馬剛 江蘇省廣播電視總臺

1．引言

隨著演出技術(shù)的不斷發(fā)展，各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在演出中得到廣泛應(yīng)用，舞臺設(shè)備的機械化、智能化發(fā)生了巨大的變化，為藝術(shù)家們提供了豐富的創(chuàng)造手段，增強了演出的藝術(shù)效果和感染力。舞臺機械是現(xiàn)代化劇院的必要設(shè)備，已成為舞美技術(shù)水平和劇院功能的一個重要因素。

荔枝大劇院位于江蘇省廣播電視總臺廣電城裙樓2-5層，它主要由一個建筑平面呈馬蹄形的觀眾廳、一個標準的品字形舞臺以及相關(guān)的輔助空間及技術(shù)用房組成。劇院在2008年建成啟用時配備了一套舞臺機械系統(tǒng)，配備了包括升降樂池、主升降臺、旋轉(zhuǎn)舞臺和高速吊桿在內(nèi)的眾多舞臺機械設(shè)備。建成至今已有十年時間，設(shè)備相對陳舊，電氣控制技術(shù)相對落后，各項安全措施更需完善和提高。

2017年根據(jù)總臺對劇院的總體定位要求，需要對荔枝大劇院進行整體改造。改造后的劇院和總臺荔枝廣場、文創(chuàng)融為一體，成為一個公共文化載體。舞臺機械系統(tǒng)的改造也是荔枝大劇院改造的一個重要組成部分。

2．舞臺機械系統(tǒng)改造前狀況及存在的問題

圖1　荔枝大劇院改造效果圖

圖2　舞臺機械概況圖

荔枝大劇院的舞臺機械配置分為臺下設(shè)備和臺上設(shè)備兩部分。臺下設(shè)備有1道升降欄桿、1臺樂池升降臺、4臺主升降臺、1臺道具升降臺、8臺側(cè)車臺、1臺車載轉(zhuǎn)臺、1臺演員升降小車及3臺電動活動蓋板。臺上設(shè)備有1套臺口防火幕、1套大幕機、2套二道幕機、92道各類吊桿、10臺單點吊機、8套燈光吊籠。

劇院舞臺機械設(shè)備從2008年投入使用至2017年的10年間，舞臺機械設(shè)備使用頻率高，導(dǎo)致設(shè)備不同程度的磨損、損壞等，部分設(shè)備使用頻率低，甚至長期不用，導(dǎo)致設(shè)備是否還能正常投入使用，存在不確定性。在改造前，通過對舞臺機械系統(tǒng)的仔細勘察、檢測，匯總出舞臺機械系統(tǒng)存在的問題，主要有：

（1）現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的操作臺已經(jīng)過于陳舊，功能上不能完全適應(yīng)現(xiàn)代藝術(shù)的表演要求；

（2）主升降臺、道具升降臺的傳動軸、換向器、輔助驅(qū)動、電液制動器等關(guān)鍵設(shè)備性能下降，存在安全隱患；

（3）后車臺、轉(zhuǎn)臺及側(cè)車臺的驅(qū)動系統(tǒng)的行走輪、旋轉(zhuǎn)輪由于長期使用，磨損老化嚴重；

（4）主舞臺區(qū)大幕機、電動吊桿、前檐幕吊桿、紗幕吊桿、燈光吊桿、燈光吊籠、側(cè)吊桿等臺上設(shè)備由于使用年限較長，鋼絲繩和滑輪均有不同程度的磨損，部分鋼絲繩甚至出現(xiàn)起芯現(xiàn)象，繼續(xù)使用存在較大的安全隱患；

（5）臺下設(shè)備剪切條比較陳舊，安全隱患較大；（6）側(cè)車臺防撞機構(gòu)技術(shù)陳舊，存在安全隱患；

（7）舞臺幕布老舊，阻燃性能下降，已不符合消防部門使用要求；

（8）燈光吊籠籠體升降的卷揚機未配備亂繩、松繩保護裝置，而且沒有任意位置定位功能，既存在使用安全隱患，也影響燈光整體布置效果。

3．舞臺機械系統(tǒng)改造原則

針對劇院舞臺機械的現(xiàn)狀及存在的問題，根據(jù)荔枝大劇院功能定位及運營模式，舞臺機械改造、舞臺機械控制系統(tǒng)設(shè)計及實施，遵循舞臺設(shè)備系統(tǒng)使用安全性、操作可靠性、功能實用性、維修方便性、投資經(jīng)濟性、技術(shù)先進性的原則。首先滿足在使用安全可靠的前提下實現(xiàn)使用功能的需要，其次考慮使用的通用性和多樣性，方便國內(nèi)外藝術(shù)團體演出交流，使舞臺機械技術(shù)與設(shè)備配置達到國內(nèi)先進水平。

