В этом аналитическом обзоре рассматривается структура и преимущества современных зарубежных и отечественных автоматизированных систем управления театральной механикой.
Авторы: М. Ф. Шевкопляс, П. А. Прокимов к. т. н.
Введение
До появления автоматизированных систем управления (АСУ) в середине XX века групповое перемещение приводов в театрах осуществлялось вручную: подъемы с мягкими декорациями (штанкеты) двигали с помощью веревочных тросов «верховые» – работники на галереях, сценические площадки также передвигал специальный персонал. По сути, один работник перемещал один привод. Автоматизация для театральной механики присутствовала – применялись и гидравлические, и электромеханические приводы, но общей системы управления, позволявшей проводить из одной точки контролируемое безопасное групповое перемещение приводов с декорациями, не существовало.
Общая тенденция к замене дорогостоящего и малоквалифицированного ручного труда привела к тому, что операции физического и даже интеллектуального труда, поддающиеся формализации, стали объектом механизации и автоматизации.
Первые автоматизированные пульты управления механикой сцены были во второй половине ХХ века построены на основе релейно-контакторных систем. Пульты представляли собой панели с набором переключателей, кнопок и ручек для каждого привода. С помощью такого пульта оператор мог управлять одновременно несколькими приводами. Релейные системы того времени были достаточно надежными, но неудобными в эксплуатации и ограниченными по функционалу: при групповом перемещении приводов не отслеживалось автоматическое синхронное перемещение и приход в конечную позицию, не было возможности заранее запрограммировать серию перемещений приводов, отсутствовала система группового аварийного отключения.
К концу ХХ столетия назрела необходимость в применении новой автоматизированной технологии управления механикой сцены, и в начале 2000-х годов в театральную практику стали активно внедряться АСУ на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК) с возможностью одновременного перемещения группы приводов. За основу были взяты АСУ ТП (автоматические системы управления технологическими процессами), разработанные в середине XX века для применения в крупных промышленных производствах.
ПЛК в составе АСУ ТП – это специальный микрокомпьютер, первоначально предназначенный для выполнения операций переключения в промышленных условиях и призванный заменить применявшиеся ранее релейно-контакторные схемы. Первый ПЛК был разработан в 1968 году группой инженеров компании General Motors (США). В это время ещё не были изобретены микропроцессоры (устройства, отвечающие за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, реализованные в виде одной микросхемы или нескольких специализированных микросхем) – первый микропроцессор выпустили только в 1971 году. ПЛК на основе микропроцессора был впервые создан в США в 1977 году компанией Allan Bradley Corporation на базе микропроцессора Intel 8080 с использованием дополнительных схем быстрого выполнения логических операций. Современные ПЛК имеют широкие возможности, включая работу с аналоговыми сигналами, ПИД-регулирование (формирование управляющего сигнала из трех слагаемых – первое пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе – интегралу сигнала рассогласования, третье – дифференциалу (производной) сигнала рассогласования), выполнение математических операций, функций таймера, счётчика, программного задатчика режима и т. п. Кроме того, они хорошо приспособлены к работе в типовых промышленных условиях в достаточно широком температурном диапазоне, с повышенной влажностью и запылённостью, с высоким уровнем вибраций и электромагнитных излучений.
Современные АСУ ТП имеют трехуровневую структуру:
1) Нижний уровень – датчики, преобразователи, исполнительные механизмы, приборы, посредством которых система получает входные данные и передаёт объекту выходные управляющие сигналы.
2) Средний уровень – операции приёма данных с нижнего уровня и формирования команд управления. Управление в ПЛК осуществляется по циклическому алгоритму «приём данных → обработка → выдача управляющих команд».
3) Верхний уровень – уровень визуализации, диспетчеризации (мониторинга) и сбора данных. На этом уровне задействован человек-оператор (диспетчер). Если он осуществляет контроль локального агрегата (машины), то для его осуществления используется так называемый человеко-машинный интерфейс (HMI, Human Machine Interface). Если оператор осуществляет контроль за распределённой системой машин, механизмов и агрегатов, то для таких диспетчерских систем часто применим термин SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition − диспетчерское управление и сбор данных). В обоих случаях верхний уровень АСУ ТП обеспечивает сбор, архивацию важнейших данных от ПЛК и их визуализацию, т.е. наглядное представление на мониторе в виде мнемосхем, часто анимированных [1].
