舞臺機械工程驗收中的常見問題和控制系統設計

段慧文

（（原）國家大劇院 舞臺技術部，北京 100031）

自從WH/T 27-2007《舞臺機械 驗收檢測程序》頒布以來，劇場舞臺機械工程的驗收工作有所改善，逐步走上正規、嚴謹的軌道。但也存在不少問題，除機械本身的調整外，大部分問題涉及到舞臺機械的功能特別是安全功能，以及怎樣從控制系統設計上確保這些功能。筆者認為：除各種客觀因素外，問題產生的主要根源是設計，因為好的設計是好的設備的先決條件。設計師（包括項目經理）對舞臺機械系統各種安全功能和達到這些功能必須采取的措施，包括對各種安全裝置及其控制要點，應有正確、恰當的理解，理解上的偏差將必然導致設計上的偏差。對照國外先進的設計理念，針對各劇場舞臺機械的現狀并聯系驗收工作發現的問題，經過冷靜的思考、總結，筆者認為這些問題凸顯了我國舞臺機械專業與先進國家在設計方面的差距。近來，筆者參加了幾個劇場舞臺機械工程的驗收工作，偶有心得，提出幾點體會、幾條看法，整理成文與同行共享、討論。

1 常見問題

1.1 防火幕

（1）緊急手動下降的時間過長或過短，不符合國家有關標準的要求。

（2）電動就地操作開關按鈕放進緊急手動操作箱內，失去應有的作用。因電動就地操作按鈕是經常使用的，而緊急手動操作箱平時是上鎖的，只在緊急情況下用手錘打破玻璃開啟。

（3）蜂鳴器和警示燈不能正常的開啟或屏蔽。

1.2 電動吊桿

（1）過載試驗和過載保護的概念不清，項目經理把過載保護當成過載能力進行調試和試驗，使系統的過載保護不起作用。

（2）目前絕大多數的松繩保護開關，從設計結構上不起作用，因為在遠端松弛的鋼絲繩不會使設置在卷筒旁邊的開關動作，應尋求設計改進或結構創新。

（3）松繩保護開關激發（通常采用短路的方法）后，設備運動停止。但在排除故障狀態（即開關復位、動力恢復，下同）后的第一次啟動，卷筒仍能向繼續松弛的方向運轉。

（4）跳槽（疊繩）保護開關激發后，設備運動停止。但在排除故障狀態后的第一次啟動，卷筒仍能向原來收繩的方向運轉。

（5）跳槽（疊繩）保護開關與松繩保護開關使用同一結構，設計不合理也不能真正起到保護作用。因故障時系統不能判斷事故的性質（是松繩還是跳槽），就不能確定排除故障狀態后的第一次啟動時卷筒的運動方向。

（6）超行程（緊急限位）保護開關激發時設備的停止是緊急停機，但有些控制系統不能顯示是哪臺設備出現了故障。

1.3 升降臺

（1）演員活門與演員升降小車的連鎖往往被忽略。

（2）防剪切開關被激發后，設備運動停止。但排除故障狀態后的第一次啟動，升降臺仍能向事故發生的方向繼續運轉。

升降臺可能產生剪切的情況是比較復雜的，但設計師經常考慮到的只是最簡單的一種情況。

1.4 側車臺

（1）有些設置了防碰撞（擠壓）開關的側車臺，防碰撞（擠壓）開關激發后，車臺運動停止。但排除故障狀態后的第一次啟動，側車臺仍能向發生事故的方向運轉。

（2）側車臺運行到升降臺，與升降臺同時升降時，設置的鎖緊機構沒有鎖緊動作。即在未滿足此連鎖條件時，升降臺就能作升降運動。

1.5 吊桿、升降臺、側車臺的共性問題

（1）原始位置的矯正是驗收檢測的基本條件，但多次出現吊桿的現場實際位置（下極限至臺面高度）與控制室顯示值不一致，誤差較大且桿與桿不同；舞臺面在控制室顯示值為零時，升降臺間或升降臺與側車臺間出現小臺階，即原始零位不準。

