马刚 江苏省广播电视总台

1．引言

随着演出技术的不断发展，各种现代科学技术在演出中得到广泛应用，舞台设备的机械化、智能化发生了巨大的变化，为艺术家们提供了丰富的创造手段，增强了演出的艺术效果和感染力。舞台机械是现代化剧院的必要设备，已成为舞美技术水平和剧院功能的一个重要因素。

荔枝大剧院位于江苏省广播电视总台广电城裙楼2-5层，它主要由一个建筑平面呈马蹄形的观众厅、一个标准的品字形舞台以及相关的辅助空间及技术用房组成。剧院在2008年建成启用时配备了一套舞台机械系统，配备了包括升降乐池、主升降台、旋转舞台和高速吊杆在内的众多舞台机械设备。建成至今已有十年时间，设备相对陈旧，电气控制技术相对落后，各项安全措施更需完善和提高。

2017年根据总台对剧院的总体定位要求，需要对荔枝大剧院进行整体改造。改造后的剧院和总台荔枝广场、文创融为一体，成为一个公共文化载体。舞台机械系统的改造也是荔枝大剧院改造的一个重要组成部分。

2．舞台机械系统改造前状况及存在的问题

图1　荔枝大剧院改造效果图

图2　舞台机械概况图

荔枝大剧院的舞台机械配置分为台下设备和台上设备两部分。台下设备有1道升降栏杆、1台乐池升降台、4台主升降台、1台道具升降台、8台侧车台、1台车载转台、1台演员升降小车及3台电动活动盖板。台上设备有1套台口防火幕、1套大幕机、2套二道幕机、92道各类吊杆、10台单点吊机、8套灯光吊笼。

剧院舞台机械设备从2008年投入使用至2017年的10年间，舞台机械设备使用频率高，导致设备不同程度的磨损、损坏等，部分设备使用频率低，甚至长期不用，导致设备是否还能正常投入使用，存在不确定性。在改造前，通过对舞台机械系统的仔细勘察、检测，汇总出舞台机械系统存在的问题，主要有：

（1）现有控制系统中的操作台已经过于陈旧，功能上不能完全适应现代艺术的表演要求；

（2）主升降台、道具升降台的传动轴、换向器、辅助驱动、电液制动器等关键设备性能下降，存在安全隐患；

（3）后车台、转台及侧车台的驱动系统的行走轮、旋转轮由于长期使用，磨损老化严重；

（4）主舞台区大幕机、电动吊杆、前檐幕吊杆、纱幕吊杆、灯光吊杆、灯光吊笼、侧吊杆等台上设备由于使用年限较长，钢丝绳和滑轮均有不同程度的磨损，部分钢丝绳甚至出现起芯现象，继续使用存在较大的安全隐患；

（5）台下设备剪切条比较陈旧，安全隐患较大；（6）侧车台防撞机构技术陈旧，存在安全隐患；

（7）舞台幕布老旧，阻燃性能下降，已不符合消防部门使用要求；

（8）灯光吊笼笼体升降的卷扬机未配备乱绳、松绳保护装置，而且没有任意位置定位功能，既存在使用安全隐患，也影响灯光整体布置效果。

3．舞台机械系统改造原则

针对剧院舞台机械的现状及存在的问题，根据荔枝大剧院功能定位及运营模式，舞台机械改造、舞台机械控制系统设计及实施，遵循舞台设备系统使用安全性、操作可靠性、功能实用性、维修方便性、投资经济性、技术先进性的原则。首先满足在使用安全可靠的前提下实现使用功能的需要，其次考虑使用的通用性和多样性，方便国内外艺术团体演出交流，使舞台机械技术与设备配置达到国内先进水平。

经改造后的舞台机械系统的配置能够满足歌剧、舞剧、话剧、戏曲、杂技、会议和主题晚会演出使用要求，兼顾召开各类大小型会议等其它功能。

4．舞台机械系统硬件（机械、设备等部分）改造方案

对荔枝大剧院舞台机械系统（机械等硬件部分）的改造，以最大限度地保证所有设备发挥原有设计的使用功能要求，对现有设备的基础不作较大的改动，并以设备安全使用为第一要素。增加安全装置，让剧院舞台机械系统得以安全使用。同时对舞台机械控制系统进行重新设计，以实现发挥舞台机械的最佳使用效能。

4.1　舞台机械系统台下设备的改造方案

4块主升降台、1块道具升降台、1块前辅助升降台、8块侧车台和车载转台是台下舞台机械设备最重要的组成部分，能够灵活、丰富地变换舞台形式，使整个主舞台在平面、阶梯之间变化，满足各种大型歌剧、舞剧和综艺演出搭装场景、会议排布的需要，使大型布景在演出中多次快速切换，参与演出，以增加表演效果。针对台下设备的现状及存在的问题，荔枝大剧院舞台机械系统台下设备的改造采取检测、更换及修复、重新组装及调试的步骤进行。