Специализированные системы управления театральной механизацией (ССУ ТМ) (далее – СУ) в принципе имеют ту же структуру, что и АСУ ТП.
Отметим преимущества современных СУ по сравнению с устаревшими релейно-контакторными системами:
- высокая степень интеграции поддерживает управление различными видами электромеханических и гидравлических приводов;
- безопасность работы СУ соответствует требованиям современных промышленных стандартов безопасности;
- масштабируемость позволяет оперативно добавлять новые приводы;
- гибкость в управлении поддерживает одновременное перемещение различных приводов по заданным условиям – скорость, траектория, конечные положения, поддерживается также программирование движений групп приводов для оперативной смены декораций на спектаклях и при монтаже/демонтаже оборудования на сцене, объединение движений в картины (группы движений) и представления (группы картин), позволяющее операторам проводить спектакли нажатием нескольких кнопок.
Описание современных систем управления
В этом разделе будут рассмотрены особенности архитектуры, пользовательский интерфейс, аппаратное обеспечение и безопасность СУ компаний Waagner-Biro, SBS Buehnentechnik, Bosch Rexroth и TTS.
Waagner-Biro CAT V5 (Австрия)
Особенности архитектуры СУ:
- Ethernet-технология со стандартным сетевым оборудованием, поддержка до 2000 приводов в сети;
- контроллер безопасного движения AXIO 5 с гибким интерфейсом для распределительных устройств, приводов с переменной частотой, гидравлических и пневматических систем устанавливается в централизованных или децентрализованных шкафах управления приводами;
- шкафы управления UNICORN устанавливаются рядом с приводами для сокращения времени сервисного обслуживания и удобства замены в случае неисправности автоматики привода;
- поддержка до 30 консолей, как проводных, так и безпроводных;
- сервер с двойным резервированием, размещаемый в 19-дюймовой стойке. Там же находится Ethernet-сеть для подключения дополнительных устройств и ИБП (источник бесперебойного питания) для защиты питания СУ;
- соединение VPN/firewall (VPN (Virtual Private Network) – виртуальная частная сеть, firewall – сетевой экран, контролирующий сетевой трафик в соответствии с заданными правилами) для удаленного обслуживания и резервного сохранения данных СУ.
Пользовательский интерфейс CAT V5:
- использует интерфейсы современных мобильных устройств;
- поддерживает режимы множественных жестов (multi-touch gestures) и функций «тащи-и-бросай» (drag & drop) для быстрой навигации и графического редактирования на сенсорных экранах в составе пультов управления;
- с помощью контроллеров CAT Gear (Computer Aided Theater Gear – механизм компьютеризированного театра) реализуется тактильная обратная связь при касании экрана;
- имеется информационная панель (dashboard) в составе системы контроля версий (revision control system) для оперативного просмотра и хранения репертуарных данных;
- обеспечена возможность распределения повесток – запрограммированных движений групп приводов – по разным консолям;
- существует умный целевой ассистент, подсказывающий вероятные целевые выборы;
- реализована 3D-визуализация сценической механики с возможностью симуляции движения приводов с нескольких консолей;
- действия каждого оператора сохраняются в его персональной сессии независимо от количества операторов в системе. При авторизации можно загрузить предыдущую сессию или перевести текущую сессию на другую консоль, если это более удобно или безопасно. В любое время поддерживается отмена или повтор всех персональных действий;
- для поддержки многопользовательского редактирования в консоли встроена система видео-чата;
- телеметрия визуализирует входные/выходные и статусные сигналы и связывает их с действиями операторов и движением приводов;
- встроенный интерфейс CAT Studio для настройки приводов и управления конфигурацией поддерживает автоматизированную проверку тормозов и перекалибровку датчиков нагрузки.
Аппаратное обеспечение:
- контроллер безопасного движения (safety motion i/o controller): контроллер AXIO 5 связывает систему управления CAT с внешним миром. Представляет собой сертифицированный по SIL 3 / PLe контроллер со свободно назначаемыми входами и выходами с возможностью «горячего» включения. AXIO 5 преобразует команды с консоли в электрические сигналы для контроля различных видов механизации: высокоскоростных подъемов, цепных лебедок, поворотных кругов, балетных фур, люков провалов и гидравлических устройств.