（2）速度的標定多數以百分比顯示，使用頗有不便。建議速度以“絕對值 / 百分比”表示會更直接方便。

（3）同步誤差保護：有同步運動要求的設備（如吊桿、主升降臺、側車臺等），當同步誤差超出規定值時，設備組應停止運動。但在驗收測試時，間或存在啟動、制動或運行時同步誤差雖明顯超值設備組也未停止的現象，造成性能缺失。

1.6 其他

（1）臺上主要設備（如吊桿）缺少速度偏差保護功能（多數招標文件都有這項要求）。

（2）電器柜內缺文件夾，圖紙零亂或不全。

（3）設備衛生狀況差，灰塵多或防護不好，甚至液壓站的油箱未嚴密封閉。

（4）設備安裝區域的衛生狀況差，安裝產生的垃圾尚未清除。

（5）多數劇院舞臺機械設備驗收時，建筑聲學測試工作尚未進行，現場條件不能滿足設備噪聲測試的要求，設備的噪聲測試暫缺或測試數據僅供參考。

（6）一些承包商提供的驗收測試大綱過于簡單。

（7）資料編排零亂、查找困難。按WH/T27-2007規定應提交的圖紙、資料，包括設備功率計算書和結構強度、剛度計算書等缺失或漏項，由監理單位簽署的設備自檢報告缺少控制系統的內容等。

2 驗收中暴露的主要設計問題淺析

在幾個劇院驗收過程中遇到的與設計有關的問題，具有一定的普遍性和典型性，在此提出討論以引起注意。

2.1 關于防火幕手動下降時間

由于忽略了驗收測試環境（如冬天、偶然的一次或兩次動作）和調試環境（為達到標準要求時間連續不停的多次動作）下油溫差異（盡管液壓油在正常工作溫度范圍內有較好的粘溫特性，但較低溫度與正常工作溫度相比，液壓油的黏度差別還是較大的）對結果的影響，驗收測試與設備調試所得的緊急下降時間，差別很大。

2.2 關于設備的載荷測試和超載保護

載荷測試是驗收檢測的一項重要內容，主要是驗證設備結構和傳動系統的負載能力。

升降設備的載荷測試是對設備的驅動裝置、傳動系統、支撐和承載結構在運動和靜止狀態下負載能力的考核，也是在負載狀態下對操作和控制系統的性能進行的考核。測試的重點是制動器、離合器和載荷保持裝置，用試驗載荷在設備全行程內進行測試。為確保設備在負載下的起升能力，對在運動時和靜止時額定載荷相同的設備（如吊桿機），載荷測試的載荷為1.25倍的額定載荷；對在運動時和靜止時載荷不同且靜止載荷大于運動載荷的設備（如升降臺等臺下設備），如果設備的傳動系統既不自鎖、在靜止狀態又無鎖緊機構，應以靜止時的載荷作靜止載荷試驗，以1.25倍的額定載荷作運動時的載荷試驗。設備在經常停止位置有鎖緊機構或自鎖機構的設備、帶有逆止閥的液壓缸驅動的設備，則不需要進行靜止狀態的載荷試驗。對有固定平衡重的設備（采用繩輪驅動的設備除外），其載荷試驗的載荷為1.25倍的總載荷差（即額定載荷與起升部件自重之和與平衡重量之差）。對有可變平衡重的設備，其試驗載荷為1.25倍的最大可用載荷差（即額定載荷與起升部件自重之和與最小設定平衡重量之差）。對繩輪驅動（即曳引驅動）的設備，其運動時的試驗載荷為1.3倍額定載荷，而其平衡重量等于額定載荷。

