舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)與設(shè)備系列談（三）
——數(shù)據(jù)通信

侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛

(成都炎興自動(dòng)化工程有限公司，四川 成都 610052)

早期的舞臺(tái)設(shè)備數(shù)量較少，動(dòng)作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，單個(gè)設(shè)備或者有限的設(shè)備采用按鈕的方式也可完成機(jī)械動(dòng)作。但隨著演出需求的變化，舞臺(tái)機(jī)械以單純按鈕的方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)目需要呈現(xiàn)效果對(duì)設(shè)備的要求，在其控制系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)通信進(jìn)行設(shè)備間的互聯(lián)以及主控和分控之間的互聯(lián)，已經(jīng)成為目前構(gòu)建舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)通信發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

筆者基于舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)用中相關(guān)的數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)，闡明分層設(shè)計(jì)中的各種通信方式；并針對(duì)目前越來(lái)越多基于無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用進(jìn)行解析，有助于行業(yè)人員設(shè)計(jì)出有既合理又實(shí)用的解決方案。

1 有線(xiàn)數(shù)據(jù)通信

1.1 概述

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)應(yīng)用中，常采用分層設(shè)計(jì)，可分為操作層、管理層、執(zhí)行層，圖1所示為一種比較典型且相對(duì)簡(jiǎn)單的舞臺(tái)演出機(jī)械控制系統(tǒng)的配置圖。

操作層通常指各種類(lèi)型的操作終端，如主控臺(tái)、移動(dòng)臺(tái)、便攜式操作終端等。用戶(hù)可通過(guò)操作終端進(jìn)行人機(jī)交互，如設(shè)置設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)、讀取設(shè)備狀態(tài)等。

圖1 舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)典型系統(tǒng)框圖

管理層主要是指主控單元，用于協(xié)調(diào)多個(gè)操作終端和執(zhí)行層，一方面接收來(lái)自操作層的指令，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將解析后的命令發(fā)送給執(zhí)行層的驅(qū)動(dòng)單元；同時(shí)，實(shí)時(shí)接收來(lái)自執(zhí)行層反饋的設(shè)備狀態(tài)信息，如位置、速度、載荷、外部開(kāi)關(guān)等信息，并反饋到操作層，使操作員方便掌握底層設(shè)備的狀態(tài)。

執(zhí)行層主要是由一個(gè)個(gè)驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，接收管理層的控制命令，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

就通信而言，涉及操作層和管理層之間的通信，以及管理層和執(zhí)行層之間的通信。為了方便描述，文中將操作層和管理層之間的通信稱(chēng)為操作層通信，管理層和執(zhí)行層之間的通信稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)層通信，圖1中標(biāo)注綠色的ethernet總線(xiàn)為操作層通信，標(biāo)注紫色的profibus-dp為驅(qū)動(dòng)層通信。

1.2 操作層通信

操作層通信主要用于操作終端和主控單元之間的數(shù)據(jù)通信，若系統(tǒng)中含有服務(wù)器，則表示操作終端和服務(wù)器以及服務(wù)器和主控單元的通信。目前采用的通信基本是基于以太網(wǎng)，但采用的通信協(xié)議各不一樣，常見(jiàn)的有自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議；還有基于實(shí)時(shí)的以太網(wǎng)通信協(xié)議，如ProfiNet、Modbus TCP、ethernet/IP，此類(lèi)協(xié)議通常也是基于工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。

1.2.1 自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議

自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議的應(yīng)用比較自由靈活，可采用TCP協(xié)議，也可基于UDP協(xié)議，通過(guò)上層封裝數(shù)據(jù)包，建立心跳機(jī)制，針對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)制訂對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議。過(guò)程數(shù)據(jù)一般指設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)，如運(yùn)行設(shè)備當(dāng)前的位置、速度、載荷、電流、IO等信息，可將該類(lèi)信息實(shí)時(shí)上傳給操作人員進(jìn)行顯示。當(dāng)然該類(lèi)協(xié)議還可以有更多靈活的組合配置方式。

配置數(shù)據(jù)一般不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，但需要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛨?zhí)行結(jié)果的準(zhǔn)確反饋。比如設(shè)置某個(gè)設(shè)備的配置參數(shù)，設(shè)置cue運(yùn)行的數(shù)據(jù)等，只需要保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性即可，并不需要實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸。

1.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議

基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議，一般管理層主要配置的是PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器），比如西門(mén)子S7-400或者西門(mén)子S7-1500系列PLC。此類(lèi)通信方式多采用OPC（OLE for Process Control，過(guò)程控制的OLE）的方式。

1.2.3 兩種通信協(xié)議的應(yīng)用

自定義以太網(wǎng)通信協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議并無(wú)實(shí)質(zhì)上的優(yōu)劣之分。

