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백호프 PC 기반 제어 솔루션으로 ‘Bregenz 플로팅 무대’ 감동 배가
복잡한 드라이브 기술 기반으로 까다로운 모션 제어 척척

[인더스트리뉴스 최정훈 기자] 콘스탄스 호수 위에서 열린 Bregenz Festival(Bregenzer Festspiele)에서는 매혹적인 무대 장관이 펼쳐졌다. 이를 통해 21세기에도 관객들은 여전히 훌륭한 오페라를 찾는다는 것이 다시한번 입증됐다. 2019년 5주간의 시즌 동안 Giuseppe Verdi의 ‘Rigoletto’ 공연은 약 18만명의 관람객을 불러 모으는 아성을 자랑했는데, 지난 7월 22일 공연 역시 매진 기록을 남겼다.

이 가운데 Bregenz Festival의 복잡한 움직임을 다루는 것이 바로 백호프(Beckhoff Automation)의 제어기술이다. 'Seebühne Bregenz(Bregenz의 플로팅 무대)'는 화려한 공연으로 유명하지만, Philipp Stölzl의 무대는 미적 수준뿐만 아니라 기술적 실현 가능성 수준에서도 과거의 모든 공연 수준을 훨씬 뛰어넘었다는 평가를 받고 있다.

이 작품이 German Stage Award를 수상하고 철강업체 Biedenkapp이 Special Designs 부문에서 German Metalworking Award 2019를 수상한 것은 당연한 수순이다. 약 46개의 업체가 무대 설계에 관여했고, 그 공연의 초연 날짜인 2019년 7월 17일까지 기획 기간 3년, 실제 공사 기간 14개월이라는 시간이 소요됐다.

지름 22m(72ft)에 총 면적이 338m²(3,638ft²)인 칼라는 무대 중앙 부분에 위치한다. 시소 위에 올려진 머리는 무대 전체를 가로질러 이동할 수 있다. [사진=Bregenzer Festspiele/Anja Köhler/andereart.de]

각각 역할 수행하며 움직이는 무대장치

Stölzl의 공연에서 Mantua 공작의 궁전은 서커스 텐트가 되고, 궁전 어릿광대 Rigoletto는 광대가 된다. 무대에서는 몸집이 거대한 광대의 몸은 물에 잠긴 채, 넓은 칼라에 둘러싸인 머리와 손만 호수 위에 떠있다. 이는 극의 액션을 주도하면서 이 오페라의 이름이자 비극적인 인물인 Rigoletto의 정신 상태를 보여준다. Rigoletto가 무대에 등장하면 그 머리가 깨어나고, 화려한 축제에 미소 짓는다. 그 무대의 옷 칼라, 머리 위, 입 안에서는 배우들이 돌아다닌다. 

공작은 여자들을 유혹하기로 악명이 높으며, Rigoletto는 그에게 영향을 미치는 조수이다. 하지만 공작이 Rigoletto의 딸 Gilda를 유혹하려 하자, 판이 뒤집히며 광대 자신도 음모의 피해자가 되고 만다. 그의 좌절을 보여주는 상징으로, 무대가 분리된다. 칼라 부분이 흩어지고 눈과 코가 머리에서 떨어진다. 웃고 있던 광대의 얼굴이 섬뜩한 해골로 변한다.

프로그램화 된 모든 움직임

무대장치와 가수, 합창단, 스턴트배우, 엑스트라의 모든 움직임은 디지털 3D 모델로 미리 프로그램화 돼 있다. 공연은 단일 신호들로 나누어져 진행되고, 특정한 명령을 통해 각각의 신호를 무대로 불러낸다. 

Bregenz Festival의 기술 감독 Wolfgang Urstadt는 “2019년 5월, 이 물에 떠있는 무대에 배경장치가 설치된 후, 축과 유압 제어기의 설정을 테스트하고 구동력, 하중, 속도와 관련해 개별 장치의 안전 분석을 진행하기 위해 우린 이전의 모델에 따라 각각의 신호를 프로그램하기 시작했다”고 설명했다.

까다로운 모션 제어 

지름 22m(72ft)에 총면적 338m²(3,638ft²)인 칼라가 무대 중앙 부분에 위치한다. 무대는 하나의 고정된 부분과 세 개의 이동이 가능한 부분으로 구성돼 있고, 무대가 분리될 때 전기 케이블 윈치로 구동되는 레일 시스템에서 작동된다.

5개의 유압 실린더와 14개의 전기 모터만으로 길이 13.5m(44ft), 무게 35톤(약 7만7,000파운드)인 머리의 다양한 움직임을 처리한다. 35m(115ft) 길이의 회전이 가능한 시소와 같은 구조물에 장착된 머리는 94도의 각도로 무대를 가로질러 이동 가능하다. 중앙 유압 실린더가 구동하는 이 시소는 또한 Lake Constance에서 머리를 들어 올리거나 물이 윗입술에 닿을 때까지 머리를 잠기게 할 수도 있다. 무대 기술 관리자는 “이건 결코 쉬운 일이 아닙니다. 수평선 위 14.5도에서 수평선 아래 28도까지 단 27초 만에 머리를 움직이려면 최대 160 바(bar)의 수압이 필요하다”고 언급했다. 

