上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)改造工程方案

吳志華

（上海大劇院 舞臺(tái)技術(shù)部，上海 200003）

1 概述

1.1 改造依據(jù)

上海大劇院是上海市頗有影響的文化設(shè)施之一，自1998年8月27日開(kāi)業(yè)以來(lái)，已成功上演過(guò)歌劇、音樂(lè)劇、芭蕾、交響樂(lè)、室內(nèi)樂(lè)、話劇、戲曲等各類(lèi)大型演出和綜藝晚會(huì)，在國(guó)內(nèi)外享有很高的知名度，許多國(guó)家政要、國(guó)際知名人士曾光臨大劇院。劇院內(nèi)有3個(gè)劇場(chǎng)，其中，1800座主劇場(chǎng)的舞臺(tái)由一個(gè)728 m2的前舞臺(tái)、一個(gè)360 m2的后舞臺(tái)和兩個(gè)257 m2的側(cè)舞臺(tái)組成，帶有舞臺(tái)平移、升降、旋轉(zhuǎn)、樂(lè)池升降和電動(dòng)布景吊桿等設(shè)備，是上海重要的演出場(chǎng)所和藝術(shù)殿堂。

上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備自日本三菱重工株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱三菱重工）設(shè)計(jì)建造以來(lái)，已經(jīng)歷了10多年的運(yùn)營(yíng)。依據(jù)國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全法規(guī)以及機(jī)電技術(shù)手冊(cè)要求，根據(jù)上海大劇院舞臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)原設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)資料和近年維修原始資料，并針對(duì)現(xiàn)階段舞臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)的不斷推陳出新的情況，以及近期上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行情況和設(shè)備技術(shù)狀況，可以看到上海大劇院舞臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)已過(guò)安全可靠期，其中的核心電氣/控制系統(tǒng)已超過(guò)了設(shè)備（產(chǎn)品）的生命周期（一般為5～7年），大部分設(shè)備以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看已屬淘汰產(chǎn)品，備品備件的供應(yīng)已完全不能滿足大劇院系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件，有不少的部件已磨損或可能無(wú)備件，一旦這些部件出現(xiàn)故障，很可能會(huì)引起系統(tǒng)故障或系統(tǒng)癱瘓，甚至是事故。

因此，劇院決定對(duì)主劇場(chǎng)整體舞臺(tái)設(shè)施予以徹底改造更新，使上海大劇院這顆上海文化設(shè)施明珠再次熠熠生輝，成為上海重要的中外文化交流窗口和藝術(shù)溝通的橋梁。

1.2 改造的必要性

經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，由于機(jī)械磨損或負(fù)載的變化已引起運(yùn)行參數(shù)的變化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)原來(lái)調(diào)試整定的參數(shù)偏離或失效，現(xiàn)有舞臺(tái)系統(tǒng)（臺(tái)上/臺(tái)下設(shè)備）的運(yùn)行指標(biāo)（如低速運(yùn)行、同步運(yùn)行等）已無(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)或原調(diào)試達(dá)到的指標(biāo)，具體如下：

（1）運(yùn)行檢測(cè)元件（如旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器、絕對(duì)位置編碼器等）光柵盤(pán)的老化引起檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差增大，進(jìn)而影響控制品質(zhì)與精度。

（2）各類(lèi)操作部件已超期服役，如舞臺(tái)電機(jī)的絕緣性能已下降至竣工驗(yàn)收測(cè)量值的一半；按鈕、電位器、觸摸屏鍵等因長(zhǎng)期的觸模使用（超10年）導(dǎo)致接觸不良引起系統(tǒng)時(shí)發(fā)性或偶發(fā)性的誤動(dòng)作，使控制系統(tǒng)可靠性、安全性降低，運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)加大。

