江苏大剧院歌剧厅舞台机械控制系统

蔡建清

（江苏大剧院建设指挥部，江苏 南京 210000）

江苏大剧院包括2 280座的歌剧厅、1 001座的戏剧厅、1 505座的音乐厅和2 700座的大综艺厅，还有760座的小综艺厅以及附属配套设施，可满足歌剧、舞剧、话剧、戏曲、交响乐、曲艺和大型综艺演出功能需求，具备接待世界一流艺术表演团体演出的条件和能力，也是公众的文化活动场所。

1 歌剧厅舞台机械构成

江苏大剧院歌剧厅舞台为镜框式舞台，由主舞台、左、右侧舞台及后舞台构成“品”字型平面结构。台口最大尺寸为18.4 m（宽）×12 m（高），主舞台区进深可根据剧情需求调整，通常为25 m，打开后区防火幕，主舞台表演区可延伸至35.4 m，从乐池到后舞台区的最大进深达57 m，舞台总宽达68 m。

整个舞台具有“升、降、推、拉、转”等多种变换形式，舞台机械设备纵剖面布置图见图1，使表演的艺术造型、层次、动感更强。

台下设备见图2，主要包括6块双层可倾斜主升降台、12块侧台车台和侧台补偿升降台、12块侧台辅助升降台、前后辅台、存储台、后车台、后转台、后圆环、后补台、芭蕾台、2块乐池升降台、1条乐池升降栏杆，3块乐池座椅台车等。

台上设备见图3，主要包括75道电动吊杆、18道灯光吊杆（共6组，每组分左中右3根）、1道LED大屏吊杆、2套安全防火幕、14套自由单点吊机、大幕、二幕、假台口等吊挂设备；在主舞台两侧共有8道侧吊杆、6道马道吊杆、12套侧灯光吊笼、2道后区侧灯光吊杆，左右侧舞台上空各配置了6套装景吊机；后舞台上空设有14道后台电动吊杆续接主舞台吊杆，满足纵向布景等需要；台口外设有1道台口外字幕屏吊杆，22套台口外单点吊机等，见图1～图3。

图1 设备纵剖面布置图

图2 台下设备平面布置图

图4 INTECON控制系统架构

图5 Show-controller控制原理框图

舞台机械的性能在一定程度上主要取决于控制系统的性能。控制系统的安全可靠性直接影响到舞台机械的安全可靠性，其人机界面决定了操作的方便程度。剧厅舞台机械控制系统采用了德国BBH舞台技术有限公司的INTECON舞台机械专用控制系统，其安全性符合欧洲最高级别安全性等级EN 61508的SIL3。

2 INTECON舞台机械控制系统

INTECON舞台机械专用控制系统以主控制台、移动控制台、就地控制盘等作为操作平台实现系统控制；配置数据库服务器，通过混合型网络结构，在用户层面进行成组及组间的控制；在服务器层对驱动器（轴控制单元、变频器）层面进行（舞台机械超过200多个传动轴）驱动和控制。系统构架如图4。

2.1 用户层

系统操作站层可同时连接20个权限相等的各种形式的控制台，根据需要，每个控制台均可对台上、台下机械进行控制，也可通过适当的参数设置屏蔽其他控制台的功能。歌剧厅配置了主操台、移动操作台、离线工作站、移动安全控制器、大幕操作盘。

2.2 服务器层

系统配置2台Show-controller主控制器，实现冗余配置。Show-controller在INTECON系统中是一个中央处理单元,原理图见图5。由DK（数据信号集中器）数据管理计算机和DP（驱动处理器）组成。所有内部和外部链（连）接均以以太网为基础，以内部交换机为条件。

Show-controller的一个重要特征是有一个内部以太网交换机，在网络中所有外部和内部数据均通过这个交换机，除所提供的可选的操作面板（台）外，它还可以用作系统的外部处理（如工作站），另外，它可以通过ISDN实现远程诊断。所有前面所述的数据都是以TCP/IP协议进行处理。由于驱动处理器的实时要求，系统这部分的数据是通过由BBH开发的特殊的协议（DB×SAVENET）进行处理。反过来，DK（数据信号集中器）主要负责数据存储和系统配置的管理和组织。

2.3 驱动层

驱动层主要器件是BBH轴控制器、SEW公司MDX61系列变频器。

（1）轴控制器（Axis Controller），一个用于驱动设备的可编程控制器，是专门用于舞台机械的控制器，见图6、图7。轴控制器的应用不但增强了系统的可靠性、大大缩短了调试时间，而且也方便了调试和维修。为了遵守DIN-0801标准，每个驱动都由一个控制计算机与一个监控计算机控制。此外，这个双重系统具有不同的性质。控制计算机与监控计算机所用的不是同一个处理器，因此，两个系统的相互作用消除系统的错误，另外还集成典型的安全设备元件，如双口存储器或一个特殊的看门狗回路。

