舞台机械控制系统设计的基本原则

王斌

（甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃　兰州　730050）

舞台机械控制系统设计的基本原则

王斌

（甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃兰州730050）

舞台机械是机电一体化与舞台艺术表演紧密结合的新兴工程，通常采用现代化的机械设备与电气技术相结合，再辅以自动控制系统作用的声光效果，使现代的舞台充满美感。舞台控制系统的合理设计是确保舞台机械稳定、安全、可靠运转的保证。

舞台机械；控制系统；合理；安全；可靠 ；稳定

1　控制系统的主要作用

以甘肃大剧院为例浅谈电气控制设计在舞台机械控制系统中的主要作用，随着甘肃经济的飞速发展和区域功能的日益凸显，文化艺术氛围的日渐浓厚，甘肃大剧院拔地而起，成为省城兰州的一道亮丽风景。作为中国的十大剧院之一，是丝绸之路的一个重要的文化符号，传承着一带一路的文化精神。剧院设计恢弘大气，舞台机械设备齐全，包括了

“推、拉、升、降、转、缩、倾斜及其组合功能”的舞台机械成套产品，是甘肃乃止西北一流的文化演艺场馆。采用德国西门子PLC1500，诺德变频器，全巨阵切换方式的设计理念，保证了所有硬件设计的合理搭配，满足了设备动态的可视化，软件操作的人性化要求。主要体现在以下几点：

1）使舞台机械设备产生或中止所希望与期望的运动，只有在选定某设备或设备组并发出指令后，该设备或设备组才能运行，否则保持停止状态。

2）控制舞台机械的运动状态和动力状态，即运动速度、加速度、位移、相关行程、以及同步运动、顺序运动、特定规律运动等。

3）限制舞台设备在一定范围内运动，即最大行程控制，在非正常状态下，依靠紧急停车装置停止设备运动。

4）能为操作人员提供简单而清晰的设备状态指示，以避免可能导致危险或损坏设备的动作，显示包括载荷、速度、位移、位置与相关设备的对等关系等。单个设备或设备组的运行参数、场景参数、场景序列、故障信息及其它管理需要的信息。

5）控制系统应保证所有受控设备稳定、安全、可靠的运行，且易进行零部件的更换维修。

控制系统的主要作用可以解释为：把分散在一定范围的电动机传动系统（被空对象），位置及速度监视系统（测量、比较、反馈元件）和设备连锁系统（检测），紧急停机系统（事故防范）等，集成为可编程的智能系统、逻辑系统、或计算机系统，处理来自这些系统的多路信息，实现系统功能动作安全、稳定、准确、快速的运转。

2　舞台机械对控制系统的基本要求

甘肃大剧院台下台上设备数量较多，各设备之间相互关联，在确保设备功能充分发挥的同时，也要确保演职人员、剧场管理人员和操作人员的安全以及舞台机械设备和演出场景的安全。控制系统的所有工作都是为舞台机械的安全运行服务的，控制系统除了满足本身的性能要求外，还要满足安全操作的需要。主要体现在如下几点：

1）具有可选择的操作位置，在控制室、舞台平面、各层天桥、栅顶、台仓等不同位置均能完成对各区设备的操作，除了固定的操作台，还应配备移动式、便携式或垂掉式操作盘，以便操作人员在运动设备附近进行直观的操作。

2）多操作台（盘）的操作模式。

设置模式：进行在设定位置与速度限定范围内的单个设备的操作。

参数模式：可以对设备或设备组的位置、速度、加速度、运行时间等参数进行设定，可单个设备运行，也可多个设备编组运行，设备组包括锁定型、安全型、连锁型和自由型等种类。

编程模式：可以把参数模式中设定的数据，按场景序列运行，即设定每一场景的设备动作变化顺序和场景的顺序，通过主控操作台（盘）完成设定的场景及其顺序变化，任何一种模式在运行过程中都可以进行人为干预，是非常有用和常见的。各种操作台（盘）之间操作不能相互冲突，即某一设备在某一操作台（盘）选择之后，其它操作台（盘）不能再选。

3）具有运行指示系统和安全开关，运行指示系统包括红、黄、绿三个指示灯，安装在易于观看又不影响舞台演出效果的合适位置，便于异地操作人员进行安全确认，信号反馈，方便操作。

