Ethernet Powerlink在舞台机械控制系统中的应用研究

摘 要:本文分析了工业实时总线系统Powerlink的特点和实现方式，并介绍了某剧院舞台机械控制系统中的工业现场总线应用，从系统的网络结构及配置、硬件设计及组成两个方面进行了详细的论述，它在实际应用中取得了良好的效果。

关键词:Ethernet Powerlink，舞台机械，变频器，工业以太网 

现代化剧场设备数量较多,控制系统元器件数目也很庞大,设备和设备之间的逻辑关系繁杂，运行定位精度要求高，靠传统的控制手段已难以满足演出要求。随着舞台设计和计算机技术的不断发展，在舞台设备中引入计算机控制,借助于良好的人机界面及丰富的PC机资源为管理人员的装台、场次预选及运行操作提供极大的方便。

以太网由于自身成本低、速度快，网络支持设备众多等优势，近年来在工业自动化领域快速发展。但是以太网采用CSMA/CD（带冲突检测的载波多路访问）碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求。同时在工业环境中解决以太网抗干扰性能较差及适用于危险场合，也是制约以太网在工业中推广的重要问题之一。

奥地利贝加莱（BR）公司在2001年开发的 Ethernet Powerlink（EPL）标准是一种可满足最苛刻实时要求、并已投入实际应用的工业以太网。该公司当初开发Ethernet Powerlink的思路是在标准以太网基础上建立一个现场总线系统来满足控制中最苛刻的实时要求，克服以上传统以太网在工业上应用解决方案的局限性。由于其PCC产品可靠性高、抗干扰性能好、功能完善、通用性强，具有诊断、报警、监控等功能，因此可作为现场控制的核心。本文在分析了Ethernet Powerlink的特点的基础上，提出了以BR PCC为基础构成舞台机械控制底层的DCS(分布式控制系统)控制系统。它采用开放式工业以太网通讯技术，将分布式I/O与核心PCC快速、方便地联系起来，为舞台机械运行提供实时、安全可靠的运行保证。

Ethernet Powerlink的是一种确定性、实时性工业以太网。Ethernet Powerlink一方面继承了传统的以太网协议族（TCP/UDP/IP），另一方面,在网络协议引入有效的控制节点，从而有效的避免以太网以CSMA/CD碰撞造成的数据包延迟现象。

Ethernet PowerLink完全建立在标准快速以太网之上，物理层和媒体访问控制部分仍然采用IEEE802.3u快速以太网标准。因此它完全符合以太网标准的拓扑结构和物理特性。它的传输速率为100Mbps，使用带RJ45插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）。网段长度为100m，支持星型和树型结构。由于交换机是建立在网络层协议基础上，在接收和转发数据包时会造成时间延时的不确定性，所以在Ethernet PowerLink的保护模式中只允许使用集线器作为连接设备。

Ethernet PowerLink进一步发展和改进主-从方式，在整个网络只有唯一的管理节点,在管理节点统一调度下,管理节点和控制节点之间、以及控制节点之间的通信周期地进行。每个通信周期可以有对应的时间域用于传输实时数据和标准以太网数据流。这样，在高速率、高利用率的网络中以最小抖动（Min-Jitter）传输的优势才得以体现。网络中每一个工作站与其他工作站，工作组，或所有其他工作站的通信也被严格地限定在规定时间内。这可确保每次只有一台在发送数据。由于没有冲突,从而做到了网络优化而不产生任何问题。这样就保证了I/O从站中发送和接收的数据与中央处理器之间的同步传输。如图1 所示：为传统工业以太网和Ethernet PowerLink在网络特性上的比较：

