Ultimative Choreografie der Elemente

Auf der Weltausstellung 2025 in Osaka bildete eine monumentale Multimedia-Wassershow das emotionale Finale für allabendlich bis zu 2.500 Zuschauer. Um 300 Wasserfontänen mit 30 Flammeneffekten und der Laser-, Video- und Audiotechnik auf 8.800 Quadratmetern präzise und zuverlässig zu synchronisieren, vertraute die Produktionsfirma ECA2 auf die Kompetenz von db Show Control & Automation. Die automatisierungstechnische Basis lieferte Beckhoff: Durch die Konvergenz von PC-based Control und spezifischen Entertainment-Protokollen auf einer einheitlichen Plattform ließen sich Automatisierung, Safety und die komplette AV-Technik nahtlos integrieren.

Im Unterhaltungsmarkt für groß angelegte Anlagen und Attraktionen steigen die Erwartungen des Publikums kontinuierlich. Produktionsfirmen wie ECA2 – spezialisiert auf die Kreation monumentaler Signature-Shows – müssen deshalb die Grenzen der Technik bei jedem Projekt neu ausloten. Ein gutes Beispiel dafür ist „Under the Midnight Rainbow“, die abendliche Inszenierung am Water Plaza der Expo 2025 in Osaka.

Die Umsetzung solcher Installationen erfordert eine Automatisierungsarchitektur, die weit über herkömmliche Anwendungen hinausgeht. Das britische Unternehmen db Show Control & Automation ist bei ECA2-Projekten seit rund 15 Jahren für die technische Planung, Programmierung und den Bau schlüsselfertiger Steuerungssysteme verantwortlich. „Wir müssen heute Systeme ausliefern, die hunderte Antriebe deterministisch steuern und gleichzeitig nativ mit Videoservern oder Q-SYS-Audiosystemen kommunizieren“, analysiert CEO und Firmengründer David Birchall. „Diese Protokollkonvergenz erreichen wir durch die offene, PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Andere Steuerungshersteller ermöglichen dies nicht.“

Verteilte Systeme und strikte Zeitfenster

Für die sechsmonatige Laufzeit in Osaka wurden auf einem weitläufigen Wasserareal 280 gerade Wasser-Jets, acht 3D-Wasser-Jets mit dynamischer Kinematik, zwei große Wasserleinwände, eine Kaskadenleinwand sowie 30 Flammeneffektstationen angeordnet. Hinzu kamen Nebelpumpen, Videomapping, Projektionstechnik und das zentrale Audiosystem.

Die Voraussetzung für den Erfolg derartiger Freiluft-Applikationen liegt in der Beherrschung aller eingebundenen Medien und Effekte – in Echtzeit sowie unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen: Die Wasserstrahlen der Wasser-Jets dürfen durch starken Wind weder die Flammeneffekte beeinträchtigen noch die Zuschauer auf den Rängen erreichen. Herkömmliche Architekturen setzen meist auf getrennte Steuerungswelten für Show-Playback, Sensorik und Aktorik, was zu Schnittstellenverlusten, Latenzen und hohem Engineering-Aufwand führt. „Um Emotionen bei 2.500 Menschen zu wecken und aufrechtzuerhalten, darf die Technik im Hintergrund nie ins Stolpern geraten“, so Aurelien Bouvier, Technical Director bei ECA2. „Wir benötigten also eine Automatisierungsplattform, die die Magie unserer Wassershow unsichtbar, ausfallsicher und mit absoluter Präzision orchestriert.“

Topologie und Sensor-Processing

Um diese Anforderungen zu erfüllen, implementierte db Show Control & Automation eine spezielle Automatisierungstopologie. Deren Herzstück bildet ein Embedded-PC CX5240 als Show-Controller im Hauptkontrollraum. Die Feldverteilung erfolgt über elf Steuerungsracks, die an verschiedenen Standorten um das Wasserareal herum platziert sind. Die Vernetzung wird durchgängig über EtherCAT sowie Standard-UDP/TCP-Ethernet realisiert. In neun verteilten Schaltschränken sammeln EtherCAT-Koppler EK1100 die Signale der dezentralen I/O-Ebenen ein. „Der entscheidende Vorteil der Beckhoff-Architektur ist die übergangslose Integration von Automatisierung und IT“, erläutert Craig Pow Chong, Director of Engineering bei db Show Control & Automation. „Wir steuern fast 300 Frequenzumrichter über EtherCAT. Die Zykluszeiten und die Synchronität, die wir hierbei erreichen, sind für die exakte Choreografie unerlässlich. Gleichzeitig können wir über TCP/IP problemlos mit den AV-Systemen interagieren. Bei Bedarf ließe sich das System durch weitere EtherCAT-Klemmen nahezu grenzenlos skalieren.“

