侯鵬強(qiáng)，唐 偉，向 飛

（成都炎興自動(dòng)化工程有限公司，四川 成都 610052）

目前流動(dòng)演出中舞臺(tái)機(jī)械的使用范圍越來越廣、規(guī)模越來越大，需要的機(jī)械設(shè)備數(shù)量也在逐年攀升，舉辦各種大型活動(dòng)往往需要在體育場(chǎng)、體育館等活動(dòng)場(chǎng)地臨時(shí)搭建舞臺(tái)及相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備或裝置。這種需求使得機(jī)械設(shè)備也需要像燈光、音響設(shè)備一樣方便運(yùn)輸和快速搭建。如慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會(huì)，整體采用了兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)，共用了60余臺(tái)數(shù)控單元。一種為開場(chǎng)蓮花，由22臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)吊掛了11片蓮花花瓣，如圖1所示，其中，上場(chǎng)口布置了12臺(tái)吊機(jī)和一個(gè)軌道移動(dòng)平臺(tái)（吊機(jī)都布置在軌道移動(dòng)平臺(tái)上），下場(chǎng)口布置了10臺(tái)吊機(jī)和一個(gè)軌道移動(dòng)平臺(tái)，每片花瓣由2臺(tái)吊機(jī)控制，通過控制吊機(jī)運(yùn)行過程中的速度變化及各吊機(jī)間的速度差，實(shí)現(xiàn)蓮花花瓣在展開過程中隨風(fēng)飄蕩的姿態(tài)。另一種機(jī)械機(jī)構(gòu)由30臺(tái)數(shù)控葫蘆組成，用于吊掛15塊透明LED屏（冰屏），每塊透明LED屏由2臺(tái)數(shù)控葫蘆吊掛，通過安全編組控制2臺(tái)數(shù)控葫蘆位置偏差不超限或安全停止，防止故障，保障其吊掛的透明LED屏的安全。

筆者基于流動(dòng)演出中常用吊機(jī)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)常見吊機(jī)系統(tǒng)的類型、架構(gòu)及控制單元技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行解析，并闡明舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備應(yīng)用中存在的問題。

圖1 慶祝澳門回歸祖國20周年文藝晚會(huì)的開場(chǎng)蓮花

1 流動(dòng)演出中常用吊機(jī)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

臺(tái)上常見的升降類設(shè)備為環(huán)鏈葫蘆和卷揚(yáng)機(jī)。相比卷揚(yáng)機(jī)，葫蘆的搭建更為簡(jiǎn)單易用，直接懸掛于桁架上即可；但葫蘆由于自身設(shè)計(jì)的限制，速度通常只能到20 m/min，最快的也不超過30 m/min，這種速度有時(shí)無法滿足實(shí)際需求，往往需要卷揚(yáng)機(jī)作為補(bǔ)充。如圖2所示，是一種為流動(dòng)演出而改裝的典型數(shù)控葫蘆，內(nèi)部加裝了編碼器、凸輪限位開關(guān)等。

流動(dòng)演出的應(yīng)用中，升降類設(shè)備與傳統(tǒng)固定場(chǎng)館有所不同，大型升降平臺(tái)往往需要多個(gè)頂升機(jī)構(gòu)來分散驅(qū)動(dòng)，無法用大功率電機(jī)和硬軸連接的方式；對(duì)于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備，一般也采用多電機(jī)分布摩擦驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)，英國的Kinesys、德國的Movecat、荷蘭的Cybermotion等國外公司提供有各自的解決方案。

數(shù)控葫蘆是流動(dòng)演出中使用最廣泛也最頻繁的，隨著演出規(guī)模的擴(kuò)大以及對(duì)于舞臺(tái)整體造型變換多樣性的需求，在演出中需要懸掛各種屏和舞美裝置等，使用量逐年遞增。數(shù)控葫蘆目前主要采用的結(jié)構(gòu)形式是驅(qū)動(dòng)單元+葫蘆；也有個(gè)別廠家采用數(shù)控和電機(jī)整體集成的方式，但造成重量過重，進(jìn)而導(dǎo)致前期安裝不易等問題。葫蘆本體經(jīng)過改裝后，內(nèi)部加裝1或2個(gè)編碼器，通過單根或多根線連接到驅(qū)動(dòng)單元；葫蘆內(nèi)部電機(jī)多為異步電機(jī)，便于三相電直接驅(qū)動(dòng)，有些廠家也采用伺服電機(jī)，但是未發(fā)現(xiàn)有較好解決雙制動(dòng)的產(chǎn)品，難以達(dá)到安全要求。

