荔枝大劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)改造與實(shí)施

馬剛 江蘇省廣播電視總臺(tái)

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(tái)設(shè)備的機(jī)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(qiáng)了演出的藝術(shù)效果和感染力。舞臺(tái)機(jī)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(gè)重要因素。

荔枝大劇院位于江蘇省廣播電視總臺(tái)廣電城裙樓2-5層，它主要由一個(gè)建筑平面呈馬蹄形的觀眾廳、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的品字形舞臺(tái)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(shí)配備了一套舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)，配備了包括升降樂池、主升降臺(tái)、旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)和高速吊桿在內(nèi)的眾多舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備。建成至今已有十年時(shí)間，設(shè)備相對(duì)陳舊，電氣控制技術(shù)相對(duì)落后，各項(xiàng)安全措施更需完善和提高。

2017年根據(jù)總臺(tái)對(duì)劇院的總體定位要求，需要對(duì)荔枝大劇院進(jìn)行整體改造。改造后的劇院和總臺(tái)荔枝廣場(chǎng)、文創(chuàng)融為一體，成為一個(gè)公共文化載體。舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的改造也是荔枝大劇院改造的一個(gè)重要組成部分。

2．舞臺(tái)機(jī)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(tái)機(jī)械概況圖

荔枝大劇院的舞臺(tái)機(jī)械配置分為臺(tái)下設(shè)備和臺(tái)上設(shè)備兩部分。臺(tái)下設(shè)備有1道升降欄桿、1臺(tái)樂池升降臺(tái)、4臺(tái)主升降臺(tái)、1臺(tái)道具升降臺(tái)、8臺(tái)側(cè)車臺(tái)、1臺(tái)車載轉(zhuǎn)臺(tái)、1臺(tái)演員升降小車及3臺(tái)電動(dòng)活動(dòng)蓋板。臺(tái)上設(shè)備有1套臺(tái)口防火幕、1套大幕機(jī)、2套二道幕機(jī)、92道各類吊桿、10臺(tái)單點(diǎn)吊機(jī)、8套燈光吊籠。

劇院舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備從2008年投入使用至2017年的10年間，舞臺(tái)機(jī)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(zhǎng)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(duì)舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的仔細(xì)勘察、檢測(cè)，匯總出舞臺(tái)機(jī)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(tái)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(tái)、道具升降臺(tái)的傳動(dòng)軸、換向器、輔助驅(qū)動(dòng)、電液制動(dòng)器等關(guān)鍵設(shè)備性能下降，存在安全隱患；

（3）后車臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)及側(cè)車臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的行走輪、旋轉(zhuǎn)輪由于長(zhǎng)期使用，磨損老化嚴(yán)重；

（4）主舞臺(tái)區(qū)大幕機(jī)、電動(dòng)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(tái)上設(shè)備由于使用年限較長(zhǎng)，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(tái)下設(shè)備剪切條比較陳舊，安全隱患較大；（6）側(cè)車臺(tái)防撞機(jī)構(gòu)技術(shù)陳舊，存在安全隱患；

（7）舞臺(tái)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?yè)P(yáng)機(jī)未配備亂繩、松繩保護(hù)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(tái)機(jī)械系統(tǒng)改造原則

針對(duì)劇院舞臺(tái)機(jī)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(yùn)營(yíng)模式，舞臺(tái)機(jī)械改造、舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施，遵循舞臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)使用安全性、操作可靠性、功能實(shí)用性、維修方便性、投資經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性的原則。首先滿足在使用安全可靠的前提下實(shí)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(guó)內(nèi)外藝術(shù)團(tuán)體演出交流，使舞臺(tái)機(jī)械技術(shù)與設(shè)備配置達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

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

4．舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)硬件（機(jī)械、設(shè)備等部分）改造方案

對(duì)荔枝大劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)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(jì)的使用功能要求，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)不作較大的改動(dòng)，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(tái)機(jī)械系統(tǒng)得以安全使用。同時(shí)對(duì)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)揮舞臺(tái)機(jī)械的最佳使用效能。

4.1　舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)臺(tái)下設(shè)備的改造方案

4塊主升降臺(tái)、1塊道具升降臺(tái)、1塊前輔助升降臺(tái)、8塊側(cè)車臺(tái)和車載轉(zhuǎn)臺(tái)是臺(tái)下舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備最重要的組成部分，能夠靈活、豐富地變換舞臺(tái)形式，使整個(gè)主舞臺(tái)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(chǎng)景、會(huì)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(duì)臺(tái)下設(shè)備的現(xiàn)狀及存在的問題，荔枝大劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)臺(tái)下設(shè)備的改造采取檢測(cè)、更換及修復(fù)、重新組裝及調(diào)試的步驟進(jìn)行。

（1）檢測(cè)