轴控制器采用铁壳封装，即使在很接近变频器或其他开关装置情况下，也具有极强的抗干扰性，控制和信号连接位于设备正面，状态LED灯及一个7段显示器为调试和维修提供技术帮助。

为了处理更多的信号，轴控制器还备有足够的模拟和数字输入输出信号接口，这些信号兼容各国特定的安全信号或在台下设备中经常出现的各类系统所特有的信号。

（2）变频器采用智能矢量变频器，带有安全扭矩关断（STO）功能，通过硬线接受控制指令，驱动调速设备。其主要特点有：

· 在电机速度为零时，其输出转矩可达额定转矩的150%；

· 其闭环运行能达到1:800的调速比。

轴控制器、变频器通过现场编码器提供增量TTL、绝对值SSI信号，完成速度闭环、定位功能。

（3）网络：INTECON系统采用以太网传送数据，高速以太网的数据传送，保证了系统的实时性，以达到设备运行的同步，每个轴控制器与网络均为双路连接，网络部件为冗余配置，当任何部件故障时，网络均能继续运行。

（4）远程维护：运行过程中的任何错误均可由主控制器、轴控制器的检测系统来诊断故障部位。工程技术人员可以通过ISDN进入INTECON系统对舞台机械进行有效的远程检测、诊断并快速修复，系统的安全防护和授权限制保证只有授权者才有权远程访问系统。

3 控制系统描述

图6 轴控制器外观

图7 轴控制器原理图

INTECON舞台机械专用控制系统是一个全面解决舞台设备控制的方案。主控制系统提供正常情况下的全功能控制与操作，包括单体设备的控制、设备联锁、设备状态监视、预选择设备、设定运动参数、编组运行、场景记忆、场景序列、故障诊断、系统维护、操作向导等，主要操作包括屏幕窗口、图形、表格方式结合功能键盘或鼠标，并有适当的手动介入功能；可灵活进行返回、重复、跳跃和连续运行等操作。

为了充分满足装台、排练、演出等各种控制与操作要求，主控制系统的操作设备是多个操作台的组合，包括：主操作台、移动式操作盘，以方便在主控制室、舞台台面、台下、各层天桥等不同位置完成对设备运动的监控。

4 控制系统的关键设备与控制方案

4.1 现场传感器

现场传感器指独立安装在现场的用于检测速度、位置、限位、负载以及其他信号的专用器件或装置，包括速度闭环增量编码器、位置测量拉线编码器或测距机构、称重的载荷传感器、各设备限位开关、安全门开关、防剪切开关等。

4.1.1 速度、位置连续检测装置

速度连续检测装置一般安装在传动轴上，选用增量型旋转编码器，其解相度通常为1 024 p（脉冲）/r（圈）。安装增量编码器的设备有主升降台、侧车台、后车台、芭蕾台，台上吊杆类设备。增量编码器是速度闭环控制关键元件，见图8，选用瑞士ELCO公司产品，台下升降台采用EC-120RP，其他采用EC100RP。

位置连续检测装置一般安装在传动装置侧或能反映舞台机械设备实际运行位置的地方，选用解相度通常为10 p（脉冲）/mm（舞台机械设备的行程）增量型旋转编码器或绝对值型旋转编码器。图9显示组合编码器+拉绳机构，组成拉线编码器。

拉线编码器是由拉线机构和编码器组成，多用在台下设备主升降台、乐池升降台，拉线编码器采用ELCO的LD-15000-AR-EAMM 58系列，配套编码器是绝对值编码器，信号接口SSI。

台上位置检测装置安装在卷筒传动轴上，采用ELCO EAMM 58系列绝对值编码器，信号接口SSI。

4.1.2 限位检测装置

台上限位开关选用美国SUNSr SN5108 RD：将凸轮开关与吊杆卷筒轴相连，凸轮开关包含四副触点，两副进主控制系统，做限位、极限保护，两副进紧急驱动系统，行程保护作用。

台下限位开关选用美国SUNSr SN5108 RD：台下设备多在适当位置安装直接撞击式限位开关，限位开关一般为摆臂式触发开关。

4.1.3 防剪切检测装置

台下升降台边沿以及和升降台相邻的固定边多配置安全边保护装置。此装置是由安全条和缓冲装置组成，安全条内部是由2条铜导体组成，当其受挤压，铜导体导通，给控制系统发送信号。