移動設備（側車臺、車載轉臺的移動臺車）和旋轉設備的載荷測試則用于考核設備的驅動系統和制動裝置，測試載荷為運動時的額定載荷，在運動狀態下進行測試。

提升設備的標準安全離合器的性能測試應在額定載荷和額定速度條件下進行，而非標準安全離合器的性能測試則以額定速度和1.25倍的額定載荷進行。

超載保護測試是載荷試驗的另一項重要內容，試驗載荷為1.2倍的額定載荷，在此載荷下過載保護開關應作出反應并停止設備的起升動作。這時，設備只可能作反向運動。

在實際工程的測試中，有些項目經理往往分不清載荷試驗和超載保護的重要區別，認為超載保護測試就是要顯示設備的能力，以至于超載保護不起作用，失去了保護設備的功能。

升降設備的緊急停機功能的測試是載荷測試的一項重要內容，對機械系統來說主要是測試制動器（或載荷保持器）的能力。測試的條件是設備以額定載荷（有監理單位采用1.25倍的額定載荷，筆者認為其根據不足）和額定速度下降時，制動器應能在一定的制動距離內對運動的設備快速有效地制動并保持靜止。制動器制動力的調整也應檢查,按照有關標準的規定，舞臺機械使用的雙制動器應能進行單獨的測試和調整。

2.3 速度偏差保護

機械設備驅動系統應能自動識別不允許的、會造成危險狀態的速度偏差。當達到規定的速度偏差值時，應及時切斷驅動裝置的電源，同時啟動機械制動。

速度偏差保護在設備編組運行時有著重要的作用，在異步關聯運動中（相當于安全型編組），組內設備以復雜的速度、行程等參數組合運行，操作的失誤將導致場景及設備碰撞或損壞等危險情況。因此，控制系統必須高速監控組中所有運行設備的速度和位置，當組中的任一設備沒有按照預設定或計算出的速度曲線運行，或者速度或位置偏差超出了允許的誤差范圍時，系統必須立即停止組內所有設備的運行，系統發出的停止命令應該是緊急停機命令（EMS），以免損壞場景和發生危險情況。所以，在有異步關聯運動（安全型編組）要求的場合，速度偏差保護理應在控制系統設計時予以體現。

2.4 關于超行程（緊急限位）開關

在行程開關失效時，超行程（緊急限位）開關應停止設備的運行，此時的停機是緊急停機。對采用固定緩沖限位的液壓缸，不需要超行程開關。在條件允許時，超行程（緊急限位）開關應優先選用機械式直碰限位開關。

緊急限位開關的緊急停機功能，應是0類停機。

緊急限位開關的位置，應使設備以最大速度運行并考慮了相關系統的延時、設備的慣性等因素，在與固定結構（如柵頂、絲杠軸端）碰撞之前安全的停止。

緊急限位開關的動作應基于閉路斷開的原則。對摩擦傳動系統，緊急限位開關必須由設備的運動部件直接觸發。

允許使用安全水平與機械緊急限位開關相當的電子器件或裝置代替機械式直碰緊急限位開關。

當緊急限位開關激發時，機械設備應通過兩個互相獨立控制的制動器停止。

對可變行程的機械，可在各相應行程范圍設置緊急限位（軟件設置的軟限位）開關。

必須能辨別是那臺設備的緊急限位開關激發導致了設備（或設備組）運行的停止。

2.5 關于承載傳動件松弛（松繩或欠載）保護開關

在使用鋼絲繩、鏈、帶等撓性元件作為承載件的傳動件的提升機械設備上，應設置相應的保護開關，如吊桿卷揚機的松繩保護開關，在低載荷（承載傳動件松弛時）狀態下使設備在其運動方向停止。下次啟動時，向相反方向的運動才是允許的。