（3）原有控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC（可編程邏輯控制器）、變頻器等都是20世紀(jì)90年代初、中期產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)10余年的技術(shù)發(fā)展，不管哪一類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)都已有了極大的提升，當(dāng)今流行控制系統(tǒng)所采用的產(chǎn)品其性能指標(biāo)都比原系統(tǒng)的性能指標(biāo)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎沒(méi)有可比性。原有系統(tǒng)的設(shè)備基本處于淘汰邊緣，有些設(shè)備因技術(shù)更新加快也已停產(chǎn)且無(wú)備件，如目前仍在運(yùn)行的日本安川公司的變頻器產(chǎn)品已停產(chǎn)，給今后設(shè)備維護(hù)帶來(lái)困難。

（4）舞臺(tái)控制系統(tǒng)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)水平與設(shè)備制造水平的限制，與當(dāng)今典型控制系統(tǒng)相比存在一定系統(tǒng)缺陷，整體控制技術(shù)已滯后于目前主流先進(jìn)控制理念，其主要差距對(duì)比如下：

a.原有系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單總線結(jié)構(gòu)，通信方式采用專(zhuān)用數(shù)據(jù)令牌傳輸方式，而現(xiàn)今流行控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形或雙環(huán)形或雙總線結(jié)構(gòu)，通信方式采用通用的以太網(wǎng)協(xié)議。

b.原有系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過(guò)板卡與PLC數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相連，數(shù)據(jù)無(wú)備份，且圖形計(jì)算機(jī)與控制操作計(jì)算機(jī)各自獨(dú)立，不能互為備份?，F(xiàn)今控制系統(tǒng)流行冗余方式，系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)都有備份，儲(chǔ)存在冗余服務(wù)器中，而操作終端計(jì)算機(jī)可按功能的不同從冗余服務(wù)器中存取所需的信息，不同的操作終端可完全實(shí)現(xiàn)功能的互為備用和數(shù)據(jù)交換。

c.受原有操作系統(tǒng)及軟硬件功能的限制，對(duì)操作員層面的操作功能約束較大，在任何一個(gè)單獨(dú)的操作員終端都不能全部看到操作前所必須了解的所有信息（如吊桿運(yùn)行時(shí)，在計(jì)算機(jī)顯示終端上可看到吊桿運(yùn)行的模擬畫(huà)面，但實(shí)際數(shù)據(jù)只能在觸摸屏上的專(zhuān)有畫(huà)面中看到等）。而采用當(dāng)今流行的組態(tài)軟件或觸摸屏控制軟件，這些必須的操作信息在任何操作員終端都是可視化的。

（5）該控制系統(tǒng)從1996年開(kāi)始建造，至今已有十多年。按國(guó)外同類(lèi)型劇院的更新慣例，控制系統(tǒng)應(yīng)在設(shè)備（產(chǎn)品）使用年限到期之前，完成升級(jí)換代。基于一般設(shè)備的使用壽命和升級(jí)換代的速率，超期使用會(huì)帶來(lái)運(yùn)行安全的巨大風(fēng)險(xiǎn)，一旦一套核心部件故障，整個(gè)系統(tǒng)就無(wú)法完整、安全地運(yùn)行。

綜上所述，為確保上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備工作的安全，其舞臺(tái)系統(tǒng)改造升級(jí)項(xiàng)目已迫在眉睫。而且，越早進(jìn)行改造越有利，其運(yùn)行也越安全。改造應(yīng)借鑒當(dāng)前中外劇院改造項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)劇院整體舞臺(tái)設(shè)施予以徹底改造更新。

1.3 改造原則

上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)改造的集成、設(shè)計(jì)制造、測(cè)試及試運(yùn)行依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，并采用適合于該改造項(xiàng)目的相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)規(guī)程以及在舞臺(tái)設(shè)備行業(yè)中規(guī)定的任何其他標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到現(xiàn)代化的管理目標(biāo)，主要體現(xiàn)以下幾個(gè)基本原則。

（1）在不改變舞臺(tái)機(jī)械預(yù)定功能和使用需求的前提下，在既定的建筑結(jié)構(gòu)尺寸和地基狀況等邊界條件下，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品特點(diǎn)，進(jìn)行深化改造設(shè)計(jì)，方案將體現(xiàn)合理性、可行性和優(yōu)越性，保證改造后上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)設(shè)備使用的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