Безопасность:
- система CAT V5 разработана и сертифицирована в соответствии со стандартом EN/IEC 61508:2010 с целью обеспечения уровня качества SIL 3 / PLe. Функции безопасности реализованы на основе сценариев и рисков, описанных в большинстве стандартов для индустрии развлечений – DIN 56950-1, CWA 15902-1 и DGUV 17 (бывший стандарт BGV-C1);
- тип системы официально утвержден согласно Директиве 2006/42/EC о безопасности машин и оборудования.
- программное и аппаратное обеспечение контроллера AXIO 5 сертифицировано в качестве контроллера безопасного движения;
- сертифицированный язык программирования поддерживает реализацию дополнительных функций безопасности без повторной сертификации;
- конфигурация и выбор функций безопасности сертифицированы [2].
SBS Buehnentechnik GmbH COSTACOWin (Германия)
Особенности архитектуры ССУ ТМ:
- обратная совместимость – возможность интеграции ранних версий ССУ ТМ;
- наличие резервных аналогов центрального компьютера, осевых контроллеров и сети как в совокупности в качестве дополнительной системы, так и по отдельности;
- возможность внедрения внешнего управления лебедками, ПЛК, устройствами безопасности и другими устройствами на уровне сервера;
- отсутствие ограничений по количеству пультов управления и осевых контроллеров;
- три уровня управления:
- уровень оператора: на этом уровне пользователь-оператор контактирует с СУ. Оператор может использовать главный ПУ SCOUT Eagle, вспомогательный ПУ SCOUT Milan, переносной ПУ SCOUTHawk/Hawk Radio и минитерминал SCOUT Merlin. Программное обеспечение COSTACOWin, используемое на перечисленных ПУ, может адаптироваться в соответствии с пожеланиями Заказчика;
- уровень сервера: центральный компьютер, база данных, оборудование для дистанционного обслуживания и сеть. Центральный компьютер отвечает за все системные вычислительные процессы и процессы обеспечения безопасности. В компьютере используется операционная система Windowsдля промышленного применения. База данных хранит все системные, сервисные данные, данные оборудования и пользователя-оператора (данные спектаклей, протокол событий в СУ). Оборудование для удаленного доступа позволяет специалистам SBS оперативно проанализировать и устранить проблемы в СУ. Сеть состоит из двух сегментов: первый – стандартная сеть Ethernet для связи уровня оператора и уровня сервера, второй – промышленная сеть реального времени для связи уровня сервера и уровня машины;
- уровень машины: ключевой компонент данного уровня – промышленный осевой контроллер, адаптированный для театральной техники. Контроллер имеет две шины управления для обеспечения непрерывности работы, поддерживается интеграция внешнего оборудования – электрического, гидравлического, устройств безопасности и т.д., возможно оснащение автономным распределительным устройством – шкафом управления SCUBE.
Пользовательский интерфейс COSTACOwin :
- программирование представления ведется по 4 уровням:
- машины – низший уровень приводов с их параметрами;
- группы – машины собираются в группы и при помощи параметров перемещения и различных зависимостей параметризуются. Группа может содержать любое количество приводов;
- картина (трансформация) – группы собираются в картины и также параметризуются. Одна картина может содержать любое количество групп;
- представление – последовательное чередование картин. Представление может содержать любое количество картин.
Базовые функции:
- перемещение между конечными рабочими положениями;
- перемещение в произвольных диапазонах;
- перемещение к определенной выбранной цели посредством ввода числовых данных или указания марки;
- дифференцированное перемещение;
- поддержка стандартных видов движения приводов:
- асинхронное перемещение: каждый привод в группе имеет свои параметры перемещения без учета параметров других приводов;
- синхронизация по времени: все приводы в группе достигают заданной цели одновременно, независимо от пройденного пути. СУ автоматически устанавливает для каждого привода соответствующую скорость;
- синхронизация по пути: все приводы группы проходят одинаковый путь с соблюдением расстояний относительно друг друга. Такой вид синхронизации необходим для перемещения жестких декораций – стенок, павильонов;
- поддержка стандартных эффектов для приводов:
- лучеобразное перемещение: пользователь задает параметры движения только для первого и последнего привода группы, параметры остальных приводов АСУ рассчитывает автоматически;
- перемещение от отправной точки: перемещение отдельных приводов или группы приводов согласно определенному ходу;
- перемещение с колебаниями: циклическое движение привода или группы приводов в определенном интервале расстояния и времени.