松繩保護開關在設計上存在的問題是：由于松繩保護開關的位置和結構，在發生松繩時開關根本不起作用，因為鋼絲繩在遠端的松弛不會傳導至安裝于卷筒近側的松繩保護開關并使之動作。驗收測試時，常用短路的辦法使松繩保護開關激發，設備雖然停止，但設備在下次啟動時仍能繼續向下運動，而該方向的運動可能使已經存在的危險擴大；松繩保護開關與跳槽保護開關采用同一結構，也是極不合理的設計。

2.6 關于跳槽（疊繩）保護開關

在鋼絲繩與卷筒的偏角符合規定時， 鋼絲繩不會跳槽，也不需要跳槽保護開關。只有在鋼絲繩與卷筒的偏角不符合規定時，鋼絲繩才可能會跳槽，此時可設置排繩器使之符合規定或設置跳槽保護開關，國外多數采用前者。國家大劇院的招標文中介紹了跳槽（有些文件稱為亂繩，其實不妥）保護和跳槽保護開關的概念，但在一定意義上此概念被濫用：在不需設置跳槽保護開關的地方設置跳槽保護開關；用導電板或壓輪控制間隙的辦法成為大多數跳槽保護開關的結構形式，而且經常把跳槽保護開關和松繩保護開關在結構上合二為一。用一套機構做兩個開關，實際上這是個錯誤的設計。

當鋼絲繩發生跳槽時、跳槽保護開關激發，設備在其運動方向停止，下次啟動時，允許設備運動的方向是放繩而不是繼續向卷筒上卷繩。但當欠載情況發生、松繩保護開關激發時，設備在其運動方向停止，下次啟動時，允許設備運動的方向是向卷筒上卷繩而不是繼續放繩。這兩個完全相反的動作，控制系統并不能辨別，也就無法確定保護開關激發后設備再次啟動時的動作方向，容易產生誤動作，無法防止事故進一步擴大。

在奧地利、德國等國外標準中，看不到關于跳槽保護開關的描述，但在實際運用中，跳槽保護開關和松繩保護開關是完全獨立的兩個裝置。在英國舞臺技術咨詢公司為巴塞羅那劇院所作的標書中提出了此概念，在中國由國家大劇院招標文件的擴散而流傳，但在具體的結構設計上又沒有和松繩保護開關進行區分。筆者建議：首先從設計上確保鋼絲繩與卷筒的偏角符合規范要求，或采取如排繩器、移動式卷筒、移動卷揚機等必要的技術措施，從根本上杜絕跳槽或疊繩現象的發生；也可采取輔助的壓繩輥，不再使用跳槽保護開關。

2.7 升降臺防剪切開關

升降臺的防剪切開關是個非常重要的安全設施，全面了解它的功能并進行控制設計，才能保證這一設施起到作用。

（1）升降臺產生剪切的危險狀態

a.運動的升降臺（或升降臺組）與靜止臺之間產生的剪切：升降臺向上運動時，安裝在靜止臺上的防剪切開關被激發；升降臺向下運動時，安裝在運動臺上的防剪切開關被激發。防剪切開關激發后，升降臺的運動停止，下次啟動時，只有反方向的運動才被允許。

b.同向運動的兩升降臺之間由追越產生的剪切：同向運動的兩升降臺，當后臺的設定速度大于前臺時，在規定的行程內可能會產生后臺追越前臺的現象并由此發生剪切危險。升降臺向上運動時，安裝在被追越臺上的防剪切開關被激發；升降臺向下運動時，安裝在追越臺上的防剪切開關被激發。防剪切開關激發后，追越升降臺的運動停止，而被追越升降臺的運動繼續。追越升降臺的下次啟動只有在相反方向的運動才是允許的。

c.相向運動的兩升降臺之間產生的剪切：兩相鄰的升降臺作相向運動時，容易產生剪切危險。此時，安裝于下降升降臺上的防剪切開關被激發。防剪切開關激發后，兩升降臺的運動均在其運動方向上停止。兩升降臺的下次啟動只有在相反方向才是允許的。在兩相鄰的升降臺作相向運動的場合，要特別注意速度值的設定。通常，防剪切開關本身的允許行程都是按額定速度、考慮了各傳遞環節的反應時間進行計算設計的，因此，兩相鄰升降臺作相向運動的速度和的絕對值不應大于單臺設備的額定速度。

