织梦螺蛳道场 浓缩江南水乡——浙江馆“青瓷碗”大型演艺设备系统

杜安坤，王海林，孔宪旺，董 强，祁 宇，陈 威

（总装备部工程设计研究总院，北京 100028）

1 演艺设备制造的出发点

领会导演意图，用演艺设备做什么，怎么做，设备技术与艺术创意的结合点是什么，怎么结合？是做好表演设备和系统的一个个关键点。结合不好，在信息发达的今天势必造成观众的审美疲劳。因此，设备的型、体、运动轨迹、运动速度，设备群组的组态、速度和位置关系，作为个案的系统如何保证安全可靠等因素，有必要统筹协调。舞台演艺设备的制造处在一个施展大众公共艺术的时代，参加世博会是一个展现、锻炼的机会，并且学科人才的培养更需要这样的实践。借世博会浙江馆的“碗里乾坤”，展现闹市中天堂般的雅静视听，心仪向往的天地人和之意境。浙江馆外观如图1所示，装饰前馆内透视如图2所示。

2 表演任务与创意呈现

图1 浙江馆外观

图2 装饰前的馆内透视

位于浙江馆核心区的巨大“青瓷碗”无疑是馆内的重要看点。“小桥流水人家，婉约竹林品茶；表演形式聚会，地方特色文化；天堂美景一碗大，诗情画意丝竹雅；五千年历史积淀，八分钟演绎技法。”这即是“青瓷碗”的创意理念。观众站在碗四周的环形升降平台上，平台上升，先把碗底外围观众从如纱如织的薄雾中送到桃园仙境般的碗口四周，十幕佳景在龙泉青瓷大碗内渐次展现，绵绵江南情意，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水乡人家”、“跨海大桥”依次升出水面，“钱塘江潮”、“断桥故事”、“采茶扑蝶”、“运河丝路”……将浙江千百年来的历史和特色呈现在观众眼前。“青瓷碗”展演在世博会184天里从不间断，每天从早8点表演到子夜，场场爆满。技术与艺术的精致融合带给观众精美的视觉感受。

3 馆内设备集成

“青瓷碗”是一个小而全的演艺舞台。相对于剧场舞台它是小的；从涉及的专业设备来说，它是全的。即使不将工艺美术、建筑造型、结构计算、空间及通道利用、消防和对讲通讯算在内，它已经包含了中控统管下的灯光、音响、多媒体、机电、电液、给水、排水、水雾、喷淋、水面3D投影、超短焦投影，中控网络、现场网络、三维动画等多个专业的设备和装备器材。

大碗和碗内运动场景由不锈钢材料制成，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水乡人家”、“跨海大桥”、“荷花”的升降装置由碗底穿出的5组同步液压缸组驱动。在碗底部，集中了液压控制和检测回路、注水泵、排水阀等设备，碗的外壁敷设密集的喷雾嘴及其管路，碗壁再罩上沿部预留筛眼的烤瓷碗状外壳。装饰后的青瓷碗如图3所示，碗内场景机械安装如图4所示，集中在碗底的设备如图5所示。

为了减少对地面的集中载荷，碗内填充了聚氨酯泡沫材料，即便如此，碗中所盛的液体二氧化钛和水以及各不锈钢场景仍重达40多吨。

4 设备结合工艺美术的运行

4.1 中心控制台

服务器主机通过总线网络分布I/O接口与各专业子系统预置I/O接口相连，按节目时序统一管理各子系统设备的启停，并监控各子系统的设备工作状态。

4.2 升降平台

台面起始位置位于观众进口，与踏步平台平层，也与碗底处在同一平面。观众凭栏圈定站齐后升降平台徐徐升起，把观众带到碗口，隔碗相望，脚与碗边平，每个观众踞青瓷碗一隅。

环形升降台可载人70名，外径15 m，内径9.1 m，升降行程2.85 m，升降速度0.000 5 m/s ~ 0.05 m/s，由同步轴驱动环形分布的10条刚性链完成升降，节省了空间高度，安全性要求高。驱动电机一用一备，采用编码器控制定位，由2台液压制动器和5台电动插销确保升降动作的定位和载荷方面的安全。如此近的距离，平台降噪、平稳启动和停准都是非常必要的，在矢量变频器的控制下平衡了电机的刚性和柔性。碗内场景液压缸分布如图6所示，驱动平台的钢性链如图7所示。

