舞臺機械控制系統設計的基本原則

王斌

（甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅　蘭州　730050）

舞臺機械控制系統設計的基本原則

王斌

（甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅蘭州730050）

舞臺機械是機電一體化與舞臺藝術表演緊密結合的新興工程，通常采用現代化的機械設備與電氣技術相結合，再輔以自動控制系統作用的聲光效果，使現代的舞臺充滿美感。舞臺控制系統的合理設計是確保舞臺機械穩定、安全、可靠運轉的保證。

舞臺機械；控制系統；合理；安全；可靠 ；穩定

1　控制系統的主要作用

以甘肅大劇院為例淺談電氣控制設計在舞臺機械控制系統中的主要作用，隨著甘肅經濟的飛速發展和區域功能的日益凸顯，文化藝術氛圍的日漸濃厚，甘肅大劇院拔地而起，成為省城蘭州的一道亮麗風景。作為中國的十大劇院之一，是絲綢之路的一個重要的文化符號，傳承著一帶一路的文化精神。劇院設計恢弘大氣，舞臺機械設備齊全，包括了

“推、拉、升、降、轉、縮、傾斜及其組合功能”的舞臺機械成套產品，是甘肅乃止西北一流的文化演藝場館。采用德國西門子PLC1500，諾德變頻器，全巨陣切換方式的設計理念，保證了所有硬件設計的合理搭配，滿足了設備動態的可視化，軟件操作的人性化要求。主要體現在以下幾點：

1）使舞臺機械設備產生或中止所希望與期望的運動，只有在選定某設備或設備組并發出指令后，該設備或設備組才能運行，否則保持停止狀態。

2）控制舞臺機械的運動狀態和動力狀態，即運動速度、加速度、位移、相關行程、以及同步運動、順序運動、特定規律運動等。

3）限制舞臺設備在一定范圍內運動，即最大行程控制，在非正常狀態下，依靠緊急停車裝置停止設備運動。

4）能為操作人員提供簡單而清晰的設備狀態指示，以避免可能導致危險或損壞設備的動作，顯示包括載荷、速度、位移、位置與相關設備的對等關系等。單個設備或設備組的運行參數、場景參數、場景序列、故障信息及其它管理需要的信息。

5）控制系統應保證所有受控設備穩定、安全、可靠的運行，且易進行零部件的更換維修。

控制系統的主要作用可以解釋為：把分散在一定范圍的電動機傳動系統（被空對象），位置及速度監視系統（測量、比較、反饋元件）和設備連鎖系統（檢測），緊急停機系統（事故防范）等，集成為可編程的智能系統、邏輯系統、或計算機系統，處理來自這些系統的多路信息，實現系統功能動作安全、穩定、準確、快速的運轉。

2　舞臺機械對控制系統的基本要求

甘肅大劇院臺下臺上設備數量較多，各設備之間相互關聯，在確保設備功能充分發揮的同時，也要確保演職人員、劇場管理人員和操作人員的安全以及舞臺機械設備和演出場景的安全。控制系統的所有工作都是為舞臺機械的安全運行服務的，控制系統除了滿足本身的性能要求外，還要滿足安全操作的需要。主要體現在如下幾點：

1）具有可選擇的操作位置，在控制室、舞臺平面、各層天橋、柵頂、臺倉等不同位置均能完成對各區設備的操作，除了固定的操作臺，還應配備移動式、便攜式或垂掉式操作盤，以便操作人員在運動設備附近進行直觀的操作。

2）多操作臺（盤）的操作模式。

設置模式：進行在設定位置與速度限定范圍內的單個設備的操作。

參數模式：可以對設備或設備組的位置、速度、加速度、運行時間等參數進行設定，可單個設備運行，也可多個設備編組運行，設備組包括鎖定型、安全型、連鎖型和自由型等種類。

編程模式：可以把參數模式中設定的數據，按場景序列運行，即設定每一場景的設備動作變化順序和場景的順序，通過主控操作臺（盤）完成設定的場景及其順序變化，任何一種模式在運行過程中都可以進行人為干預，是非常有用和常見的。各種操作臺（盤）之間操作不能相互沖突，即某一設備在某一操作臺（盤）選擇之后，其它操作臺（盤）不能再選。

3）具有運行指示系統和安全開關，運行指示系統包括紅、黃、綠三個指示燈，安裝在易于觀看又不影響舞臺演出效果的合適位置，便于異地操作人員進行安全確認，信號反饋，方便操作。