머리를 상하로 움직이는 동작은 초당 4.4도로 움직이는 2개의 유압 실린더가 필요하다. 아래턱을 여는 동작은 초당 10도의 속도로 움직이는 2개의 유압 실린더가 필요하다. 머리를 흔드는 동작은 4개의 전기 모터, 눈을 굴리고 눈꺼풀을 열고 닫는 동작은 8개의 전기 모터가 필요하다. 오스트리아 Andelsbruch에 있는 STB Steuerungstechnik Beck GmbH의 시스템 통합자 Andreas Bechter은 “제어가 필요한 축이 머리에만 19개가 있다. 전력 소모량은 전기 드라이브의 경우 2~22 kW, 유압 펌프의 경우 75~90 kW이다”고 설명한다. 

총 8개의 유압 구동 축이 있는 왼손은 물 밖으로 11.5m(38ft)까지 나오며, 공연에서 다양한 역할을 맡는다. 가장 큰 드라이브가 손을 회전시키고, 병렬로 연결된 작은 드라이브들은 손을 기울인다. 각각의 손가락 관절 움직임은 작은 모터들이 통제한다.

유압 장치를 제어하는 메인 캐비닛과 패널에는 백호프의 15인치 CP6602 빌트인 패널 PC가 각각 장착되어 있다. [사진=Beckhoff Automation]

PC 기반 제어 통한 복잡한 작업 속도 가속화

Wolfgang Urstadt는 “제어 기술 면에서 무대를 관리하는 것은 쉽지 않았다. 무대가 개별적으로 움직이는 여러 부품들로 구성돼 있기 때문이다. 무대의 복잡성과 규모, 공연 주기들을 고려해야했기 때문에 부품을 제때 조달하는 것에 어려움들이 있었다. 이런 문제들은 전통적인 무대 기술 제조업체들이라면 극복하기 어려운 과제였다고 본다. 그 과제를 해결하기 위해, 백호프를 선택했다”고 말했다.

제작자가 각각의 기계에 간단한 시운전 제어기를 장착해 뒀고, 상위 수준의 Unican 제어기와의 매끄러운 통신을 위해 CAN-bus 인터페이스가 지정됐다. 클라이언트는 위치 피드백, 엔코더 모니터링, 압력 모니터링과 같은 기능을 위한 다양한 측정 시스템이 필요했다.

Neuss 기반 무대 기술 전문 Unican의 이중 축 컴퓨터는 총 29개의 축을 제어한다. 두 개의 제어 콘솔은 동작 명령을 프로그래밍하고 작동하는 데 사용된다. 여기서 축 운동이 계산되고 그 하단에 있는 백호프 제어기에 명령이 전달된다. 시퀀스 전체가 자세히 묘사되어 있기는 하지만, 연출은 자동 모드로 실행되지는 않는다. 무대 감독이 명령을 내리면, 한 작업자가 머리와 칼라의 모든 움직임을 제어하고, 다른 작업자는 왼손의 복잡한 움직임을 제어한다. 기술 감독은 “강한 돌풍과 같은 예상치 못한 상황으로 개별 신호가 중단될 수 있다. 안전이 최우선이다”고 강조했다. 

고정 무대들과는 달리, 공연의 기간이 짧고 발생 가동 중단 시간의 예측이 가능하기 때문에 프로젝트 기반의 안전점검만 하면 된다. Bregenz 플로팅 무대의 제어 기술자 Stefan Fritschke는 “TÜV가 프로토타입 검사의 일환으로 안전 점검을 실시했다. 이 덕분에 바쁜 일정을 소화하기가 더 수월했다. 점검이 끝날 때까지는 플로팅 무대에서 리허설을 시작할 수 없었기 때문이다”고 언급했다. 

특수한 요구사항을 총족시킨 분산 제어 아키텍처

Stefan Fritschke이 말하는 백호프 제어 시스템의 큰 장점은 인터페이스의 다양성과 그것을 분산 제어 아키텍처로 작동시킬 수 있다는 것이다.

Andreas Bechter는 “플로팅 무대의 좁은 공간에는 오페라 하우스에서 흔히 볼 수 있는 형태의 대형 컨트롤 캐비닛이 들어갈 공간이 없다. 때문에 여러 개의 분산 축을 위한 분산 제어 개념이 필요하다. 현재 칼라를 제어하기 위한 첫 번째 캐비닛과 머리를 제어하기 위한 두 번째 캐비닛에 연결된 메인 캐비닛이 있다. 또한, 비상 제어 장치는 대형 오페라 하우스에서 흔히 볼 수 있는 대형 보조 제어기와 같이 설계된 것이 아니다. Unican 제어기가 비상 신호를 보내면, 여러 무대 요소들을 제어하는 백호프 로컬 제어기가 무대 기계를 안전한 위치로 옮긴다. 이는 오직 백호프 만이 할 수 있는 특수한 기능이다. 정전이 일어나면 수동 또는 비상 동작 시퀀스를 실행한다”고 설명했다.

메인 캐비닛의 제어 플랫폼은 15인치 CP6602 빌트인 패널 PC와 결합된 CX5120 임베디드 PC이다. 제어 기능은 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어로 실행된다. 유압 축의 정확한 제어 및 위치 지정을 위한 알고리즘은 TwinCAT Hydraulic Positioning 소프트웨어 라이브러리에서 비롯된다. 빠른 커뮤니케이션 시스템을 갖추고 있는 EtherCAT은 뛰어난 진단 능력과 쉬운 구성이 특징이다. 유압 제어 콘솔에는 또 다른 CP6602 패널 PC가 장착돼 있다. 

STB 총책임자 Alfred Beck은 “무대 위의 극도로 제한된 공간을 고려하면 HD(고밀도) EtherCAT 터미널의 콤팩트한 디자인은 큰 도움이 된다. 이 제품은 12mm 터미널 블록의 하우징에 8개 또는 16개의 연결점이 있는 것이 특징이다”고 했다. 

[최정훈 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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