图1 网络特性比较

Ethernet PowerLink工作模式分为保护模式、开放模式和基本以太网模式。

Ethernet PowerLink网络在CSMA基础上引入时间片通信网络管理(Slot Communication Network Management，SCNM)。每个通信周期包括起始域(Start-Period)、循环域(Cyclic-Period)、异步域(Asynchron Period)和空闲域(Idle-Period)4个时间域。

l 开始阶段：管理员发布“通信周期开始（SoC）”信号，信号以广播方式发给所有站点。

l 同步阶段：这阶段中所有站点进行同步信息交换，管理节点在循环域依次向每个节点发

送轮询(Poll Request，PRq)，控制节点收到轮询后发送响应报文(Poll Response，PRs),每个循环域有结束数据流(End of Cyclic,EoC)。

l 异步阶段：这个阶段主要传输标准以太网数据流，是给无实时要求的信息留下的，管理

节点查询异步数据请求队列，发送异步数据发送邀请(Invite)，目标节点便可发布非同步信息，比如一帧IP信息。

l 闲置阶段：到下一个周期前的等待时间。

如图２所示：

图2 时间片通信网络

通过时间片通信网络管理发送的数据报文会在接收节点还原成原始数据包，保证数据包的有效到达。通过时间槽管理机制，Ethernet PowerLink最大限度的利用带宽，避免了数据传输中网络冲突。

某剧院舞台机械由台上设备和台下设备组成：见表1

表1 舞台机械设备组成及描述

设备名称	控制描述
8套灯光吊杆及吊圈	采用变频器全矩阵切换技术，根据不同设备类型和用户使用要求选用不同的变频器数量
13套前台短吊杆
14套短灯杆及双排侧灯架
32套长吊杆及景杆
8套单点吊机
8套单点吊机	采用一对一变频器控制技术，升降行程为26米
18套自行行走小车	8套挂接在直轨，10套挂接在曲轨上。根据演出需要，每一套自行行走小车分别即可在水平轨道上滑行，又可通过小车上的钢丝绳带动演员上下移动。能够准确的调速和定位。
3套大型升降台	行程10米，即可单独定位运行，也可实现同步位置控制。
1套后车转台	其上包括外环、内环转台。内、外转台可实现同步运行，也可独立运行。车台的水平移动和转台的旋转可同时进行。
2套旋转升降台	升降台的上下运行，不影响其上的旋转机构正常旋转。
2套无线车台及补台装置	采用工业以太网无线控制技术，突破了传统侧车台固定轨道的概念，可使车台开到后车转台上后，自由移动车台，增加了舞台表演景色的转换，达到以时间换空间的效果。
3套小子台及保护机构	采用一对一变频器控制技术，升降行程为3米
1套摇臂装置	包括两个调速俯仰电机装置，一个调速旋转机构和保护栏杆构成。采用顺序控制技术，通过位置控制完成整个摇臂装置的起升，旋转和回位控制。

1）为满足现场实时控制和设备逻辑关联的要求， 设备控制核心采用BR高性能PCC2005CP36作为主处理器。该模块采用Intel奔腾266芯片技术，带有32M动态内存，支持512K掉电变量保存，拥有强大的浮点和逻辑变量处理能力。通过在其带有的PCI接口模块插槽上插接接口模块3IF782.9，可以方便的使其作为 Ethernet Ethernet PowerLink总主站。网络结构采用总线型结构。由于主控制室位置在台上和台下控制柜之间，考虑到综合布线，所以把带有中继功能的Ethernet PowerLink接口集线器设在主控制室，通过其方便实现把台上和台下 Ethernet PowerLink从站和主站连接起来。Ethernet PowerLink主站和从站通讯以保护模式下进行，其系统最小通信周期为200μs，网络抖动时间(Jitter)小于1μs，可以适应现场设备对位置的苛刻的实时性要求。

2）根据设备实时传送的数据量和联锁反馈的变量来采用不同的从站控制系统。由于台上设备信息点多，用户一次操作运动设备数量具大，故采用BR2005系列接口模块从站，这样可使台上PCC系统交换速率到达100M/S。台下设备由于控制系统多采用一对一变频器，设备运行状态等信息都存在变频器中，相对于台上通讯信息量小，考虑到性价比最优化的原则，故采用2003系列 Ethernet PowerLink从站模块，通讯速率可达10Ｍ/Ｓ。台上和台下网络通讯速度转换通过带有Ethernet PowerLink多口集线器的 Ethernet PowerLink从站自动进行。