防剪切开关包括：运动的升降台（或升降台组）与静止台之间产生的剪切、同向运动的两升降台之间由追越产生的剪切、相向运动的两升降台之间产生的剪切。

图8 增量型旋转编码器

图9 组合编码器+拉绳机构图

图10 台上变频控制柜框图

图11 台下变频控制柜框图

运动的升降台（或升降台组）与静止台之间产生剪切时，运动升降台立即停车；同向运动的两升降台之间，因产生剪切或相向运动升降台产生剪切时，按照编组设备事故处理的原则，立即停止所有运动的升降台。设备（或设备组）的再次启动，只能向减小事故即“反剪切”的方向运动。

4.1.4 侧车台防挤压（碰撞）开关

在车台两端设置铰链档板和摆臂式行程开关，当车台前进或后退遇障碍物，档板遇阻沿铰链轴转动一定角度，触发行程开关动作。

控制系统在车台前端安装无线发射器，无线接收器安装在侧辅台处。前述行程开关动作后，触发无线发射器发射信号，无线接收器接收信号后其继电器动作，继电器触点信号进PLC输入点。通过软件编程，发出停止命令，侧车台变频器紧急停止。

4.2 变频控制系统

通过以太网接受控制指令，驱动调速设备。台上变频控制柜44台，驱动电动吊杆、灯杆、侧吊杆、后吊杆、单点吊机等；台下变频柜18台，驱动主升降台、侧车台、后车台（含转台、圆环）、芭蕾台。台上变频控制柜见图10，台下变频控制柜见图11。

4.3 定速设备控制柜

轴控制器或PLC从站通过以太网接受控制指令，通过直流接触器驱动定速设备。轴控制器定速设备控制柜见图12，PLC控制定速设备控制柜见图13。

4.4 速度偏差保护、超过同步误差时的防护

图12 定速设备控制柜框图

图13 PLC定速设备控制柜框图

机械设备驱动系统能自动识别不允许的、会造成危险状态的速度偏差。当达到规定的速度偏差值时；在异步关联运动中（相当于安全型编组），组内设备以复杂的速度、行程等参数组合运行，操作的失误将导致场景及设备碰撞或损坏等危险情况。速度、位置控制是舞台机械重要控制项，精确实现速度、位置控制，即可完成速度偏差保护。

INTECON控制系统由以下三个重要环节保证。

（1）驱动处理单元（DP）：处理定位和同步行程控制的实时功能。传输设置数据和当前处理数据的轴控制单元，处理通过外围系统收到的操作数据。

（2）轴控制单元（DB）：与轴相关的所有输入和输出信号的功能和安全处理。对从中央DP收到的与轴相关的设置和行程数据作进一步处理。决定设置点/实际位置值，执行位置控制环。处理与轴相关的安全要求，处理通过外围系统收到的操作数据。

（3）检测单元：增量编码器、绝对值编码器。增量编码器安装在电机尾轴，绝对值编码器安装在卷筒处（吊杆例），增量编码器TTL信号一分为二，一路接变频器，实现速度闭环；一路给轴控制器，与和接入轴控制器绝对值编码器SSI信号实时比较，对单台设备进行偏差保护。

异步关联运动、高速监控组通过上述硬件配置和DP、DB运算处理，通过快速实时的通信网络，实现速度偏差保护。速度偏差到达一定范围后，超过同步误差停止编组运行。

4.5 超行程（紧急限位）开关

舞台机械是要在一定空间范围内运行的，任何超出行程范围的运行对设备自身或周边设备都是风险，所以舞台机械系统会设置软限位、行程限位、超行程限位，更有机械限制等保护措施。

歌剧厅超行程限位在电气控制系统中作如下处理。

（1）调速设备

所有调速设备的驱动层均配置变频器、轴控制器，所有运行、安全管理都是由轴控制器完成，变频器执行，轴控制器有安全型输入电路，该电路串联了几类重要的保护开关，这一电路称“安全链”，超行程开关是“安全链”中一环。当超程开关激活后，“安全链”断开，轴控制器发紧急停止命令关断变频器“STO”，舞台机械“0”类停车。

（2）定速设备

所有定速设备的驱动层均配置了主接触器、正反转接触器，所有运行、安全管理都是由安全型PLC（非标准PLC）完成，双接触器执行，安全型PLC有安全型输入模块，超行程开关是由安全型PLC输入模块处理信号，当超程开关激活后，由安全型PLC、安全型输出模块发紧急停止命令关断接触器线圈电压，舞台机械“0”类停车。

