舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

王斌

（甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，甘肅　蘭州　730050）

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

王斌

（甘肅工大舞臺(tái)技術(shù)工程有限公司，甘肅蘭州730050）

舞臺(tái)機(jī)械是機(jī)電一體化與舞臺(tái)藝術(shù)表演緊密結(jié)合的新興工程，通常采用現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備與電氣技術(shù)相結(jié)合，再輔以自動(dòng)控制系統(tǒng)作用的聲光效果，使現(xiàn)代的舞臺(tái)充滿美感。舞臺(tái)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是確保舞臺(tái)機(jī)械穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的保證。

舞臺(tái)機(jī)械；控制系統(tǒng)；合理；安全；可靠 ；穩(wěn)定

1　控制系統(tǒng)的主要作用

以甘肅大劇院為例淺談電氣控制設(shè)計(jì)在舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)中的主要作用，隨著甘肅經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和區(qū)域功能的日益凸顯，文化藝術(shù)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(fēng)景。作為中國的十大劇院之一，是絲綢之路的一個(gè)重要的文化符號(hào)，傳承著一帶一路的文化精神。劇院設(shè)計(jì)恢弘大氣，舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備齊全，包括了

“推、拉、升、降、轉(zhuǎn)、縮、傾斜及其組合功能”的舞臺(tái)機(jī)械成套產(chǎn)品，是甘肅乃止西北一流的文化演藝場(chǎng)館。采用德國西門子PLC1500，諾德變頻器，全巨陣切換方式的設(shè)計(jì)理念，保證了所有硬件設(shè)計(jì)的合理搭配，滿足了設(shè)備動(dòng)態(tài)的可視化，軟件操作的人性化要求。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）使舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生或中止所希望與期望的運(yùn)動(dòng)，只有在選定某設(shè)備或設(shè)備組并發(fā)出指令后，該設(shè)備或設(shè)備組才能運(yùn)行，否則保持停止?fàn)顟B(tài)。

2）控制舞臺(tái)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和動(dòng)力狀態(tài)，即運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位移、相關(guān)行程、以及同步運(yùn)動(dòng)、順序運(yùn)動(dòng)、特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)等。

3）限制舞臺(tái)設(shè)備在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即最大行程控制，在非正常狀態(tài)下，依靠緊急停車裝置停止設(shè)備運(yùn)動(dòng)。

4）能為操作人員提供簡(jiǎn)單而清晰的設(shè)備狀態(tài)指示，以避免可能導(dǎo)致危險(xiǎn)或損壞設(shè)備的動(dòng)作，顯示包括載荷、速度、位移、位置與相關(guān)設(shè)備的對(duì)等關(guān)系等。單個(gè)設(shè)備或設(shè)備組的運(yùn)行參數(shù)、場(chǎng)景參數(shù)、場(chǎng)景序列、故障信息及其它管理需要的信息。

5）控制系統(tǒng)應(yīng)保證所有受控設(shè)備穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，且易進(jìn)行零部件的更換維修。

控制系統(tǒng)的主要作用可以解釋為：把分散在一定范圍的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（被空對(duì)象），位置及速度監(jiān)視系統(tǒng)（測(cè)量、比較、反饋元件）和設(shè)備連鎖系統(tǒng)（檢測(cè)），緊急停機(jī)系統(tǒng)（事故防范）等，集成為可編程的智能系統(tǒng)、邏輯系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，處理來自這些系統(tǒng)的多路信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能動(dòng)作安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2　舞臺(tái)機(jī)械對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

甘肅大劇院臺(tái)下臺(tái)上設(shè)備數(shù)量較多，各設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)，在確保設(shè)備功能充分發(fā)揮的同時(shí)，也要確保演職人員、劇場(chǎng)管理人員和操作人員的安全以及舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備和演出場(chǎng)景的安全。控制系統(tǒng)的所有工作都是為舞臺(tái)機(jī)械的安全運(yùn)行服務(wù)的，控制系統(tǒng)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(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

