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江蘇大劇院包括2 280座的歌劇廳、1 001座的戲劇廳、1 505座的音樂廳和2 700座的大綜藝廳，還有760座的小綜藝廳以及附屬配套設施，可滿足歌劇、舞劇、話劇、戲曲、交響樂、曲藝和大型綜藝演出功能需求，具備接待世界一流藝術表演團體演出的條件和能力，也是公眾的文化活動場所。

1 歌劇廳舞臺機械構成

江蘇大劇院歌劇廳舞臺為鏡框式舞臺，由主舞臺、左、右側舞臺及后舞臺構成“品”字型平面結構。臺口最大尺寸為18.4 m（寬）×12 m（高），主舞臺區進深可根據劇情需求調整，通常為25 m，打開后區防火幕，主舞臺表演區可延伸至35.4 m，從樂池到后舞臺區的最大進深達57 m，舞臺總寬達68 m。

整個舞臺具有“升、降、推、拉、轉”等多種變換形式，舞臺機械設備縱剖面布置圖見圖1，使表演的藝術造型、層次、動感更強。

臺下設備見圖2，主要包括6塊雙層可傾斜主升降臺、12塊側臺車臺和側臺補償升降臺、12塊側臺輔助升降臺、前后輔臺、存儲臺、后車臺、后轉臺、后圓環、后補臺、芭蕾臺、2塊樂池升降臺、1條樂池升降欄桿，3塊樂池座椅臺車等。

臺上設備見圖3，主要包括75道電動吊桿、18道燈光吊桿（共6組，每組分左中右3根）、1道LED大屏吊桿、2套安全防火幕、14套自由單點吊機、大幕、二幕、假臺口等吊掛設備；在主舞臺兩側共有8道側吊桿、6道馬道吊桿、12套側燈光吊籠、2道后區側燈光吊桿，左右側舞臺上空各配置了6套裝景吊機；后舞臺上空設有14道后臺電動吊桿續接主舞臺吊桿，滿足縱向布景等需要；臺口外設有1道臺口外字幕屏吊桿，22套臺口外單點吊機等，見圖1～圖3。

圖1 設備縱剖面布置圖

圖2 臺下設備平面布置圖

圖3 臺上設備平面布置圖

舞臺機械的性能在一定程度上主要取決于控制系統的性能。控制系統的安全可靠性直接影響到舞臺機械的安全可靠性，其人機界面決定了操作的方便程度。劇廳舞臺機械控制系統采用了德國BBH舞臺技術有限公司的INTECON舞臺機械專用控制系統，其安全性符合歐洲最高級別安全性等級EN 61508的SIL3。

2 INTECON舞臺機械控制系統

INTECON舞臺機械專用控制系統以主控制臺、移動控制臺、就地控制盤等作為操作平臺實現系統控制；配置數據庫服務器，通過混合型網絡結構，在用戶層面進行成組及組間的控制；在服務器層對驅動器（軸控制單元、變頻器）層面進行（舞臺機械超過200多個傳動軸）驅動和控制。系統構架如圖4。

圖4 INTECON控制系統架構

2.1

用戶層

系統操作站層可同時連接20個權限相等的各種形式的控制臺舞臺臺下機械，根據需要，每個控制臺均可對臺上、臺下機械進行控制，也可通過適當的參數設置屏蔽其他控制臺的功能。歌劇廳配置了主操臺、移動操作臺、離線工作站、移動安全控制器、大幕操作盤。

2.2

服務器層

系統配置2臺Show-controller主控制器，實現冗余配置。Show-controller在INTECON系統中是一個中央處理單元,原理圖見圖5。由DK（數據信號集中器）數據管理計算機和DP（驅動處理器）組成。所有內部和外部鏈（連）接均以以太網為基礎，以內部交換機為條件。

圖5 Show-controller控制原理框圖

Show-controller的一個重要特征是有一個內部以太網交換機，在網絡中所有外部和內部數據均通過這個交換機，除所提供的可選的操作面板（臺）外，它還可以用作系統的外部處理（如工作站），另外，它可以通過ISDN實現遠程診斷。所有前面所述的數據都是以TCP/IP協議進行處理。由于驅動處理器的實時要求，系統這部分的數據是通過由BBH開發的特殊的協議（DB×SAVENET）進行處理。反過來，DK（數據信號集中器）主要負責數據存儲和系統配置的管理和組織。

