從設(shè)計(jì)角度談舞臺(tái)機(jī)械的安全

陳 威(

總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院舞臺(tái)中心，北京 100028 )

從設(shè)計(jì)角度談舞臺(tái)機(jī)械的安全

陳 威(

總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院舞臺(tái)中心，北京 100028 )

介紹國(guó)內(nèi)外安全設(shè)計(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以及常規(guī)劇場(chǎng)臺(tái)下、臺(tái)上、電氣控制系統(tǒng)及特殊設(shè)備的安全設(shè)計(jì)，并用具體案例加以說(shuō)明。

舞臺(tái)機(jī)械；安全設(shè)計(jì)；安全標(biāo)準(zhǔn)；安全規(guī)范；劇場(chǎng)

1 前言

舞臺(tái)機(jī)械是以特定的功能需要、特定的建筑環(huán)境為條件配置給劇場(chǎng)的專業(yè)設(shè)備。舞臺(tái)機(jī)械并非工業(yè)機(jī)械在舞臺(tái)上的簡(jiǎn)單應(yīng)用。它與劇院的自身功能密不可分，它與舞臺(tái)的內(nèi)部環(huán)境融為一體。舞臺(tái)機(jī)械在古老的劇院中用于裝臺(tái)和遷換布景，而現(xiàn)代劇院的建筑無(wú)論恢宏還是簡(jiǎn)約，其舞臺(tái)要想具備千變?nèi)f化甚至匪夷所思的變化，或臺(tái)前，或幕后，一定需要舞臺(tái)機(jī)械。今天，舞臺(tái)機(jī)械已成為現(xiàn)代科技的集成載體，是觀眾、演員、導(dǎo)演等注目的焦點(diǎn)，也是舞美、燈光、音響、視頻、特效、道具各類技術(shù)手段運(yùn)用聯(lián)系的紐帶。然而，這一切存在的基礎(chǔ)就是：安全！

舞臺(tái)機(jī)械區(qū)別于工業(yè)機(jī)械的特點(diǎn)如下。

（1）人機(jī)高度結(jié)合

與現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化相反，舞臺(tái)機(jī)械高度自動(dòng)化的目的是人機(jī)高度結(jié)合。要求設(shè)備系統(tǒng)的可靠性、安全性高。

（2）多樣化：形式多樣、功能多樣、服務(wù)對(duì)象多樣

推、拉、升降、轉(zhuǎn)組成多維運(yùn)動(dòng)，大體量重載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異、運(yùn)動(dòng)流線交叉，服務(wù)或使用的對(duì)象眾多，這些形式、功能、服務(wù)對(duì)象的多樣化形成舞臺(tái)機(jī)械的危險(xiǎn)點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，給安全防護(hù)增加了難度。

（3）使用時(shí)效性強(qiáng)

舞臺(tái)機(jī)械有效工作時(shí)間并不是處于正常工作狀態(tài)的簡(jiǎn)單累加，更重要的意義是在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)使用安全可靠，正所謂養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)。

（4）單件差異大，短期全新的設(shè)備多，缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

舞臺(tái)機(jī)械從誕生之日起，始終與創(chuàng)新相伴同行。與眾不同、標(biāo)新立異是永不過(guò)時(shí)的話題。然而，建設(shè)周期緊張，設(shè)計(jì)、制作、安裝時(shí)間短，同樣給安全可靠增加難度。

2 安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

安全是指人或物在一定環(huán)境中不發(fā)生危險(xiǎn)與不受到損害的狀態(tài)，而安全性是表明人或物在一個(gè)環(huán)境中對(duì)危險(xiǎn)的損傷所能承受的最大能力。

保障安全性的有效方法是避免事故發(fā)生的制度，目前中國(guó)對(duì)產(chǎn)品有“3C”市場(chǎng)準(zhǔn)入強(qiáng)制性認(rèn)證制度；在工業(yè)裝置的自動(dòng)化系統(tǒng)中設(shè)置安全保護(hù)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱安全系統(tǒng)），并對(duì)其與整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全要求等級(jí)進(jìn)行規(guī)定。ISA（美國(guó)儀表學(xué)會(huì)）稱安全系統(tǒng)為安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrument System，SIS），對(duì)應(yīng)ISA-S84.01 標(biāo)準(zhǔn)，IEC國(guó)際電工委員會(huì)稱安全要求等級(jí)為“安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Levels, SIL）”，對(duì)應(yīng)IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)。

那么如何來(lái)區(qū)分設(shè)備的安全等級(jí)？如何來(lái)設(shè)計(jì)以達(dá)到安全的要求？

2.1 歐洲機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)歐洲機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)EN 954 -1，首先，在設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。確定這臺(tái)機(jī)器（或其中某一部分）的危險(xiǎn)等級(jí)。危險(xiǎn)等級(jí)分為B、1、2、3、4 五級(jí)，危險(xiǎn)等級(jí)依次增高，等級(jí)4為最高的危險(xiǎn)等級(jí)。危險(xiǎn)等級(jí)的劃分和確定如圖1所示。