Расширенные функции:
- управление декорациями – декорации приписываются одному или нескольким представлениям, благодаря этому возможен их быстрый поиск;
- план навешивания декораций – отображает сцену с декорациями, соединяет декорации с машинами;
- индивидуализированное управление – различные права доступа в СУ, магнитные ключи и транспондеры для входа в систему;
- online-переключение языка интерфейса;
- USB-порты на ПУ для импорта/экспорта данных;
- функция печати – могут подключаться принтеры любого типа, перед выводом на печать документы создаются в формате pdf;
- поддержка пользовательских сообщений на ПУ – операторы могут обмениваться информацией друг с другом при сменном режиме работы на ПУ;
- контекстуальная система помощи – подробные инструкции для пользователя и ответы на часто задаваемые вопросы;
- функция «поиск/замена» для наборов данных.
Безопасность:
- система COSTACOwin® сертифицирована по европейскому стандарту качества уровня безопасности 3 (SIL 3) DIN EN 61508.
Аппаратное обеспечение:
- пульты управления:
- SCOUT Eagle: главный ПУ, имеющий модульную внутреннюю структуру с возможностью интеграции внешних систем – разговорных устройств, инженерного оборудования. ПУ оснащен минимум четырьмя джойстиками и двумя независимыми экранами и позволяет работать нескольким операторам одновременно;
SCOUT Milan: мобильный ПУ, дополняющий главный ПУ, на малых и средних сценах может использоваться в качестве основного ПУ;
SCOUT Hawk: переносной вспомогательный ПУ, позволяющий вести управление одной рукой. Безпроводная версия SCOUT Hawk radio работает через WLAN;
SCOUT Merlin: пульт-терминал для наладки и ремонтных работ.
- Подключается непосредственно к приводу, позволяет совершать простые перемещения механизмов в обход компьютерного управления. Параметры движения задаются кнопками и потенциометром.
- универсальный разъем подключения – позволяет подключать и отключать пульт в рабочем режиме. Разъем оснащен кнопкой аварийного отключения. Система COSTACOwin® поддерживает установку любого количества универсальных разъемов в разных местах сцены;
- осевой контроллер SBS AR4–deSAC4002 [3].
Bosch Rexroth SYB 3.0 (Германия)
Особенности архитектуры СУ:
- децентрализованный контроль электрических и гидравлических приводов;
- связь с приводами через локальную сеть SYBNet с максимальной скоростью 1 Гбит/с;
- максимальное число одновременно перемещаемых приводов – 90 шт.;
- поддержка до 700 приводов;
- двухканальные осевые контроллеры BLE 4 обрабатывают сигналы от датчика и привода синхронно по каждому каналу. При неисправности в одном канале другой канал поддерживает работу привода с сохранением функций безопасности. Сбой процессора, проблемы с приводом или датчиком обнаруживаются с помощью перекрестных ссылок. В контроллеры встроен осциллограф для записи и оценки динамических данных и экспертная система оценки неисправностей, упрощающая диагностику и исправление сбоев;
- каждой панели управления назначены два мастер-контроллера для обезпечения безопасности высокого порядка. Данные джойстиков и клавиш считываются в избыточном режиме.
- возможность интеграции внешних систем: свет, звук, дополнительная машинерия;
- удаленная диагностика через защищенное Интернет-соединение.
Пользовательский интерфейс:
- встроенная экспертная система, использующая оценку состояния СУ по правилам;
- автокоррекция позиции декорации при ее перевешивании;
- дополнительные функции: база данных декораций, гибкая структура повесток, операции с декорациями;
- 3D-симуляция всей системы;
- три режима работы:
- ручной: выполнение простых перемещений при работе на сцене;
- автоматический: оператор запускает и контролирует запрограммированные последовательности движения на репетициях или спектаклях. При необходимости он может изменить движение в онлайн-режиме и сохранить новую последовательность;
- офлайн: программирование и последующая интеграция сложных повесток без блокирования СУ.
