國家大劇院戲劇場舞臺機械電氣控制系統及故障分析

前言

國家大劇院戲劇場（以下簡稱：戲劇場）從2007年開業至今，舞臺機械系統已經運行了15年，為戲劇場的各種重大演出提供了有力的保障和支持。舞臺機械系統的安全穩定運行需要一整套可靠的電氣控制系統予以配合，電氣控制系統作為舞臺機械的控制中樞，在舞臺機械運行中發揮著至關重要的作用。

1 戲劇場舞臺機械電氣控制系統概述

戲劇場舞臺機械系統在國內可以說是獨樹一幟，其臺下舞臺機械采用鼓筒式轉臺與液壓驅動升降臺/塊能夠有機融合地呈現豐富的舞臺效果。這套舞臺機械的電氣控制系統（以下簡稱：該系統）尤其復雜，它不僅涉及到臺上、臺下機械設備的同時使用，還要兼顧液壓系統的穩定有效運行。

1.1 舞臺機械電氣控制系統

戲劇場舞臺機械電氣控制系統由德國力士樂公司（Rexroth，以下簡稱：力士樂）主導設計，該系統沿襲了力士樂電氣控制系統的基本框架。如圖1所示。

根據上述焊接材料的選用原則，AWS A5.14，AWS A5.11標準中材料的用途，以及管道焊接需要全位置焊接的工藝要求，NiCrMo-3，NiCrMo-10、NiCrMo-12系列焊接材料均適用于N03867超級奧氏體不銹鋼的焊接。母材與焊條熔敷金屬的化學成分、力學性能對比如表3、表4所示。

從技術原理角度而言，蛋白質印跡檢測技術是借助聚丙烯酰胺凝膠電泳，分離外源蛋白質，并與顯色酶反應，通過結合反應實現分離檢測。對轉基因食品進行不可溶蛋白質的分析時，采用蛋白質印跡檢測技術，能夠檢測出蛋白質含量，并且與蛋白質預定限值作對比分析，進而明確轉基因食品的質量和安全性。

變頻器出現故障的頻率比較高。導致這些故障發生的原因可能是環境、電壓、設備老化、使用過載等。戲劇場設備使用環境是處于國際一流水平的，常年恒溫恒濕，所以環境不應是主要原因。而且國家大劇院對工作人員操作設備有嚴格的規范要求，使用過載也不應是主要原因。因此，變頻器的故障原因主要在于設備老化等。

1.2 SYB2000舞臺機械控制系統

SYB2000舞臺機械控制系統由力士樂于1997年開發，系統中的計算機以雙通道結構工作。即，舞臺設備的全部傳感器和執行機構都由2臺計算機同時處理。如果一臺計算機檢測到一個故障，傳動裝置將進入安全狀態停止運行。整套系統是根據歐洲舞臺系統相關安全標準EN 61508 （VDE 0803）（安全相關系統中計算機的原則）的要求設計，該系統實施的安全措施符合3級安全完整水平。

在現階段工程質量監督工作中，存在著監督工作執行力有待提升問題。同時，監督單位職責未得到明確劃分，管理工作難以落實到實際施工過程中。不僅如此，施工單位及建設單位對工程質量監督工作重要性的認知度有待提升，導致工程監理力度不高，監理及其他部門之間的矛盾不斷激化，難以發揮出真正的作用。

加強工程質量監督人員專業技能及職業素養的培養工作。首先，完善人員業務及交款知識體系，提升其思想政治水平；其次，結合工程實際需求制定出科學且系統的職能分工方案，制定并完善施工審核流程；此后，要求工程質量監督人員做好施工紀律的管理及施工材料的收集工作；最后，針對工程質量監督專業知識及技能在人員群體中做好教育培訓工作，采用業績考核及獎懲機制相結合的手段，力爭營造出積極嚴謹的監理工作氛圍。

EA電氣柜的主要功能是提供電力配電器（總線分配器）、SC控制盤、SC插座及各種驅動器主控單元的24V工作電壓。EA電氣柜提供輸入電壓的設備還包括：驅動器的高階軸計算機（雙通道控制升降臺1和升降臺2）、主控單元、SC控制盤的計算機、各種驅動器的SC插座的網絡、軸控制器（BLE）、通過軸控制器單元連接器的網絡等。

對變頻器故障的故障點、種類、原因進行判斷時，首先應根據控制面板的錯誤代號進行初步判斷，然后觀察變頻器上的指示燈信號是否正常來排查故障點。變頻器的故障處理可以嘗試斷電重啟進行復位，以及重置使用參數等方法，如發現變頻器元器件損壞則需要更換新的變頻器。2020年曾出現過吊桿在按激活鍵以后設備運行之前緩慢向上或向下移動，最后通過吊桿變頻器參數重置的方法消除了此現象。

在電氣系統中，保險的作用不用贅述，它作為電氣系統的守護排頭兵，必須守好第一關。戲劇場電氣系統中的保險分為兩類：供電路保險和信號路保險。由于外網電路輸入不穩定或者系統開啟時造成的瞬間電流過大，從而導致保險熔斷是保險損壞的最主要原因。因此，要經常性地檢查各類保險的使用情況，確保各類保險能起到即時熔斷的作用，保護整個電氣系統不受到電流沖擊。