根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)，確定措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。如機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)、安全控制電路等。

圖1 危險(xiǎn)等級(jí)的劃分

圖2 機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程

其中安全控制電路的設(shè)計(jì)，也必須符合所要求的安全等級(jí)。根據(jù)歐洲機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)EN 954-1，對(duì)應(yīng)于危險(xiǎn)等級(jí)的5個(gè)等級(jí)，控制電路的安全等級(jí)也分為B、1、2、3、4 五個(gè)等級(jí)，安全等級(jí)依次增高，等級(jí)4為最高的安全等級(jí)。舉例來(lái)說(shuō)，一臺(tái)機(jī)器（或其中某一部分）的危險(xiǎn)級(jí)別確定為4級(jí)，那么相應(yīng)的安全控制電路的安全等級(jí)也必須為4級(jí)。

2.2 中國(guó)現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采取的是實(shí)現(xiàn)安全的迭代過(guò)程，即對(duì)機(jī)器壽命周期內(nèi)的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程，如圖2所示。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，僅有石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則（SHB-Z06-1999），采用IEC 的SIL 概念，稱之為安全度。其有量化標(biāo)準(zhǔn)，如二級(jí)安全度等級(jí)（SIL2）定義為每年故障危險(xiǎn)的平均概率為0.01～0.001。

2.3 國(guó)內(nèi)舞臺(tái)行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

中國(guó)舞臺(tái)機(jī)械的快速普及發(fā)展和舞臺(tái)人觀念的實(shí)質(zhì)轉(zhuǎn)變發(fā)生在2000年之后，隨著國(guó)家大劇院的建設(shè)，人們接觸和了解了更多的舞臺(tái)理念，逐步把舞臺(tái)設(shè)備視為安全等級(jí)很高的門類，而國(guó)家工業(yè)化水平的迅速提高和控制技術(shù)的日臻成熟，也為實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全提供了各種手段。2010年前后，文化部等相關(guān)部門陸續(xù)頒布的有關(guān)舞臺(tái)設(shè)計(jì)安全的一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，成為舞臺(tái)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的指導(dǎo)和綱領(lǐng)性文件。

目前中國(guó)舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)的安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)主要有：

JGJ 57—2000 劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范；

WH/T 28—2007 舞臺(tái)機(jī)械 臺(tái)上設(shè)備安全；

WH/T 27—2007 舞臺(tái)機(jī)械 驗(yàn)收檢測(cè)程序；

WH/T 36—2009 舞臺(tái)機(jī)械 臺(tái)下設(shè)備安全要求；

WH/T 37—2009 舞臺(tái)機(jī)械 操作與維修導(dǎo)則。

另外，與本行業(yè)相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)有48 項(xiàng)之多，內(nèi)容涉及廣泛。如：

GB 19517—2004 國(guó)家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范；

GB 16754—1997 機(jī)械安全急停設(shè)計(jì)原則；

GB/T 16856—1997 機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原則；

GB/T 19666—2005 阻燃和耐火電線電纜通則；

GB 4943—2001 信息技術(shù)設(shè)備的安全；

GB 18209.2-200 機(jī)械安全 指示、標(biāo)志和操作 第 2 部分：標(biāo)志要求。

2.4 國(guó)際舞臺(tái)行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)：

DIN56920 1-7 舞臺(tái)機(jī)械/總則；

DIN56921-11 舞臺(tái)機(jī)械/吊物系統(tǒng)裝置安全要求及測(cè)試；

DIN56925 舞臺(tái)機(jī)械/點(diǎn)吊裝置安全要求及測(cè)試；

DIN V 19250 測(cè)試和控制設(shè)備基本安全條件；

DIN EN 60204 機(jī)械安全，機(jī)械的電控系統(tǒng)；

DIN EN 50081-2 電磁兼容性；輻射一般標(biāo)準(zhǔn)第二部分：工業(yè)環(huán)境；

DIN EN 50082-2 電磁兼容性；抗擾性一般標(biāo)準(zhǔn)第二部分：工業(yè)環(huán)境；

ONORM M9630-1 舞臺(tái)機(jī)械/總則；

ONORM M 9630-2 舞臺(tái)機(jī)械/臺(tái)上機(jī)械；

ONORM M9630-3 舞臺(tái)機(jī)械/臺(tái)下機(jī)械；

ONORM M 9630-4 舞臺(tái)機(jī)械/防火機(jī)械；

ONORM M 9631 舞臺(tái)機(jī)械/操作與維護(hù)導(dǎo)則；

ONORM M 9632 舞臺(tái)機(jī)械/試驗(yàn)程序。

行業(yè)安全規(guī)范：

UVV GUV 0.1 一般規(guī)定；

UVV VBG 5 動(dòng)力傳動(dòng)的工作方式；

UVV VBG 70 劇場(chǎng)和演播廳防止事故規(guī)范；

GUV 4.5 升降舞臺(tái)的事故防范規(guī)定；

UVV GUV 6.15 劇場(chǎng)和演播廳防止事故規(guī)范；

GUV 16.15.3 劇場(chǎng)和演播廳升降臺(tái)規(guī)范；

ZH.1/222 舞臺(tái)和演播廳安全技術(shù)和機(jī)械技術(shù)檢測(cè)原則；

……

3 常規(guī)劇場(chǎng)設(shè)備安全設(shè)計(jì)