經(jīng)改造后的舞臺機械系統(tǒng)的配置能夠滿足歌劇、舞劇、話劇、戲曲、雜技、會議和主題晚會演出使用要求，兼顧召開各類大小型會議等其它功能。

4．舞臺機械系統(tǒng)硬件（機械、設(shè)備等部分）改造方案

對荔枝大劇院舞臺機械系統(tǒng)（機械等硬件部分）的改造，以最大限度地保證所有設(shè)備發(fā)揮原有設(shè)計的使用功能要求，對現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)不作較大的改動，并以設(shè)備安全使用為第一要素。增加安全裝置，讓劇院舞臺機械系統(tǒng)得以安全使用。同時對舞臺機械控制系統(tǒng)進行重新設(shè)計，以實現(xiàn)發(fā)揮舞臺機械的最佳使用效能。

4.1　舞臺機械系統(tǒng)臺下設(shè)備的改造方案

4塊主升降臺、1塊道具升降臺、1塊前輔助升降臺、8塊側(cè)車臺和車載轉(zhuǎn)臺是臺下舞臺機械設(shè)備最重要的組成部分，能夠靈活、豐富地變換舞臺形式，使整個主舞臺在平面、階梯之間變化，滿足各種大型歌劇、舞劇和綜藝演出搭裝場景、會議排布的需要，使大型布景在演出中多次快速切換，參與演出，以增加表演效果。針對臺下設(shè)備的現(xiàn)狀及存在的問題，荔枝大劇院舞臺機械系統(tǒng)臺下設(shè)備的改造采取檢測、更換及修復(fù)、重新組裝及調(diào)試的步驟進行。

（1）檢測

對所有設(shè)備進行外觀檢查，檢查架體鋼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌導(dǎo)靴、電機、換向器、減速器、傳動軸、齒輪升降裝置，齒條、編碼器、限位開關(guān)及各處連接件，在滿足運行條件下做運行檢測。按設(shè)備技術(shù)參數(shù)做載荷、運動參數(shù)和功能特性測試并做好記錄，有效指導(dǎo)設(shè)備安全、合理地使用；保留原先所有功能，確?，F(xiàn)有配置設(shè)備都能正常使用；

（2）更換及修復(fù)

拆除升降樂池的舊電機，更換為新的雙制動電機，提升安全效能。對電機安裝底座進行改造，提升升降樂池運行的穩(wěn)定性。修改輔助驅(qū)動，為輔助驅(qū)動增加到位開關(guān)；

增加配套安全裝置，包括升降臺周邊防剪切條、通道門鎖、主升降臺拉線編碼器、側(cè)車臺端部防撞裝置；增加安全門閉合檢測開關(guān)，實現(xiàn)和升降臺運動的互鎖；

為減少機械系統(tǒng)的漏油對舞臺機械使用的影響，更換了換向器的密封圈。并用砂紙打磨制動輪，除銹，調(diào)整制動間隙，使制動器靈活好用。對側(cè)車臺、車載轉(zhuǎn)臺、伸縮踏步行走輪和主升降臺配重導(dǎo)向用的聚胺酯輪予以更換，并同步更換了導(dǎo)靴滑塊、軸承等易損件；

重點整修了主升降臺、道具升降臺、樂池升降臺的輔助驅(qū)動裝置和傳動系統(tǒng)；并對全部設(shè)備做一次清潔保養(yǎng)、檢查調(diào)整和局部表面油漆。

（3）重新組裝及調(diào)試

在完成所有硬件檢測、更換、保養(yǎng)工作后，進行整機組裝，外形檢查通過后，整機試運行，配合舞臺機械控制系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試至整機運行穩(wěn)定。

4.2　舞臺機械系統(tǒng)臺上設(shè)備的改造方案

從設(shè)備安全使用出發(fā)，舞臺機械系統(tǒng)臺上設(shè)備的改造方案重點是對臺上設(shè)備進行檢測、修理更換及調(diào)整、調(diào)試。

（1）檢測

對所有設(shè)備進行外觀檢查，檢查卷揚機、轉(zhuǎn)向滑輪、鋼絲繩、桿體、電機減速機、編碼器、行程開關(guān)、限位開關(guān)及各處連接件，在滿足運行條件下做運行檢測。按設(shè)備技術(shù)參數(shù)做載荷、運動參數(shù)和功能特性測試并做好記錄，有效指導(dǎo)設(shè)備安全、合理地使用。