對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，檢查架體鋼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌導(dǎo)靴、電機(jī)、換向器、減速器、傳動(dòng)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(yùn)行條件下做運(yùn)行檢測(cè)。按設(shè)備技術(shù)參數(shù)做載荷、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和功能特性測(cè)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(jī)，更換為新的雙制動(dòng)電機(jī)，提升安全效能。對(duì)電機(jī)安裝底座進(jìn)行改造，提升升降樂池運(yùn)行的穩(wěn)定性。修改輔助驅(qū)動(dòng)，為輔助驅(qū)動(dòng)增加到位開關(guān)；

增加配套安全裝置，包括升降臺(tái)周邊防剪切條、通道門鎖、主升降臺(tái)拉線編碼器、側(cè)車臺(tái)端部防撞裝置；增加安全門閉合檢測(cè)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)和升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)的互鎖；

為減少機(jī)械系統(tǒng)的漏油對(duì)舞臺(tái)機(jī)械使用的影響，更換了換向器的密封圈。并用砂紙打磨制動(dòng)輪，除銹，調(diào)整制動(dòng)間隙，使制動(dòng)器靈活好用。對(duì)側(cè)車臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)、伸縮踏步行走輪和主升降臺(tái)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(diǎn)整修了主升降臺(tái)、道具升降臺(tái)、樂池升降臺(tái)的輔助驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)；并對(duì)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(cè)、更換、保養(yǎng)工作后，進(jìn)行整機(jī)組裝，外形檢查通過后，整機(jī)試運(yùn)行，配合舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試至整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2　舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)臺(tái)上設(shè)備的改造方案

從設(shè)備安全使用出發(fā)，舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)臺(tái)上設(shè)備的改造方案重點(diǎn)是對(duì)臺(tái)上設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、修理更換及調(diào)整、調(diào)試。

（1）檢測(cè)

對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，檢查卷?yè)P(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)向滑輪、鋼絲繩、桿體、電機(jī)減速機(jī)、編碼器、行程開關(guān)、限位開關(guān)及各處連接件，在滿足運(yùn)行條件下做運(yùn)行檢測(cè)。按設(shè)備技術(shù)參數(shù)做載荷、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和功能特性測(cè)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(tái)口設(shè)置的一道剛性防火幕，可把主舞臺(tái)與觀眾廳完全隔離。在緊急情況下，防火幕能在起動(dòng)后45s內(nèi)靠重力下降到位；當(dāng)距主舞臺(tái)面2.5米時(shí)開始阻尼下降，接近臺(tái)面時(shí)再次減速，以避免傷及人及對(duì)臺(tái)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(dòng)的功能。

將吊掛系統(tǒng)的鋼絲繩（除防火幕和主舞臺(tái)單點(diǎn)吊機(jī)）、聯(lián)軸器彈性體、磨損嚴(yán)重的過線輪和吊點(diǎn)滑輪予以更換，并更換了有異響的軸承等易損件。同時(shí)為卷?yè)P(yáng)機(jī)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(shí)現(xiàn)吊桿手動(dòng)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(shí)現(xiàn)了燈光吊桿在升降機(jī)平時(shí)使用中穩(wěn)定。

將燈光吊籠的電機(jī)尾部增加了編碼器，實(shí)現(xiàn)定位功能，并進(jìn)行軟件升級(jí)改進(jìn)，使籠體升降時(shí)具有任意定位功能。增加松亂繩保護(hù)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(jì)防火規(guī)范》要求，符合公安部GB5455-85《紡織物燃燒性能測(cè)定垂直法》防火要求，達(dá)到國(guó)家GB8624-88 B1級(jí)防火標(biāo)準(zhǔn)。阻燃幕布面料經(jīng)過國(guó)家消防質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，質(zhì)量達(dá)到國(guó)家GB8624-1997B1防火標(biāo)準(zhǔn)。

（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(tái)機(jī)械系統(tǒng)軟件（舞臺(tái)機(jī)械電氣、電路和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等部分）改造方案

在劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)為整個(gè)舞臺(tái)機(jī)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(tái)機(jī)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(duì)眾多的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)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(duì)所有舞臺(tái)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置和現(xiàn)場(chǎng)傳感器等實(shí)施運(yùn)動(dòng)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(hù)及檢修手段。

圖3　舞臺(tái)機(jī)械電氣和控制系統(tǒng)構(gòu)示意圖

圖4　舞臺(tái)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

5.1　FCS舞臺(tái)機(jī)械電氣和控制系統(tǒng)的架構(gòu)

圖3是FCS舞臺(tái)機(jī)械電氣和控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要構(gòu)成。由主操作臺(tái)（內(nèi)置上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）、主控PLC、通迅網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)PLC從站、矢量變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)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(shí)連接多個(gè)各種型式的操作臺(tái)。劇院配置了主操作臺(tái)、移動(dòng)操作臺(tái)、調(diào)試臺(tái)、移動(dòng)安全控制器、大幕就地操作箱等。主操作臺(tái)控制臺(tái)上和臺(tái)下機(jī)械，移動(dòng)操作臺(tái)和便攜式操作盤可對(duì)臺(tái)上、臺(tái)下機(jī)械進(jìn)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(tái)上的工控機(jī)之間采用SIEMENS工業(yè)以太網(wǎng)通訊。主控制器和現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)總線。