多年來(lái)，總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院的舞臺(tái)設(shè)計(jì)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行。有些情形下，結(jié)合運(yùn)行需求，為保證設(shè)備安全，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)甚至高于規(guī)范要求。

3.1 升降、平移、旋轉(zhuǎn)類等臺(tái)下設(shè)備

（1）結(jié)構(gòu)安全

主體結(jié)構(gòu)在最大承載（靜載）下，其最大變形不超過(guò)支點(diǎn)跨度的1/1 000，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的1/750。構(gòu)件應(yīng)力（強(qiáng)度指標(biāo)）不超過(guò)100 MPa，安全系數(shù)大于2。比如跨度為18 m的升降臺(tái)，計(jì)算撓度變形一般控制在15 mm～18 mm，約為跨度的1/1 200～1/1 000，每個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)均進(jìn)行滿載測(cè)試驗(yàn)證。

（2）傳動(dòng)安全

選擇 S1 工作制電機(jī)，功率計(jì)算考慮加速度并留有合理裕量。減速機(jī)一律按設(shè)備靜載選型，即使設(shè)備配置了插銷，靜載荷由插銷承擔(dān)，可直接承受靜載。

采用獨(dú)立雙制動(dòng)器。體型和受力較小的升降臺(tái)，有時(shí)直接采用雙制動(dòng)電機(jī)；重要的升降設(shè)備，如主升降臺(tái)，一般電機(jī)設(shè)單制動(dòng)器，傳動(dòng)軸末端設(shè)液壓制動(dòng)器（左右各一臺(tái)），每臺(tái)制動(dòng)器都能獨(dú)立承受最大靜載。

還有，設(shè)置有導(dǎo)向裝置的升降系統(tǒng)不應(yīng)采用單向驅(qū)動(dòng)。

聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸安全系數(shù)4 倍以上。

鋼絲繩、傳動(dòng)鏈條安全系數(shù)10 倍以上。

（3）行程安全

只有2 個(gè)行程終點(diǎn)的定速非定位設(shè)備，如升降欄桿、輔助臺(tái)、補(bǔ)償臺(tái)等除安裝行程開關(guān)外，還設(shè)有超程安全開關(guān)。

在行程內(nèi)具有中間停留位置的設(shè)備，如主升降臺(tái)，其位置由編碼器反饋測(cè)量確定軟限位控制。在設(shè)備運(yùn)行的終端，安裝限位開關(guān)和超程開關(guān)。2 套開關(guān)的安全等級(jí)不同，一套用于行程控制，另一套為安全保護(hù)。所以，主升降臺(tái)在行程方面設(shè)有3 道安全措施。

水平運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，如側(cè)車臺(tái)和車載轉(zhuǎn)臺(tái)，除軟限位控制位置外，還在行程終點(diǎn)設(shè)置行程開關(guān)，防止軟限累積誤差造成設(shè)備與固定舞臺(tái)結(jié)構(gòu)相撞。

（4）其他安全設(shè)施

插銷裝置。盡管按設(shè)備靜載進(jìn)行減速機(jī)選型，但為了保證更加安全，在升降設(shè)備上，通常還設(shè)置插銷裝置。插銷裝置一般在設(shè)備承受較大載荷時(shí)（如側(cè)車臺(tái)行走）或長(zhǎng)期停留的位置（如舞臺(tái)面）使用。

防剪切裝置。在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備邊沿下方，如樂(lè)池升降臺(tái)周邊和固定臺(tái)唇下沿、主升降臺(tái)周邊下沿，均安裝防剪切裝置，避免人員與設(shè)備發(fā)生碰撞擠壓。防剪切裝置基體采用軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，高度變形根據(jù)不同的設(shè)備速度，能夠補(bǔ)償設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，一般在150 mm～250 mm之間。

防護(hù)網(wǎng)。包括固定防護(hù)網(wǎng)和活動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。固定防護(hù)網(wǎng)是指安裝在基坑或孔洞邊沿的固定防護(hù)設(shè)施，以阻止人員誤入。如主升降臺(tái)配重孔周邊的固定防護(hù)網(wǎng)，2.3 m 高，既可以阻止人員進(jìn)入，又能防止配重塊意外飛出傷人?；顒?dòng)防護(hù)網(wǎng)安裝在設(shè)備基坑或升降設(shè)備周邊，展開時(shí)寬度1 m ～1.5 m。如主升降臺(tái)前后邊緣，沿長(zhǎng)度方向安裝2套防護(hù)網(wǎng)，平時(shí)收攏在升降臺(tái)輪廓內(nèi)，當(dāng)升降臺(tái)間形成高差時(shí)，防護(hù)網(wǎng)可以推出，防止人員跌落受傷。

