一种全维度冗余的舞台系统及其实现方法与流程

本发明涉及舞台系统，特别涉及一种全维度冗余的舞台系统及其实现方法。

背景技术：

1、随着文化产业的快速发展，舞台演出的规模与复杂度不断提升，舞台系统涵盖机械、电气、软件、控制等多个模块，其可靠性与安全性直接决定演出效果与人员安全。现有舞台系统多采用单一模块设计或仅在部分关键模块设置简单冗余，同时软件开发语言适配性差、通讯总线传输速率低、实时性不足，存在以下缺陷：机械模块采用单一驱动机构与制动装置，电机损坏或传动部件失效会导致升降台、吊杆等卡滞失控；电气模块采用单一供电回路与信号传输链路，市电中断或线路故障将导致系统瘫痪；软件与控制模块采用单一程序与单一控制器，程序崩溃或控制器故障会致使控制指令无法执行，且现有软件多采用非面向对象语言开发，可维护性差，通讯多采用普通总线，传输延迟高、稳定性不足；使用与维保方面缺乏标准化操作规范与全周期维保机制，人为操作失误与维保不及时易导致冗余模块失效；追溯体系缺失，各模块运行数据、故障数据分散存储甚至未存储，故障排查与责任认定缺乏数据支撑。现有技术中，部分方案虽实现了控制器层面的异构冗余或顶部展示装置的冗余控制，但均未实现机械、电气、软件、控制、使用、维保、追溯的全维度协同冗余，亦未采用c#语言结合ethercat与profinet双总线冗余架构实现高实时性通讯，无法从根本上解决舞台系统的可靠性与安全性问题。

技术实现思路

1、为了克服现有的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种全维度冗余的舞台系统及其实现方法以解决上述技术问题。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，设计出一种全维度冗余的舞台系统，包括机械冗余模块、电气冗余模块、软件冗余模块、控制冗余模块、使用管理模块、维保管理模块及追溯模块；所述软件冗余模块采用c#语言开发，所述控制冗余模块与各模块之间的通讯采用ethercat与profinet双总线冗余架构，主总线为profinet总线，备用总线为ethercat总线。

4、为了更好的解决上述技术缺陷，本发明还具有更佳的技术方案：

5、在一些实施方式中，所述机械冗余模块包括升降台、吊杆、旋转台的主副驱动机构、冗余制动装置及应急执行组件；所述主副驱动机构采用同步联动设计，通过位置传感器实时检测运行状态并反馈至控制冗余模块，当主驱动机构故障时副驱动机构在500ms内完成接管，接管后运行精度误差不超过±0.5mm；所述冗余制动装置采用机械制动与电气制动双重设计，安全系数≥10。

6、在一些实施方式中，所述电气冗余模块包括双回路供电系统、冗余配电单元、信号传输冗余链路及应急供电组件；所述双回路供电系统分别接入不同市电回路并配备冗余ups电源，切换时间≤10ms；所述信号传输冗余链路采用光纤链路与铜缆链路的双链路设计，实时监测链路误码率并自动切换；所述信号传输冗余链路与所述ethercat与profinet双总线冗余架构协同工作。

7、在一些实施方式中，所述软件冗余模块包括采用c#语言开发的主程序与备用程序、数据双重备份、故障自动诊断与修复程序；所述主程序与备用程序独立部署在不同服务器上，采用热备份同步机制实时同步操作指令、运行参数及状态数据，主程序故障时备用程序自动切换，切换时间≤300ms；所述软件程序通过ethercat与profinet双总线与控制冗余模块及各执行机构实现数据交互，数据传输延迟≤50ms。

8、在一些实施方式中，所述控制冗余模块采用主控制器与备用控制器双机热备模式，配合基于ethercat与profinet双总线的冗余通信链路，实现控制指令的双重传输与crc32校验；所述主控制器与备用控制器通过光纤电缆冗余连接建立数据同步，当主控制器故障时备用控制器在200ms内完成接管；通讯总线中主总线故障时自动切换至备用总线，切换时间≤100ms。