流動(dòng)演出中，配合數(shù)控葫蘆的使用有兩種解決方案，一種是根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)葫蘆進(jìn)行改裝，自行配裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元，另一種就是葫蘆與驅(qū)動(dòng)單元集成的產(chǎn)品。對(duì)于自行配裝驅(qū)動(dòng)單元的方案，驅(qū)動(dòng)單元需要集成有通信接口、針對(duì)葫蘆的單HARTING（哈丁）接口、數(shù)據(jù)顯示和設(shè)置面板、外部電源接口等，如圖3所示，便于針對(duì)不同廠家的普通葫蘆進(jìn)行改裝。比如Kinesys可以針對(duì)CM、GIS、Liftket等品牌的葫蘆進(jìn)行改裝。改裝過程主要是在葫蘆本體內(nèi)部增加編碼器、限位開關(guān)，并對(duì)控制線路進(jìn)行改造，利于與廠家定制開發(fā)的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行互聯(lián)。

將驅(qū)動(dòng)單元和葫蘆本體集成到一起的產(chǎn)品如圖4所示，這種方案使用相對(duì)方便，但是不利于搬運(yùn)，單個(gè)葫蘆本體重量較重。

國內(nèi)針對(duì)流動(dòng)演出領(lǐng)域，也有一批擁有自己數(shù)控設(shè)備的企業(yè)，但多數(shù)都是采用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制的方式，并不像前面介紹的幾家采用定制的軸控板卡的方式，性能差距較大，主要體現(xiàn)在安全性、使用便捷性、設(shè)備編程的易用性等方面。

圖2 數(shù)控葫蘆

圖3 兩種可以加裝葫蘆的驅(qū)動(dòng)單元

圖4 與葫蘆集成的驅(qū)動(dòng)單元

2 流動(dòng)演出吊機(jī)系統(tǒng)的類型及架構(gòu)

流動(dòng)演出中采用的吊機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)種類較多，但常見的有兩種架構(gòu)：基于定制軸控板卡和PLC架構(gòu)。

2.1 定制軸控板卡方式

基于定制軸控板卡的方式，是將軸控板卡集成在驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部，形成固定的驅(qū)動(dòng)單元，與電機(jī)進(jìn)行快速有效的互聯(lián)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

（1）最上層為人機(jī)交互的操作層，一般不同廠家的系統(tǒng)可以配置一到數(shù)臺(tái)操作臺(tái)。流動(dòng)演出用的操作臺(tái)一般與燈光控制臺(tái)比較類似，需要多屏顯示和多個(gè)按鍵操作，為了實(shí)現(xiàn)更快捷、更方便的編程。

圖5 定制軸控板卡方式的吊掛系統(tǒng)框圖

（2）中間層為主控單元和電源分配系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)接收操作層發(fā)來的指令，并將設(shè)備層的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，方便用戶及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行和診斷情況。主控和分控之間通信采用高速總線，目前采用高速總線的較多，主要還是考慮流動(dòng)演出設(shè)備一般不單獨(dú)使用的特性，往往一個(gè)最常使用的燈架都需要幾臺(tái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)提升，這就需要用高速總線傳輸來保證整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）最下層為分控單元加吊機(jī)。其中，分控單元內(nèi)部一般包含驅(qū)動(dòng)單元和控制器，如變頻器、制動(dòng)電阻、空開、接觸器、繼電器等，包含了對(duì)應(yīng)的安全回路。往往分控單元電源和通信均可以采用菊花鏈連接的方式，也是考慮流動(dòng)演出過程中可以快速搭臺(tái)的目的。分控單元一般包含簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面，有通過數(shù)碼管和按鍵的方式，也有通過液晶面板的方式，還有通過本地通信終端的方式，均可實(shí)現(xiàn)針對(duì)設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，特別是針對(duì)設(shè)備地址的設(shè)定，使得上層系統(tǒng)可以快速識(shí)別。