（2）修理更換及調(diào)整

劇院臺口設(shè)置的一道剛性防火幕，可把主舞臺與觀眾廳完全隔離。在緊急情況下，防火幕能在起動后45s內(nèi)靠重力下降到位；當(dāng)距主舞臺面2.5米時開始阻尼下降，接近臺面時再次減速，以避免傷及人及對臺面的沖擊。防火幕是劇院消防安全中的重要環(huán)節(jié)，在這次改造中更換了液壓阻尼管道，液壓閥等核心部件。并在控制線路上增加和消防聯(lián)動的功能。

將吊掛系統(tǒng)的鋼絲繩（除防火幕和主舞臺單點吊機）、聯(lián)軸器彈性體、磨損嚴重的過線輪和吊點滑輪予以更換，并更換了有異響的軸承等易損件。同時為卷揚機配置了防松繩的導(dǎo)電板傳感器，增加防松繩的控制線路。增添了手輪，可用于應(yīng)急操作，實現(xiàn)吊桿手動升降。

改造中將原有的單片燈光吊桿桿體更換成三角桿，既方便燈光線槽安裝和燈具吊掛，更實現(xiàn)了燈光吊桿在升降機平時使用中穩(wěn)定。

將燈光吊籠的電機尾部增加了編碼器，實現(xiàn)定位功能，并進行軟件升級改進，使籠體升降時具有任意定位功能。增加松亂繩保護裝置，提高設(shè)備的安全性。

更新后的劇院全套幕布，均經(jīng)過阻燃處理，符合GB50222-95《建筑物裝修設(shè)計防火規(guī)范》要求，符合公安部GB5455-85《紡織物燃燒性能測定垂直法》防火要求，達到國家GB8624-88 B1級防火標準。阻燃幕布面料經(jīng)過國家消防質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，質(zhì)量達到國家GB8624-1997B1防火標準。

（3）保養(yǎng)

全部設(shè)備做一次清潔保養(yǎng)、檢查調(diào)整和局部表面油漆。

5．舞臺機械系統(tǒng)軟件（舞臺機械電氣、電路和控制系統(tǒng)設(shè)計等部分）改造方案

在劇院舞臺機械系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)為整個舞臺機械的核心，原有的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有復(fù)雜舞臺機械的控制，而且在安全聯(lián)鎖控制方面存在安全隱患。為此在本次改造中對眾多的舞臺機械設(shè)備設(shè)計構(gòu)建一個安全、高操控性的控制系統(tǒng)尤為重要。新建的控制系統(tǒng)可以對所有舞臺設(shè)備的驅(qū)動裝置和現(xiàn)場傳感器等實施運動控制、狀態(tài)監(jiān)視。并提供操作界面和操作方法，保證設(shè)備人員安全，配備維護及檢修手段。

圖3　舞臺機械電氣和控制系統(tǒng)構(gòu)示意圖

圖4　舞臺機械監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控界面

5.1　FCS舞臺機械電氣和控制系統(tǒng)的架構(gòu)

圖3是FCS舞臺機械電氣和控制系統(tǒng)的簡要構(gòu)成。由主操作臺（內(nèi)置上位機監(jiān)控系統(tǒng)）、主控PLC、通迅網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場PLC從站、矢量變頻器、驅(qū)動電機以及現(xiàn)場傳感器等設(shè)備組成。

5.1.1管理層（操作站層）

管理層（操作站層）可同時連接多個各種型式的操作臺。劇院配置了主操作臺、移動操作臺、調(diào)試臺、移動安全控制器、大幕就地操作箱等。主操作臺控制臺上和臺下機械，移動操作臺和便攜式操作盤可對臺上、臺下機械進行控制，也可通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置屏蔽其操作范圍。

5.1.2控制層（主控制器和網(wǎng)絡(luò)）

控制層（主控制器和網(wǎng)絡(luò)）由西門子主控制器與PLC從站構(gòu)成。西門子主控制器和主操作臺上的工控機之間采用SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)通訊。主控制器和現(xiàn)場PLC從站及控制柜內(nèi)變頻器之間的通訊線路為工業(yè)現(xiàn)場總線。管理層通訊采用100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，控制層通訊采用傳輸速率為12Mbps的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。

5.1.3現(xiàn)場層（驅(qū)動部分）

(1）電氣柜

在設(shè)計中將舞臺機械電氣和控制系統(tǒng)配置的電氣柜分別放置于臺下機械電氣室和臺上機械電氣室及設(shè)備現(xiàn)場。電氣柜內(nèi)的斷路器、接觸器、變頻器等功率器件完成各驅(qū)動裝置的動力分配與控制。