（2）從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性能方面改變?cè)邢到y(tǒng)中因當(dāng)時(shí)產(chǎn)品技術(shù)的局限以及系統(tǒng)價(jià)格的約束而產(chǎn)生的不足之處，以確保改造后系統(tǒng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)同類(lèi)系統(tǒng)的先進(jìn)水平，并對(duì)類(lèi)似系統(tǒng)的改造具有示范意義。

（3）改造的控制設(shè)備的預(yù)期使用壽命按產(chǎn)品的最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，努力提高設(shè)備配置的水平。

所供設(shè)備采用國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)化部件及零件，或采用制造廠商生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。它是當(dāng)前舞臺(tái)控制中通用的，且具有技術(shù)先進(jìn)、性能完備、安全可靠、使用操作方便、備品備件更換方便、維修簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

（4）更新的設(shè)備均符合現(xiàn)定的環(huán)境和電氣標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便于將來(lái)擴(kuò)展。

（5）所有設(shè)備和裝置均滿足相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)和舞臺(tái)操作規(guī)程，保證用戶在安全的工作環(huán)境下操作、使用和維修設(shè)備。

（6）維修工作無(wú)需使用特殊工具，而只需一般的工具和測(cè)試設(shè)備。所有制造、接線、試驗(yàn)及其他工作，均由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的、有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人員或技術(shù)工人完成。

2 改造方案

2.1 改造的目標(biāo)

（1）全面提升舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備使用的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

（2）全面提升控制系統(tǒng)的先進(jìn)性，在投資預(yù)算內(nèi)，以提高控制系統(tǒng)的綜合性價(jià)比為目標(biāo)，提高設(shè)備配置的水平，使舞臺(tái)控制功能先進(jìn)可靠、配置合理周全，確?？刂葡到y(tǒng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)同類(lèi)系統(tǒng)的先進(jìn)水平。

（3）全面提升上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)控制操作的可視化程度，使可用的可視信息更為全面，使用方便，提高操作簡(jiǎn)便性，降低誤操作率。

（4）對(duì)所有更換的部件選擇通用的最新的部件及產(chǎn)品，確保系統(tǒng)的可維護(hù)性及備品備件的方便性。

（5）強(qiáng)化安全功能，保證改造后的控制系統(tǒng)在規(guī)范的期限內(nèi)安全使用。

（6）以全新的控制系統(tǒng)配合演出的情節(jié)動(dòng)作，體現(xiàn)表演中的藝術(shù)效果，滿足國(guó)內(nèi)外演出形式及各類(lèi)大型會(huì)議和慶典活動(dòng)的要求。

2.2 關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)

2.2.1 關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)

由于改造工程是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的部分設(shè)備進(jìn)行更新和技術(shù)升級(jí)，因此，改造后控制系統(tǒng)的新增功能和操作模式將體現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有控制方式和操作模式的繼承和發(fā)展，以有利于操作應(yīng)用的秉承和認(rèn)同。改造工程的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)在于：

（1）改造過(guò)程需緊密結(jié)合20世紀(jì)90年代三菱重工設(shè)計(jì)上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣特性、設(shè)備運(yùn)行性能等應(yīng)用特點(diǎn)，確保改造后的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)在使用時(shí)與原三菱重工建造的舞臺(tái)設(shè)備完全匹配。

（2）改造中欲建立新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)通道，需利用原三菱重工敷設(shè)的原始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈和控制鏈的信號(hào)電纜。

（3）改造中新增控制線纜的敷設(shè)需利用三菱重工原來(lái)在大劇院建設(shè)時(shí)所預(yù)埋預(yù)敷的電纜橋架和電纜井及電纜管道。

（4）改造中需更新的部分設(shè)備需在三菱重工原控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行，其更新后設(shè)備的通訊接口、電氣性能、參數(shù)特性、控制功能需確保與原有系統(tǒng)匹配與兼容。