安全門。安全門一般安裝在主升降臺(tái)臺(tái)下兩側(cè)入口處，屬單向門，只能外開。平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，防止人員跌入或與設(shè)備發(fā)生碰撞。安全門上一般安裝有信號(hào)開關(guān)以與設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)連鎖。

安全欄桿。安全欄桿安裝在基坑固定臺(tái)板邊沿，將基坑圍攏起來(lái)，同樣為了防止人員跌入。如升降樂(lè)池臺(tái)唇下方演奏位置安裝有插拔欄桿，樂(lè)池與舞臺(tái)面或觀眾席平齊時(shí)，如果有人進(jìn)入臺(tái)下，欄桿能夠防止跌入樂(lè)池基坑內(nèi)等等。

安全柱。在主升降臺(tái)基坑內(nèi)，正對(duì)升降臺(tái)兩側(cè)結(jié)構(gòu)下弦，一般還裝有一定高度的安全柱，它的作用是當(dāng)升降臺(tái)意外失控下落時(shí)，能夠牢固托舉，既防止了升降臺(tái)下落到底砸壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等設(shè)施，又能為工作人員提供一定高度的避險(xiǎn)空間。

設(shè)備互鎖保護(hù)。在同一空間運(yùn)行的舞臺(tái)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)時(shí)有相互次序要求，為保證安全，控制上設(shè)置了一系列的互鎖邏輯關(guān)系。如側(cè)車臺(tái)運(yùn)行時(shí)，主升降臺(tái)必須先行下降一定高度，否則側(cè)車臺(tái)被鎖定不能運(yùn)行；車臺(tái)運(yùn)行時(shí)主升降臺(tái)是被鎖定的，不能升降等等。特別指出，在互鎖環(huán)節(jié)中，提供解鎖信號(hào)的開關(guān)應(yīng)是常開常閉獨(dú)立雙路的。

3.2 臺(tái)上吊掛類設(shè)備

同臺(tái)下設(shè)備一樣，臺(tái)上設(shè)備根據(jù)自身的工藝和運(yùn)動(dòng)屬性需配置一系列的安全設(shè)施。

（1）結(jié)構(gòu)安全

桿體結(jié)構(gòu)無(wú)論按規(guī)定均勻加載或集中加載，其變形量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（不超過(guò)吊點(diǎn)跨度的1/200）。

（2）傳動(dòng)安全

選擇 S1 工作制電機(jī)，功率計(jì)算考慮加速度并留有合理裕量。

采用獨(dú)立雙制動(dòng)器。每臺(tái)制動(dòng)器的額定力矩不小于電機(jī)額定扭矩的1.25 倍。

鋼絲繩的安全系數(shù)均控制在10倍以上，單點(diǎn)吊機(jī)和調(diào)速設(shè)備，更是達(dá)到或超過(guò)12倍。

卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)松繩（疊繩、亂繩）檢測(cè)。

（3）載荷安全

卷?yè)P(yáng)機(jī)依靠電流檢測(cè)載荷是否超載或安裝物理傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定載荷大小?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試階段，一律進(jìn)行125%的載荷試驗(yàn)。

（4）行程安全

除軟限位外，還安裝1個(gè)限位開關(guān)和1個(gè)超程開關(guān)，并使用上限位開關(guān)作為零點(diǎn)開關(guān)對(duì)吊桿的位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3 實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)安全的措施

為了預(yù)防錯(cuò)誤，對(duì)于所有安全相關(guān)的、帶有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的危險(xiǎn)識(shí)別職能，應(yīng)根據(jù)機(jī)械安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原則來(lái)確定舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)必要的安全度級(jí)別（SIL），再根據(jù)相關(guān)安全規(guī)范確定技術(shù)要求、選擇合適的安全措施。

舞臺(tái)機(jī)械電氣控制安全措施包括電氣設(shè)備防護(hù)、電磁兼容防護(hù)、軟件編程、安全電路與安全電器、標(biāo)志、安裝施工、用戶管理等方面，最終落實(shí)在緊急停機(jī)與安全聯(lián)鎖上。

3.3.1 電氣設(shè)備防護(hù)

（1）接地故障/殘余電流保護(hù)；

（2）相序及缺相保護(hù)；

（3）短路引起的過(guò)流保護(hù)；

（4）過(guò)載電流保護(hù)；

（5）不正常溫度保護(hù)；

（6）供電中斷或電壓降落隨后復(fù)原的保護(hù)；

（7）電動(dòng)機(jī)失速、超速保護(hù)；

（8）閃電或開關(guān)浪涌引起的過(guò)電壓；

（9）控制電源采用IT 供電方式。

3.3.2 電磁兼容（EMC）防護(hù)