（2）升降臺的防剪切設計

升降臺產生剪切危險的上述三種情況和針對三種情況的控制系統設計，德國及西歐的舞臺機械制造商做得很好，能做出針對性的設計。應當承認，這方面國內與國外相比還有較大差距。例如：在國內，在第一種情況防剪切開關激發后，升降臺的下次啟動仍可以繼續向原方向運動，使已存在的危險擴大而不是減小。其他兩種情況目前還未在具體設計中體現。

2.8 側車臺防擠壓（碰撞）開關

由于側車臺結構的特殊性，在車臺兩端設置防擠壓（碰撞）開關的有效性一直受到懷疑，設不設也一直存在爭論。事實上，歐洲國家的劇院里使用的側車臺也沒有這一裝置。

在歐洲的劇院里，主要靠操作人員能目視機械（包括側車臺）運動的全行程來達到舞臺設備安全運行的，不能目視監測設備運動全行程時，現場要有另一操作人員指示或安設運行確認按鈕。這是一條成功的經驗，國內已經發生過的事故都是有悖這項基本常識造成的。包括行政和技術在內的管理，是杜絕事故發生的重要手段。

少數單位設計并安裝了側車臺防擠壓（碰撞）開關，但達不到完全保護人員或物品安全的目的，原因是：開關只能由特定形狀的障礙物激發，如面對側臺的人腳可以激發，而背對側臺的人腿和其他形狀的物體則無法激發；安全開關都是急停開關，和防剪切開關一樣，從開關被激發到設備完全停止，由于信號的傳遞需要時間，設備的慣性使從制動開始到設備完全停止需要一定的時間和一段制動距離，在這個距離內不可能對人或物提供有效的保護；現有的開關控制設計沒有遵循激發后的第一次啟動只能向減小傷害的方向運動的原則，防擠壓（碰撞）開關動作并停車了，但是下次啟動還能向原產生傷害的方向繼續運動（意味著使已經產生的傷害擴大），增加了誤操作的可能。

在國家大劇院歌劇院關于側車臺防擠壓（碰撞）開關的技術討論中，三菱公司曾提出過使用紅外線、激光等探測技術，但在舞臺演出條件下，人造雪花、煙霧等的應用使產生誤動作的可能性增大，方案被否定。筆者認為，在有效、成熟技術尚未完善前，還是以健全的管理作為保障安全的根本措施，暫時不要華而不實的裝置為好。

2.9 超過額定速度時的防護

在故障情況下，當設備驅動裝置的速度超過額定速度并達到1.25倍（德國標準值，奧地利標準為1.2倍）額定速度時，設備必須立即停止。

要達到這條規定存在一些困難，國內設計、設置該裝置的不多。需要認真研究在何種情況下必須設置此裝置，比如，在特別重要的應用場合，從電動機到卷筒間任意零件的破壞，可能因失速造成嚴重事故，必須在卷筒上加設制動器，以保持載荷不會下落傷人。

2.10 超過同步誤差時的防護

在設備的同步關聯編組（或鎖定型編組）運動時，當任一設備的速度和位置超出允許誤差范圍即超出規定的同步誤差時，系統必須停止所有設備的運行，系統發出緊急停機命令（EMS），以避免危險情況發生。系統應能識別是那臺設備的運行超出了允許誤差。有同步編組運行要求的設備，在載荷和制動器之間不允許使用離合器。

