众多科技 人员将计算机技术、变频技术及通信技术用于舞台机械的控制，逐渐形成了现代 化的计算机舞台控制系统。值得指出的是在我国舞台机械及控制技术发展的同时， 受到了国际先进技术的挑战。德国s b s 、德国s t a t e c 、奥地利瓦格纳以及韩国 佳思等国际知名的舞台公司已经登陆国内市场。深圳世纪之窗、杭州大剧院以及 正在建造的国家大剧院都有他们的参与1 。 1 1 1 国内外舞台控制系统对比 ( 1 ) 整体工艺配置：在舞台工艺设置的研究、设备选型、设备技术参数的正确、 合理确定方面，我国的工程技术人员相对经验不足，在决定使用功能这个根本问 题上与国外有一定差别。 ( 2 ) 机械设计水平：在机械设计中对设备的适应性、灵活性、特别是安全性的 要求考虑不周，与国外设计相比有一定差距。由于设计中对关键性的要求、对设 备控制的要求不明确等原因，使得设备在整体性能上不够理想。 ( 3 ) 基础元器件、制造加工业：国内工业基础决定了基础元器件的选择余地有 一定的局限性，此外，除机械制造加工本身的原因，以及如企业内部的管理、加 工技术能力、检测手段等因素外，面临的主要问题是无相应的舞台机械标准、规 范可依。 ( 4 ) 控制系统：由于对演出及演出中机械设备的作用理解不够，造成控制系统 的设计在满足舞台表演的特殊要求方面有一定欠缺，如：可靠性、安全性考虑较 好，灵活性差些，在多变性( 重复、插入、修改等) 的差距较大，采用的电器元器件 的质量寿命也有一定的差距，欧洲舞台机械控制系统的共同特点是满足 d i n v l 9 2 5 0 第5 级安全标准；采用1 0 m b i t s 总线传输数据；电器硬件基于工业级 标准；软件是各公司为舞台专门开发；兼有电磁兼容( e m c ) 设计；具有场景运行、 记忆运行、手动运行、辅助运行、手动介入和应急控制等功能h 】。 目前国内舞台机械控制系统传统的模式为上位机( 人机界面) 、m p i 网或以 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 太网、可编程控制器( p l c ) 、现场总线( d p ) 、执行元器件、拖动设备链式控 制方式，有条件的在p l c 部分进行双c p u 冗余备份；国外一般采用服务器通过以 太网、轴控制器( 代替p l c ) 控制执行元器件和拖动设备，冗余部分为服务器和 轴控制器( 悉尼奥运会开闭幕式的控制系统) 。 ( 5 ) 投资角度：我国剧场建设中舞台机械投资比例偏低，使得一些新技术、新 材料难以在剧场中应用，影响了机械设备总体性能。国内外一些改造剧场的情况 表明，机械本体的投资往往是一次性的，能用上几十年甚至上百年，而多年以后 重新改造的往往是电器控制系统哺1 。 1 3 研究的目的和任务 开闭幕式地面、上空设备及火炬塔装置控制系统是0 8 北京奥运开闭幕式演出 的技术支撑平台，为导演实现方案创意提供高科技技术保障，它是关系到演出成 败的关键因素之一。 本课题攻关目标就是研制出一整套高可靠性、高健壮性、具备应对各种故障 情况的控制系统，确保系统不易发生故障，即使发生故障也能迅速排除。本课题 主要对控制系统的可靠性、安全性、冗余技术及软件设计等关键技术进行研究与 设计，并进行大量设备试验与人机结合试验，并将其成功经验应用于开闭幕式地 面、上空及火炬塔装置设备控制系统，确保整个演出过程万无一失。 本课题的主要任务是搭建模拟实验平台，完成多级冗余备份技术模拟；完成 系统高可靠性、高安全性等的设计；完成系统的软件设计、冗余设计及控制系统 可靠性分析；提供所有舞台机械的全功能控制与操作，确保控制系统能稳定、安 全、可靠、方便、精确地控制所有设备，满足装台、排练、演出及检修维护等舞 台机械设备的操作和控制的要求h 1 。 