4）具備設備就地操作和維修開關，維修開關是一個非常重要的開關，是確保維修人員和設備安全的重要技術措施。

5）具有緊急停機系統，設備急停的預備功能是避免產生或減小已經存在的對人的各種危險，對機械設備或對進行中的工作的危害。急停裝置應該便于操作，設置在易于接近的地方，急停功能不能削弱為解脫陷入危險的人而設計的保護措施。急停裝置必須采用強制機械作用原則的設計，即具有肯定斷開的操作，而且持續保持，等待危險解除，一般情況下，急停裝置操作器為紅色蘑菇形狀，并且可以進行復位操作。

6）具有預設定與操作功能，所有主控制系統的操作臺（盤）均具有預設定功能，可以對被控設備或設備組進行預選擇，對各種運動模式及運動參數進行預定，清晰的顯示設備狀態，滿足條件后，預設動作才可以執行。

7）啟動功能，當設備電源恢復，故障剛排除后設備不可自行啟動。

8）其他相關功能，備份支持，實行必要的冗于設計，保障設備在故障情況下持續運轉且不丟失數據。

3　舞臺機械電氣控制專業化設計的要求

甘肅大劇院臺下設備較多，升降臺、側車臺、車載轉臺，轉臺，補償臺，微動臺，階梯升降臺、合唱臺、指揮臺、各功能塊相互交錯，運動空間相互交叉，左右平移、前后平移，上下升降同時進行，運行系統龐大而復雜。這就要求電氣設計的專業化：

1）被控舞臺機械項目，特點及其技術參數都要詳細列舉，需要機械專業和電氣專業的密切配合，便于電氣與控制專業進行設計。

2）需要同步運行的設備及同步運行的數量，需要的同步精度和位置精度。

3）預計的設備編組，設備編組類別（鎖定型，安全型，連鎖型或自由型），以及設備組內設備的名稱和數量。有電氣連鎖關系的設備，應提出設備動作的必要連鎖條件，只有滿足條件后，設備才能運行。設備編組運行中的所有設備，在各自滿足了自身的連鎖條件后，編組運行才能實施。

4）系統容量要求，即可以控制的同時運行的設備數量，應給出不同設備的名稱，數量，單機功率和總功率。

5）控制分區和區內被控制設備。根據舞臺機械設備的工藝布置，設備運行的區域，操作人員的觀察條件，綜合考慮劃分控制分區，進行電氣控制設計，配備相應的操作臺（盤）。

6）安全保護開關及裝置的具體設計要求。舞臺機械的安全開關類型很多，功能和作用各異。

超載保護：升降設備的超載保護是設備安全的重要措施。

速度偏差保護：保證設備組內相關設備速度、行程等參數運行的一致性。

超行程開關：在行程開關失效時停止設備運行。

松繩保護開關：提升機械使用的鋼絲繩、鏈、帶等元件作為承載時，應設置相應的保護開關，在低荷載時（承載件松弛時）狀態下使設備在其運動方向停止。

跳槽保護開關：當鋼絲繩發生跳槽時，跳槽保護開關被激發，設備在其運動方向停止，向相反方向的運動才是允許的。（禁止松繩保護開關和跳槽保護開關采用同一機構）

升降臺防剪切開關：運動的升降臺和靜止的臺體；同向運動的兩個臺體；相向運動的兩個臺體之間都有產生剪切的危險。防剪切開關激發后，應區別不同情況確定升降臺下次啟動設備的運動方向，使以存在的風險減小而不是擴大。

設備連鎖開關：屬于連鎖性編組（異步關聯）相互關聯的設備，只能按一定的連鎖關系運動，不滿足規定的連鎖條件設備不能運動，以免發生危險。

超過額定速度時的防護，超過同步誤差時的防護，都是非常重要的防護措施。

總之，舞臺機械控制系統設計的前提是正確理解設備的安全功能。由于電氣設備的失效或故障可能導致機械產生危險的工作狀態，進而造成對人員的傷害或設備損壞，所以必須采取適當的措施以盡量減小這種危險發生的可能性。

［1］ 許宏莊，趙伯仁，李晉奎，劇場建筑設計［M］．北京：中國建筑工業出版社，1984.

［2］ JGJ57-2000劇場建筑設計規范［S］．中國建筑設計研究院，北京：中國建筑工業出版社，2001.

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