滏陽(yáng)文化中心劇院舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

張永江

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 余姚315400）

滏陽(yáng)文化中心劇院位于河北省衡水市河陽(yáng)路以南、紅旗大街以西、滏陽(yáng)河以北、中心街以東，建筑面積約2.1萬(wàn)平方米，是一座可為國(guó)內(nèi)外表演團(tuán)體提供功能齊全、技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備完善的多功能現(xiàn)代化觀演場(chǎng)所（圖1）。劇院舞臺(tái)形式采用“左中右”形式，即設(shè)有主舞臺(tái)、左側(cè)臺(tái)和右側(cè)臺(tái)。舞臺(tái)機(jī)械具有“升、降、推、拉”等多種變換形式，使表演的藝術(shù)造型、層次、動(dòng)感更強(qiáng)。硬件、軟件配置均達(dá)到較先進(jìn)的水平，符合目前國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 劇院舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備概況

1.1 臺(tái)上機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)述

主舞臺(tái)的上空布置了40道電動(dòng)吊桿、8道燈光吊桿、10道單點(diǎn)吊機(jī)以及4道側(cè)吊桿等吊掛設(shè)備，供演出時(shí)使用。在載荷允許的情況下，各吊桿可任意組合使用。另外，還有帶有可移動(dòng)功能的假臺(tái)口側(cè)片和上片、金屬結(jié)構(gòu)的防火幕和調(diào)速大幕、二道幕等設(shè)備。

1.2 臺(tái)下機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)述

舞臺(tái)臺(tái)下設(shè)備包括4塊單層主升降臺(tái)，主升降臺(tái)采用鏈條式驅(qū)動(dòng)，具有升降平穩(wěn)、運(yùn)行噪音低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。左、右側(cè)車(chē)臺(tái)各3塊，臺(tái)口前觀眾廳設(shè)置樂(lè)池升降臺(tái)/欄桿各1套，車(chē)臺(tái)下設(shè)置補(bǔ)償臺(tái)，在側(cè)車(chē)臺(tái)和主升降臺(tái)之間設(shè)置側(cè)輔助升降臺(tái)。在主舞臺(tái)區(qū)前部設(shè)置3個(gè)演員活門(mén)及1套演員升降小車(chē)。演員升降小車(chē)可在軌道上移動(dòng)，根據(jù)演出需要移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的活門(mén)下方。

圖1劇院內(nèi)景

2 控制系統(tǒng)總體特點(diǎn)

為確保劇院舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備達(dá)到最佳演出效果，在總結(jié)以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，特別設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)可靠、安全合理的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)。主要具有以下特點(diǎn)。

2.1 實(shí)時(shí)性和高開(kāi)放性

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎玫湫偷娜龑涌刂平Y(jié)構(gòu)，即設(shè)備管理層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)控制層。控制系統(tǒng)采用成熟可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS。管理層通信采用100 MB/s工業(yè)以太網(wǎng)，控制層通信采用傳輸速率為12 MB/s的PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)椴捎肍CS控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性。采用TCP/IP協(xié)議，保證系統(tǒng)的高開(kāi)放性，使未來(lái)的擴(kuò)充、升級(jí)方便簡(jiǎn)潔。

2.2 整體安全可靠性高

各種控制設(shè)備及元器件都選用國(guó)際知名品牌，主控制采用西門(mén)子最新的S7-1500系列產(chǎn)品，使系統(tǒng)硬件的可靠性大大提高，保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。監(jiān)控和管理的計(jì)算機(jī)采用研華工業(yè)型計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)具有多重保護(hù)措施，能夠保證演出順利進(jìn)行。即使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)全部癱瘓，主控制系統(tǒng)失靈的情況下，還可用智能型手動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 選用智能型高端矢量變頻器

采用矢量變頻器配高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，調(diào)速比可達(dá)1∶100以上，實(shí)現(xiàn)高精度同步和定位。同時(shí)，變頻器具有零速伺服鎖定、抱閘控制、力矩和電流監(jiān)控、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、故障自診斷、手動(dòng)操作等功能。

2.4 軟件的適用性

上位機(jī)操作軟件是專為劇院舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備控制與操作而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。系統(tǒng)具有良好的人-機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單明確，具有設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定、編組、場(chǎng)景設(shè)置、圖形數(shù)字動(dòng)態(tài)顯示、屏幕菜單操作、自動(dòng)記憶、故障診斷、故障處理提示等功能。操作權(quán)限分為管理員、操作員等不同權(quán)限，由系統(tǒng)管理員進(jìn)行分配。