2.3

驅動層

驅動層主要器件是BBH軸控制器、SEW公司MDX61系列變頻器。

（1）軸控制器（Axis Controller），一個用于驅動設備的可編程控制器，是專門用于舞臺機械的控制器，見圖6、圖7。軸控制器的應用不但增強了系統的可靠性、大大縮短了調試時間，而且也方便了調試和維修。為了遵守DIN-0801標準，每個驅動都由一個控制計算機與一個監控計算機控制。此外，這個雙重系統具有不同的性質?？刂朴嬎銠C與監控計算機所用的不是同一個處理器，因此，兩個系統的相互作用消除系統的錯誤，另外還集成典型的安全設備元件，如雙口存儲器或一個特殊的看門狗回路。

圖6 軸控制器外觀

圖7 軸控制器原理圖

軸控制器采用鐵殼封裝，即使在很接近變頻器或其他開關裝置情況下，也具有極強的抗干擾性，控制和信號連接位于設備正面，狀態LED燈及一個7段顯示器為調試和維修提供技術幫助。

為了處理更多的信號，軸控制器還備有足夠的模擬和數字輸入輸出信號接口，這些信號兼容各國特定的安全信號或在臺下設備中經常出現的各類系統所特有的信號。

（2）變頻器采用智能矢量變頻器，帶有安全扭矩關斷（STO）功能，通過硬線接受控制指令，驅動調速設備。其主要特點有：

? 在電機速度為零時，其輸出轉矩可達額定轉矩的150%；

? 其閉環運行能達到1:800的調速比。

軸控制器、變頻器通過現場編碼器提供增量TTL、絕對值SSI信號，完成速度閉環、定位功能。

（3）網絡：INTECON系統采用以太網傳送數據，高速以太網的數據傳送，保證了系統的實時性，以達到設備運行的同步，每個軸控制器與網絡均為雙路連接，網絡部件為冗余配置，當任何部件故障時，網絡均能繼續運行。

（4）遠程維護：運行過程中的任何錯誤均可由主控制器、軸控制器的檢測系統來診斷故障部位。工程技術人員可以通過ISDN進入INTECON系統對舞臺機械進行有效的遠程檢測、診斷并快速修復，系統的安全防護和授權限制保證只有授權者才有權遠程訪問系統。

3 控制系統描述

INTECON舞臺機械專用控制系統是一個全面解決舞臺設備控制的方案。主控制系統提供正常情況下的全功能控制與操作，包括單體設備的控制、設備聯鎖、設備狀態監視、預選擇設備、設定運動參數、編組運行、場景記憶、場景序列、故障診斷、系統維護、操作向導等，主要操作包括屏幕窗口、圖形、表格方式結合功能鍵盤或鼠標，并有適當的手動介入功能；可靈活進行返回、重復、跳躍和連續運行等操作。

為了充分滿足裝臺、排練、演出等各種控制與操作要求，主控制系統的操作設備是多個操作臺的組合，包括：主操作臺、移動式操作盤，以方便在主控制室、舞臺臺面、臺下、各層天橋等不同位置完成對設備運動的監控。

4 控制系統的關鍵設備與控制方案

4.1

現場傳感器

現場傳感器指獨立安裝在現場的用于檢測速度、位置、限位、負載以及其他信號的專用器件或裝置，包括速度閉環增量編碼器、位置測量拉線編碼器或測距機構、稱重的載荷傳感器、各設備限位開關、安全門開關、防剪切開關等。

4.1.1 速度、位置連續檢測裝置

速度連續檢測裝置一般安裝在傳動軸上，選用增量型旋轉編碼器，其解相度通常為1 024 p（脈沖）/r（圈）。安裝增量編碼器的設備有主升降臺、側車臺、后車臺、芭蕾臺，臺上吊桿類設備。增量編碼器是速度閉環控制關鍵元件，見圖8，選用瑞士ELCO公司產品，臺下升降臺采用EC-120RP，其他采用EC100RP。

圖8 增量型旋轉編碼器

位置連續檢測裝置一般安裝在傳動裝置側或能反映舞臺機械設備實際運行位置的地方，選用解相度通常為10 p（脈沖）/mm（舞臺機械設備的行程）增量型旋轉編碼器或絕對值型旋轉編碼器。圖9顯示組合編碼器+拉繩機構，組成拉線編碼器。

圖9 組合編碼器+拉繩機構圖

拉線編碼器是由拉線機構和編碼器組成，多用在臺下設備主升降臺、樂池升降臺，拉線編碼器采用ELCO的LD-15000-AR-EAMM 58系列，配套編碼器是絕對值編碼器，信號接口SSI。

臺上位置檢測裝置安裝在卷筒傳動軸上，采用ELCO EAMM 58系列絕對值編碼器，信號接口SSI。

4.1.2 限位檢測裝置

臺上限位開關選用美國SUNSr SN5108 RD：將凸輪開關與吊桿卷筒軸相連，凸輪開關包含四副觸點，兩副進主控制系統，做限位、極限保護，兩副進緊急驅動系統，行程保護作用。