因此，上海大劇院主劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的改造較一般大劇院舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的新建而言，難度更大，改造中要求改造者除熟悉原設(shè)計(jì)思想和原理、系統(tǒng)分配、設(shè)備的物理接口及相互通訊協(xié)議和原始數(shù)據(jù)的調(diào)用與分配等，還要熟悉線纜的原始敷設(shè)走向分布和每根線纜的應(yīng)用分配。只有這樣，才能確保改造升級(jí)過(guò)程中對(duì)原有系統(tǒng)充分利用和完善，尤其是線纜的走向，以最大限度地保護(hù)主劇場(chǎng)的整體面貌，保證上海大劇院正常運(yùn)營(yíng)和新系統(tǒng)的順利改造、建成、投入使用。

2.2.2 可行性方案

針對(duì)上述改造難點(diǎn)與要點(diǎn)，提出有效的可行性對(duì)策如下：

（1）改變?cè)到y(tǒng)的控制方式，基于變動(dòng)影響量最小進(jìn)行策劃，PLC冗余配置，柜內(nèi)新增現(xiàn)場(chǎng)I/O、遠(yuǎn)程I/O站，充分利用原有系統(tǒng)的信號(hào)連接電纜，同時(shí)，建立新系統(tǒng)正確控制通道，重新整定參數(shù)，確保新系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）更新的變頻器采用相應(yīng)的產(chǎn)品，與原變頻器匹配。事先讀取并記錄將予以替換的原變頻器設(shè)備的控制、驅(qū)動(dòng)保護(hù)、通信等專(zhuān)用信息，在理解的基礎(chǔ)上按新的數(shù)據(jù)格式輸入到更替的新系列變頻器中，在新網(wǎng)的架構(gòu)上予以整定并調(diào)整至設(shè)備最佳工作狀態(tài)以承繼以往設(shè)備的功能。

（3）清晰地了解原系統(tǒng)電纜走向、敷設(shè)數(shù)量及用途，改造過(guò)程中的新敷設(shè)電纜均就地或在控制盤(pán)上（盤(pán)內(nèi)），不大面積地更換老系統(tǒng)已敷設(shè)的電纜，新系統(tǒng)要增加的網(wǎng)絡(luò)連接電纜也利用老系統(tǒng)中的備用電纜（芯數(shù)）或老系統(tǒng)的電纜通道，重新敷設(shè)光纜的范圍亦僅限于各PLC站及操作室計(jì)算機(jī)服務(wù)器。

表1 改造前后系統(tǒng)優(yōu)劣的對(duì)比分析

3 改造的內(nèi)容及范圍

3.1 舞臺(tái)機(jī)械部分（包括臺(tái)上與臺(tái)下）

所有用于位置編碼器檢測(cè)的鋼絲繩裝置，樹(shù)脂輪；兩個(gè)樂(lè)池位置定位已出現(xiàn)明顯的兩邊偏差，需調(diào)整位置間隙；由于地面沉降原因，后舞臺(tái)與側(cè)舞臺(tái)運(yùn)行時(shí)位置有偏差，需調(diào)整；大幕卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)中的軸承需檢查，部分需更換；吊桿部分運(yùn)行頻繁的電機(jī)及旋轉(zhuǎn)編碼器需更換。舞臺(tái)機(jī)械的其他部分改造以檢修、保養(yǎng)維護(hù)為主，保證運(yùn)行的安全性及可靠性，同時(shí)滿足與升級(jí)后控制系統(tǒng)的匹配與兼容。

3.2 電氣與控制系統(tǒng)

3.2.1 臺(tái)上設(shè)備部分（吊桿系統(tǒng)設(shè)備）

（1）主操作臺(tái)、圖形計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、軟件的升級(jí)與更新，操作畫(huà)面的重新組態(tài)編程。

（2）主操作臺(tái)和副操作臺(tái)電氣監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、軟件的升級(jí)與更新，操作畫(huà)面的重新組態(tài)編程。