1 4 论文的组织结构 本文的工作主要从如下几方面展开： 1 简要介绍了课题来源与背景以及国内外舞台机械的发展现状，说明本系统 研究的目的和任务，并对论文的组织结构进行了描述。 2 从控制系统总体设计出发，分析和介绍了系统的被控对象、功能需求、系 统的设计原则等问题，对系统的总体设计进行了概要介绍。 3 从控制系统的可靠性和安全性需求出发，对控制系统的硬件配置进行了详 细设计，主要包括：重要元器件的选择、耐环境设计、抗干扰设计及降额设计以 及安全与防护装置设计和紧急停机设计等。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4 从系统可靠性和应对各种故障角度，对系统地冗余技术进行研究与设计， 包括硬件冗余、软件冗余、通讯冗余及多级操作，并对单点吊升降台控制系统可 靠性进行分析，并确定电机编码器有无冗余必要进行分析。 5 根据功能需求和硬件配置，对于控制系统的软件进行了详细设计与开发。 6 全文的总结和对未来工作的展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硬士学位论文 第二章舞台运动控制系统的总体设计 2 1 引言 舞台控制设备众多，种类繁杂、分布分散，相互之间位置关系复杂，如何根 据导演部门的策划要求和功能需求进行硬件配置和功能组合是控制系统的关键。 本章从奥运会“梦幻地球”节目的需求上，对两种典型的升降舞台进行研究，在 硬件配置基础上，详细分析了系统的功能需求，给出了控制系统的设计原则与设 计方案。 2 2 控制对象需求分析 在2 0 0 8 年北京奥运会的开幕式的最后，随着奥运主题曲“y o ua n d m e ”的响 起，“梦幻地球”从场馆中央缓缓升起，在夜空中呈现出绚丽的色彩，将整个晚 会推向高潮。要实现如此完美的艺术效果，需要非常复杂的舞台机械控制系统作 支持。我们可以看一下开幕式当天整个地球从升起到落下整个过程片断。 图2 l“梦幻地球”片断 虽然整个系统要实现的功能比较简单，但整个舞台机械控制系统确是国内最 大、最复杂的可升降组合舞台系统。该系统由4 层3 0 0 多台( 套) 设备组成，总 重1 2 0 0 多吨，装配近2 0 0 0 千瓦的电机，专用的控制柜、电源柜有1 0 0 多个，晟 大载重2 0 0 多吨。由于各层各类平台交叉运行，既要实现速度同步、位移同步、 转矩同步，又要确保安全可靠，控制系统设计非常复杂。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为确保奥运会压轴大戏的顺利成功运行，本课题从奥运会地下舞台机械设备 控制系统中需求分析中抽象出两类具有代表性的升降舞台进行研究，并进行大量 实验，将其成功经验应用于奥运会开闭幕式表演。 22 1 系统对象描述 本实验控制系统所驱动的舞台机械设备如下图所示：其中一套是剪刀撑升降 平台，模拟2 0 0 8 年北京奥运会开闭幕式地下一般舞台台面的升降运动，另一套是 四电机同步驱动的单点吊升降平台，模拟奥运会开闭幕式地下母台的升降控制。 通过这两类升降舞台的组合控制完成整个奥运会地下升降舞台的演出任务，包括 九环球的升起，演员的上下场，运载道具等功能，对其进行研究具有重要意义。 图2 2 剪刀撑升降台和单点吊升降台 剪刀撑升降台：主要由电气装置、变频器、编码器、电机、减速箱、刚性链、 配重等构成，舞台台面靠动力控制升降台的上升运动，靠自重下落。采用单电机 驱动，另一电机备份。传动装置为刚性链传动，实现浅基坑大行程复杂组合传动 的高精度升降。 单点吊升降设各：由电气装置、变频器、编码器、电机、减速箱、卷扬机等 机构构成，采用4 套电机组合同步驱动另4 套备用。4 套同步主驱动中任何一套 电机变频器发生故障，向用户报警，提示用户切换成另外四套同步驱动，为了保 证平台的平稳度，四电机运行时必须保证同步。