图3 装饰后的青瓷碗

图4 碗内场景机械安装

图5 集中在碗底的设备

4.3 多回路液压同步组驱动

4.3.1 液压机械要求条件

（1）系统最大压力为 5 MPa，双泵为用一备一，工作时可任选其一启动。当液位继电器无低液位信号报警输出时可单独启动，启动时溢流阀不加电。

（2）溢流阀加电随各电磁阀的动作需要，有任意电磁阀加电动作时，需同时给相应溢流阀加电（和启动的泵对应），并随电磁阀断电后延时断电，动作关系为并联关系。

（3）每液压缸组中比例阀为调节同步使用，与各自油缸内置位移传感器的位置差成，闭环模式，自动调节修正误差。

（4）每液压缸组动作中主控电磁阀分主阀和备阀，为用一备一模式，可自由切换。

4.3.2 液压控制任务分析

由于所举升的场景轻重不一，场景又存在或升或降的换景运行，那么，在这个多缸液压系统中，各液压缸同步组运动时的负载压力是不相等的，势必存在各缸之间运动的相互干扰现象，所以，各液压缸组均采用了比例换向阀闭环控制，各油缸内置位移传感器检测位置，检测速度由位置对时间的微分确定。

本案属用机械联结来实现场景的同步运动的回路，用刚性梁使两液压缸的活塞杆间建立刚性的运动联结，实现位移同步，钢梁与液压缸连接处允许位置偏差5 mm。

4.3.3 控制实现方法

碗内液压设备采用随机检测多点平衡控制方法，监控每一个动态环节，实现故障自锁，完成多点同步液压驱动。PLC通过检测油缸内位移传感器的4 mA ~ 20 mA输出信号，进行自动比较和平衡插补运算，实现对4 mA ~ 20 mA比例换向阀的平衡定位控制。滤油器报警信号、液位报警信号、温度报警号、电磁溢流阀等与液压泵启动关联，以确保机电液设备的系统安全可靠运行。

液压同步运动回路用来保证系统中的两个或多个液压缸等执行元件在运动中以相同的位移或速度升降，也可以按1:1的速比运动。在同步运动回路中影响同步运动精度的因素很多，如外负载、泄漏、摩擦阻力、元件的变形及液体中含有气体等都会使比例换向阀运动同步不精确。为此，同步运动回路应尽量克服或减少上述因素的影响。同步运动包括位置同步和速度同步两种。

4.3.4 闭环比例阀的同步

比例换向阀同步运动的每组液电液回路中，各使用了一个电液比例换向阀，控制每组液压缸1和2的运动，1号为主，2号为从跟随1号的速度和位置，当两液压缸出现位置误差时，由PLC检测并计算其装置位移信号，调节比例换向阀的开度，实现纠偏控制。同步误差2 mm，升降运行速度0 mm/s ~ 150 mm/s。设计同步周期5 ms，即最大同步响应速度设计为0.75 mm/5 ms。实际同步周期3 ms，即最大同步响应速度设计可到0.45 mm/3 ms（取决于PLC的扫描周期）。电液转换设备如图8所示。

图6 碗内场景液压缸分布

图7 驱动平台的钢性链

图8 电液转换设备

图9 中心计算机控制系统

图10 冗余可靠性保障

图11 碗内江南水乡场景效果

图12 碗内河姆渡场景效果

如想保证两液压缸在任何时候的位置误差小于0.3 mm，则只能使用多轴伺服控制器控制电液伺服阀同步，使各轴液压缸通过的即时流量相同，实现液压缸高精度同步。

5 机械控制系统

浙江馆机械控制系统集计算机、PLC、机电、电液、给排水等设备组成了机电液混合动力传动的自动化控制系统。控制系统以西门子公司的S7-300系列PLC作为核心控制器，数据通讯总线人机界面采用西门子TP277触摸屏，主要控制对象有环形升降台、液压泵站、碗内液压设备、注水、排水等设备。如图9所示。碗内各场景设备采用多液压缸同步驱动。被控对象一用一备。防水、防潮要求高。

冗余备份、同步控制既是功能需要，也是运动的机械设备的安全措施。系统在完成机电设备可靠运行的技术指标同时，门开关、观众站位等方面的联锁防护，全场所有的监控布防、场内外信息沟通、对观众流动秩序的引导均要反映到操作控制平台。如图10所示。

6 结束语

“碗里乾坤大，集中又细化。”“青瓷碗”展演设备多样而且密集，升降平台、液压设备同步要求高，安全和可靠性要求高。图11、图12为碗内相关场景最终效果。这是一个受控于中心指挥的统一体，实现了技术与工艺美术的多元化结合。世博会期间的全程运营，依靠全员参与和全过程的制度化实现技术保障。图11、图12为碗内相关场景最终效果。