1）具有可選擇的操作位置，在控制室、舞臺(tái)平面、各層天橋、柵頂、臺(tái)倉等不同位置均能完成對(duì)各區(qū)設(shè)備的操作，除了固定的操作臺(tái)，還應(yīng)配備移動(dòng)式、便攜式或垂掉式操作盤，以便操作人員在運(yùn)動(dòng)設(shè)備附近進(jìn)行直觀的操作。

2）多操作臺(tái)（盤）的操作模式。

設(shè)置模式：進(jìn)行在設(shè)定位置與速度限定范圍內(nèi)的單個(gè)設(shè)備的操作。

參數(shù)模式：可以對(duì)設(shè)備或設(shè)備組的位置、速度、加速度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可單個(gè)設(shè)備運(yùn)行，也可多個(gè)設(shè)備編組運(yùn)行，設(shè)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(shù)模式中設(shè)定的數(shù)據(jù)，按場(chǎng)景序列運(yùn)行，即設(shè)定每一場(chǎng)景的設(shè)備動(dòng)作變化順序和場(chǎng)景的順序，通過主控操作臺(tái)（盤）完成設(shè)定的場(chǎng)景及其順序變化，任何一種模式在運(yùn)行過程中都可以進(jìn)行人為干預(yù)，是非常有用和常見的。各種操作臺(tái)（盤）之間操作不能相互沖突，即某一設(shè)備在某一操作臺(tái)（盤）選擇之后，其它操作臺(tái)（盤）不能再選。

3）具有運(yùn)行指示系統(tǒng)和安全開關(guān)，運(yùn)行指示系統(tǒng)包括紅、黃、綠三個(gè)指示燈，安裝在易于觀看又不影響舞臺(tái)演出效果的合適位置，便于異地操作人員進(jìn)行安全確認(rèn)，信號(hào)反饋，方便操作。

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

5）具有緊急停機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備急停的預(yù)備功能是避免產(chǎn)生或減小已經(jīng)存在的對(duì)人的各種危險(xiǎn)，對(duì)機(jī)械設(shè)備或?qū)M(jìn)行中的工作的危害。急停裝置應(yīng)該便于操作，設(shè)置在易于接近的地方，急停功能不能削弱為解脫陷入危險(xiǎn)的人而設(shè)計(jì)的保護(hù)措施。急停裝置必須采用強(qiáng)制機(jī)械作用原則的設(shè)計(jì)，即具有肯定斷開的操作，而且持續(xù)保持，等待危險(xiǎn)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(jìn)行復(fù)位操作。

6）具有預(yù)設(shè)定與操作功能，所有主控制系統(tǒng)的操作臺(tái)（盤）均具有預(yù)設(shè)定功能，可以對(duì)被控設(shè)備或設(shè)備組進(jìn)行預(yù)選擇，對(duì)各種運(yùn)動(dòng)模式及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)定，清晰的顯示設(shè)備狀態(tài)，滿足條件后，預(yù)設(shè)動(dòng)作才可以執(zhí)行。

7）啟動(dòng)功能，當(dāng)設(shè)備電源恢復(fù)，故障剛排除后設(shè)備不可自行啟動(dòng)。

8）其他相關(guān)功能，備份支持，實(shí)行必要的冗于設(shè)計(jì)，保障設(shè)備在故障情況下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)且不丟失數(shù)據(jù)。

3　舞臺(tái)機(jī)械電氣控制專業(yè)化設(shè)計(jì)的要求

甘肅大劇院臺(tái)下設(shè)備較多，升降臺(tái)、側(cè)車臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)，補(bǔ)償臺(tái)，微動(dòng)臺(tái)，階梯升降臺(tái)、合唱臺(tái)、指揮臺(tái)、各功能塊相互交錯(cuò)，運(yùn)動(dòng)空間相互交叉，左右平移、前后平移，上下升降同時(shí)進(jìn)行，運(yùn)行系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。這就要求電氣設(shè)計(jì)的專業(yè)化：

