有限空間針狀科普藝術裝置的優化方案與系統設計

鄭 波

（合肥探奧自動化有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

科技館的存在，不僅僅是給參觀者提供信息，其真正的價值在于培養人們的好奇心和洞察力[1]，激發人們思考和創新的熱情以及最重要的行動力。本文針對科技館中的標志性展項“魔針”展開分析，通過探討魔針設計方案落地與施工安裝調試的過程，最終完成有限空間作業面內的系統設計和優化方案。

1 展品原型設計理念

1.1 初期構思

最初的設計思路為：結合整體環境做一個包含幾何內容的具有代表性特點的展品，并將展品單獨陳列，將它作為一種標識、一種縮影、一種象征，能夠引導參觀者在游覽后想到“魔針”就會想到特定的科技館。

1.2 分析、優化

當初步設計思路制定后，團隊對設計理念進行深入的探索研究，并在與業主方反復溝通、對比、確認后，終于確定了展品的最終方案思路：在原設計理念里加入一些科學和藝術元素，使展品整體不再只是一個為了展示而展示的展品，而是成為一個具有科學、人文、藝術等多方面元素的綜合體，不僅從展品本身體現科技館的固有特色，更從展品的設計上突出對科學理念的挖掘。

1.3 形體確認

根據最終確定的設計理念，展品定義為：研究空間結構與性質的幾何內容與LED相結合的“魔針”展項[2]。此展項中既有對數學研究的探索，又有在科技加持下的展品，展現在參觀者眼前給予一種視覺沖擊的效果。展項“魔針”將機械運動與幾何知識相結合，旨在展示幾何學的多變性與無限可能性。

魔針位于展墻上，利用超高壓水刀在展墻上開取數個孔洞，魔針的整套機械結構和控制系統全部設置在這些孔洞背后，魔針的動力系統主要由伺服電機構成，每個電機連接著轉軸穿過孔洞伸出到展墻的表面，每個轉軸上均有4個擺桿，上面覆蓋著全彩LED燈帶，通過展墻后面的控制系統變幻出形態各異的奇妙圖案。

2 總體結構與施工內容

2.1 總體結構

魔針位于某科技館中庭建筑墻內，制作于其中一層扶梯的反面墻體上，由三行三列模塊分布而成，展示在8.8 m×8.8 m的平面上，每個模塊有4根1.8 m的LED燈板，通過展墻后面的控制系統變幻出形態各異的奇妙圖案，其造型如圖1所示。

圖1 魔針現場展示圖

2.2 施工內容

本展品的展示方式不同于普通展品那樣僅是平放在地面或墻面上供人參觀、游覽，它是采用壁掛模式懸掛在墻體之上，所以在展示科技的同時[3]，強度和承重也成為其基礎制作的要點，故而需在其背后的墻面內部預埋管件做承重基礎。而墻面為原建筑墻面，已完成干掛大理石裝飾面，在早期施工時未曾預留預埋管線，經討論詢問后得知，將墻面拆除重建屬于危險系數較大的工程，須在不破壞墻面承重的基礎上改造部分區域，而后在墻面背面進行鋼架搭建，并使前面展示部分與后面基礎部分拼接在一起，在為展品固定基礎的同時也對展品的承重起到了關鍵作用。所以，施工方式為在原建筑墻面進行開孔穿管，并將管件拼接固定在墻面后背的鋼架之上（圖2）。

圖2 魔針安裝示意圖

2.3 電氣系統設計

“魔針”展項是一組三維立體運動與顯示相結合的項目，為了實現館方和效果設計方的設計意圖，在整個項目圖像顯示方面采用了先進的圖像處理和傳輸技術，在整個項目的運動方面采用了強大的伺服驅動技術。DP總線協議是工業上非常成熟的一種通信方式，具有高效率、低成本的特點，絕大多數工業級產品都可以支持DP協議，因此整個項目通過PROFIBUS DP協議與各子站進行通信，性能穩定可靠，這將為以后魔針的升級換代帶來不可替代的優勢。“魔針”展項以工控機為控制載體，NI控制卡為控制核心，采用WAGO分布式模塊、西門子分布式模塊和施耐德伺服系統為輸出載體，驅動外圍硬件來體現魔針的魔力（圖3）。工控機發出指令，通過WAGO分布式模塊控制柜內低壓器件動作，通過西門子分布式模擬量模塊控制彩燈的閃爍顏色變化，通過施耐德伺服系統驅動外圍機械結構。整個系統以一個高效而穩定的方式有條不紊地執行設定的動作，可變換升級性強，維修方便。