9、在一些实施方式中，所述使用管理模块用于规范舞台系统的操作流程，设置管理员权限、操作员权限、维护权限三级操作权限分级及故障应急操作规范；操作记录通过ethercat或profinet总线实时上传至追溯模块。

10、在一些实施方式中，所述维保管理模块用于制定包含日常维保、定期维保和专项维保的全周期维保计划，记录维保数据及故障处理情况；维保数据通过ethercat或profinet总线实时上传至追溯模块；所述维保管理模块根据维保计划与模块运行状态发出维保提醒及故障告警。

11、在一些实施方式中，所述追溯模块用于采集、存储舞台系统各模块的运行数据、故障数据、维保数据及操作数据；所述追溯模块通过ethercat与profinet双总线与各模块建立数据交互，采用分布式存储架构，存储周期不低于5年；支持按时间、模块及故障类型查询、导出与分析数据。

12、在一些实施方式中，所述ethercat与profinet双总线冗余架构中，光纤链路传输速率为1000mbps，铜缆链路传输速率为100mbps，链路误码率切换阈值为≥10⁻9，总线传输延迟≤40ms。

13、一种全维度冗余的舞台系统的实现方法，包括以下步骤：

14、s1、搭建机械冗余架构：安装主副驱动机构、冗余制动装置及应急执行组件，调试主副机构同步运行精度，设置故障触发阈值与切换逻辑；

15、s2、搭建电气冗余架构：部署双回路供电系统、冗余配电单元及光纤与铜缆双链路信号传输组件，调试供电切换逻辑与信号传输冗余切换机制，同步部署ethercat与profinet双总线冗余架构；

16、s3、搭建软件与控制冗余架构：采用c#语言开发主程序与备用程序并部署在不同服务器，调试程序同步机制；部署主控制器与备用控制器，采用双机热备模式，调试控制器同步运行与切换逻辑，配置基于ethercat与profinet双总线的冗余通信链路，设置控制指令crc32双重校验参数；安装故障自动诊断与修复程序；

17、s4、建立使用与维保体系：制定三级操作权限分级规范及应急操作流程，制定全周期维保计划；调试使用管理模块及维保管理模块与双总线的对接；

18、s5、搭建追溯体系：部署数据采集设备并调试与双总线的对接，建立分布式追溯数据库，实现数据实时存储与查询；

19、s6、系统调试与优化：模拟各类故障场景，测试冗余切换效果、双总线传输稳定性及c#软件运行可靠性，优化切换时间与运行精度，完善故障诊断与追溯功能；调试过程中控制机械冗余切换≤500ms、控制冗余切换≤200ms、软件冗余切换≤300ms、总线切换≤100ms、总线传输延迟≤50ms。

20、本发明的有益效果为：

21、本发明采用全维度冗余设计，覆盖机械、电气、软件、控制四大核心模块并配套使用管理、维保管理与追溯模块，实现各模块双重备份与协同工作，系统平均无故障时间提升至10万小时以上，克服了现有技术仅局限于控制器或单一装置冗余而无法实现全系统协同冗余的缺陷；软件采用c#语言开发，具有面向对象、可维护性强、兼容性好的优势，通讯采用ethercat与profinet双总线冗余架构，主备总线无缝切换，传输延迟不超过50ms，有效解决了现有系统通讯延迟高、易中断的问题；各冗余模块切换快速，其中机械冗余切换不超过500ms、控制冗余切换不超过200ms、软件冗余切换不超过300ms、总线切换不超过100ms、电气切换不超过10ms，切换平稳无卡顿，充分保障演出连续性与安全性；三级操作权限与全周期维保计划规范使用维护流程，避免人为操作失误与维保不及时导致冗余失效；追溯模块通过双总线实时采集全流程数据，存储周期不低于5年，为故障排查、责任认定与系统优化提供完整数据支撑，使本发明具备突出的实质性特点和显著进步。