4）具备设备就地操作和维修开关，维修开关是一个非常重要的开关，是确保维修人员和设备安全的重要技术措施。

5）具有紧急停机系统，设备急停的预备功能是避免产生或减小已经存在的对人的各种危险，对机械设备或对进行中的工作的危害。急停装置应该便于操作，设置在易于接近的地方，急停功能不能削弱为解脱陷入危险的人而设计的保护措施。急停装置必须采用强制机械作用原则的设计，即具有肯定断开的操作，而且持续保持，等待危险解除，一般情况下，急停装置操作器为红色蘑菇形状，并且可以进行复位操作。

6）具有预设定与操作功能，所有主控制系统的操作台（盘）均具有预设定功能，可以对被控设备或设备组进行预选择，对各种运动模式及运动参数进行预定，清晰的显示设备状态，满足条件后，预设动作才可以执行。

7）启动功能，当设备电源恢复，故障刚排除后设备不可自行启动。

8）其他相关功能，备份支持，实行必要的冗于设计，保障设备在故障情况下持续运转且不丢失数据。

3　舞台机械电气控制专业化设计的要求

甘肃大剧院台下设备较多，升降台、侧车台、车载转台，转台，补偿台，微动台，阶梯升降台、合唱台、指挥台、各功能块相互交错，运动空间相互交叉，左右平移、前后平移，上下升降同时进行，运行系统庞大而复杂。这就要求电气设计的专业化：

1）被控舞台机械项目，特点及其技术参数都要详细列举，需要机械专业和电气专业的密切配合，便于电气与控制专业进行设计。

2）需要同步运行的设备及同步运行的数量，需要的同步精度和位置精度。

3）预计的设备编组，设备编组类别（锁定型，安全型，连锁型或自由型），以及设备组内设备的名称和数量。有电气连锁关系的设备，应提出设备动作的必要连锁条件，只有满足条件后，设备才能运行。设备编组运行中的所有设备，在各自满足了自身的连锁条件后，编组运行才能实施。

4）系统容量要求，即可以控制的同时运行的设备数量，应给出不同设备的名称，数量，单机功率和总功率。

5）控制分区和区内被控制设备。根据舞台机械设备的工艺布置，设备运行的区域，操作人员的观察条件，综合考虑划分控制分区，进行电气控制设计，配备相应的操作台（盘）。

6）安全保护开关及装置的具体设计要求。舞台机械的安全开关类型很多，功能和作用各异。

超载保护：升降设备的超载保护是设备安全的重要措施。

速度偏差保护：保证设备组内相关设备速度、行程等参数运行的一致性。

超行程开关：在行程开关失效时停止设备运行。

松绳保护开关：提升机械使用的钢丝绳、链、带等元件作为承载时，应设置相应的保护开关，在低荷载时（承载件松弛时）状态下使设备在其运动方向停止。

跳槽保护开关：当钢丝绳发生跳槽时，跳槽保护开关被激发，设备在其运动方向停止，向相反方向的运动才是允许的。（禁止松绳保护开关和跳槽保护开关采用同一机构）

升降台防剪切开关：运动的升降台和静止的台体；同向运动的两个台体；相向运动的两个台体之间都有产生剪切的危险。防剪切开关激发后，应区别不同情况确定升降台下次启动设备的运动方向，使以存在的风险减小而不是扩大。

设备连锁开关：属于连锁性编组（异步关联）相互关联的设备，只能按一定的连锁关系运动，不满足规定的连锁条件设备不能运动，以免发生危险。

超过额定速度时的防护，超过同步误差时的防护，都是非常重要的防护措施。

总之，舞台机械控制系统设计的前提是正确理解设备的安全功能。由于电气设备的失效或故障可能导致机械产生危险的工作状态，进而造成对人员的伤害或设备损坏，所以必须采取适当的措施以尽量减小这种危险发生的可能性。

［1］ 许宏庄，赵伯仁，李晋奎，剧场建筑设计［M］．北京：中国建筑工业出版社，1984.

［2］ JGJ57-2000剧场建筑设计规范［S］．中国建筑设计研究院，北京：中国建筑工业出版社，2001.

TH122