2.5 安全保障系統(tǒng)

在舞臺(tái)各處裝有自鎖急停按鈕，一旦發(fā)生任何設(shè)備、人身安全時(shí)，可緊急停止舞臺(tái)設(shè)備運(yùn)行。臺(tái)口區(qū)域都配有報(bào)警指示信號(hào)，在設(shè)備每次運(yùn)行時(shí)閃爍報(bào)警。

3 控制系統(tǒng)中單體設(shè)備的安全傳感保護(hù)裝置

3.1 限位裝置

對(duì)臺(tái)上/臺(tái)下升降設(shè)備都配有上限位/下限位、上超程/下超程等四個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，限位與超程開(kāi)關(guān)之間留有一定的位置間距。

3.2 疊繩/松繩保護(hù)功能

臺(tái)上卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)在卷筒組件設(shè)有防止疊繩的檢測(cè)裝置，在柵頂安裝松繩檢測(cè)裝置。

3.3 升降臺(tái)防剪切裝置

臺(tái)下設(shè)備在其整個(gè)行程范圍內(nèi)，對(duì)形成剪切面的危險(xiǎn)區(qū)域安裝帶有機(jī)械式緩沖裝置的防剪切條。當(dāng)發(fā)生剪切故障報(bào)警時(shí)，快速安全停止升降臺(tái)。

3.4 車(chē)臺(tái)防撞裝置

車(chē)臺(tái)端部設(shè)置安全防撞裝置，當(dāng)運(yùn)行方向遇到障礙物時(shí)，立即停車(chē)。

4 控制系統(tǒng)中單體設(shè)備軟件的安全保護(hù)

4.1 軟限位保護(hù)

在軟件中設(shè)置每個(gè)設(shè)備最大的行程范圍，包括上軟限位和下軟限位；操作人員只能在此范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)位置的設(shè)置。該功能由上位機(jī)軟件提供。

4.2 載荷安全保護(hù)

當(dāng)實(shí)際載荷超過(guò)該設(shè)備120%的額定載荷時(shí)，設(shè)備不能提升運(yùn)行，該功能在此工程中由變頻器實(shí)現(xiàn)。

4.3 安全極限速度

限制電機(jī)的最大運(yùn)行速度，設(shè)置為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的1.1倍，該功能通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)置并實(shí)現(xiàn)。

4.4 位置誤差控制

實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)定的位置曲線值與實(shí)際位置之間的誤差，當(dāng)超出允許的誤差范圍時(shí)，即發(fā)出停車(chē)信號(hào)。該功能在此工程中由變頻器實(shí)現(xiàn)。

4.5 安全方向控制

保證電動(dòng)機(jī)只能按規(guī)定的方向運(yùn)行，以避免事故進(jìn)一步發(fā)展。在設(shè)備的安全開(kāi)關(guān)觸發(fā)進(jìn)行事故處理后，設(shè)備第一次運(yùn)轉(zhuǎn)的方向必須是產(chǎn)生事故的反方向，即向減少事故趨勢(shì)的方向運(yùn)行。該功能在吊桿發(fā)生松繩/疊繩保護(hù)后、升降臺(tái)發(fā)生剪切故障后、車(chē)臺(tái)發(fā)生碰撞故障后起效，如升降臺(tái)上升時(shí)防剪切開(kāi)關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后升降臺(tái)的運(yùn)行方向必須是下降。該功能由主控制器S7-1500實(shí)現(xiàn)。

5 控制系統(tǒng)編組安全控制

編組功能主要用于兩個(gè)及兩個(gè)以上機(jī)械設(shè)備共同承載同一道具，由操作員在上位機(jī)進(jìn)行編制。編組中的所有設(shè)備必須是以相同速度同步運(yùn)動(dòng)并移動(dòng)相同的距離，即時(shí)間位移同步。在編組設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，主控制器監(jiān)控該編組內(nèi)所有設(shè)備的位置與速度，當(dāng)該組中任一設(shè)備的速度或位置超過(guò)允許誤差范圍時(shí)，主控制器向該編組內(nèi)所有變頻器發(fā)送緊急停止命令，避免道具傾翻及扭曲等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