戲劇場的SYB2000舞臺機械控制系統的操作層級主要包括編程計算機RC、狀態計算機SM、控制面板SC/CP和開機面板；控制層級主要包括EP電氣柜和EA電氣柜等；執行層級主要包括軸控制器BLE、變頻器、氣動液壓缸、電機和PLC等。見圖2。

2 故障梳理

15年來，該系統總共出現故障320多起，基本上涵蓋了操作層、控制層及執行層三個層級。其中出現故障頻率較高的是軸控制器、變頻器、保險、BTH板。故障比例如圖3所示。

發生的電氣故障按出現的頻率可分為兩大類：經常性故障和偶發性故障。其中經常性故障主要包括：軸控制器、變頻器、保險、BTH板等；偶發性故障主要包括：載荷控制器、升降臺塊鎖定裝置、繼電器、主控接觸器、變頻器風扇、數據總處理器（HUB）、編碼器等。

3 故障案例

3.1 保險

其中EP電氣柜主要功能是提供CP控制盤所在地及主要單元的24V工作電壓。EP電氣柜提供輸入電壓的設備還包括：數據控制器（DC）、MR-10總線的總線主機（BM）、耦合單元、狀態計算機（SM）和編程計算機（RC）的網絡、通過CP控制盤的計算機連接器的網絡、CP插座里的主控單元等。

3.2 軸控制器

該系統采用一個軸控制器控制四個驅動器動作的控制模式。這種模式有利于節約成本，但是弊端就是損壞一臺軸控制器會導致四個裝置驅動器不能動作。

3.3 變頻器

力士樂電氣控制系統主要分三個層級：操作層級、控制層級和驅動層級。操作層級包括操作面板（Operating panels）、數據存儲器（Accesspoint）、編程計算機RC（Production Computer）和狀態計算機SM（Status Monitor）；控制層級包括主控制器MC（Master Controller）、數據處理器DC（Data Concentrator）、總線主控BM（Bus Master）、軸控制器BLE（Axis Controller）和可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）等；驅動層級包括液壓電機、氣動液壓缸、電機以及變頻器等。

有一次，他從昏迷中給一種貼著他耳朵喘息的聲音驚醒了。那只狼一跛一跛地跳回去，它因為身體虛弱，一失足摔了一跤。樣子可笑極了，可是他一點也不覺得有趣。他甚至也不害怕。他已經到了這一步，根本談不到那些。不過，這一會，他的頭腦卻很清醒，于是他躺在那兒，仔細地考慮。

從1999—2008年，國土資源部在地質災害易發的1 640個丘陵山區縣部署完成了1∶20萬比例尺地質災害調查，查出24萬處隱患點。這只是初步摸底，此項工作還應進一步推進。災害風險評估是將災害防治工作前移，從根本上預防風險，是現代風險管理的本質，需要政府主管部門具有前瞻性、超前意識和長遠意識。

3.4 接觸器

接觸器是電氣系統中使用頻率最高的電氣元件，是配電柜、電控柜等重要的組成部分，是電氣系統重要的電力控制部件。由于該系統老化，接觸器出現的故障頻率也在逐年攀升，主要表現為接觸器吸合不緊、燒毀等。其中主要原因就是由于常年使用造成接觸器的觸頭處形成積碳，從而導致吸合不緊。因此，在設備使用維護中應對接觸器加強檢查，及時更換有問題的接觸器，以免對電氣系統的供電造成影響。

3.5 繼電器

在舞臺機械電氣控制系統中，繼電器是其中必不可少的部件。繼電器的種類很多，通常分為保護繼電器和控制繼電器兩大類。該系統曾發生因繼電器損毀致使轉臺不能轉動的故障。該系統的電磁式繼電器和時間繼電器見圖4。

繼電器也是故障高發的部件，故障的發生和使用條件有著密切的關系。在使用過程中，在非必要情況下，應避免向繼電器長時間通電，以免繼電器線圈長時間處于高溫狀態導致線圈燒毀。另外，繼電器觸點接觸不良也是引發故障的重要原因。由于繼電器觸點表面氧化 腐蝕、附著灰塵異物等，或者設備使用中長時間震動都會導致繼電器觸點接觸不良。

3.6 其他故障

經過多年的使用，該系統還出現過載荷傳感器失效、BTH電路板燒毀、溫度傳感器失靈、編碼器定位不準等故障。這些故障均屬于偶發性故障，也應加以關注。

4 結語

總的來說，該系統是一套成熟、穩定的機械電氣控制系統，是以歐洲國家多年的舞臺表演使用經驗為基礎開發的系統，有很多方面值得借鑒學習。同時，隨著舞臺表演的多元化，也對舞臺機械系統提出了更高的要求，對維護人員也有了更大的挑戰。一套舞臺機械系統的使用年限一般為10～15年，如何在這么長的時間里保障系統的安全穩定運行，是值得進一步研究和探討的課題。