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滏陽文化中心劇院位于河北省衡水市河陽路以南、紅旗大街以西、滏陽河以北、中心街以東，建筑面積約2.1萬平方米，是一座可為國內外表演團體提供功能齊全、技術先進、設備完善的多功能現代化觀演場所（圖1）。劇院舞臺形式采用“左中右”形式，即設有主舞臺、左側臺和右側臺。舞臺機械具有“升、降、推、拉”等多種變換形式，使表演的藝術造型、層次、動感更強。硬件、軟件配置均達到較先進的水平，符合目前國內劇場的發展趨勢。

圖1 劇院內景

1 劇院舞臺機械設備概況

1.1

臺上機械設備簡述

主舞臺的上空布置了40道電動吊桿、8道燈光吊桿、10道單點吊機以及4道側吊桿等吊掛設備，供演出時使用。在載荷允許的情況下，各吊桿可任意組合使用。另外，還有帶有可移動功能的假臺口側片和上片、金屬結構的防火幕和調速大幕、二道幕等設備。

1.2

臺下機械設備簡述

舞臺臺下設備包括4塊單層主升降臺，主升降臺采用鏈條式驅動，具有升降平穩、運行噪音低、安全可靠等優點。左、右側車臺各3塊，臺口前觀眾廳設置樂池升降臺/欄桿各1套，車臺下設置補償臺，在側車臺和主升降臺之間設置側輔助升降臺。在主舞臺區前部設置3個演員活門及1套演員升降小車。演員升降小車可在軌道上移動，根據演出需要移動到對應的活門下方。

2 控制系統總體特點

為確保劇院舞臺機械設備達到最佳演出效果，在總結以往工程設計經驗的基礎上，特別設計了一套先進可靠、安全合理的舞臺機械控制系統。主要具有以下特點。

2.1

實時性和高開放性

網絡拓撲采用典型的三層控制結構，即設備管理層、控制層、現場控制層。控制系統采用成熟可靠的現場總線控制系統FCS。管理層通信采用100 MB/s工業以太網，控制層通信采用傳輸速率為12 MB/s的PROFIBUSDP現場總線構成現場通信網絡。因為采用FCS控制系統，保證了系統的實時性和確定性。采用TCP/IP協議，保證系統的高開放性，使未來的擴充、升級方便簡潔。

2.2

整體安全可靠性高

各種控制設備及元器件都選用國際知名品牌，主控制采用西門子最新的S7-1500系列產品，使系統硬件的可靠性大大提高，保證系統長時間穩定工作。監控和管理的計算機采用研華工業型計算機。系統具有多重保護措施，能夠保證演出順利進行。即使計算機系統全部癱瘓，主控制系統失靈的情況下，還可用智能型手動控制系統運行。

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編碼器，實現速度閉環和位置閉環，調速比可達1∶100以上，實現高精度同步和定位。同時，變頻器具有零速伺服鎖定、抱閘控制、力矩和電流監控、過流、過壓保護、缺相保護、故障自診斷、手動操作等功能。

2.4

軟件的適用性

上位機操作軟件是專為劇院舞臺機械設備控制與操作而設計開發的。系統具有良好的人-機界面，操作簡單明確，具有設備運動參數的設定、編組、場景設置、圖形數字動態顯示、屏幕菜單操作、自動記憶、故障診斷、故障處理提示等功能。操作權限分為管理員、操作員等不同權限，由系統管理員進行分配。