Ein Alleinstellungsmerkmal der Lösung ist die softwarebasierte Umgebungsüberwachung, die direkt in TwinCAT integriert ist. Über das Gelände verteilt erfassen Sensoren kontinuierlich Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Wassertiefe. Alle erfassten Sensordaten laufen echtzeitfähig im CX5240 zusammen. TwinCAT wertet die Datenströme aus und greift bedarfsweise in den Show-Ablauf ein. Registriert die Sensorik beispielsweise eine kritische Windböe in Richtung der Zuschauertribüne, regelt die Steuerung die betroffenen Umrichter im Bruchteil einer Sekunde ab oder deaktiviert spezifische Flammeneffekte. Auch die funktionale Sicherheit ist integrativer Bestandteil der Automatisierung. Die Verwaltung der Not-Halt-Kreise und die Freigabe der Flammeneffekte wird über TwinSAFE-Klemmen realisiert. Da die Sicherheitssteuerung per FSoE im EtherCAT-Netzwerk kommuniziert, entfällt jegliche Parallelverdrahtung.

Paradigmenwechsel beim Playback

Normalerweise erfordern komplexe DMX-Aufzeichnungen und Audio-Synchronisationen großvolumige, dedizierte Server-Racks. db Show Control & Automation ging hier neue Wege und entwickelte auf Basis von TwinCAT eine eigene Aufzeichnungs- und Wiedergabeplattform. Als Hardware-Basis dienen zwei Ultra-Kompakt-Industrie-PCs C6017, die als Master- und Backup-System konfiguriert sind. Die initiale Programmierung der Show erfolgte über etablierte Entertainment-Tools wie GrandMA oder Medialon. Das daraus resultierende Art-Net-Signal wurde anschließend vom Master-Industrie-PC aufgezeichnet. Über die Integration in das Q-SYS-Netzwerk bezieht das System den hochpräzisen Timecode. Im laufenden Betrieb wickeln die C6017 die parallele Wiedergabe der 32 DMX-Universen autark ab.

„Einen kompletten, zeitcodierten Show-Ablauf zuverlässig mit einem Industrie-PC aufzuzeichnen und abzuspielen, der auf eine Handfläche passt, ist ein echter Paradigmenwechsel“, betont Craig Pow Chong. „Ohne die Leistungsfähigkeit der Beckhoff-IPCs und die Flexibilität der TwinCAT-Softwarearchitektur hätten wir ein Vielfaches an Bauraum und Hardware-Kosten einkalkulieren müssen.“ Über das angeschlossene Multitouch-Control-Panel CP2907 erhält der Bediener vor Ort den vollen lokalen Zugriff auf die Applikation.

IT-Konvergenz: Datenlogging und Diagnose

Neben der reinen Maschinensteuerung wird TwinCAT mit seinen IT-Fähigkeiten auch für das Datenmanagement genutzt. Zum Einsatz kommen unter anderem die Software-Bausteine TwinCAT TCP/IP (TF6311) sowie TwinCAT Modbus TCP (TF6250) zur Kommunikation mit Drittanbieter-Komponenten und USV-Anlagen. Um eine hohe Verfügbarkeit der Anlage zu garantieren, werden sämtliche Anlagen- und Sensordaten über TwinCAT Database Server (TF6420) in einer Datenbank protokolliert. Das ermöglicht dem Bedienpersonal nicht nur die Echtzeit-Überwachung des gesamten Areals am HMI-Frontend, sondern auch tiefgreifende Diagnosen. Falls es zu Anomalien im Pumpenverhalten oder bei den Umgebungsbedingungen kommt, lassen sich die exakten Parameter vergangener Shows sekundengenau auslesen und analysieren. ECA2 profitierte von dieser Durchgängigkeit unmittelbar: Während der Weltausstellung wurde die Show von etwa zwei Millionen Menschen besucht – ohne einen einzigen technischen Ausfall, der den Ablauf beeinflusst hätte.

Die erfolgreiche Umsetzung in Osaka unterstreicht die Relevanz offener Automatisierungsstandards in der Entertainment-Industrie. „Beckhoff ist aus unserer Sicht der einzige Steuerungshersteller, der industrietaugliche Hardware mit der nativen Unterstützung für Protokolle wie DMX, sACN und die QSC-Integration verbindet“, resümiert David Birchall. Die enge Zusammenarbeit mit Beckhoff, insbesondere im Support, sichert db Show Control & Automation die Reaktionsfähigkeit, die bei globalen Projekten gefordert ist. Und so wird aktuell bereits eine Folgeanlage in ähnlicher Größenordnung realisiert.