電磁兼容防護(hù)就是使設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾，包括兩方面：一是設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)外部的輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾；二是對(duì)外部設(shè)備或系統(tǒng)的輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度。劇場(chǎng)調(diào)光、音頻功率放大器、電機(jī)調(diào)速裝置等可控硅設(shè)備工作中產(chǎn)生大量的高次諧波，如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，沒(méi)有充分考慮電磁兼容的問(wèn)題，小則造成設(shè)備不能穩(wěn)定運(yùn)行，大則造成設(shè)備的損壞。目前EMC 已經(jīng)成為系統(tǒng)故障的主要原因。其防護(hù)措施有：

（1）接地與屏蔽保護(hù)；

（2）電磁解耦與濾波；

（3）消除靜電；

（4）軟啟動(dòng)；

（5）電機(jī)和電磁執(zhí)行部件電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜走線；

（6）確保驅(qū)動(dòng)控制柜中的接觸器有滅弧功能；

（7）設(shè)計(jì)控制柜體時(shí)要注意EMC 分區(qū)安置處理。

3.3.3 軟件編程

（1）一般安裝和環(huán)境需考慮的問(wèn)題；

（2）用戶控制目標(biāo)對(duì)象和被測(cè)量；

（3）系統(tǒng)總響應(yīng)時(shí)間；

（4）故障診斷：故障鑒別、報(bào)警記錄、報(bào)警處理；

（5）聯(lián)鎖：物理要求、系統(tǒng)類型、手動(dòng)優(yōu)先、存取控制認(rèn)可和口令；

（6）停機(jī)方式：系統(tǒng)斷電、系統(tǒng)后備、正常停機(jī)、應(yīng)急停機(jī)；

（7）啟動(dòng)方式：再啟動(dòng)、冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)；

（8）操作員接口：電鍵鎖、軟件鎖，需要時(shí)包括對(duì)操作者介入的存取控制和安全方案等。

3.3.4 緊急停機(jī)

緊急停機(jī)（緊急情況下停止工作），依據(jù)GB5226.1-2002 第9.2.5.4.2 條，機(jī)械設(shè)備必須設(shè)置緊急停機(jī)功能，用于停止驅(qū)動(dòng)裝置。緊急狀態(tài)下的停止必須達(dá)到0類停機(jī)或者1類停機(jī)。在設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)于具有碰撞剪切等安全防護(hù)功能的獨(dú)立運(yùn)行設(shè)備，急停時(shí)可采取減速延時(shí)停機(jī)。

3.3.5 安全聯(lián)鎖

安全聯(lián)鎖是用于監(jiān)視急停按鈕、機(jī)械防護(hù)、電氣防護(hù)等裝置（或獨(dú)立單元）的操作，如果過(guò)程超出安全操作范圍，可以使過(guò)程進(jìn)入安全狀態(tài)，確保裝置具有足夠的安全度。

設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)原則上獨(dú)立設(shè)置；

（2）檢測(cè)元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)原則上獨(dú)立設(shè)置；

（3）中間環(huán)節(jié)最少；

（4）采用冗余或容錯(cuò)結(jié)構(gòu)；

（5）系統(tǒng)是故障安全型。

3.3.6 成熟的控制安全技術(shù)

（1）可靠的設(shè)備運(yùn)行安全技術(shù)

①PLC軟件冗余、網(wǎng)絡(luò)完全冗余、異類冗余等不同的冗余方法；

②基于系統(tǒng)冗余、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)等技術(shù)的控制系統(tǒng)；

③開發(fā)的編組同步PID技術(shù)，保證了多設(shè)備的位置、速度安全聯(lián)動(dòng)；

④多種安全反饋技術(shù)，保證了劇場(chǎng)演出人員及設(shè)備的安全；

⑤一鍵式恢復(fù)功能，解決了計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障造成的演出中斷問(wèn)題；

⑥專用VPN遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)設(shè)備，可快速進(jìn)行故障的分析、定位和排查。

（2）人機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理安全技術(shù)

①提出“靜態(tài)搶權(quán)后次有效、動(dòng)態(tài)讓權(quán)運(yùn)行有效”的多設(shè)備優(yōu)化管理原則；

②在任何情況下設(shè)備選擇調(diào)速驅(qū)動(dòng)單元的唯一性。

4 特殊設(shè)備安全設(shè)計(jì)及案例

4.1 功能需求

有一些演藝劇場(chǎng)突破常規(guī)劇院的觀演模式，要求觀眾席在演出過(guò)程中隨情節(jié)變化而動(dòng)作，其目的在于：

實(shí)現(xiàn)觀演模式或角度的變化；

實(shí)現(xiàn)觀眾與演員互動(dòng)；

實(shí)現(xiàn)觀眾動(dòng)感體驗(yàn)。

觀眾席上空的設(shè)備以及活動(dòng)觀眾席或座椅臺(tái)的安全，因?yàn)榕c普通觀眾緊密相關(guān)，所以其安全性高于普通舞臺(tái)設(shè)備。