6 控制系統(tǒng)中設(shè)備連鎖安全保護(hù)

在控制系統(tǒng)中，必須充分考慮到設(shè)備運(yùn)行安全及演職人員的人生安全，程序中添加了大量的連鎖條件，操作人員必須滿足設(shè)備連鎖條件時(shí)，才能進(jìn)行操作。臺(tái)上設(shè)備連鎖較少，主要考慮假臺(tái)口上片與鋼碼頭安全門(mén)之間的連鎖。以下詳細(xì)介紹臺(tái)下設(shè)備之間的連鎖關(guān)系（本節(jié)只講述設(shè)備與設(shè)備之間的連鎖關(guān)系，單個(gè)設(shè)備的安全連鎖不再?gòu)?fù)述）。

6.1 樂(lè)池升降臺(tái)與欄桿的連鎖

樂(lè)池升降臺(tái)與欄桿運(yùn)行設(shè)置連鎖保護(hù)，防止觀眾跌入到樂(lè)池中。

6.2 主升降臺(tái)、樂(lè)池升降臺(tái)與安全門(mén)連鎖

當(dāng)設(shè)備安全門(mén)打開(kāi)時(shí)，主升降臺(tái)、樂(lè)池升降臺(tái)不能再繼續(xù)啟動(dòng)運(yùn)行。

6.3 車(chē)臺(tái)與主升降臺(tái)、補(bǔ)償臺(tái)的連鎖

（1）車(chē)臺(tái)運(yùn)行在舞臺(tái)基準(zhǔn)0或-200兩個(gè)平面水平方向，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償臺(tái)和側(cè)輔助升降臺(tái)必須都在上限位或下限位，升降臺(tái)實(shí)際位置必須在0或-200高度。

（2）主升降臺(tái)自帶的四個(gè)安全鎖必須全部鎖到位。

（3）當(dāng)車(chē)臺(tái)運(yùn)行方向?yàn)榍斑M(jìn)時(shí)，其設(shè)定的目標(biāo)位置必須考慮對(duì)向車(chē)臺(tái)的位置。

（4）車(chē)臺(tái)位置必須完全在升降臺(tái)上或完全退出升降臺(tái)時(shí)，升降臺(tái)才能啟動(dòng)。

（5）當(dāng)車(chē)臺(tái)完全不在補(bǔ)償臺(tái)或側(cè)輔助升降臺(tái)時(shí)，補(bǔ)償臺(tái)或側(cè)輔助升降臺(tái)才能操作。

（注：由于補(bǔ)償臺(tái)不承受外載荷，因此對(duì)于車(chē)臺(tái)運(yùn)行平面的選擇需要先將車(chē)臺(tái)運(yùn)行到主升降臺(tái)上，通過(guò)操作主升降臺(tái)來(lái)達(dá)到切換平面的目的。)

6.4 主升降臺(tái)與安全鎖的連鎖關(guān)系

6.4.1 連鎖應(yīng)用背景

為保證主升降臺(tái)能在最大靜荷載下保持定位，不會(huì)因載荷長(zhǎng)期作用而下沉，因此，在每個(gè)升降臺(tái)內(nèi)安裝四個(gè)安全鎖裝置。安全鎖分別布置在升降臺(tái)的左前、左后、右前、右后等四個(gè)位置，跟隨升降臺(tái)運(yùn)行。在對(duì)應(yīng)每個(gè)升降臺(tái)的基坑處安裝西門(mén)子S71212C DC/DC/REALY型現(xiàn)場(chǎng)控制器，用于控制安全鎖的伸縮動(dòng)作并反饋狀態(tài)。

在對(duì)安全鎖控制時(shí)，需要提前介入鎖定，以升降臺(tái)在0平面鎖定為例，需要先將升降臺(tái)上升10 mm，然后鎖定，鎖定動(dòng)作完成后，再將升降臺(tái)運(yùn)行到0平面。為方便用戶操作，在上位機(jī)操作軟件中提供兩種操作方式，手動(dòng)和自動(dòng)。操作員可以根據(jù)實(shí)際需要采用不同的操作方式。

6.4.2 連鎖的邏輯實(shí)現(xiàn)

6.4.2 .1手動(dòng)模式時(shí)升降臺(tái)邏輯實(shí)現(xiàn)