- табличный вид запрограммированных повесток;
- графическое представление профилей движения приводов;
- графический индикатор быстродействия СУ;
- топографический вид – представление выбранных приводов в виде столбиковых диаграмм;
- ассистент контроля столкновений – проверяет параметры движения сценического оборудования с учетом их геометрических данных, в случае угрозы столкновения на этапе программирования и перед запуском приводов выдается соответствующее предупреждение.
Аппаратное обеспечение:
- пульты управления: SYB SCIV;
- двухканальные осевые контроллеры BLE 4.
Безопасность:
- SYB 3.0 соответствует европейскому стандарту качества уровня безопасности 3 (SIL 3) EN 61508 [4].
TTS IntelliMech (отечественная разработка)
Особенности архитектуры СУ:
- несколько уровней доступа пользователей
- разработчик/администратор/ оператор/технический работник;
- полное двойное «горячее» резервирование сервера;
- связь с разработчиками по GSM или Internet для оперативной диагностики системы;
Пользовательский интерфейс:
- ручное, полуавтоматическое и автоматическое управление механизмами по заранее сохраненному сценарию с возможностью оперативного регулирования его выполнения;
- управление по положению, скорости, времени каждым механизмом и группами механизмов;
- отображение телеметрической информации от датчиков позволяет осуществлять мониторинг текущего состояния приводов и всей системы в комплексе в режиме реального времени. Предусмотрена защита от несанкционированного доступа, сервисные функции;
- опционально в пульт встраивается система видеонаблюдения за механизмами на
1-8 HD видеокамер и абонентское устройство дуплексной служебной связи; - 2D и 3D динамические модели для удобной визуализации процессов.
Аппаратное обеспечение:
- осевые контроллеры TTS серии DCS, преобразователи частоты Omron MX2 или Mitsubishi FX2.
- стандартные пульты для систем управления серий IntelliMech 392 и IntelliMech 586:
- сенсорный 19-дюймовый дисплей высокого разрешения;
- подключение одного или двух информационных дисплеев;
- промышленные одно- или многокоординатные джойстики с «кнопкой безопасности»;
- ключ контроля доступа (возможно использование безконтактной карты);
- кнопка аварийной остановки;
- кнопки быстрого доступа к функциям редактирования спектакля;
- встроенные блоки видеонаблюдения HD-качества и технологической связи (опция).
- для управления отдельными системами механики изготавливаются пульты в различных корпусах с необходимым количеством и размером сенсорных и информационных дисплеев, органов управления, дополнительных кнопок быстрого доступа к функциям;
- сервисный пульт радиоуправления для настройки и управления сценическими механизмами. Технические характеристики: поддержка связи с несколькими радиоприёмниками KIOR MRx16 для гарантированной связи, частота радиопередачи данных – 433 МГц, гарантированная дальность связи 100 м, элемент питания – встроенный литий-ионный аккумулятор, зарядное устройство 5В, 1А в комплекте;
- пульт управления вращающимся кругом и кольцом, компактная версия полноценного компьютерного пульта. Технические характеристики: сенсорный экран с диагональю 8 дюймов, управление механизмами в ручном и полуавтоматическом режимах, отображение телеметрической информации от датчиков, защита от несанкционированного доступа, группа кнопок быстрого доступа к различным функциям пульта, установка в пульт помощника режиссера или передвижную рэк-стойку;
- пульт управления софитами, может использоваться как в составе компьютерной системы управления для управления отдельными механизмами, так и самостоятельно для небольших объектов.
Технические характеристики:
- ручное и полуавтоматическое управление 12 механизмами;
- 11 запоминаемых положений механизмов (пресетов);
- простой интерфейс с индикацией состояния механизмов;
- быстрое включение пульта;
- защита от несанкционированного доступа;
- рэковый или настенный/настольный корпус;
- цифровые пульты для ручного управления отдельными механизмами: занавесами, подъемами, вращающимися кругами. Характеристики:
- быстрое включение пульта;
- питание по линии управления (не требуется питание 220В);
- возможность последовательного включения до 32 пультов;
- включение и выключение привода, движение привода, регулировка скорости;
- индикация состояния конечных выключателей, аварии;
- компактность, изготовление в различных конфигурациях и с различными органами управления.