2.5

安全保障系統

在舞臺各處裝有自鎖急停按鈕，一旦發生任何設備、人身安全時，可緊急停止舞臺設備運行。臺口區域都配有報警指示信號，在設備每次運行時閃爍報警。

3 控制系統中單體設備的安全傳感保護裝置

3.1

限位裝置

對臺上/臺下升降設備都配有上限位/下限位、上超程/下超程等四個機械開關，限位與超程開關之間留有一定的位置間距。

3.2

疊繩/松繩保護功能

臺上卷揚機系統在卷筒組件設有防止疊繩的檢測裝置，在柵頂安裝松繩檢測裝置。

3.3

升降臺防剪切裝置

臺下設備在其整個行程范圍內，對形成剪切面的危險區域安裝帶有機械式緩沖裝置的防剪切條。當發生剪切故障報警時，快速安全停止升降臺。

3.4

車臺防撞裝置

車臺端部設置安全防撞裝置，當運行方向遇到障礙物時，立即停車。

4 控制系統中單體設備軟件的安全保護

4.1

軟限位保護

在軟件中設置每個設備最大的行程范圍，包括上軟限位和下軟限位；操作人員只能在此范圍內進行目標位置的設置。該功能由上位機軟件提供。

4.2

載荷安全保護

當實際載荷超過該設備120%的額定載荷時，設備不能提升運行，該功能在此工程中由變頻器實現。

4.3

安全極限速度

限制電機的最大運行速度，設置為電機額定轉速的1.1倍高檔舞臺設備，該功能通過變頻器參數設置并實現。

4.4

位置誤差控制

實時檢測設定的位置曲線值與實際位置之間的誤差，當超出允許的誤差范圍時，即發出停車信號。該功能在此工程中由變頻器實現。

4.5

安全方向控制

保證電動機只能按規定的方向運行，以避免事故進一步發展。在設備的安全開關觸發進行事故處理后，設備第一次運轉的方向必須是產生事故的反方向，即向減少事故趨勢的方向運行。該功能在吊桿發生松繩/疊繩保護后、升降臺發生剪切故障后、車臺發生碰撞故障后起效，如升降臺上升時防剪切開關觸發停機后，處理事故后升降臺的運行方向必須是下降。該功能由主控制器S7-1500實現。

5 控制系統編組安全控制

編組功能主要用于兩個及兩個以上機械設備共同承載同一道具，由操作員在上位機進行編制。編組中的所有設備必須是以相同速度同步運動并移動相同的距離，即時間位移同步。在編組設備運行過程中，主控制器監控該編組內所有設備的位置與速度高檔舞臺設備，當該組中任一設備的速度或位置超過允許誤差范圍時，主控制器向該編組內所有變頻器發送緊急停止命令，避免道具傾翻及扭曲等危險情況的發生。

6 控制系統中設備連鎖安全保護

在控制系統中，必須充分考慮到設備運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備連鎖條件時，才能進行操作。臺上設備連鎖較少，主要考慮假臺口上片與鋼碼頭安全門之間的連鎖。以下詳細介紹臺下設備之間的連鎖關系（本節只講述設備與設備之間的連鎖關系，單個設備的安全連鎖不再復述）。

6.1

樂池升降臺與欄桿的連鎖

樂池升降臺與欄桿運行設置連鎖保護，防止觀眾跌入到樂池中。

6.2

主升降臺、樂池升降臺與安全門連鎖

當設備安全門打開時，主升降臺、樂池升降臺不能再繼續啟動運行。

6.3

車臺與主升降臺、補償臺的連鎖

（注：由于補償臺不承受外載荷，因此對于車臺運行平面的選擇需要先將車臺運行到主升降臺上，通過操作主升降臺來達到切換平面的目的。)

6.4

主升降臺與安全鎖的連鎖關系

6.4.1 連鎖應用背景

為保證主升降臺能在最大靜荷載下保持定位，不會因載荷長期作用而下沉，因此，在每個升降臺內安裝四個安全鎖裝置。安全鎖分別布置在升降臺的左前、左后、右前、右后等四個位置，跟隨升降臺運行。在對應每個升降臺的基坑處安裝西門子S71212C DC/DC/REALY型現場控制器，用于控制安全鎖的伸縮動作并反饋狀態。

在對安全鎖控制時，需要提前介入鎖定，以升降臺在0平面鎖定為例，需要先將升降臺上升10 mm，然后鎖定，鎖定動作完成后，再將升降臺運行到0平面。為方便用戶操作，在上位機操作軟件中提供兩種操作方式，手動和自動。操作員可以根據實際需要采用不同的操作方式。

6.4.2 連鎖的邏輯實現

6.4.2.1 手動模式時升降臺邏輯實現

6.4.2.2 自動模式時升降臺和安全鎖的邏輯實現

程序采用狀態機邏輯進行處理，完整動作流程如下。

在程序執行時，可根據實際情況直接進入到某一動作，再按順序執行。如執行過程中發生非預期狀況時，將觸發動作錯誤標志并復位升降臺啟動命令。

6.4.2.3 自動模式時安全鎖安全監控

在安全鎖自動鎖定或解鎖時，對其自動運行時間進行監控，防止安全鎖在運行過程中發生堵轉等情況。當超過設定的合理時間時，立即停止運行，并產生“安全鎖運行超時”報警信息在上位機中顯示。

6.4.2.4 手動模式時安全鎖的操作

安全鎖的手動控制，升降臺必須在靜止狀態下，并在允許的位置范圍內時，才能進行操作，在手動操作期間，同樣需要對其運行時間進行監控。

選自《演藝科技》2020年第3期張永江《滏陽文化中心劇院舞臺機械控制系統簡介》，轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技》。

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