5.1.3現(xiàn)場(chǎng)層（驅(qū)動(dòng)部分）

(1）電氣柜

在設(shè)計(jì)中將舞臺(tái)機(jī)械電氣和控制系統(tǒng)配置的電氣柜分別放置于臺(tái)下機(jī)械電氣室和臺(tái)上機(jī)械電氣室及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。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(dòng)裝置的動(dòng)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(chǎng)總線控制，和主控制器實(shí)時(shí)通訊，接受主控制器的控制指令，同時(shí)把采集的現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)以及變頻器的運(yùn)行、位置等信號(hào)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(dòng)操作功能。

為了完善劇院機(jī)械舞臺(tái)系統(tǒng)的安全機(jī)制，確保機(jī)械舞臺(tái)的安全可靠運(yùn)行，調(diào)整并增添了相關(guān)線路，仔細(xì)梳理了原有線路及增加的線路相互之間的邏輯關(guān)系，細(xì)化了之間的互鎖、聯(lián)動(dòng)等相互關(guān)系，并在編寫上位機(jī)及下位機(jī)軟件時(shí)予以實(shí)施。在劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)改造中增設(shè)的線路主要有：樂池升降臺(tái)、主升降臺(tái)備用系統(tǒng)開合信號(hào)的線路及主升降臺(tái)安全門開合信號(hào)線路；添加防火幕和消防信號(hào)的聯(lián)動(dòng)線路；在景桿、燈桿、側(cè)吊桿、大幕機(jī)升降、活動(dòng)臺(tái)口升降卷?yè)P(yáng)機(jī)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(dòng)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(yùn)行程序的循環(huán)時(shí)間，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(3）現(xiàn)場(chǎng)傳感器

速度檢測(cè)與位置檢測(cè)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(dòng)機(jī)構(gòu)上作為檢測(cè)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(cè)精度。旋轉(zhuǎn)編碼器達(dá)到1024p/r的檢測(cè)精度。

5.2　舞臺(tái)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)

“舞臺(tái)機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)”和主控制器、PLC從站共同組成了舞臺(tái)機(jī)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(chǎng)景流程等，可以很靈活地使舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備做出各式各樣的動(dòng)作或者組合，配合燈光音響，提供給表演者一個(gè)完美的氛圍?？梢詫?shí)時(shí)快速地采集各種各樣的數(shù)據(jù)，使操作人員通過人機(jī)界面就可以了解到每一個(gè)舞臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)。

5.3　緊急停機(jī)控制系統(tǒng)

隨著舞臺(tái)機(jī)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，緊停控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中必不可少的部分。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)將被禁止，可防止危險(xiǎn)情況的再現(xiàn)。

緊急停機(jī)系統(tǒng)由緊急停機(jī)按鈕本身的扭松機(jī)構(gòu)取消緊急停機(jī)狀態(tài)。任一個(gè)急停按鈕或極限開關(guān)的動(dòng)作會(huì)觸發(fā)多條應(yīng)急線路，每條線路都針對(duì)不同類型的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)同時(shí)監(jiān)控各緊急停機(jī)按鈕的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了緊急停機(jī)狀態(tài)的取消本身不能引起任何設(shè)備運(yùn)動(dòng)，所有設(shè)備在按正常操作程序重新啟動(dòng)之前都將保持停機(jī)狀態(tài)。任何時(shí)候和任何情況下，只要操作控制系統(tǒng)中任何一個(gè)緊急停機(jī)按鈕或單體設(shè)備的極限開關(guān)，應(yīng)急線路都將啟動(dòng)。保證在舞臺(tái)的任何區(qū)域啟動(dòng)緊急停機(jī)系統(tǒng)，都將使所有正在運(yùn)動(dòng)中的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備安全而迅速的停機(jī)并斷電，實(shí)現(xiàn)人身和設(shè)備安全。

6．結(jié)束語(yǔ)

荔枝大劇院自2017年6月起進(jìn)行整體改造，根據(jù)整體進(jìn)度安排，劇院機(jī)械舞臺(tái)系統(tǒng)自9月初開始實(shí)施改造，在改造實(shí)施過程中，在確保總工期目標(biāo)的前提下，以“確保工期，突出重點(diǎn)，合理穿插，攻克難關(guān)”為中心進(jìn)行總體布置，推進(jìn)施工作業(yè)計(jì)劃。通過與眾多施工單的密切配合，荔枝大劇院舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)改造按期在2017年12月中旬完工并交付投入使用。