4.2 安全設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：確保全工況下的安全疏散，安全故障型

①臺(tái)面布局參考標(biāo)準(zhǔn)

GB50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中5.3 民用建筑的安全疏散；

JGJ57—2000/J67—2001《劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中8.2疏散。

②動(dòng)作區(qū)域與固定結(jié)構(gòu)之間留有足夠安全距離的參考標(biāo)準(zhǔn)

GB8408—2008《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》。

③臺(tái)體結(jié)構(gòu)參考標(biāo)準(zhǔn)

GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

WH/T36—2009《舞臺(tái)機(jī)械 臺(tái)下設(shè)備安全要求》。

④驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)隔離防護(hù)

驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)與觀眾通道隔離，必要時(shí)設(shè)有防護(hù)罩。

⑤緊急停止

緊急情況下采用0 類停止功能停車，制動(dòng)器為失電制動(dòng)形式，參考標(biāo)準(zhǔn)：

GB5226.1—2008《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分：通用技術(shù)條件》；

GB16754—2008《機(jī)械安全 急停 設(shè)計(jì)原則》。

（2）安全分析、安全評(píng)估和安全控制

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行安全分析，即對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行判斷，并對(duì)危險(xiǎn)可能引起的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。安全分析的目的是識(shí)別所有可能出現(xiàn)的與相關(guān)人員有關(guān)的一些情況，而這些情況可能對(duì)乘人和設(shè)施造成傷害。一旦發(fā)現(xiàn)在某個(gè)環(huán)節(jié)存在危險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生的后果，特別是乘人造成的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)估。

安全評(píng)估的內(nèi)容包括危險(xiǎn)發(fā)生的可能性及導(dǎo)致傷害的嚴(yán)重程度（受傷的概率、涉及的人員數(shù)量、傷害的嚴(yán)重程度、頻率等）。評(píng)估危險(xiǎn)源范圍包括：機(jī)械、電氣、振動(dòng)、噪聲、熱、材料有害物質(zhì)、加速度、輻射及其對(duì)環(huán)境引起的危險(xiǎn)等。

對(duì)安全分析、安全評(píng)估的結(jié)果，必須提出有針對(duì)性的應(yīng)采取的相應(yīng)措施，以使風(fēng)險(xiǎn)消除或最小化，使風(fēng)險(xiǎn)處于可控狀態(tài)。

4.3 成功案例

4.3.1 新疆大劇院高空（觀眾席上空）3D飛行裝置

（1）機(jī)械安全保護(hù)措施

①常規(guī)的亂繩、軟、極限位、載荷、速度、電流等檢測(cè)控制；

②升降系統(tǒng)絕對(duì)值、相對(duì)值雙編碼器位移檢測(cè)，水平系統(tǒng)碼帶位置檢測(cè)；

③觀眾席上空設(shè)備間的運(yùn)行狀態(tài)互鎖；

④單向雙繩冗余備份，牽引繩強(qiáng)度安全系數(shù)10倍。

（2）控制系統(tǒng)安全策略

在設(shè)計(jì)中選用西門子SIMOTION D 系列運(yùn)動(dòng)控制器作為核心控制器件，通過(guò)DRIVE-CLIQ 內(nèi)部高速網(wǎng)及Sinamics S120 多軸伺服驅(qū)動(dòng)器，完成對(duì)3D飛行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制。

①可選運(yùn)行模式

自由模式：適用于設(shè)備調(diào)試和單體運(yùn)行情況。對(duì)單體設(shè)備設(shè)置軟、硬限位，極限位。

組合模式：對(duì)設(shè)備組合吊掛（飛毯等）限定動(dòng)態(tài)運(yùn)行空間，該空間根據(jù)劇場(chǎng)內(nèi)部空間和其他舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況為不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化空間。同時(shí)該模式也受自由模式中的單體限位約束。

②偏差保護(hù)

在虛軸與實(shí)軸之間設(shè)置偏差保護(hù)閾值，即通過(guò)設(shè)置閾值限定實(shí)際運(yùn)行軌跡與目標(biāo)運(yùn)行軌跡之間的偏差。

③閉環(huán)控制

增量編碼器完成速度閉環(huán)控制。

絕對(duì)值條碼測(cè)距傳感器完成位置閉環(huán)控制，保證設(shè)備快速、精確的定位。

④急停處理

由于設(shè)備運(yùn)行速度過(guò)快，且經(jīng)常是組合運(yùn)動(dòng)，采用1類停車模式，即控制系統(tǒng)收到急停信號(hào)后發(fā)停車命令，使得各設(shè)備同步停車，硬件系統(tǒng)延時(shí)強(qiáng)制斷電。