（3）主操作臺(tái)和副操作臺(tái)的觸摸屏的更新替換，觸摸屏軟件的更新升級(jí)，觸摸屏畫(huà)面的組態(tài)。

（4）控制盤(pán)內(nèi)的所有PLC部件、軟件更新，程序移植。

（5）控制盤(pán)內(nèi)的所有變頻器部件更新，參數(shù)移植。

（6）變頻器專(zhuān)用的18相整流電源裝置主要部件的更新。

（7）新增電氣設(shè)備絕緣劣化在線監(jiān)測(cè)裝置。

（8）新增電力測(cè)量與能量管理系統(tǒng)。

（9）部分或全部現(xiàn)場(chǎng)的限位開(kāi)關(guān)、脈沖信號(hào)發(fā)生器、絕對(duì)位置編碼器的更新。

（10）部分繼電器、接觸器、電氣開(kāi)關(guān)及電位器、按鈕、指示燈的更新。

（11）現(xiàn)場(chǎng)的配線作業(yè)與改造安裝布線及光纜敷設(shè)。

（12）升級(jí)更新后的設(shè)備調(diào)整、參數(shù)確定、程序調(diào)試、設(shè)備試運(yùn)行、操作培訓(xùn)、圖紙等文檔的編制。

（13）無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)入。

3.2.2 改造前后控制系統(tǒng)優(yōu)劣的對(duì)比分析

如表1所示。

3.2.3 臺(tái)下設(shè)備部分（舞臺(tái)系統(tǒng)設(shè)備）

類(lèi)同于臺(tái)上設(shè)備的更新內(nèi)容。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的增加

（1）PLC、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置方式，使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到更大的提高。

（2）采用多屏顯示技術(shù)，強(qiáng)化操作人員的操作可視化程度，避免出現(xiàn)誤操作。

（3）增加無(wú)線便攜式近臺(tái)操作終端，方便布臺(tái)調(diào)試。

（4）增加離線仿真功能，在離線狀態(tài)下支持節(jié)目制作編排設(shè)計(jì)。

（5）增加日志記錄功能，將各種設(shè)備的操作命令及運(yùn)行狀態(tài)的變位信息作為事件日志保存，供分析、檢查、追述之用。

（6）增加絕緣電能監(jiān)控處理功能，支持系統(tǒng)初期異?；蚬收系牟槊骷邦A(yù)警。

（7）對(duì)圖形操作終端的畫(huà)面增加豐富的、新的標(biāo)準(zhǔn)功能，擴(kuò)大操作的范圍，增添新的操作手段與方式。

（8）強(qiáng)化安全功能，防止突然出現(xiàn)的誤操作或誤動(dòng)作。

（9）增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可以由專(zhuān)家進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷。

3.4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

如圖1所示。

3.5 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示。

4 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

4.1 PLC實(shí)時(shí)性指標(biāo)

數(shù)據(jù)采樣周期：≤10 ms；控制執(zhí)行時(shí)間：≤10 ms；A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間：≤10 ms。

4.2 上位計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)性指標(biāo)

畫(huà)面調(diào)用響應(yīng)時(shí)間：重要和報(bào)警畫(huà)面≤1 s，90%常規(guī)畫(huà)面≤2 s，其他≤3 s；數(shù)據(jù)庫(kù)刷新到畫(huà)面上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新周期≤2 s；操作員發(fā)執(zhí)行命令到應(yīng)答顯示的響應(yīng)時(shí)間≤3s；從出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)到在畫(huà)面上顯示并發(fā)音響報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間 ≤2 s。

4.3 控制響應(yīng)時(shí)間

接收控制命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時(shí)間 ≤1s；控制命令的響應(yīng)時(shí)間滿足操作要求。

4.4 可靠性指標(biāo)

上位計(jì)算機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）≥10000 h；PLC平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）≥50000 h；通道平均故障時(shí)間＜24 h/y；電源系統(tǒng)平均故障時(shí)間＜4 h/y；設(shè)備平均故障排除時(shí)間＜1 h。

4.5 實(shí)用性指標(biāo)

系統(tǒng)的可利用率不低于99.95%，停機(jī)時(shí)間不多于4.5 h；系統(tǒng)時(shí)鐘精度：1 ms。

該方案的原則、目標(biāo)、設(shè)備配置及其效果，尚需實(shí)踐的最終檢驗(yàn)。筆者期待得到業(yè)內(nèi)關(guān)注，原上海大劇院的改建最終能為行業(yè)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。