采用钢丝卷扬机驱动升降台，其 突出优点是具有成本低、噪音低、运行平稳、行程大等特点。 受控设备的基本情况如表21 所示。 其中：1 1 0 为所有电机的编号。括弧里面的电机号为各用电机。输入信号l ： 指从设备输入到p l c 4 0 0 的信号包括驱动空开、制动、维修开关、电阻过流信号： 输出信号0 ：指从p l c 4 0 0 输出到设备的信号，为主选通上电信号。其中1 - 4 号电 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 机必须同时选中，单点吊升降台才能工作，这样有效避免部分电机工作而导致的 舞台倾翻、钢丝绳绷断等事故，且四电机必须同步运行。 表2 1 受控设备基本情况 驱动 输入 输出 受控设备行程 速度备注 设备信号信号 1 2 3 4 四电机驱动 单点吊升降台 io0 2 8 0 0 m0 0 0 2 - - 4 ) 2 m s ( 5 6 7 8 ) 四电机备份 剪刀撑升降台9 ( 1 0 ) io8 9 0 10 6 0 m 0 0 0 1 5 0 1 5 m s 一主一备 2 2 2 控制系统的功能需求 本课题是奥运会开闭幕式舞台机械控制系统的预研项目，故所有的需求分析 都是针对奥运会的，它适用于多机械装置的群体控制。实验室控制的装置虽然比 较简单，并且控制相对独立，但它们却是奥运会地仓工程所用的舞台台面控制系 统的典型代表，两类控制方式的有机组合构成整个地下舞台升降控制系统，因此 对其研究有重要意义。 控制系统的具体要求如下： ( 1 ) 单体设备控制功能：使舞台机械产生或终止所希望及预期的运动；能够控 制舞台机械的运动状态和动力状态；限制舞台机械设备在规定范围内的运动。对 于多电机控制的设备，本实验室主要是针对四电机同步控制展开研究，确保其同 步性，避免其发生事故。 ( 2 ) 多设备控制功能：本系统除了具有单体设备控制功能外，还应实现多设备 联合控制功能，如多设备的同时运动、差时运动、同步运动、顺序运动以及特定 规律运动等，各设备之间应具有安全、可靠的联锁，按设定的运动参数和内置于 控制系统中的保护措施运行，以保证设备安全，并满足定位精度和同步精度的要 求。其中，升降台定位精度要求：0 5 m m ；升降台同步精度要求：l m m 。 ( 3 ) 监控报警功能：控制系统能稳定、安全、可靠地监控分散在场馆内的舞台 机械设备运动的参数( 速度、位置、限位、负载等信号) ，可对场馆内所有的舞台机 械设备的驱动装置和现场传感器等实施运行控制、状态监视，对于各个智能仪表 报警信号，能够集中进行报警显示或有的可以自动处理。对于升降舞台运行中的 各种错误和报警自动处理并显示。 ( 4 ) 显示功能：能为操作人员提供简单而清晰的设备状态指示。这种显示一般 有电流、速度、位移、位置、与相关设备的相对关系等。在主控制操作台上，应 能显示出预选的设备或设备组、单个设备或成组设备的运行参数、场景参数、场 景序列、故障信息及其他管理需要的信息，还能用明显的方式区分不同设备的不 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 同状态( 选中与未选、运行与停止、正常与故障等) ，而且，这些显示必须是实 时的且没有明显的延迟。 ( 5 ) 编程记录功能：当导演创意改变时，能够方便地对所有的现场设备进行编 程控制，同时记录所有运行的信息，以便于事后查询、修改。 ( 6 ) 操作功能：具有良好的操作界面和简便的操作方法。控制系统必须能够方 便进行操作，符合人机工学要求；对程控运行的设备如果出现问题能够手动介入； 出现紧急情况时，还可以进行手动控制。 ( 7 ) 安全性、可靠性要求：应保证所有受控设备稳定、安全及可靠的运转。由 于奥运会的特殊性和重要性及其影响之大，这些要求更加苛刻。系统设计应包括 多级控制、多级冗余、多种控制手段等，另外应设计紧急停机系统，出现故障能 够迅速停掉所有的设备，避免危害蔓延。 ( 8 ) 其他要求：整个舞台系统必须容易施工、维护和保养等。 结合鸟巢体育场馆的结构特点，设备众多、分布分散，控制柜相距甚远等， 归纳起来本系统的主要功能是能够完成集中监视、操作、管理和分散控制功能。 并且可以手动进行现场控制。故控制系统可以由各种操作设备、控制设备和现场 设备等组成的。其中，操作设备完成操作功能、监控报警功能、显示功能、编程 记录功能等；控制设备主要完成单电机控制，多电机控制等功能；现场设备，能 够完成单电机的控制，即进行现场设备控制等，其他功能均可以通过所有设备协 作完成。 2 3 系统设计原则 为了确保本系统能够实现指定的功能和指标要求，提高系统的可靠性、健壮 性、使系统能够应对各种故障，本系统设计的主要原则为： 1 功能性原则 确保满足现代舞台表演的基本功能要求。能够实现单电机升降控制和四电机 的同步控制。本控制系统应提供正常情况下的全功能控制与操作，包括单体设备 的控制、设备联锁控制、设备状态监视、预选择设备、设定运动参数、编组运行、 剧目场景操作、故障诊断、系统维护等。主要操作以屏幕窗口、图形、数据表格 方式结合功能键盘或鼠标进行，并有适当的手动介入功能；可灵活进行返回、重 复、跳跃和连续运行等操作。 2 可靠性原则 确保满足系统的可靠性要求。本系统严格按照可靠性设计原则进行设计，制 定和贯彻可靠性设计准则、优选元器件、零部件、进行冗余设计、简化设计、降 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 额设计、耐环境设计、软件可靠性设计以及容错设计等。本文重点在冗余设计方 面做了大量研究。 3 安全性与防护原则 确保满足运行舞台机械的安全性要求。舞台机械的安全性指标主要包括设备 安全、人身安全和电气安全三个方面。系统中除了设有多种机械安全保护措施外， 在控制系统及其它电气方面也应设计多种保护措施，各种安全防保护措施相互协 调运行，以确保人员、设备和场馆等的安全。 4 实时性原则 集散控制系统的通讯网络必须具有极高的实时性，要保证现场设备信息能够 最快地到达操作站和保证操作员发布的命令最快地到达现场执行机构，本控制系 统的通讯网络的响应保证必须保证小于2 0 0 毫秒哺1 ，且对冗余系统的控制切换要控 制在毫秒级。 5 操作与维修方便原则 确保满足操作与维护方便的原则。操作方便主要是指人机交互界面友好，使 用简单，控制灵活，如输出显示直观形象，不仅要有正常运行时的程控，还要有 故障和调试时采用的手控方式。维修方便的目的是易于查找故障、排除故障，应 从软件和硬件两个方面考虑。硬件上拟采用标准的功能模块式结构，以便及时查 找并更换故障模板。模板上还应安装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检 查与维修。软件上应配备监测与诊断程序，用于查找故障口1 。 6 软件设计原则 控制系统软件必须满足可靠性、实时性、易使用、可操作性、可管理性、容 错性等工业控制软件的基本要求。按照软件工程化的要求进行设计，从开发计划、 需求分析、软件设计、软件编码、软件测试、运行维护等多个方面进行管理。 7 其他原则 借鉴航天技术的成功经验提高控制系统的可靠性，大量采用冗余技术对系统 进行保障，采用全套冗余加手动后备控制系统；使用曾成功保障过航天发射任务 的神州_ 3 0 0 0 控制台作为主控制台；采用航天发射经验用音乐时间码控制整个开 闭幕式的流程等等。 