（1）检测

对所有设备进行外观检查，检查架体钢结构、导轨导靴、电机、换向器、减速器、传动轴、齿轮升降装置，齿条、编码器、限位开关及各处连接件，在满足运行条件下做运行检测。按设备技术参数做载荷、运动参数和功能特性测试并做好记录，有效指导设备安全、合理地使用；保留原先所有功能，确保现有配置设备都能正常使用；

（2）更换及修复

拆除升降乐池的旧电机，更换为新的双制动电机，提升安全效能。对电机安装底座进行改造，提升升降乐池运行的稳定性。修改辅助驱动，为辅助驱动增加到位开关；

增加配套安全装置，包括升降台周边防剪切条、通道门锁、主升降台拉线编码器、侧车台端部防撞装置；增加安全门闭合检测开关，实现和升降台运动的互锁；

为减少机械系统的漏油对舞台机械使用的影响，更换了换向器的密封圈。并用砂纸打磨制动轮，除锈，调整制动间隙，使制动器灵活好用。对侧车台、车载转台、伸缩踏步行走轮和主升降台配重导向用的聚胺酯轮予以更换，并同步更换了导靴滑块、轴承等易损件；

重点整修了主升降台、道具升降台、乐池升降台的辅助驱动装置和传动系统；并对全部设备做一次清洁保养、检查调整和局部表面油漆。

（3）重新组装及调试

在完成所有硬件检测、更换、保养工作后，进行整机组装，外形检查通过后，整机试运行，配合舞台机械控制系统进行联合调试至整机运行稳定。

4.2　舞台机械系统台上设备的改造方案

从设备安全使用出发，舞台机械系统台上设备的改造方案重点是对台上设备进行检测、修理更换及调整、调试。

（1）检测

对所有设备进行外观检查，检查卷扬机、转向滑轮、钢丝绳、杆体、电机减速机、编码器、行程开关、限位开关及各处连接件，在满足运行条件下做运行检测。按设备技术参数做载荷、运动参数和功能特性测试并做好记录，有效指导设备安全、合理地使用。

（2）修理更换及调整

剧院台口设置的一道刚性防火幕，可把主舞台与观众厅完全隔离。在紧急情况下，防火幕能在起动后45s内靠重力下降到位；当距主舞台面2.5米时开始阻尼下降，接近台面时再次减速，以避免伤及人及对台面的冲击。防火幕是剧院消防安全中的重要环节，在这次改造中更换了液压阻尼管道，液压阀等核心部件。并在控制线路上增加和消防联动的功能。

将吊挂系统的钢丝绳（除防火幕和主舞台单点吊机）、联轴器弹性体、磨损严重的过线轮和吊点滑轮予以更换，并更换了有异响的轴承等易损件。同时为卷扬机配置了防松绳的导电板传感器，增加防松绳的控制线路。增添了手轮，可用于应急操作，实现吊杆手动升降。

改造中将原有的单片灯光吊杆杆体更换成三角杆，既方便灯光线槽安装和灯具吊挂，更实现了灯光吊杆在升降机平时使用中稳定。

将灯光吊笼的电机尾部增加了编码器，实现定位功能，并进行软件升级改进，使笼体升降时具有任意定位功能。增加松乱绳保护装置，提高设备的安全性。

更新后的剧院全套幕布，均经过阻燃处理，符合GB50222-95《建筑物装修设计防火规范》要求，符合公安部GB5455-85《纺织物燃烧性能测定垂直法》防火要求，达到国家GB8624-88 B1级防火标准。阻燃幕布面料经过国家消防质量监督检验中心检验，质量达到国家GB8624-1997B1防火标准。

（3）保养

全部设备做一次清洁保养、检查调整和局部表面油漆。

5．舞台机械系统软件（舞台机械电气、电路和控制系统设计等部分）改造方案

在剧院舞台机械系统中，控制系统为整个舞台机械的核心，原有的控制系统已经不能满足现有复杂舞台机械的控制，而且在安全联锁控制方面存在安全隐患。为此在本次改造中对众多的舞台机械设备设计构建一个安全、高操控性的控制系统尤为重要。新建的控制系统可以对所有舞台设备的驱动装置和现场传感器等实施运动控制、状态监视。并提供操作界面和操作方法，保证设备人员安全，配备维护及检修手段。

图3　舞台机械电气和控制系统构示意图

图4　舞台机械监控系统实时监控界面

5.1　FCS舞台机械电气和控制系统的架构

图3是FCS舞台机械电气和控制系统的简要构成。由主操作台（内置上位机监控系统）、主控PLC、通迅网络、现场PLC从站、矢量变频器、驱动电机以及现场传感器等设备组成。