4.6 超速保护

超速保护是基于主控制器、轴控制器、变频器、编码器系列配置完成的速度控制保护功能，在主控制器、轴控制器、变频器内均可设定速度阀值，如1.25倍，在故障情况下，当设备驱动装置的速度超过额定速度并达到1.25倍额定速度时，设备会立即停止，同时切断制动器电源，“0”类停车。

4.7 设备联锁

容易产生危险又相互关联的设备，属于异步关联（连锁性）编组，它们只能按一定的联锁关系运动。不满足联锁关系，设备不能运动，以免发生危险。如侧车台与辅助升降台、主升降台的联锁运动，车载转台与前、后辅助升降台、主升降台的联锁运动，防护门、锁紧装置与主升降台的联锁运动等通过PLC软件编程满足要求。

进出乐池的门与乐池升降台的联锁关系，演员升降小车与演员活门的联锁，目前国外、国内做法会有差别。国外剧场，多是设置电磁门锁，电磁门锁分弹簧锁定型和电磁锁定型。江苏大剧院歌剧厅采用设计安装门检测开关，开门/关门信号由PLC I/O数字采集模块采集，PLC中央控制器处理，软件编制时，将设备相关的安全信号与联动中的安全因素，关联为该设备允许运行的前提，不满足关联条件，如门开，安全继电器会关断轴控制器安全链。

如演员活门是手动，就不存在和演员升降小车连锁控制。

4.8 联锁取消

INTECON控制系统设置了联锁取消功能，用于紧急情况事故处理或维护使用。通过控制柜内两组开关实现，一组取消后车台位置联锁，另一组取消其他台下设备之间的联锁。联锁取消是一种危险的操作方式，取消前必须经人工安全确认，并有专人监护。

4.9 载荷测定和超载保护

载荷测定系统将测量到的实际有效载荷值传输到控制台，控制台显示数据供操作人员参考。

分析装置和控制系统将确保在120%额定载荷（过载）时关闭驱动。一旦过载，将立即停止机械设备的运转（过载检测后的允许行程：最大0.50 m）。关闭驱动后，可以将其移回至安全位置（例如：载荷释放）。

图14 升降台载荷示意图

图15 吊杆载荷示意图

载荷测定是对升降设备的载荷测定，用于考核设备的驱动系统、制动装置、传动系统、支撑和承载结构在运动和静止状态下负载能力的考核，分机械性能测试和电气性能测试，电气测试包括制动器测试、电气载荷传感器或电流保护功能测试。

（1）升降台载荷测试

如图1 4，升降台有四个提升点,升降台载荷等于Load1+Load2+Load3+Load4，在控制上Load1、Load2一并接入左侧驱动载荷变送器、左侧轴控制器，Load3、Load4一并接入右侧驱动载荷变送器、右侧轴控制器，可满足偏载测量。

（2）吊杆、灯杆载荷测试

图15为吊杆、灯杆载荷测试方案图。力学分析：卷筒和减速机是一体。图示“S”型传感器受拉力，根据力矩平衡、力臂长度关系，可计算出吊杆的重量。

传感器信号经变送器、轴控制器处理，可在操作台界面显示吊杆挂重荷载。称重传感器信号参与控制，确保在120%额定载荷（过载）时关闭驱动。一旦过载，立即停止机械设备的运转（过载检测后的允许行程：最大0.50 m）。关闭驱动后，可以将其移回至安全位置（例如：载荷释放）。

如果没有载荷测定系统设备，也可通过测定电流来切断过载。

5 结束语

舞台机械控制系统是保证舞台机械稳定、安全和可靠运转的核心系统之一，它所具备的功能是以确保演职人员、剧场管理和操作人员的安全以及舞台机械设备、演出场景的安全为前提，它的所有工作都是为舞台机械的安全运行服务。江苏大剧院歌剧厅设计采用了德国BBH INTECON控制系统，符合欧洲安全等级SIL3。主控制器与现场交换机、轴控制器通信采用双回路100M工业以太网，每台设备两根网线冗余配置，实现安全可靠、快速实时的数据传输。自2018年3月正式试运行以来，特别是5.19大型综艺晚会“家在江苏”，整个演出过程调用了歌剧厅舞台机械的全部功能，所有的舞台机械设备都在演出中扮演了角色，出色地完成了任务，体现了INTECON控制系统的先进性、安全性、可靠性；同时整个系统经中国艺术科技研究所国家舞台设备检测中心整体测试后全部合格，达到了设计方与业主方的技术要求。