采用自定義以太網(wǎng)通信，可靠性需要由協(xié)議制定者進(jìn)行保證，一般由有建構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)能力的人員制定，需要在后期進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)證，但該種方式相對(duì)靈活，可根據(jù)設(shè)備數(shù)量多少進(jìn)行通信協(xié)議數(shù)據(jù)量的擴(kuò)充，針對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行更為有效的管理。

采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，多數(shù)依靠編程方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，較為死板。采用OPC的通信方式對(duì)于過(guò)程數(shù)據(jù)的處理比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于配置數(shù)據(jù)的傳遞并不友好。比如某種應(yīng)用中所配置的設(shè)備數(shù)量多，有上百個(gè)，但是同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量比較少，只有十幾個(gè)，這也是多數(shù)舞臺(tái)固定劇場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，采用OPC的方式將所有設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)以周期通信的方式傳遞給控制層，由于設(shè)備數(shù)量較多，通信數(shù)據(jù)量較大，需要將設(shè)備通信周期拉長(zhǎng)，造成設(shè)備通信延遲。如采用自定義以太網(wǎng)通信，則容易進(jìn)行快慢過(guò)程數(shù)據(jù)的區(qū)分，對(duì)于運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)快速上傳，未運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)相對(duì)慢速上傳，使得人機(jī)交互效果更為友好，容易做到無(wú)延遲，實(shí)時(shí)性更好。

1.3 驅(qū)動(dòng)層通信

驅(qū)動(dòng)層通信在PLC系統(tǒng)架構(gòu)中，一般作為PLC和變頻器之間的通信；在軸控方案中，一般作為主控單元和軸控之間的通信，也稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)總線(xiàn)。該類(lèi)總線(xiàn)大體可分為兩種類(lèi)型，一種類(lèi)型以profibus-dp、can總線(xiàn)為代表，該類(lèi)總線(xiàn)出現(xiàn)時(shí)間較早，速度相對(duì)較低，本文中以低速工業(yè)總線(xiàn)作為該類(lèi)總線(xiàn)的統(tǒng)稱(chēng)；另一種類(lèi)型以工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)為主，以ProfiNet、Modbus TCP、Powerlink、ethercat總線(xiàn)為代表，速度較高，文中以高速工業(yè)總線(xiàn)作為該類(lèi)總線(xiàn)的統(tǒng)稱(chēng)。

1.3.1 低速工業(yè)總線(xiàn)

使用該類(lèi)總線(xiàn)的設(shè)備往往只包含一個(gè)通信口，該類(lèi)總線(xiàn)通信速率相對(duì)較低，通信速率高的一般也就十幾兆。圖2所示為典型的低速工業(yè)總線(xiàn)的連接線(xiàn)路圖，每個(gè)設(shè)備配置一個(gè)總線(xiàn)接頭，每個(gè)總線(xiàn)接頭分為in和out兩組接線(xiàn)端，通過(guò)connect接頭和變頻器直接連接，在總線(xiàn)接頭內(nèi)部這兩組基本上是互通的，或者短接了一個(gè)終端電阻。通過(guò)總線(xiàn)的連接方式可知，每個(gè)設(shè)備都是直接掛接在總線(xiàn)上的，每個(gè)設(shè)備的通信端口從物理上直連到整個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上。該種連接方式，網(wǎng)絡(luò)中任意一臺(tái)設(shè)備與總線(xiàn)的連接與否都與其他設(shè)備和總線(xiàn)的連接狀態(tài)無(wú)關(guān)。

1.3.2 高速工業(yè)總線(xiàn)

使用高速工業(yè)總線(xiàn)的設(shè)備往往只包含2個(gè)通信口，很容易通過(guò)2個(gè)通信口構(gòu)成菊花鏈連接方式，如圖3所示，總線(xiàn)速度也要快的多，速率基本都在100M以上。此類(lèi)總線(xiàn)構(gòu)成方式靈活多樣，可以構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)、菊花鏈網(wǎng)絡(luò)、其他組合網(wǎng)絡(luò)。

1.3.3 兩類(lèi)型總線(xiàn)優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖2 低速工業(yè)總線(xiàn)的典型連接方式

圖3 高速工業(yè)總線(xiàn)的典型連接方式

兩種類(lèi)型的總線(xiàn)各具優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示，不過(guò)目前還在快速發(fā)展，在舞臺(tái)機(jī)械的應(yīng)用中推薦使用高速工業(yè)總線(xiàn)。

2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信

目前，在一些舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)法用有線(xiàn)連接的方式進(jìn)行供電或者通信。這種情況下一般都需要對(duì)供電和信號(hào)進(jìn)行特殊處理，供電需要用滑觸線(xiàn)或者蓄電池的方式；通信則采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或者滑觸線(xiàn)的方式。此類(lèi)設(shè)備常見(jiàn)于無(wú)線(xiàn)車(chē)臺(tái)、軌道小車(chē)特別是異形軌道小車(chē)、隨設(shè)備移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)等。