4.3.2 武漢萬(wàn)達(dá)漢秀劇院活動(dòng)觀眾席

（1）基本情況

活動(dòng)觀眾席由一套1 170座的升降座椅臺(tái)和左右對(duì)稱兩套415 座的旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)組成，有兩種狀態(tài)，一是打開狀態(tài)，如圖3所示；二是合攏狀態(tài)，如圖4所示。座椅臺(tái)的正前方是中心水池。

圖3 伸出式舞臺(tái)形式

圖4 盡端式舞臺(tái)形式

（2）安全裝置設(shè)計(jì)

2 000 位觀眾在活動(dòng)觀眾席上觀看一個(gè)多小時(shí)的節(jié)目，安全問(wèn)題是重中之重。為此， 座椅臺(tái)上應(yīng)用了多項(xiàng)安全裝置。

①帶牙嵌套筒的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

升降座椅臺(tái)的每只升降油缸均安裝在帶牙嵌的套筒中，外面都有兩套常閉式的牙嵌機(jī)構(gòu)用于停機(jī)保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)任意位置的安全鎖定，見圖5。

②隨動(dòng)疏散樓梯

一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致升降座椅臺(tái)停在樓層之間時(shí)，允許觀眾通過(guò)座椅臺(tái)后部的兩部疏散樓梯安全撤離。疏散樓梯可通過(guò)本地的電動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行操控，保證座椅臺(tái)始終能與建筑通道保持連接，見圖6。

③全范圍異物檢測(cè)

升降座椅臺(tái)下方安裝有3套激光掃描儀，時(shí)刻監(jiān)視人員進(jìn)入。

④升降欄桿防護(hù)裝置

旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)合攏時(shí)，臺(tái)體處于大懸臂狀態(tài)，在環(huán)形梁的末端設(shè)置了配重塊，防止臺(tái)體傾翻。在軌道末端設(shè)置有機(jī)械擋塊，確保臺(tái)體運(yùn)行不超程。

在兩套旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)合攏狀態(tài)的分界處，各設(shè)置有一套電動(dòng)升降欄桿及手動(dòng)分區(qū)門，用于安全防護(hù)和將兩個(gè)座椅臺(tái)區(qū)域分隔開，防止人或物墜落到水池中，見圖7。

圖 5 升降油缸與牙嵌機(jī)構(gòu)

在每套旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)的外環(huán)處設(shè)置有一套出口廊道軌道墻，使臺(tái)體運(yùn)行過(guò)程中形成不同進(jìn)深的通道，并防止旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)上的人員墜落。

座椅臺(tái)的下部均采用絕緣性能優(yōu)良的聚丙烯板封閉，最大限度保證用電安全。

⑤電氣控制系統(tǒng)

靠近水池部分的驅(qū)動(dòng)一律采用24 V安全供電。

通過(guò)設(shè)置升降座椅臺(tái)和旋轉(zhuǎn)座椅臺(tái)之間以及內(nèi)部設(shè)備的互鎖，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

圖6 疏散樓梯的兩個(gè)極限位置

圖7 電動(dòng)升降欄桿

由于控制點(diǎn)非常多，電氣控制系統(tǒng)的安全可靠要求極高。采用歐洲最高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按EN61508 SIL3 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。配置了多級(jí)限位開關(guān)保護(hù)（有些另加軟件限位開關(guān)）。為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行，主要控制部件均采用進(jìn)口品牌產(chǎn)品，采用西門子的運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)處理快速和穩(wěn)定的運(yùn)行。

4.3.3 九寨千古情大劇院振動(dòng)觀眾席

（1）背景與要求

8 套模擬地震觀眾席（分別命名為A1/A2/B1/B2/C1/C2/D/E，左右對(duì)稱，局部見圖8），每套臺(tái)面面積163 mm2～199 mm2，承載觀眾約400名，具有豎直振動(dòng)和水平滑移兩個(gè)功能，配合演出場(chǎng)景使全場(chǎng)觀眾切身感受到地震時(shí)的驚心動(dòng)魄。

圖8 模擬地震觀眾席布局（圖中灰色區(qū)域?yàn)楣潭ㄗ叩溃?/p>

每套觀眾席分成下層振動(dòng)臺(tái)和上層滑移臺(tái)，上下層之間是符合視線分析要求的斜面。初始臺(tái)面在后上位置，觀眾席的臺(tái)階與固定走道的臺(tái)階對(duì)齊。振動(dòng)臺(tái)可沿豎直導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，緩慢上升，快速下落；滑移臺(tái)可沿傾斜導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)，緩慢向后滑動(dòng)，快速向前滑動(dòng)。在國(guó)內(nèi)外的劇場(chǎng)中，還沒(méi)有類似的先例。

（2）技術(shù)實(shí)現(xiàn)

從初始位置先向下振動(dòng)60 mm，再向前滑移170 mm，簡(jiǎn)單模擬地震效果；然后在觀眾不知不覺中緩慢復(fù)位。

采用螺旋升降機(jī)緩慢復(fù)位后利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)鎖定設(shè)備位置。