關于超過同步誤差時的防護，雖然標準都有規定，但在筆者參加驗收的劇院（包括國外設計與供貨的劇院）中均未設置。應該進行研究，如何設置。

2.11 設備連鎖

容易產生危險又相互關聯的設備，屬于異步關聯（連鎖性）編組，它們只能按一定的連鎖關系運動。不滿足連鎖關系，設備不能運動，以免發生危險。

國內設計多數設備連鎖關系如側車臺與輔助升降臺、主升降臺的連鎖運動，車載轉臺與輔助升降臺、主升降臺的連鎖運動，防護門、鎖緊裝置與主升降臺的連鎖運動等都能滿足要求。但進出樂池的門與樂池升降臺的連鎖關系，因牽扯到建筑和設備兩個專業的分工與協調，多數劇院沒有滿足；演員升降小車與演員活門的連鎖，多數劇院也沒有滿足，這是今后需要改進的。

3 小結

（1）舞臺機械工程的驗收工作是一項非常嚴肅、需要認真對待的工作。自從行業標準WH 27-2007頒布以來，各地劇院舞臺機械工程的驗收工作已經有了很大改進，但由于時間安排過短（一般1～2天），事前準備不充分（如參加驗收人員對工程的了解不全不細、承包方提出的驗收大綱過于簡單、驗收組的驗收工作細則不具體等）等原因，仍需提高。

（2）機械控制系統設計的前提是正確理解各種安全功能。

（3）筆者認為：應根據具體情況和演出需要設置安全裝置，而不是千篇一律地將上述裝置全部設置。具體情況主要是指劇場的性質（主要演出劇種、駐團或不駐團、傳統劇場或旅游劇場等）、經營模式（演保留劇目或自創劇目、接待外來劇團輪換演出、單劇目長期演出等）及其他因素。

a.在眾多的安全裝置中，行程開關和超行程（又稱緊急限位）開關是最基本的安全裝置，在任何情況下每臺設備必須具備。

b.采用卷揚機的設備松繩保護開關是必不可少的。

c.盡量從設備配置上或設備機構上（如排繩器、卷筒或卷揚機移動等）解決鋼絲繩與卷筒的偏角不符合設計規范的問題，盡量避免設置跳槽（疊繩）保護開關，必須設置時應單獨設置，不可將松繩保護開關與跳槽（疊繩）保護開關合二為一。

d.升降臺的防剪切開關是必備的，控制系統設計時應考慮到可能產生剪切危險的各種情況。

e.參考當前國外設備的配置情況，側車臺可以不設防撞（擠壓）開關，而以嚴格的操作規程和管理手段進行操作，保證設備安全運行。

f.對駐團并演出歌劇、舞劇為主的劇場，場景設置復雜，經常使用異步關聯（安全型）設備編組，必須設置速度誤差保護回路。而不使用異步關聯（安全型）設備編組的劇場，不需要設置速度誤差保護回路。

g.在所有有同步要求的場合，均要設置同步誤差保護回路，不然，就失去了同步運行的意義。

h.過載保護是一項重要的安全功能，但保護的手段和精度要求應有所差別。

i.作為一項重要技術指標，主要設備設備的停位誤差仍須提出要求。

j.設備內部各機構或設備組的連鎖是保證安全運行必不可少的。

k.維修開關也稱為設備就地操作開關，是保護維修人員人身安全的重要裝置，每臺設備都應有維修開關。

以上心得體會不一定正確，特提出來與同行探討，謬誤之處恭請指正。

[1] WH/T27-2007 舞臺機械 驗收檢測程序

[2] DIN 56950 Entertainment Machinery installations Safety requirements and testing

[3] ONORM M9630-1 Mechanical equipment on stages General

[4] ONORM M9630-2 Mechanical equipment on stages Upper stage

[5] ONORM M9630-3 Mechanical equipment on stages Lower stage

[6] ONORM M9630-4 Mechanical equipment on stages Mechanical devices for fi re safety

[7] 段慧文.舞臺機械的安全性、可靠性與安全防護裝置.演藝設備與科技，2006（6）

[8] 段慧文.舞臺機械的試驗與驗收.演藝器材資訊，2003（4）