目前，在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品有兩個(gè)種類(lèi)：一種是通過(guò)漏波電纜鋪設(shè)的方式，沿運(yùn)動(dòng)物體行走的路線(xiàn)鋪設(shè)；一種是和商業(yè)用途接近的采用各種外置定向全向天線(xiàn)的方式。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)的使用，以及無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)連接，實(shí)踐中常會(huì)遇到以下誤區(qū)。

（1）有線(xiàn)連接不一定安全

一般情況下，采用固定的有線(xiàn)連接方式，相對(duì)來(lái)說(shuō)可靠性要高很多，但是具體到實(shí)際應(yīng)用中，還需要判斷內(nèi)部通信方式及軟件的設(shè)計(jì)方案。假設(shè)一個(gè)使用場(chǎng)景，控制臺(tái)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接主控單元，操作人員通過(guò)控臺(tái)操作設(shè)備運(yùn)行，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常，控臺(tái)和主控單元網(wǎng)絡(luò)連接失效，設(shè)備并不一定會(huì)自動(dòng)停止，還要看系統(tǒng)架構(gòu)人員和編程人員對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的解決方式，如果沒(méi)有設(shè)計(jì)主控單元針對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)或者做心跳協(xié)議處理，就會(huì)出現(xiàn)上述所說(shuō)的設(shè)備在斷網(wǎng)時(shí)不自動(dòng)停機(jī)的情況，造成失控。此種情況下，有線(xiàn)連接也并不可靠。

表1 兩種總線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

（2）無(wú)線(xiàn)連接也可以很安全

無(wú)線(xiàn)連接的情況下，主要是考慮其他同頻段無(wú)線(xiàn)的干擾以及無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題；同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)的完善性至關(guān)重要。對(duì)于無(wú)線(xiàn)連接應(yīng)用的安全，首先，盡量保障無(wú)線(xiàn)信號(hào)的質(zhì)量；其次，保障無(wú)線(xiàn)信號(hào)被干擾的情況下設(shè)備不至于失控。兩個(gè)條件的實(shí)現(xiàn)既要靠硬件系統(tǒng)的架構(gòu)，又要靠軟件的設(shè)計(jì)，缺一不可。

（3）燈光系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)控制方式并不能簡(jiǎn)單地遷移到舞臺(tái)機(jī)械的無(wú)線(xiàn)控制

燈光系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)控制方式和舞臺(tái)機(jī)械無(wú)線(xiàn)控制方式的應(yīng)用難度差異較大。這與設(shè)備控制方式的不同有較大的關(guān)系。在燈光系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，一般采用的是DMX的通信協(xié)議，并且在實(shí)時(shí)控制中，幾乎都是單向控制，即燈控臺(tái)通過(guò)廣播發(fā)送燈光控制命令，不需要回傳信號(hào)給燈控臺(tái)。在舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的使用過(guò)程中，由于多數(shù)都存在安全風(fēng)險(xiǎn)，操作人員需要通過(guò)控臺(tái)實(shí)時(shí)了解設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，包括位置、電流、載荷、安全開(kāi)關(guān)等信息，并做出判斷實(shí)施對(duì)應(yīng)的操作，這就需要系統(tǒng)中具備可靠的雙向無(wú)線(xiàn)通信功能，使終端設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送設(shè)備的各種狀態(tài)信息到主控臺(tái)。這種使用功能的差異會(huì)造成無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)難度的倍增，燈光通信方式由于主要使用場(chǎng)景是單向的，可以將基站的發(fā)射功率做大，保證每個(gè)終端能收到信號(hào)即可；而舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的無(wú)線(xiàn)通信是雙向的，就必須保證基站和AP的通信狀況良好，以及AP到基站的通信可靠，不是簡(jiǎn)單的單個(gè)天線(xiàn)功率增加就能實(shí)現(xiàn)的。

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信在舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)用中越來(lái)越普及，如在張藝謀導(dǎo)演的《歸來(lái)三峽》實(shí)景演出項(xiàng)目（見(jiàn)圖4）中，使用了64臺(tái)小車(chē)參與演出，小車(chē)的控制采用無(wú)線(xiàn)通信方式，在一年多演出過(guò)程中，未發(fā)生因無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)故障造成的系統(tǒng)故障和安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 《歸來(lái)三峽》

3 結(jié)語(yǔ)

舞臺(tái)機(jī)械應(yīng)用中的數(shù)據(jù)通信，使用方式多種多樣，要根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)決定采用哪種數(shù)據(jù)交互方式。對(duì)于有線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的使用，特別是操作層和驅(qū)動(dòng)層總線(xiàn)的選型，均涉及到系統(tǒng)架構(gòu)層面的設(shè)計(jì)，以及設(shè)備數(shù)量多少、設(shè)備造價(jià)成本的高低等，對(duì)于設(shè)備數(shù)量少的設(shè)備，采用相對(duì)速度低的總線(xiàn)也未嘗不可。對(duì)于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的使用，現(xiàn)在也越來(lái)越多地被采用，需要做好天線(xiàn)的布置以及通信協(xié)議的指定。