EAE舞臺技術公司已經(jīng)完成了一個安全并可擴展的舞臺軸控制系統(tǒng)、驅動和執(zhí)行機構的設計。采用Ethernet POWERLINK作為實時通信，這個系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構可以被輕松擴展，不僅僅允許任意數(shù)量的驅動器連接，并且可以使得用戶在簡單的步驟下即可完成一個高可用性控制網(wǎng)絡的構建。

 
      當今的演唱會和戲劇制作已開始采用最先進的自動技術，包括特定效果、舞臺燈光、聲音以及視頻的安裝所需要的控制和安全技術。所有的同步采用實時數(shù)據(jù)通信，眾多的驅動系統(tǒng)要將重達數(shù)噸的裝修過的舞臺移動，即使傳統(tǒng)的劇院如柏林國家歌劇院也要依賴于先進的自動化技術。

      在人們頭頂直接由驅動系統(tǒng)驅動的重負載有著嚴格的安全要求，機電系統(tǒng)，電機和驅動必須能確保安全，在執(zhí)行的電子器件間的數(shù)據(jù)交換必須是無錯誤的傳輸。由來自Coswing，薩克森的EAE舞臺技術所設計的高性能ARTEA控制系統(tǒng)里達到了這一要求-滿足所有的安全要求?？刂破鹘涌诓捎眉谢蚍植际津寗酉到y(tǒng)。

      ARTEA是一個可擴展的靈活的，結構簡單而又能夠滿足極其苛刻的功能安全一致性等級SIL3,冗余的，高可靠的和極其穩(wěn)定的原因在于它集成了熱備功能，用戶可以根據(jù)應用的需求在完全冗余的控制通道里選擇三個安全等級，這使得穩(wěn)定的傳輸錯誤檢測和可承受的價格之間得到平衡。

      網(wǎng)絡架構-控制器相對于三個并行的工業(yè)PC-稱為演出服務器，通過POWERLINK實時工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，他們可以在外設的軸控制器之間交換數(shù)據(jù)，以協(xié)調(diào)驅動和執(zhí)行機構，傳感器也同時通過軸控制器與演出服務器進行數(shù)據(jù)通信。

      ARTEA’的系統(tǒng)架構提供了三個等級的自由配置-軸控制(ACU)，POWERLINK(演出服務器)和TCP/IP(控制臺和開關等)控制架構-大部分控制程序運行在演出服務器上，它們互相連接并且通過標準TCP/IP連接到控制控制臺。然而，軸控制單元通過POWERLINK連接，作為POWERLINK主站，PCI板直接插到演出服務器上所控制的每個200個軸。圖4顯示了舞臺驅動系統(tǒng)的控制臺。

      這有幾點好處，基本的ARTEA網(wǎng)絡架構是雙路冗余的，2個演出服務器通過兩個獨立的POWERLINK網(wǎng)絡連接到軸控制器，所有網(wǎng)絡組件和ACU的安全由兩個獨立實現(xiàn)構成，內(nèi)部硬件架構確保了一個滿足SIL3需求的安全控制系統(tǒng)。系統(tǒng)架構是冗余的并且通過增加一個并行網(wǎng)絡與第二個熱備演出服務器實現(xiàn)高可靠性。

      如果一個演出服務器或網(wǎng)段失效，ARTERSR(安全和冗余)方案自動的切換到冗余組件以確保對平滑的操作不受到影響,同時，獨立的發(fā)送錯誤報告給控制臺，此外，熱插拔使得用戶可以在演出器件更換組件而不影響觀眾的注意力。

尋找實時
      劇院舞臺控制任務需要響應時間在”硬”實時水平來確保運行的絕對同步，采用標準以太網(wǎng)是無法實現(xiàn)的，EAE傾向于使用SIMENES產(chǎn)品，但是Profinet的RT版本對于劇院舞臺同步而言太慢了，而Profinet IRT尚不可用。公司有兩個選擇Ethernet POWERLINK和EtherCAT-這兩個網(wǎng)絡均可提供所需的性能，并且已經(jīng)大量安裝并滿足IEC61158，確保投資安全。
 