5.1.1管理层（操作站层）

管理层（操作站层）可同时连接多个各种型式的操作台。剧院配置了主操作台、移动操作台、调试台、移动安全控制器、大幕就地操作箱等。主操作台控制台上和台下机械，移动操作台和便携式操作盘可对台上、台下机械进行控制，也可通过适当的参数设置屏蔽其操作范围。

5.1.2控制层（主控制器和网络）

控制层（主控制器和网络）由西门子主控制器与PLC从站构成。西门子主控制器和主操作台上的工控机之间采用SIEMENS工业以太网通讯。主控制器和现场PLC从站及控制柜内变频器之间的通讯线路为工业现场总线。管理层通讯采用100Mbps工业以太网，控制层通讯采用传输速率为12Mbps的PROFIBUS-DP现场总线。

5.1.3现场层（驱动部分）

(1）电气柜

在设计中将舞台机械电气和控制系统配置的电气柜分别放置于台下机械电气室和台上机械电气室及设备现场。电气柜内的断路器、接触器、变频器等功率器件完成各驱动装置的动力分配与控制。

电气柜内的PLC从站、变频器和主控制器间通过现场总线控制，和主控制器实时通讯，接受主控制器的控制指令，同时把采集的现场传感器信号以及变频器的运行、位置等信号上传给主控制器。电气柜内还可完成设备的就地操作，该操作不受主控制系统的影响。提供了各类设备的手动操作功能。

为了完善剧院机械舞台系统的安全机制，确保机械舞台的安全可靠运行，调整并增添了相关线路，仔细梳理了原有线路及增加的线路相互之间的逻辑关系，细化了之间的互锁、联动等相互关系，并在编写上位机及下位机软件时予以实施。在剧院舞台机械系统改造中增设的线路主要有：乐池升降台、主升降台备用系统开合信号的线路及主升降台安全门开合信号线路；添加防火幕和消防信号的联动线路；在景杆、灯杆、侧吊杆、大幕机升降、活动台口升降卷扬机中增加防乱绳线路；增加灯光吊笼位置控制线路。

(2）变频器

驱动部分调速用变频器选用矢量变频器。具有位置控制、故障自诊断、自适应控制、防止误操作及射频干扰抑制等功能。并具有PLC功能的集成定位IPOS控制功能，可以减少主控制器系统运行程序的循环时间，提高控制系统的实时性。

(3）现场传感器

速度检测与位置检测用的传感器采用了瑞士ELCO公司的编码器，能直接装配在传动机构上作为检测反馈。选用的编码器通过扭臂或弹簧片等柔性连接方式固定，可以更好的保证编码器的检测精度。旋转编码器达到1024p/r的检测精度。

5.2　舞台机械监控系统

“舞台机械监控系统”和主控制器、PLC从站共同组成了舞台机械的控制中心，使用它们供给的各种控制方式，如编制剧目场景流程等，可以很灵活地使舞台机械设备做出各式各样的动作或者组合，配合灯光音响，提供给表演者一个完美的氛围。可以实时快速地采集各种各样的数据，使操作人员通过人机界面就可以了解到每一个舞台设备的状态。

5.3　紧急停机控制系统

随着舞台机械控制理论的不断发展，控制系统的安全可靠性越来越重要，紧停控制系统是控制系统中必不可少的部分。在控制系统设计中将安全继电器应用于急停系统。安全继电器在关键元器件的故障排除前，系统的启动将被禁止，可防止危险情况的再现。

紧急停机系统由紧急停机按钮本身的扭松机构取消紧急停机状态。任一个急停按钮或极限开关的动作会触发多条应急线路，每条线路都针对不同类型的设备进行设计。控制系统同时监控各紧急停机按钮的状态。控制系统在设计时考虑了紧急停机状态的取消本身不能引起任何设备运动，所有设备在按正常操作程序重新启动之前都将保持停机状态。任何时候和任何情况下，只要操作控制系统中任何一个紧急停机按钮或单体设备的极限开关，应急线路都将启动。保证在舞台的任何区域启动紧急停机系统，都将使所有正在运动中的舞台机械设备安全而迅速的停机并断电，实现人身和设备安全。

6．结束语

荔枝大剧院自2017年6月起进行整体改造，根据整体进度安排，剧院机械舞台系统自9月初开始实施改造，在改造实施过程中，在确保总工期目标的前提下，以“确保工期，突出重点，合理穿插，攻克难关”为中心进行总体布置，推进施工作业计划。通过与众多施工单的密切配合，荔枝大剧院舞台机械系统改造按期在2017年12月中旬完工并交付投入使用。