1）被控舞臺(tái)機(jī)械項(xiàng)目，特點(diǎn)及其技術(shù)參數(shù)都要詳細(xì)列舉，需要機(jī)械專業(yè)和電氣專業(yè)的密切配合，便于電氣與控制專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2）需要同步運(yùn)行的設(shè)備及同步運(yùn)行的數(shù)量，需要的同步精度和位置精度。

3）預(yù)計(jì)的設(shè)備編組，設(shè)備編組類別（鎖定型，安全型，連鎖型或自由型），以及設(shè)備組內(nèi)設(shè)備的名稱和數(shù)量。有電氣連鎖關(guān)系的設(shè)備，應(yīng)提出設(shè)備動(dòng)作的必要連鎖條件，只有滿足條件后，設(shè)備才能運(yùn)行。設(shè)備編組運(yùn)行中的所有設(shè)備，在各自滿足了自身的連鎖條件后，編組運(yùn)行才能實(shí)施。

4）系統(tǒng)容量要求，即可以控制的同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量，應(yīng)給出不同設(shè)備的名稱，數(shù)量，單機(jī)功率和總功率。

5）控制分區(qū)和區(qū)內(nèi)被控制設(shè)備。根據(jù)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的工藝布置，設(shè)備運(yùn)行的區(qū)域，操作人員的觀察條件，綜合考慮劃分控制分區(qū)，進(jìn)行電氣控制設(shè)計(jì)，配備相應(yīng)的操作臺(tái)（盤）。

6）安全保護(hù)開關(guān)及裝置的具體設(shè)計(jì)要求。舞臺(tái)機(jī)械的安全開關(guān)類型很多，功能和作用各異。

超載保護(hù)：升降設(shè)備的超載保護(hù)是設(shè)備安全的重要措施。

速度偏差保護(hù)：保證設(shè)備組內(nèi)相關(guān)設(shè)備速度、行程等參數(shù)運(yùn)行的一致性。

超行程開關(guān)：在行程開關(guān)失效時(shí)停止設(shè)備運(yùn)行。

松繩保護(hù)開關(guān)：提升機(jī)械使用的鋼絲繩、鏈、帶等元件作為承載時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)開關(guān)，在低荷載時(shí)（承載件松弛時(shí)）狀態(tài)下使設(shè)備在其運(yùn)動(dòng)方向停止。

跳槽保護(hù)開關(guān)：當(dāng)鋼絲繩發(fā)生跳槽時(shí)，跳槽保護(hù)開關(guān)被激發(fā)，設(shè)備在其運(yùn)動(dòng)方向停止，向相反方向的運(yùn)動(dòng)才是允許的。（禁止松繩保護(hù)開關(guān)和跳槽保護(hù)開關(guān)采用同一機(jī)構(gòu)）

升降臺(tái)防剪切開關(guān)：運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)和靜止的臺(tái)體；同向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)臺(tái)體；相向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)臺(tái)體之間都有產(chǎn)生剪切的危險(xiǎn)。防剪切開關(guān)激發(fā)后，應(yīng)區(qū)別不同情況確定升降臺(tái)下次啟動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方向，使以存在的風(fēng)險(xiǎn)減小而不是擴(kuò)大。

設(shè)備連鎖開關(guān)：屬于連鎖性編組（異步關(guān)聯(lián)）相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備，只能按一定的連鎖關(guān)系運(yùn)動(dòng)，不滿足規(guī)定的連鎖條件設(shè)備不能運(yùn)動(dòng)，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

超過額定速度時(shí)的防護(hù)，超過同步誤差時(shí)的防護(hù)，都是非常重要的防護(hù)措施。

總之，舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提是正確理解設(shè)備的安全功能。由于電氣設(shè)備的失效或故障可能導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)生危險(xiǎn)的工作狀態(tài)，進(jìn)而造成對(duì)人員的傷害或設(shè)備損壞，所以必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员M量減小這種危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

［1］ 許宏莊，趙伯仁，李晉奎，劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

［2］ JGJ57-2000劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．中國建筑設(shè)計(jì)研究院，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

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