      POWERLINK的一個關鍵因素在于與標準硬件的兼容，并且能夠在失效時支持熱插拔,因此,EAE不想去與Beckhoff簽署一個授權協(xié)議，因為他們相信這項已經(jīng)完成的開發(fā)應該被EAE專用，對于EAE，POWERLINK是一個完全開放和透明的，允許對于特定應用最大的自由。
 

演出必須進行-機電系統(tǒng)、電機和驅動運行在SIL3等級

 
      比較了針對舞臺應用，因此，他們更傾向于POWERLINK的數(shù)據(jù)通信，因為它的實時能力。因此POWERLINK協(xié)議避免了CSMA/CD機制，通過嚴格的通信規(guī)劃阻止了數(shù)據(jù)沖突，在一個POWERLINK輪詢周期里，控制器如主站或管理節(jié)點，授權所有設備一個廣播幀，開發(fā)者在處理器里通過具有實時能力的POWERLINK協(xié)議棧替代了TCP/IP和UDP/IP協(xié)議。

周期性數(shù)據(jù)交換
      為確保一個參與者在同一時間可以通過網(wǎng)絡廣播,工控機、PLC或一個主站委派扮演一個“脫口秀主機”的角色，當其它節(jié)點運行為CN時候，主節(jié)點設定用于所有設備同步和控制周期性數(shù)據(jù)通信的時鐘速率。在一個周期內(nèi)，主站以輪詢的方式向所有CN他們發(fā)送輪詢請求，他們以廣播形式發(fā)送輪詢響應來作為應答。
 
      一個POWERLINK周期分為四個部分，在啟動階段，MN發(fā)送一個循環(huán)開始幀SoC給所有從節(jié)點，這用于同步所有參與者，抖動小于1uS，在接下來的周期階段，參與同步交換數(shù)據(jù)，在這個第二階段，多路復用可以用于優(yōu)化帶寬利用率，例如，三個非時間苛刻的節(jié)點可以共享一個時間槽。
 
      MN制定并注冊多個設備使用的時間槽，在循環(huán)周期的第三個階段(異步)階段，設備可以發(fā)送更大的,非時間苛刻的數(shù)據(jù)寶，用戶數(shù)據(jù)在每個異步階段里被拆包并發(fā)送，在異步階段，標準的IP幀可以被發(fā)送，POWERLIK實時域可以被連接到非實時域，例如，Intranet網(wǎng)絡通過網(wǎng)關來允許交換實時數(shù)據(jù)和IP幀，第四個階段是當機階段，這個時間可以被縮短到幾百個微秒。

軸控制器
      分布式ACU或控制柜ACU單眼一個驅動和傳感器接口的角色，圖6顯示了舞臺移動的驅動系統(tǒng)，標準設備包括2個32位CPU提供冗余和為SIL3應用提供運算。ACU有2個POWERLINK接口為每個POWERLINK通道集成了一個HUB,因此各單元之間可以非常容易采用菊花鏈拓撲。

軸控制單元-作為一個分布式的驅動和傳感器接口
 

      ACU還有16個帶有電氣隔離的數(shù)字輸入，2個模擬量輸入和2個SSI絕對值編碼器接口，12個帶有監(jiān)測的輸出和12位精度的模擬量輸出。ARTEASR配置了兩個POWERLINK接口因此網(wǎng)絡功能是完整的，即使三個演出服務器或者電纜失效的情況下也可用。

      此外，EAE提供一個預配置服務器和緊湊的軸控制器電柜，可以與不同制造商提供的變頻器安裝在一起，這允許高達15kW的分布式驅動安裝。
 
IXXAT是EAE在ARTEA開發(fā)中的合作伙伴，因為他們是總線和安全方面的專家，IXXAT聚焦在基于CAN(CANopen,DeviceNet)和Ethernet(POWERLINK,Ethernet/IP,Profinet,EtherCAT,SERCOSIII,Modbus TCP),TCP/IP相關的協(xié)議和IEEE1588.

      EAE和IXXAT作為一個團隊開發(fā)了所需的硬件和軟件，并且在很好的時間里完成了項目-畢竟所有的劇院觀眾們可不會等待。