電氣柜內(nèi)的PLC從站、變頻器和主控制器間通過現(xiàn)場總線控制，和主控制器實時通訊，接受主控制器的控制指令，同時把采集的現(xiàn)場傳感器信號以及變頻器的運行、位置等信號上傳給主控制器。電氣柜內(nèi)還可完成設(shè)備的就地操作，該操作不受主控制系統(tǒng)的影響。提供了各類設(shè)備的手動操作功能。

為了完善劇院機械舞臺系統(tǒng)的安全機制，確保機械舞臺的安全可靠運行，調(diào)整并增添了相關(guān)線路，仔細梳理了原有線路及增加的線路相互之間的邏輯關(guān)系，細化了之間的互鎖、聯(lián)動等相互關(guān)系，并在編寫上位機及下位機軟件時予以實施。在劇院舞臺機械系統(tǒng)改造中增設(shè)的線路主要有：樂池升降臺、主升降臺備用系統(tǒng)開合信號的線路及主升降臺安全門開合信號線路；添加防火幕和消防信號的聯(lián)動線路；在景桿、燈桿、側(cè)吊桿、大幕機升降、活動臺口升降卷揚機中增加防亂繩線路；增加燈光吊籠位置控制線路。

(2）變頻器

驅(qū)動部分調(diào)速用變頻器選用矢量變頻器。具有位置控制、故障自診斷、自適應(yīng)控制、防止誤操作及射頻干擾抑制等功能。并具有PLC功能的集成定位IPOS控制功能，可以減少主控制器系統(tǒng)運行程序的循環(huán)時間，提高控制系統(tǒng)的實時性。

(3）現(xiàn)場傳感器

速度檢測與位置檢測用的傳感器采用了瑞士ELCO公司的編碼器，能直接裝配在傳動機構(gòu)上作為檢測反饋。選用的編碼器通過扭臂或彈簧片等柔性連接方式固定，可以更好的保證編碼器的檢測精度。旋轉(zhuǎn)編碼器達到1024p/r的檢測精度。

5.2　舞臺機械監(jiān)控系統(tǒng)

“舞臺機械監(jiān)控系統(tǒng)”和主控制器、PLC從站共同組成了舞臺機械的控制中心，使用它們供給的各種控制方式，如編制劇目場景流程等，可以很靈活地使舞臺機械設(shè)備做出各式各樣的動作或者組合，配合燈光音響，提供給表演者一個完美的氛圍。可以實時快速地采集各種各樣的數(shù)據(jù)，使操作人員通過人機界面就可以了解到每一個舞臺設(shè)備的狀態(tài)。

5.3　緊急停機控制系統(tǒng)

隨著舞臺機械控制理論的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的安全可靠性越來越重要，緊?？刂葡到y(tǒng)是控制系統(tǒng)中必不可少的部分。在控制系統(tǒng)設(shè)計中將安全繼電器應(yīng)用于急停系統(tǒng)。安全繼電器在關(guān)鍵元器件的故障排除前，系統(tǒng)的啟動將被禁止，可防止危險情況的再現(xiàn)。

緊急停機系統(tǒng)由緊急停機按鈕本身的扭松機構(gòu)取消緊急停機狀態(tài)。任一個急停按鈕或極限開關(guān)的動作會觸發(fā)多條應(yīng)急線路，每條線路都針對不同類型的設(shè)備進行設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)同時監(jiān)控各緊急停機按鈕的狀態(tài)。控制系統(tǒng)在設(shè)計時考慮了緊急停機狀態(tài)的取消本身不能引起任何設(shè)備運動，所有設(shè)備在按正常操作程序重新啟動之前都將保持停機狀態(tài)。任何時候和任何情況下，只要操作控制系統(tǒng)中任何一個緊急停機按鈕或單體設(shè)備的極限開關(guān)，應(yīng)急線路都將啟動。保證在舞臺的任何區(qū)域啟動緊急停機系統(tǒng)，都將使所有正在運動中的舞臺機械設(shè)備安全而迅速的停機并斷電，實現(xiàn)人身和設(shè)備安全。

6．結(jié)束語

荔枝大劇院自2017年6月起進行整體改造，根據(jù)整體進度安排，劇院機械舞臺系統(tǒng)自9月初開始實施改造，在改造實施過程中，在確?？偣て谀繕说那疤嵯?，以“確保工期，突出重點，合理穿插，攻克難關(guān)”為中心進行總體布置，推進施工作業(yè)計劃。通過與眾多施工單的密切配合，荔枝大劇院舞臺機械系統(tǒng)改造按期在2017年12月中旬完工并交付投入使用。