振動(dòng)和滑移時(shí)，電動(dòng)推桿使鎖定機(jī)構(gòu)脫離死點(diǎn)，機(jī)構(gòu)失去支撐作用，臺(tái)體依靠自重自由落體或滑移，撞在橡膠緩沖器或彈簧上形成短時(shí)振蕩。

（3）安全參數(shù)測(cè)試

為了解地震臺(tái)的沖擊載荷，獲取觀眾感受和設(shè)備基礎(chǔ)沖擊的量化數(shù)據(jù)，對(duì)地震臺(tái)進(jìn)行沖擊載荷的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。垂直和水平傳感器安裝見圖9和圖10，一部分測(cè)試曲線見圖11。

圖9 垂直傳感器安裝圖

圖10 水平傳感器安裝圖

經(jīng)換算，豎直振動(dòng)的最大加速度為1.75 G，水平滑移的最大加速度為4.46 G。觀眾現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)效果非常好。

4.3.4 新疆大劇院水車臺(tái)安全隔離供電

由于水車臺(tái)與升降臺(tái)、冰車臺(tái)等設(shè)備組合使用。要求演員在水中表演，如果使用傳統(tǒng)的TN-S 供電系統(tǒng)，某些故障可能引發(fā)人體受電擊之類的危險(xiǎn)，必須采用適當(dāng)?shù)陌踩╇姺椒ā３藢?duì)電機(jī)進(jìn)行絕緣隔離以外，通過(guò)保護(hù)分隔方法，使用安全隔離變壓器將一、二次回路予以電氣回路上的分隔。隔離變壓器提供IT 供電系統(tǒng)，IT 供電系統(tǒng)具有當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)不構(gòu)成對(duì)人體的危害，同時(shí)加裝了絕緣監(jiān)測(cè)裝置，能夠進(jìn)行預(yù)報(bào)警，并且在出現(xiàn)接地故障時(shí)迅速切斷電源。

5 問(wèn)題與建議

5.1 安全技術(shù)問(wèn)題

（1）人機(jī)結(jié)合多樣性與標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)；

圖11 垂直1#和水平1#傳感器的測(cè)試曲線

（2）防水、防潮與防觸電；

（3）道具參數(shù)的不確定性與載荷預(yù)測(cè)機(jī)制；

（4）檢測(cè)的受限與經(jīng)營(yíng)管理體系的重要性；

（5）電磁兼容的困難，與其他專業(yè)尤其是調(diào)光、可控硅與高次諧波。

5.2 安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的完善

（1）推薦與強(qiáng)制相結(jié)合；（2）安全等級(jí)概念推廣。

5.3 安全規(guī)范執(zhí)行的配套機(jī)制

（1）安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的監(jiān)督機(jī)制；

（2）安全規(guī)范落實(shí)的措施保證；

（3）市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模式認(rèn)可與轉(zhuǎn)化。

設(shè)計(jì)安全指標(biāo)的落實(shí)需要技術(shù)、設(shè)備、材料以及時(shí)間周期等多方面的投入，這些因素可在市場(chǎng)條件下體現(xiàn)出價(jià)值。技術(shù)落后、材料低劣的設(shè)備談不上安全。安全的等級(jí)應(yīng)該與市場(chǎng)價(jià)值等級(jí)相對(duì)應(yīng)。

舞臺(tái)機(jī)械安全的討論是長(zhǎng)期課題，是從使用的角度關(guān)注科技與藝術(shù)的結(jié)合；但從實(shí)施的角度更關(guān)心功能與安全的度的把握。演藝行業(yè)因“標(biāo)新立異”、“審美疲勞”會(huì)不斷發(fā)出挑戰(zhàn)，但安全的紅線始終相伴，這好比“鳥之雙翼，車之兩輪”，只有小心駕馭，謹(jǐn)慎處理，才能健康、有序、穩(wěn)步發(fā)展！

陳威，總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院舞臺(tái)設(shè)備研發(fā)中心副主任，高級(jí)工程師。多年從事劇院舞臺(tái)工藝設(shè)計(jì)與咨詢、劇院舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備研究設(shè)計(jì)工作，先后參與完成國(guó)家大劇院、廣州歌劇院、北京保利劇院、寧波大劇院、東莞玉蘭大劇院、珠海大劇院、沈陽(yáng)文化藝術(shù)中心、哈爾濱大劇院、新疆大劇院、大連國(guó)際會(huì)議中心等數(shù)十項(xiàng)大型劇院舞臺(tái)工藝設(shè)計(jì)；曾擔(dān)任北京奧組委開閉幕式運(yùn)營(yíng)中心地面設(shè)備工作室主任，北京奧運(yùn)會(huì)開閉幕式地面舞臺(tái)工程項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，2010年上海世博會(huì)開幕式工程、中國(guó)浙江館演藝設(shè)備系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。先后獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，以及部委級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)獎(jiǎng)等；發(fā)表相關(guān)論文十余篇，獲國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)。

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.09.011