3）所有控制台上的触摸屏、PC机和移动手操器上的触摸屏都通过交换机进行交换数据，通讯采用标准的工业以太网模式进行。PCC主站和以上设备网络拓扑结构采用总线组成形式，交换数据采用开放模式。其通讯允许Powerlink主站不需要专用通讯芯片，通过PCC自带的通讯函数库，调用相关函数直接连接标准以太网设备。变频器和PCC主站采用DP网通讯方式进行，通过贝加莱专用DP模块，可以非常方便的挂接到主PCC系统中，完成相应的设备数据传输。通讯采用6字节的过程数据格式协议，完成变频器和主站之间交换数据。如图3：

图3 通讯协议图

4）为满足用户多种不同操作要求，PCC控制系统分为上位机程控编组、主控制台手控、本地操作员手控三种控制方式。其中本地操作员手控为在台面左右各设置移动手操器接口，通过系统连接插头挂接到移动手操器上。通过移动手操器上的多功能触摸屏选择台上或台下设备单一手动控制设备，这样有利于操作员在台面上近距离装台，微动单个设备进行局部调整。

整个网络系统如图4 所示：

图4 网络系统图

1）系统配备台上和台下操作台各一套，平时相互独立工作，台上和台下设备的程控、手控运行互不干涉。当其中一个操作台出现问题时，可以通过控制台上的控制功能转换按钮，把控制操作权集中到好的操作台上，由一个操作台操作所有的台上和台下设备。实现程控、手控设备的冗余备份。

2）对于调速定位设备，采用高性能交流矢量变频器控制设备的速度和位置。使用变频器控制技术功能完善，可靠性高，调速范围可达1:100。通过在变频器内部编写定位程序，并配合电机同步编码器检测实现闭环控制，完成高精度定位功能。在手动时PCC通过网络启动变频器控制电机启动和停止；在程控自动运行时，PCC只需给出吊杆到位位置，变频器可独立完成电机定位控制。

3）根据用户同时需要运动的设备数量，台上吊杆和灯杆采用变频器切换技术。使用变频器最大数量作为一次全矩阵切换的基础。这样当设备运行时，如果其中一个变频器出现故障，操作员可以立刻手动删除故障变频器。考虑到切换设备所需要的中间环节较多，故采用HTL增量编码器脉冲信号作为位置检测。

4）为保证整个舞台机械可靠运行，设计PCC控制和现场操作柜按钮控制两套独立控制回路，通过转换开关（机控/柜控）进行切换。如果PCC出现故障，可通过控制柜面板上的按钮控制设备，保障剧院演出前布置台面的要求。现场操作柜按钮控制通过转换开关打到柜控时供电。同时，转换开关信号传入PCC中，作为标志位（FLAG）便于在编程中识别是哪种控制方式并采取相应输出形式。这样就能保证PCC控制和现场控制柜控制对同一机械设备控制不发生冲突。同时电机保护器和交流接触器及断路器的辅助触点信号送入PCC中的输入模板，便于监视电机、PCC模板工作状况。所有控制回路和传感器的供电电压均采用安全24V直流供电。

随着控制理论的不断发展，控制系统的应用也越来越向人性化的方向迈进，人们对舞台机械控制系统的要求除了其安全性能应得到保障之外，在使用上更应注重人的能力和机械的潜力有效的配合，以提高管理和控制效率。某剧院通过Ethernet PowerLink实时工业以太网，由贝加莱的PCC、触摸屏、SEW变频器等硬件，实现PCC模块之间，以及PCC与变频器、上位机、触摸屏的混合通讯，完成对机械设备的自动控制。该系统已经正常投入运行，效果良好。

1      许洪华，刘科 确定性工业以太网Ethernet Powerlink 冶金自动化 2004年4期

2      叶莘 Ethernet Powerlink—实时的工业以太网 工业以太网与现场总线 2004年5期

3      齐蓉 肖维荣 可编程计算机技术 电子工业出版社

4      BR PCC，System Manual 05/2003