滏阳文化中心剧院舞台机械控制系统简介

2020-04-28张永江

演艺科技 2020年3期

张永江

（浙江大丰实业股份有限公司，浙江余姚315400）

滏阳文化中心剧院位于河北省衡水市河阳路以南、红旗大街以西、滏阳河以北、中心街以东，建筑面积约2.1万平方米，是一座可为国内外表演团体提供功能齐全、技术先进、设备完善的多功能现代化观演场所（图1）。剧院舞台形式采用“左中右”形式，即设有主舞台、左侧台和右侧台。舞台机械具有“升、降、推、拉”等多种变换形式，使表演的艺术造型、层次、动感更强。硬件、软件配置均达到较先进的水平，符合目前国内剧场的发展趋势。

1 剧院舞台机械设备概况

1.1 台上机械设备简述

主舞台的上空布置了40道电动吊杆、8道灯光吊杆、10道单点吊机以及4道侧吊杆等吊挂设备，供演出时使用。在载荷允许的情况下，各吊杆可任意组合使用。另外，还有带有可移动功能的假台口侧片和上片、金属结构的防火幕和调速大幕、二道幕等设备。

1.2 台下机械设备简述

舞台台下设备包括4块单层主升降台，主升降台采用链条式驱动，具有升降平稳、运行噪音低、安全可靠等优点。左、右侧车台各3块，台口前观众厅设置乐池升降台/栏杆各1套，车台下设置补偿台，在侧车台和主升降台之间设置侧辅助升降台。在主舞台区前部设置3个演员活门及1套演员升降小车。演员升降小车可在轨道上移动，根据演出需要移动到对应的活门下方。

图1剧院内景

2 控制系统总体特点

为确保剧院舞台机械设备达到最佳演出效果，在总结以往工程设计经验的基础上，特别设计了一套先进可靠、安全合理的舞台机械控制系统。主要具有以下特点。

2.1 实时性和高开放性

网络拓扑采用典型的三层控制结构，即设备管理层、控制层、现场控制层。控制系统采用成熟可靠的现场总线控制系统FCS。管理层通信采用100 MB/s工业以太网，控制层通信采用传输速率为12 MB/s的PROFIBUSDP现场总线构成现场通信网络。因为采用FCS控制系统，保证了系统的实时性和确定性。采用TCP/IP协议，保证系统的高开放性，使未来的扩充、升级方便简洁。

2.2 整体安全可靠性高

各种控制设备及元器件都选用国际知名品牌，主控制采用西门子最新的S7-1500系列产品，使系统硬件的可靠性大大提高，保证系统长时间稳定工作。监控和管理的计算机采用研华工业型计算机。

系统具有多重保护措施，能够保证演出顺利进行。即使计算机系统全部瘫痪，主控制系统失灵的情况下，还可用智能型手动控制系统运行。

2.3 选用智能型高端矢量变频器

采用矢量变频器配高精度旋转编码器，实现速度闭环和位置闭环，调速比可达1∶100以上，实现高精度同步和定位。同时，变频器具有零速伺服锁定、抱闸控制、力矩和电流监控、过流、过压保护、缺相保护、故障自诊断、手动操作等功能。

2.4 软件的适用性

上位机操作软件是专为剧院舞台机械设备控制与操作而设计开发的。系统具有良好的人-机界面，操作简单明确，具有设备运动参数的设定、编组、场景设置、图形数字动态显示、屏幕菜单操作、自动记忆、故障诊断、故障处理提示等功能。操作权限分为管理员、操作员等不同权限，由系统管理员进行分配。

2.5 安全保障系统

在舞台各处装有自锁急停按钮，一旦发生任何设备、人身安全时，可紧急停止舞台设备运行。台口区域都配有报警指示信号，在设备每次运行时闪烁报警。

3 控制系统中单体设备的安全传感保护装置

3.1 限位装置

对台上/台下升降设备都配有上限位/下限位、上超程/下超程等四个机械开关，限位与超程开关之间留有一定的位置间距。

3.2 叠绳/松绳保护功能

台上卷扬机系统在卷筒组件设有防止叠绳的检测装置，在栅顶安装松绳检测装置。

3.3 升降台防剪切装置

台下设备在其整个行程范围内，对形成剪切面的危险区域安装带有机械式缓冲装置的防剪切条。当发生剪切故障报警时，快速安全停止升降台。

3.4 车台防撞装置

车台端部设置安全防撞装置，当运行方向遇到障碍物时，立即停车。

4 控制系统中单体设备软件的安全保护

4.1 软限位保护

在软件中设置每个设备最大的行程范围，包括上软限位和下软限位；操作人员只能在此范围内进行目标位置的设置。该功能由上位机软件提供。

4.2 载荷安全保护

当实际载荷超过该设备120%的额定载荷时，设备不能提升运行，该功能在此工程中由变频器实现。

4.3 安全极限速度

限制电机的最大运行速度，设置为电机额定转速的1.1倍，该功能通过变频器参数设置并实现。

4.4 位置误差控制

实时检测设定的位置曲线值与实际位置之间的误差，当超出允许的误差范围时，即发出停车信号。该功能在此工程中由变频器实现。

4.5 安全方向控制

保证电动机只能按规定的方向运行，以避免事故进一步发展。在设备的安全开关触发进行事故处理后，设备第一次运转的方向必须是产生事故的反方向，即向减少事故趋势的方向运行。该功能在吊杆发生松绳/叠绳保护后、升降台发生剪切故障后、车台发生碰撞故障后起效，如升降台上升时防剪切开关触发停机后，处理事故后升降台的运行方向必须是下降。该功能由主控制器S7-1500实现。