- центральный сервер управления механикой сцены:
- полностью дублированная система с горячим резервированием и резервированием данных;
- система бесперебойного питания;
- GSM/Internet связь с разработчиками для оперативной диагностики системы;
- отдельная линия обработки кнопок аварийного отключения;
- подключение до 6 компьютерных и до 32 цифровых пультов;
- подключение по 16 линиям до 16 шкафов управления на каждую линию (всего 256), возможно расширение количества линий;
- шкафы управления сценическими механизмами (ШУСМ):
- индивидуальные и групповые (несколько блоков управления в одном шкафе);
- применение осевых контроллеров TTS DCS/S-2.2;
- применение преобразователей частоты Omron MX2 и Mitsubishi FX2;
- применение автоматики ABB, Finder;
- применение быстродействующих тормозных резисторов;
- обмен данными c сервером по интерфейсу RS485;
- обработка сигналов всех датчиков лебедки и командаппарата;
- отдельная линия аварийного останова;
- пульт местного управления на дверце шкафа (включение, выключение привода, управление движением, регулирование скорости, индикация состояния привода, линий питания и управления, индикация концевых выключателей);
- встроенная внутренняя подсветка и розетка 220В с защитой.
- осевой контроллер TTS DCS/S-2.2:
- слаботочная автоматика электропривода, схемы обработки сигналов с командаппарата и со всех датчиков лебедки (инкрементные, абсолютные, индуктивные, контактные, термодатчики), схемы управления частотным преобразователем, контакторами для нерегулируемых систем, всеми линиями управления.
- шкафы питания механооборудования (ШПМ):
- распределение электропитания для ШУСМ;
- конструкция ШПМ и его схема зависят от количества ШУСМ, их топологии, мощности и т.д. К ШПМ могут подключаться как индивидуальные, так и групповые шкафы управления.
- в ШПМ устанавливается устройство контроля качества питающего напряжения и контроля правильного чередования фаз, главный контактор питания системы приводов механического оборудования и другие схемы контроля.
Безопасность:
- готовность архитектуры системы под стандарт SIL 3 [5].
Заключение
Проводить качественное сравнение рассмотренных СУ затруднительно, так как при наличии общих элементов они имеют свои особенности и чаще всего спроектированы под конкретные задачи и конкретную площадку. Основные критерии успеха и популярности той или иной системы – удобство интерфейса, надежность и, конечно, безопасность, обязательное условие в настоящее время.
Сравнение СУ по количественным показателям – максимальное количество приводов, пультов управления, скорость обмена данными – может быть некорректным, так как одна система с количеством приводов до 2000 шт. может уступать по функционалу и простоте решений системе с меньшим количеством приводов. Выбор той или иной СУ в значительной степени определяется объектом – театром или концертным залом, в котором она будет смонтирована. И здесь важна не только сама система определенной версии, но компания и разработчики системы, их квалификация, готовность использовать современные цифровые технологии, современную элементную базу, возможность создать надежную платформу, адаптированную под конкретный театр. Также на протяжении всего срока эксплуатации СУ необходима ее грамотная и своевременная сервисная поддержка, а при необходимости и оперативное обновление.
Будущее видится за универсальными, гибкими и масштабируемыми СУ. В лидерах сейчас Waagner-Biro и SBS, у них большое количество театральных проектов по всему миру, грамотная сервисная поддержка и современные технические решения – дисплеи с множественным нажатием, беспроводное управление механизмами сцены через приложение на смартфоне, продуманная программа диагностики всех процессов в системе управления.
Список литературы
- Сердцева А. В. Развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами / А. В. Сердцева // Вестник Ульяновского государственного технического университета (Вестник УлГТУ). – 2016. – №3. – С. 58-61.
- CAT V5 Brochure – Waagner-Biro, 2017.
- COSTACOWin ® Вариант системы управления сценическим оборудованием – SBS BÜHNENTECHNIK GmbH, Kampagner Werbeagentur Dresden.
- SYB 3.0 Stage control system Easy to use, safe, available / RE 30885/05.11 – Bosch Rexroth AG, 2010.
- 09-01 Компьютерные системы управления механикой сцены TTS IntelliMech. – Москва: 2011-2015. – https://www.ttsy.ru/shop/states/135/.