貝加萊：高可用性網絡用于劇院舞臺效果系統

EAE舞臺技術公司已經完成了一個安全并可擴展的舞臺軸控制系統、驅動和執行機構的設計。采用Ethernet POWERLINK作為實時通信，這個系統的網絡架構可以被輕松擴展，不僅僅允許任意數量的驅動器連接，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據通信，眾多的驅動系統要將重達數噸的裝修過的舞臺移動，即使傳統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驅動的重負載有著嚴格的安全要求，機電系統，電機和驅動必須能確保安全，在執行的電子器件間的數據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控制系統里達到了這一要求-滿足所有的安全要求。控制器接口采用集中或分布式驅動系統。

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，高可靠的和極其穩定的原因在于它集成了熱備功能，用戶可以根據應用的需求在完全冗余的控制通道里選擇三個安全等級，這使得穩定的傳輸錯誤檢測和可承受的價格之間得到平衡。

網絡架構-控制器相對于三個并行的工業PC-稱為演出服務器，通過POWERLINK實時工業以太網進行連接，他們可以在外設的軸控制器之間交換數據，以協調驅動和執行機構，傳感器也同時通過軸控制器與演出服務器進行數據通信。

ARTEA’的系統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的控制臺。

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

如果一個演出服務器或網段失效，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，采用標準以太網是無法實現的，EAE傾向于使用SIMENES產品，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-這兩個網絡均可提供所需的性能，并且已經大量安裝并滿足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簽署一個授權協議，因為他們相信這項已經完成的開發應該被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、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的數據通信，因為它的實時能力。因此POWERLINK協議避免了CSMA/CD機制，通過嚴格的通信規劃阻止了數據沖突，在一個POWERLINK輪詢周期里，控制器如主站或管理節點，授權所有設備一個廣播幀，開發者在處理器里通過具有實時能力的POWERLINK協議棧替代了TCP/IP和UDP/IP協議。

周期性數據交換

為確保一個參與者在同一時間可以通過網絡廣播,工控機、PLC或一個主站委派扮演一個“脫口秀主機”的角色，當其它節點運行為CN時候，主節點設定用于所有設備同步和控制周期性數據通信的時鐘速率。在一個周期內，主站以輪詢的方式向所有CN他們發送輪詢請求，他們以廣播形式發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發送一個循環開始幀SoC給所有從節點，這用于同步所有參與者，抖動小于1uS，在接下來的周期階段，參與同步交換數據，在這個第二階段，多路復用可以用于優化帶寬利用率，例如，三個非時間苛刻的節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，在循環周期的第三個階段(異步)階段，設備可以發送更大的,非時間苛刻的數據寶，用戶數據在每個異步階段里被拆包并發送，在異步階段，標準的IP幀可以被發送，POWERLIK實時域可以被連接到非實時域，例如，Intranet網絡通過網關來允許交換實時數據和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，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相關的協議和IEEE1588.

EAE和IXXAT作為一個團隊開發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。