5 控制系统编组安全控制

编组功能主要用于两个及两个以上机械设备共同承载同一道具，由操作员在上位机进行编制。编组中的所有设备必须是以相同速度同步运动并移动相同的距离，即时间位移同步。在编组设备运行过程中，主控制器监控该编组内所有设备的位置与速度，当该组中任一设备的速度或位置超过允许误差范围时，主控制器向该编组内所有变频器发送紧急停止命令，避免道具倾翻及扭曲等危险情况的发生。

6 控制系统中设备连锁安全保护

在控制系统中，必须充分考虑到设备运行安全及演职人员的人生安全，程序中添加了大量的连锁条件，操作人员必须满足设备连锁条件时，才能进行操作。台上设备连锁较少，主要考虑假台口上片与钢码头安全门之间的连锁。以下详细介绍台下设备之间的连锁关系（本节只讲述设备与设备之间的连锁关系，单个设备的安全连锁不再复述）。

6.1 乐池升降台与栏杆的连锁

乐池升降台与栏杆运行设置连锁保护，防止观众跌入到乐池中。

6.2 主升降台、乐池升降台与安全门连锁

当设备安全门打开时，主升降台、乐池升降台不能再继续启动运行。

6.3 车台与主升降台、补偿台的连锁

（1）车台运行在舞台基准0或-200两个平面水平方向，设备运行时，补偿台和侧辅助升降台必须都在上限位或下限位，升降台实际位置必须在0或-200高度。

（2）主升降台自带的四个安全锁必须全部锁到位。

（3）当车台运行方向为前进时，其设定的目标位置必须考虑对向车台的位置。

（4）车台位置必须完全在升降台上或完全退出升降台时，升降台才能启动。

（5）当车台完全不在补偿台或侧辅助升降台时，补偿台或侧辅助升降台才能操作。

（注：由于补偿台不承受外载荷，因此对于车台运行平面的选择需要先将车台运行到主升降台上，通过操作主升降台来达到切换平面的目的。)

6.4 主升降台与安全锁的连锁关系

6.4.1 连锁应用背景

为保证主升降台能在最大静荷载下保持定位，不会因载荷长期作用而下沉，因此，在每个升降台内安装四个安全锁装置。安全锁分别布置在升降台的左前、左后、右前、右后等四个位置，跟随升降台运行。在对应每个升降台的基坑处安装西门子S71212C DC/DC/REALY型现场控制器，用于控制安全锁的伸缩动作并反馈状态。

在对安全锁控制时，需要提前介入锁定，以升降台在0平面锁定为例，需要先将升降台上升10 mm，然后锁定，锁定动作完成后，再将升降台运行到0平面。为方便用户操作，在上位机操作软件中提供两种操作方式，手动和自动。操作员可以根据实际需要采用不同的操作方式。

6.4.2 连锁的逻辑实现

6.4.2 .1手动模式时升降台逻辑实现

（1）升降台满足外部启动条件，并由操作员操控该设备时，升降台得到启动命令。

（2）升降台得到启动命令后，在安全锁手动状态下，当检测到安全锁在手动状态运行时，则触发动作错误标志，复位升降台的启动命令。

（3）在安全锁手动状态下，如果安全锁全部在退限位状态，则该升降台运行到设定的目标位置。

（4）在安全锁手动状态下，如果安全锁没有全部在退限位状态，则需要根据设定的目标位置和升降台的实际位置来判断升降台能否运行，此工程中共有4个锁定基准位置，分别为2 000、0、-200、-4 500。如果实际位置在某个基准位置的[-2,10]范围内，设定位置在相应基准位置的[0,10]范围内，则允许启动，启动变频器到目标位置；如果不允许启动，则发送动作错误标志，复位升降台的启动命令。

6.4.2 .2自动模式时升降台和安全锁的逻辑实现

程序采用状态机逻辑进行处理，完整动作流程如下。

（1）上升到基准位+10 mm；

（2）执行解锁动作；

（3）根据设定位置判断，该设定位置是否能够锁定（设定位置=基准位置时，表示可以锁定），如果不能锁定，则直接运行到目标位置，动作完成；

（4）如果可以锁定，则先运行到基准位置+10 mm；

（5）执行上锁动作；

（6）运行到设定位置，动作完成；

（7）动作完成后，复位启动命令。

在程序执行时，可根据实际情况直接进入到某一动作，再按顺序执行。如执行过程中发生非预期状况时，将触发动作错误标志并复位升降台启动命令。

6.4.2 .3自动模式时安全锁安全监控

在安全锁自动锁定或解锁时，对其自动运行时间进行监控，防止安全锁在运行过程中发生堵转等情况。当超过设定的合理时间时，立即停止运行，并产生“安全锁运行超时”报警信息在上位机中显示。