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2021年6月24日

基于 PC 的控制技术精确控制意大利歌剧“弄臣”的舞台机械

复杂的驱动技术成就布雷根茨水上浮动舞台震撼奇观

康斯坦茨湖畔的布雷根茨艺术节以令人叹为观止的舞台奇观再次证明,即使在 21 世纪的今天,观众仍然喜爱伟大的歌剧。在 2019 年为期五周的演出季中,大约有 18 万名观众前来观看朱塞佩·威尔第创作的意大利歌剧“弄臣”,这部歌剧将作为 2021 年艺术节的首演剧目,于 7 月 22 日在水上舞台上演,其门票几乎已全部售罄。一个巨大的小丑头颅装置(“弄臣”的人格写照)成为舞台主视角。布雷根茨艺术节采用倍福的控制技术控制舞台的复杂运动。

布雷根茨水上浮动舞台凭借其奇幻的舞台奇观闻名于世,此次舞台由导演兼设计师菲利普·斯托尔兹尔(Philipp Stölzl)设计,在美学以及技术可行性方面超越了以往所有的演出,斩获德国 Opus 舞美设计大奖(German Stage Award),而钢结构公司 Biedenkapp 也因此荣获了 2019 年德国金属加工奖的年度设计特别奖。总共有 46 家公司参与了舞台建设,经过三年的规划设计与 14 个月的施工,2019 年 7 月 17 日,这个令人极为震撼的奇幻舞台首次投入使用。

舞台由一个固定部分和三个可以移动的部分组成,当舞台解体时,它们在电动缆绳绞盘驱动的轨道系统上运行
舞台由一个固定部分和三个可以移动的部分组成,当舞台解体时,它们在电动缆绳绞盘驱动的轨道系统上运行

可移动的舞台布景本身就是一道奇景

在斯托尔兹尔的作品中,歌剧以曼图亚公爵的宫廷作为起始点,然后慢慢变成一个马戏团帐篷,宫廷小丑里戈莱托变成一个小丑造型。这个背景标志着主人公正挣扎在一个水深火热的境地。只有巨型小丑的头颅和双手突出在水面上。它可以通过运动带动表情的变化,表现歌剧中悲剧主角的精神状态。当里戈莱托进入舞台,小丑头颅被唤起,微笑地注视着金光闪闪的盛宴。演员们在它的项圈、头顶和嘴巴里穿梭奔忙。年轻貌美的曼图亚公爵专以玩弄女性为乐,而里戈莱托常为公爵出谋划策,但当里戈莱托发现自己的女儿吉尔达也被公爵诱骗时,情况发生了变化,小丑自己也成为了阴谋的受害者。当舞台裂开时,象征着主人公情绪的崩溃:项圈部分渐渐分裂,眼睛和鼻子从头上掉下来。微笑着的小丑的脸变成了一个可怕的骷髅头,成为舞台主布景。

每个动作都是经过精心编写

舞台上的所有运动以及歌手、合唱团、特技演员和临时演员表演的动作都事先在三维数字模型中编写好,动作被分成由很多根绳索控制,每根绳索都可以用一个独特的命令调用。“2019 年 5 月,我们在浮动舞台上搭建完布景后,就按照之前的模型对每根绳索进行编程,测试轴和液压控制系统的设置,并对每根绳索的驱动力、负载和速度进行安全分析。”布雷根茨艺术节技术总监 Wolfgang Urstadt 解释说道。

严苛的运动控制要求

直径 22 米(72 英尺)、总面积 338 平米(3638 平方英尺)的项圈构成主舞台。它由一个固定部分和三个可以移动的部分组成,当舞台解体时,它们在电动缆绳绞盘驱动的轨道系统上运行。

仅需 5 个液压缸和 14 个电机就能控制高 13.5 米(44 英尺)、重达 35 吨(约 77,000 磅)的头颅的各种运动。头颅安装在一个 35 米(115 英尺)长的可旋转式升降机构上,可以在舞台上进行 94 度的运动。在中央液压缸的驱动下,升降机构还可以将头颅升起或浸入康斯坦茨湖中,直到水淹没上嘴唇。“要做到这一点绝非易事,”舞台技术经理感叹道:“将头颅从地平线上 14.5 度移动到地平线下 28 度只需 27 秒,需要高达 160 bar 的液压。”点头动作通过两个液压缸以每秒 4.4 度的速度移动实现,而打开下颚则需要另外两个液压缸以每秒 10 度的速度移动。四个电机用于控制摇头动作,还有八个电机用于控制眼珠滚动和眼睛的开合运动。奥地利 Andelsbruch 的 STB Steuerungstechnik Beck 公司的系统集成工程师 Andreas Bechter 解释说道。“仅头部就必须控制 19 根轴的运动,电动驱动的额定功率范围为 2 至 22 千瓦,液压泵的额定功率范围为 75 至 90 千瓦。”