2 4 系统总体设计 2 4 1 系统结构设计及构成 根据功能需求分析，本控制系统采用集散控制系统结构，其主要特征是分散 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 控制、集中监视、操作和管理。整个控制系统从功能上分为三个等级：即管理级、 过程级和现场级。这三级分别由操作设备、控制设备和现场设备组成。为了提高 系统的可靠性，本系统采用冗余设计思想进行设计。 控制系统整体结构图如下： 控制台1控制台2 管理级 过程级 现场级 图2 3 控制系统结构图 从上图可以看出：管理级主要由控制台构成，控制台中主要设备有上位机、 触摸屏和s 7 - 3 0 0 、操作面板等。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信 息交换的界面，主要功能为操作、管理和监视。其中，上位机主要完成监督报警、 显示功能、编程信息记录等功能；触摸屏结合控制台的操作面板，主要完成操作 功能。 过程级设备主要由西门子$ 7 - 4 0 0 h 冗余容错p l c 构成，是实现系统功能的关 键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。主要功能是向上接收管理层设置的参数 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 与命令，向管理级传递现场设备参数和对现场的监控信号；向下对现场级设备下 达动作命令，协调现场设备按要求动作，同时计算处理原始数据，完成整个工业 控制过程中的实时控制功能。控制级要求有极高的可靠性，它决定了整个控制系 统的功能指标。 现场级设备主要包括驱动装置、编码器、执行器和分布式i o 设备等。现场级 设备主要功能是按照控制系统的要求进行动作，并向上层传递现场设备的故障信 号等。现场级是实现系统功能的基础。它主要完成单体设备控制功能。本系统现 场级采用双驱动电机冗余控制，进一步提高现场设备的可靠性。 2 4 2 网络通讯设计 本控制系统由各种操作设备、控制设备和现场设备等站点组成的，系统网络 是连接各个站的桥梁，通过它完成相互之间的数据、指令及其他信息的传递，使 整个集散控制系统成为一个有机的整体。 各站点必须实现有效的数据传输，才能实现系统总体的功能，系统网络性能， 决定了系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力，关系到整个系统网络通信的 效率和系统功能的实现。因此对于通讯方式的选择对于整个系统的影响至关重要。 1 现场设备与控制设备之间通讯方式的选择 考虑到鸟巢体育场占地面积较大，空间分布广，各种设备地域分散，传输线 路长、挂接设备众多( 大约8 5 0 台套) ，干扰非常严重，故采用现场总线控制。 目前，由于技术和成本的原因，国际上存在着几十种现场总线标准跚，它们采用不 同的通讯协议，比较流行的主要有：f f 基金会现场总线、c a n 现场总线、l o n w o r k s 现场总线、p r o f i b u s d p 现场总线等，主要性能如下表所示： 表2 2 几种现场总线特性对比表 特征基金会现场总线 p r o f i b u sc a nl o n 肠r k s 传输速率b i t s 3 1 2 5 k l o m 9 6 k 1 2 m5 k 1 0 0 0 k7 8 k 1 2 5 m 应用范围仪表 p l c 汽车楼宇、工业自动化 o s i 网络层次 1 ，2 ，3 ，8l ，21 ，2 ，7l 7 通讯介质双绞线、电缆、光双绞线、光 双绞线、光纤双绞线、电力线、 纤、无线等 纤 电缆、无线、光纤 介质访问方式 令牌、主从令牌、主从位仲裁 p p c s m l 纠错方式 c r cc r cc r cc