圖3 電氣系統配置示意圖

2.4 控制系統及組成

2.4.1 電控設計思路

“魔針”展項是將空間幾何學和視覺影像藝術相結合的一種高科技產物，對于運行軌跡和燈光變幻的控制都提出了非常高的要求，其電控部分主要包括電機、導電滑環、控制柜，主要實現空間不同位置組合和燈光變幻的組合。為了能準確完成整個系統的精確控制和燈光變幻藝術效果的控制[4]，采用當前最新的現場總線控制技術，選用主從模式，在軌跡和位置運算方面，功能運算和規劃放到主站實現，用LabView編程語言來實現主站的編程；對生成的過程控制數據通過PRIFIBUS DP總線主站板卡來實現對從站的通信。從站由36臺伺服從站、9臺燈光控制從站、1臺IO點控制從站組成，所有從站都能通過總線通信的方式來交互數據。伺服電機使用施耐德進口電機，IO點從站模塊采用德國知名品牌——WAGO模塊，主站卡也是德國進口品牌，主控制柜和低壓電器選用法國施耐德電氣產品。

2.4.2 電控設計方案

2.4.2.1 控制過程

主站通過過程控制模型計算出每個運動伺服電機的參數，如速度、加速度、時間、位置參數，再一起下發到每個伺服電機，然后發送“開始運行”指令，在運行過程中，不停刷新燈光控制模塊的參數值，來實現燈光顏色和亮度的變幻。總線通信具有高速性，因此可以實現位置變化和燈光變幻的統一和配合（圖4）。

圖4 電控系統示意圖

2.4.2.2 技術參數

整個系統在設計時考慮了電磁兼容和抗干擾方面的要求，對于總線增加了一個西門子的總線控制器，來提高整個總線的信噪比，減少通信的誤碼率，為整個系統的高速高效穩定運行提供了硬件保證。在低壓電器方面進行了優化設計，使得手動和自動模式可以自由轉換，簡單操作，能實現全自動運行，減少人員操作工作量，簡單易用。

展項參數如表1所示。

表1 展項參數表

2.5 機電設備安裝難點分析、解決方案

本展項設備間后部施工空間有限且需高空拼接作業，因此為施工過程帶來了不小的困擾。其中登高作業難度較大，不僅需要在高處進行拼接施工，還需要保證施工安全[5]。因此，會同現場技術人員測量探討后決定，前部中庭的燈管模組將腳手架作業模式優化為腳手架結合自行式升降機模式，既能保障安全又能方便燈管的安裝作業。在設備間后部作業頂面位置加裝吊裝葫蘆，為上方拼接作業人員提供安全作業平臺，用跑車葫蘆將已拼接完成的部分吊至指定位置，后由作業人員在下部進行拼接組裝，整體作業完成后由吊裝葫蘆將作業人員運送至高處指定位置，將已拼接完成的拼接件與前面展示部分連接為一個整體，完成鋼架施工全部作業內容。

因為空間狹小，無法同時堆積大量材料及施工器具，所以展品所需鋼架由外部空曠空間拼接為80 cm×40 cm×80 cm的拼接段（圖5），相繼運至作業區內，而后由跑車葫蘆將拼接段已完成部分整體向上拖移至指定位置，進行拼接組裝。

圖5 展品焊接段照片

展品整體固定及承載施工均應避開原建筑墻面中的鋼梁部分，如鋼梁位置與施工位置有沖突，則采取繞梁處理，處理辦法如圖6所示，沖突部分則采用繞梁辦法進行固定。繞梁施工區域需要鉆孔處理，孔徑一般為100 mm，繞梁鋼架呈U形固定。

圖6 過梁示意圖

2.6 燈具組裝

拼接件安裝完成后，由現場操作人員將指示燈從中心模塊開始往四周安裝，其中橫向和縱向的指示燈是交叉重疊的，所以安裝的層次也應隔開，燈組寬度為80 mm，每兩個之間的距離為100 mm（圖7）。當所有燈管每組都處于同一個平面且運行無交叉干涉時，即為安裝結束。

圖7 燈組示意圖

2.7 設備間恢復

當展品全部安裝完成且調試無誤后，將展項背面進行裝飾恢復，使用輕鋼龍骨進行支撐，頂面由阻燃板做基層面層，使用石膏板做恢復。整體恢復完成后，在管閥部位預留60 cm×60 cm檢修口，以方便后續維修時使用。

3 結束語

綜上所述，針對有限空間內的高空作業，充分考慮物體的運輸和現場環境，對裝置進行設計優化及方案落地，可以最大程度為項目增值，同時也可以實現科技館的科普功能。“魔針”展項的施工不僅把“服務公眾，安全第一”放在了首位，更使得項目質量得到了大幅提升。