左侧的机械手臂伸出水面 11.5 米(38 英尺),用于完成节目中的各种机械运动,总共使用了 8 个液压驱动轴。最大的驱动器用于转动手臂,而并行连接的较小的驱动器则用于倾斜手臂。小型电机用于控制五指的运动。

歌手和演员们在由菲利普·斯托尔兹尔设计的舞台上进行精彩的演出
歌手和演员们在由菲利普·斯托尔兹尔设计的舞台上进行精彩的演出

基于 PC 的控制技术加快大型复杂项目的实施速度

“在控制技术方面面临的挑战是如何控制舞台的运动,因为它被分为了很多单独的可活动部分。 由于舞台非常复杂,规模宏大,距离演出季时间又很短,因此必须绝对准时交付,而传统的舞台设备供应商很难完成这样的项目目标。因此我们必须寻找替代方案,最终我们找到了倍福。”Wolfgang Urstadt 说道。制造商为每台设备都配备了一个调试简单的控制器,并指定了一个 CAN 总线接口,以便于上位 Unican 控制器无缝通信。客户还需要能够实现位置反馈、编码器监测和压力监测等功能的各种测量系统。

由诺伊斯舞台技术专家 Unican 公司提供的冗余轴计算机总共控制 29 根轴。两个控制台用于编程和触发运动指令,计算轴的运动,并向底层的倍福控制器发出指令。虽然整个序列经过详细定义,但演出并不是在自动模式下运行。当舞台监督发出指令时,一名操作人员负责控制所有头部和项圈运动,另一名操作人员控制左手的复杂动作。“我们必须考虑到一切不可预料的事,如强风可能会吹断绳索。安全永远是第一位的。”技术总监说道。

与固定舞台不同的是,由于制作周期短,可以预测所有可能导致停机的事件,因此只需要进行项目安全检查即可。“TÜV(德国技术监督协会)在样机检测过程中进行了安全检查。这让我们能够更加轻松地跟上安排得非常紧的时间进度,因为在安全检查完成之前,我们不能在浮动舞台上进行排练。”布雷根茨浮动舞台控制技术员 Stefan Fritschke 解释道。

主控柜和用于控制液压系统的面板都配备了倍福的 15 英寸 CP6602 面板型 PC
主控柜和用于控制液压系统的面板都配备了倍福的 15 英寸 CP6602 面板型 PC

分布式控制结构很好地满足了浮动舞台的特殊要求

Stefan Fritschke 认为,倍福控制系统的巨大优势在于支持多样化的接口,以及通过分布式控制架构运行的能力。“浮动舞台上的空间比较狭窄,没有地方放置通常在歌剧院使用的那种大型控制柜。因此我们需要一个分布式控制方案来控制很多采用分布式布局的轴。我们现在有一个主控柜,它与一个控制项圈的机柜和另一个控制头部运动的机柜相连。此外,紧急控制装置并未被设计成大型歌剧院中常见的大型次级控制器。如果 Unican 控制器发出紧急信号,用于控制舞台各个部分的本地倍福控制器就会将舞台机械移到安全位置。这个特殊功能只能通过倍福控制器实现。如果出现意外断电情况,我们会进行手动或紧急运动序列。”Andreas Bechter 说道。

主柜中的控制平台使用的是一台 CX5120 嵌入式控制器与一台 15 英寸 CP6602 面板型 PC 的结合。控制功能通过 TwinCAT 3 自动化软件执行。用于精确控制和定位液压轴的算法由 TwinCAT 液压定位软件库提供。EtherCAT 高速通信系统凭借其出色的诊断能力和易于配置性在竞争中拔得头筹。液压控制台也配备了一台 CP6602 面板型 PC。“对于舞台上的空间极其有限的情况,结构紧凑的 EtherCAT 高密度端子模块派上了大用场。EtherCAT 高密度端子模块在 12 毫米宽的端子模块外壳内集成了 8 或 16 个接点。”STB 公司总经理 Alfred Beck 说道。