臺下限位開關選用美國SUNSrSN5108 RD：臺下設備多在適當位置安裝直接撞擊式限位開關，限位開關一般為擺臂式觸發開關。

4.1.3 防剪切檢測裝置

臺下升降臺邊沿以及和升降臺相鄰的固定邊多配置安全邊保護裝置。此裝置是由安全條和緩沖裝置組成，安全條內部是由2條銅導體組成，當其受擠壓，銅導體導通，給控制系統發送信號。

防剪切開關包括：運動的升降臺（或升降臺組）與靜止臺之間產生的剪切、同向運動的兩升降臺之間由追越產生的剪切、相向運動的兩升降臺之間產生的剪切。

運動的升降臺（或升降臺組）與靜止臺之間產生剪切時，運動升降臺立即停車；同向運動的兩升降臺之間，因產生剪切或相向運動升降臺產生剪切時，按照編組設備事故處理的原則，立即停止所有運動的升降臺。設備（或設備組）的再次啟動，只能向減小事故即“反剪切”的方向運動。

4.1.4 側車臺防擠壓（碰撞）開關

在車臺兩端設置鉸鏈檔板和擺臂式行程開關，當車臺前進或后退遇障礙物，檔板遇阻沿鉸鏈軸轉動一定角度，觸發行程開關動作。

控制系統在車臺前端安裝無線發射器，無線接收器安裝在側輔臺處。前述行程開關動作后，觸發無線發射器發射信號，無線接收器接收信號后其繼電器動作，繼電器觸點信號進PLC輸入點。通過軟件編程，發出停止命令，側車臺變頻器緊急停止。

4.2

變頻控制系統

通過以太網接受控制指令，驅動調速設備。臺上變頻控制柜44臺，驅動電動吊桿、燈桿、側吊桿、后吊桿、單點吊機等；臺下變頻柜18臺，驅動主升降臺、側車臺、后車臺（含轉臺、圓環）、芭蕾臺。臺上變頻控制柜見圖10，臺下變頻控制柜見圖11。

圖10 臺上變頻控制柜框圖

圖11 臺下變頻控制柜框圖

4.3

定速設備控制柜

軸控制器或PLC從站通過以太網接受控制指令，通過直流接觸器驅動定速設備。軸控制器定速設備控制柜見圖12，PLC控制定速設備控制柜見圖13。

圖12 定速設備控制柜框圖

圖13 PLC定速設備控制柜框圖

4.4

速度偏差保護、超過同步誤差時的防護

機械設備驅動系統能自動識別不允許的、會造成危險狀態的速度偏差。當達到規定的速度偏差值時；在異步關聯運動中（相當于安全型編組），組內設備以復雜的速度、行程等參數組合運行，操作的失誤將導致場景及設備碰撞或損壞等危險情況。速度、位置控制是舞臺機械重要控制項，精確實現速度、位置控制，即可完成速度偏差保護。

INTECON控制系統由以下三個重要環節保證。

異步關聯運動、高速監控組通過上述硬件配置和DP、DB運算處理，通過快速實時的通信網絡，實現速度偏差保護。速度偏差到達一定范圍后，超過同步誤差停止編組運行。

4.5

超行程（緊急限位）開關

舞臺機械是要在一定空間范圍內運行的，任何超出行程范圍的運行對設備自身或周邊設備都是風險，所以舞臺機械系統會設置軟限位、行程限位、超行程限位，更有機械限制等保護措施。歌劇廳超行程限位在電氣控制系統中作如下處理。

（1）調速設備：所有調速設備的驅動層均配置變頻器、軸控制器，所有運行、安全管理都是由軸控制器完成，變頻器執行，軸控制器有安全型輸入電路，該電路串聯了幾類重要的保護開關，這一電路稱“安全鏈”，超行程開關是“安全鏈”中一環。當超程開關激活后，“安全鏈”斷開，軸控制器發緊急停止命令關斷變頻器“STO”，舞臺機械“0”類停車。

（2）定速設備：所有定速設備的驅動層均配置了主接觸器、正反轉接觸器，所有運行、安全管理都是由安全型PLC（非標準PLC）完成，雙接觸器執行，安全型PLC有安全型輸入模塊，超行程開關是由安全型PLC輸入模塊處理信號，當超程開關激活后，由安全型PLC、安全型輸出模塊發緊急停止命令關斷接觸器線圈電壓，舞臺機械“0”類停車。

4.6

超速保護

超速保護是基于主控制器、軸控制器、變頻器、編碼器系列配置完成的速度控制保護功能，在主控制器、軸控制器、變頻器內均可設定速度閥值，如1.25倍，在故障情況下，當設備驅動裝置的速度超過額定速度并達到1.25倍額定速度時，設備會立即停止，同時切斷制動器電源，“0”類停車。