（1）升降臺(tái)滿足外部啟動(dòng)條件，并由操作員操控該設(shè)備時(shí)，升降臺(tái)得到啟動(dòng)命令。

（2）升降臺(tái)得到啟動(dòng)命令后，在安全鎖手動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)檢測(cè)到安全鎖在手動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，則觸發(fā)動(dòng)作錯(cuò)誤標(biāo)志，復(fù)位升降臺(tái)的啟動(dòng)命令。

（3）在安全鎖手動(dòng)狀態(tài)下，如果安全鎖全部在退限位狀態(tài)，則該升降臺(tái)運(yùn)行到設(shè)定的目標(biāo)位置。

（4）在安全鎖手動(dòng)狀態(tài)下，如果安全鎖沒(méi)有全部在退限位狀態(tài)，則需要根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)位置和升降臺(tái)的實(shí)際位置來(lái)判斷升降臺(tái)能否運(yùn)行，此工程中共有4個(gè)鎖定基準(zhǔn)位置，分別為2 000、0、-200、-4 500。如果實(shí)際位置在某個(gè)基準(zhǔn)位置的[-2,10]范圍內(nèi)，設(shè)定位置在相應(yīng)基準(zhǔn)位置的[0,10]范圍內(nèi)，則允許啟動(dòng)，啟動(dòng)變頻器到目標(biāo)位置；如果不允許啟動(dòng)，則發(fā)送動(dòng)作錯(cuò)誤標(biāo)志，復(fù)位升降臺(tái)的啟動(dòng)命令。

6.4.2 .2自動(dòng)模式時(shí)升降臺(tái)和安全鎖的邏輯實(shí)現(xiàn)

程序采用狀態(tài)機(jī)邏輯進(jìn)行處理，完整動(dòng)作流程如下。

（1）上升到基準(zhǔn)位+10 mm；

（2）執(zhí)行解鎖動(dòng)作；

（3）根據(jù)設(shè)定位置判斷，該設(shè)定位置是否能夠鎖定（設(shè)定位置=基準(zhǔn)位置時(shí)，表示可以鎖定），如果不能鎖定，則直接運(yùn)行到目標(biāo)位置，動(dòng)作完成；

（4）如果可以鎖定，則先運(yùn)行到基準(zhǔn)位置+10 mm；

（5）執(zhí)行上鎖動(dòng)作；

（6）運(yùn)行到設(shè)定位置，動(dòng)作完成；

（7）動(dòng)作完成后，復(fù)位啟動(dòng)命令。

在程序執(zhí)行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況直接進(jìn)入到某一動(dòng)作，再按順序執(zhí)行。如執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生非預(yù)期狀況時(shí)，將觸發(fā)動(dòng)作錯(cuò)誤標(biāo)志并復(fù)位升降臺(tái)啟動(dòng)命令。

6.4.2 .3自動(dòng)模式時(shí)安全鎖安全監(jiān)控

在安全鎖自動(dòng)鎖定或解鎖時(shí)，對(duì)其自動(dòng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控，防止安全鎖在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生堵轉(zhuǎn)等情況。當(dāng)超過(guò)設(shè)定的合理時(shí)間時(shí)，立即停止運(yùn)行，并產(chǎn)生“安全鎖運(yùn)行超時(shí)”報(bào)警信息在上位機(jī)中顯示。

6.4.2 .4 手動(dòng)模式時(shí)安全鎖的操作

安全鎖的手動(dòng)控制，升降臺(tái)必須在靜止?fàn)顟B(tài)下，并在允許的位置范圍內(nèi)時(shí)，才能進(jìn)行操作，在手動(dòng)操作期間，同樣需要對(duì)其運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。

7 總結(jié)

滏陽(yáng)文化中心劇院投入使用后，已經(jīng)成為衡水市對(duì)外文化藝術(shù)交流的重要平臺(tái)，讓市民在家門(mén)口就能領(lǐng)略到音效、燈光俱佳的舞臺(tái)效果，欣賞到高雅藝術(shù)，助力進(jìn)一步提升城市的文化品質(zhì)。

在該項(xiàng)目中，將舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分按功能分解成一系列標(biāo)準(zhǔn)模塊，按照工程實(shí)際需要將標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化、功能的靈活化。其硬件、軟件配置均達(dá)到較先進(jìn)的水平，這套先進(jìn)可靠、安全合理的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，可為目前國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)建設(shè)提供參考。