贝加莱：高可用性网络用于剧院舞台效果系统

EAE舞台技术公司已经完成了一个安全并可扩展的舞台轴控制系统、驱动和执行机构的设计。采用Ethernet POWERLINK作为实时通信，这个系统的网络架构可以被轻松扩展，不仅仅允许任意数量的驱动器连接，并且可以使得用户在简单的步骤下即可完成一个高可用性控制网络的构建。

当今的演唱会和戏剧制作已开始采用最先进的自动技术，包括特定效果、舞台灯光、声音以及视频的安装所需要的控制和安全技术。所有的同步采用实时数据通信，众多的驱动系统要将重达数吨的装修过的舞台移动，即使传统的剧院如柏林国家歌剧院也要依赖于先进的自动化技术。

在人们头顶直接由驱动系统驱动的重负载有着严格的安全要求，机电系统，电机和驱动必须能确保安全，在执行的电子器件间的数据交换必须是无错误的传输。由来自Coswing，萨克森的EAE舞台技术所设计的高性能ARTEA控制系统里达到了这一要求-满足所有的安全要求。控制器接口采用集中或分布式驱动系统。

ARTEA是一个可扩展的灵活的，结构简单而又能够满足极其苛刻的功能安全一致性等级SIL3,冗余的，高可靠的和极其稳定的原因在于它集成了热备功能，用户可以根据应用的需求在完全冗余的控制通道里选择三个安全等级，这使得稳定的传输错误检测和可承受的价格之间得到平衡。

网络架构-控制器相对于三个并行的工业PC-称为演出服务器，通过POWERLINK实时工业以太网进行连接，他们可以在外设的轴控制器之间交换数据，以协调驱动和执行机构，传感器也同时通过轴控制器与演出服务器进行数据通信。

ARTEA’的系统架构提供了三个等级的自由配置-轴控制(ACU)，POWERLINK(演出服务器)和TCP/IP(控制台和开关等)控制架构-大部分控制程序运行在演出服务器上，它们互相连接并且通过标准TCP/IP连接到控制控制台。然而，轴控制单元通过POWERLINK连接，作为POWERLINK主站，PCI板直接插到演出服务器上所控制的每个200个轴。图4显示了舞台驱动系统的控制台。

这有几点好处，基本的ARTEA网络架构是双路冗余的，2个演出服务器通过两个独立的POWERLINK网络连接到轴控制器，所有网络组件和ACU的安全由两个独立实现构成，内部硬件架构确保了一个满足SIL3需求的安全控制系统。系统架构是冗余的并且通过增加一个并行网络与第二个热备演出服务器实现高可靠性。

如果一个演出服务器或网段失效，ARTERSR(安全和冗余)方案自动的切换到冗余组件以确保对平滑的操作不受到影响,同时，独立的发送错误报告给控制台，此外，热插拔使得用户可以在演出器件更换组件而不影响观众的注意力。

寻找实时

剧院舞台控制任务需要响应时间在”硬”实时水平来确保运行的绝对同步，采用标准以太网是无法实现的，EAE倾向于使用SIMENES产品，但是Profinet的RT版本对于剧院舞台同步而言太慢了，而Profinet IRT尚不可用。公司有两个选择Ethernet POWERLINK和EtherCAT-这两个网络均可提供所需的性能，并且已经大量安装并满足IEC61158，确保投资安全。

POWERLINK的一个关键因素在于与标准硬件的兼容，并且能够在失效时支持热插拔,因此,EAE不想去与Beckhoff签署一个授权协议，因为他们相信这项已经完成的开发应该被EAE专用，对于EAE，POWERLINK是一个完全开放和透明的，允许对于特定应用最大的自由。

演出必须进行-机电系统、电机和驱动运行在SIL3等级

比较了针对舞台应用，因此，他们更倾向于POWERLINK的数据通信，因为它的实时能力。因此POWERLINK协议避免了CSMA/CD机制，通过严格的通信规划阻止了数据冲突，在一个POWERLINK轮询周期里，控制器如主站或管理节点，授权所有设备一个广播帧，开发者在处理器里通过具有实时能力的POWERLINK协议栈替代了TCP/IP和UDP/IP协议。

周期性数据交换

为确保一个参与者在同一时间可以通过网络广播,工控机、PLC或一个主站委派扮演一个“脱口秀主机”的角色，当其它节点运行为CN时候，主节点设定用于所有设备同步和控制周期性数据通信的时钟速率。在一个周期内，主站以轮询的方式向所有CN他们发送轮询请求，他们以广播形式发送轮询响应来作为应答。

一个POWERLINK周期分为四个部分，在启动阶段，MN发送一个循环开始帧SoC给所有从节点，这用于同步所有参与者，抖动小于1uS，在接下来的周期阶段，参与同步交换数据，在这个第二阶段，多路复用可以用于优化带宽利用率，例如，三个非时间苛刻的节点可以共享一个时间槽。

MN制定并注册多个设备使用的时间槽，在循环周期的第三个阶段(异步)阶段，设备可以发送更大的,非时间苛刻的数据宝，用户数据在每个异步阶段里被拆包并发送，在异步阶段，标准的IP帧可以被发送，POWERLIK实时域可以被连接到非实时域，例如，Intranet网络通过网关来允许交换实时数据和IP帧，第四个阶段是当机阶段，这个时间可以被缩短到几百个微秒。

轴控制器

分布式ACU或控制柜ACU单眼一个驱动和传感器接口的角色，图6显示了舞台移动的驱动系统，标准设备包括2个32位CPU提供冗余和为SIL3应用提供运算。ACU有2个POWERLINK接口为每个POWERLINK通道集成了一个HUB,因此各单元之间可以非常容易采用菊花链拓扑。

轴控制单元-作为一个分布式的驱动和传感器接口

ACU还有16个带有电气隔离的数字输入，2个模拟量输入和2个SSI绝对值编码器接口，12个带有监测的输出和12位精度的模拟量输出。ARTEASR配置了两个POWERLINK接口因此网络功能是完整的，即使三个演出服务器或者电缆失效的情况下也可用。

此外，EAE提供一个预配置服务器和紧凑的轴控制器电柜，可以与不同制造商提供的变频器安装在一起，这允许高达15kW的分布式驱动安装。

IXXAT是EAE在ARTEA开发中的合作伙伴，因为他们是总线和安全方面的专家，IXXAT聚焦在基于CAN(CANopen,DeviceNet)和Ethernet(POWERLINK,Ethernet/IP,Profinet,EtherCAT,SERCOSIII,Modbus TCP),TCP/IP相关的协议和IEEE1588.

EAE和IXXAT作为一个团队开发了所需的硬件和软件，并且在很好的时间里完成了项目-毕竟所有的剧院观众们可不会等待。