4.7

設備聯鎖

容易產生危險又相互關聯的設備，屬于異步關聯（連鎖性）編組，它們只能按一定的聯鎖關系運動。不滿足聯鎖關系，設備不能運動，以免發生危險。如側車臺與輔助升降臺、主升降臺的聯鎖運動，車載轉臺與前、后輔助升降臺、主升降臺的聯鎖運動，防護門、鎖緊裝置與主升降臺的聯鎖運動等通過PLC軟件編程滿足要求。

進出樂池的門與樂池升降臺的聯鎖關系，演員升降小車與演員活門的聯鎖，目前國外、國內做法會有差別。國外劇場，多是設置電磁門鎖，電磁門鎖分彈簧鎖定型和電磁鎖定型。江蘇大劇院歌劇廳采用設計安裝門檢測開關，開門/關門信號由PLC I/O數字采集模塊采集，PLC中央控制器處理，軟件編制時，將設備相關的安全信號與聯動中的安全因素，關聯為該設備允許運行的前提，不滿足關聯條件，如門開，安全繼電器會關斷軸控制器安全鏈。

如演員活門是手動，就不存在和演員升降小車連鎖控制。

4.8

聯鎖取消

INTECON控制系統設置了聯鎖取消功能，用于緊急情況事故處理或維護使用。通過控制柜內兩組開關實現，一組取消后車臺位置聯鎖，另一組取消其他臺下設備之間的聯鎖。聯鎖取消是一種危險的操作方式，取消前必須經人工安全確認，并有專人監護。

4.9

載荷測定和超載保護

載荷測定系統將測量到的實際有效載荷值傳輸到控制臺，控制臺顯示數據供操作人員參考。

分析裝置和控制系統將確保在120%額定載荷（過載）時關閉驅動。一旦過載，將立即停止機械設備的運轉（過載檢測后的允許行程：最大0.50 m）。關閉驅動后，可以將其移回至安全位置（例如：載荷釋放）。

載荷測定是對升降設備的載荷測定，用于考核設備的驅動系統、制動裝置、傳動系統、支撐和承載結構在運動和靜止狀態下負載能力的考核，分機械性能測試和電氣性能測試舞臺臺下機械，電氣測試包括制動器測試、電氣載荷傳感器或電流保護功能測試。

（1）升降臺載荷測試

如圖14 ， 升降臺有四個提升點, 升降臺載荷等于Load1+Load2+Load3+Load4，在控制上Load1、Load2一并接入左側驅動載荷變送器、左側軸控制器，Load3、Load4一并接入右側驅動載荷變送器、右側軸控制器，可滿足偏載測量。

圖14 升降臺載荷示意圖

（2）吊桿、燈桿載荷測試

圖15為吊桿、燈桿載荷測試方案圖。力學分析：卷筒和減速機是一體。圖示“S”型傳感器受拉力，根據力矩平衡、力臂長度關系，可計算出吊桿的重量。

圖15 吊桿載荷示意圖

傳感器信號經變送器、軸控制器處理，可在操作臺界面顯示吊桿掛重荷載。稱重傳感器信號參與控制，確保在120%額定載荷（過載）時關閉驅動。一旦過載，立即停止機械設備的運轉（過載檢測后的允許行程：最大0.50 m）。關閉驅動后，可以將其移回至安全位置（例如：載荷釋放）。

如果沒有載荷測定系統設備，也可通過測定電流來切斷過載。

5 結束語

舞臺機械控制系統是保證舞臺機械穩定、安全和可靠運轉的核心系統之一，它所具備的功能是以確保演職人員、劇場管理和操作人員的安全以及舞臺機械設備、演出場景的安全為前提，它的所有工作都是為舞臺機械的安全運行服務。江蘇大劇院歌劇廳設計采用了德國BBH INTECON控制系統，符合歐洲安全等級SIL3。主控制器與現場交換機、軸控制器通信采用雙回路100M工業以太網，每臺設備兩根網線冗余配置，實現安全可靠、快速實時的數據傳輸。自2018年3月正式試運行以來，特別是5.19大型綜藝晚會“家在江蘇”，整個演出過程調用了歌劇廳舞臺機械的全部功能，所有的舞臺機械設備都在演出中扮演了角色，出色地完成了任務，體現了INTECON控制系統的先進性、安全性、可靠性；同時整個系統經中國藝術科技研究所國家舞臺設備檢測中心整體測試后全部合格，達到了設計方與業主方的技術要求。

選自《演藝科技》2019年第2期蔡建清《江蘇大劇院歌劇廳舞臺機械控制系統》，轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技》。