2.2 PLC架構(gòu)

采用PLC架構(gòu)的吊掛系統(tǒng)，通過PLC連接每個(gè)變頻器或者伺服驅(qū)動(dòng)，幾個(gè)變頻器或者伺服驅(qū)動(dòng)安裝在一個(gè)航空箱內(nèi)部，類似劇場(chǎng)舞臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方式。但該種架構(gòu)并不利于流動(dòng)演出的使用。

該架構(gòu)下，通常需要PLC通過組態(tài)完成功能要求，這種模式較難完成設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的快速增加和減少，并且流動(dòng)演出一般采用多個(gè)小型PLC分散控制的方式，但每個(gè)小型PLC處理能力和通信能力又比較受限，對(duì)于完成多個(gè)設(shè)備間的互鎖、聯(lián)動(dòng)一類的功能相對(duì)復(fù)雜。

3 吊機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

流動(dòng)演出吊機(jī)系統(tǒng)由于使用場(chǎng)合的特殊性，其控制系統(tǒng)通常具備如下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）表格加圖形快速編程模式

流動(dòng)演出機(jī)械類設(shè)備數(shù)量多，往往需要針對(duì)幾十個(gè)設(shè)備進(jìn)行幾十上百個(gè)動(dòng)作的編程，例如有時(shí)候需要將不同的設(shè)備從不同位置同時(shí)移動(dòng)到某個(gè)位置，則可采用設(shè)置時(shí)間從而自動(dòng)設(shè)置速度，加快編程速度。采用表格和圖形結(jié)合的方式比較容易實(shí)現(xiàn)快速批量編程。

（2）外部信號(hào)觸發(fā)方式

在目前的流動(dòng)演出中，演唱會(huì)居多，演唱會(huì)對(duì)于音視頻與機(jī)械協(xié)調(diào)的一致性要求較高，需要有信號(hào)同時(shí)觸發(fā)音視頻和機(jī)械設(shè)備運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的觸發(fā)，往往需要支持其他觸發(fā)信號(hào)輸入，如DMX、時(shí)間碼等信號(hào)。但由于機(jī)械類設(shè)備運(yùn)行存在安全風(fēng)險(xiǎn)大，需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，機(jī)械操控臺(tái)需要單獨(dú)配置，對(duì)于單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行一般不允許通過其他信號(hào)來觸發(fā)，而采用編好的CUE在操作員控制的情況下觸發(fā)運(yùn)行。DMX觸發(fā)運(yùn)行簡(jiǎn)單方便，但使用應(yīng)謹(jǐn)慎。

（3）電控單元模塊化

機(jī)械模塊化相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但是電控模塊化有其自身特點(diǎn)。為了方便操作人員的搭建，一般要求設(shè)備具備即插即用功能，并且在這種情況下還得保證設(shè)備快速自動(dòng)識(shí)別和高速通信的能力，對(duì)于這些需求則采用定制研發(fā)的軸控制器更適合。采用軸控方式可以方便設(shè)置每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元地址，進(jìn)行快速識(shí)別和搭建。

（4）基于物體對(duì)象的編程需求

基于物體對(duì)象的編程需求同樣來源于模塊化單元搭建衍生出來的特殊需求，比如一個(gè)圓環(huán)，用4～6個(gè)驅(qū)動(dòng)單元來懸掛，要求圓環(huán)能自由擺動(dòng)起來，假如基于單個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備編程，會(huì)使得編程復(fù)雜度大大增加，需要人為計(jì)算坐標(biāo)和運(yùn)行動(dòng)作區(qū)間；而基于物體對(duì)象的編程可以直接輸入需要?jiǎng)幼鞯慕嵌戎?，即可完成搖擺，按照物體本身空間屬性編程，如空間坐標(biāo)高度值、沿X方向傾斜的角度值、沿Y方向的傾斜角度值，簡(jiǎn)單、安全性高。

4 現(xiàn)狀和問題

在目前國內(nèi)各類流動(dòng)演出活動(dòng)中，吊機(jī)仍然為使用最多的設(shè)備，但其他設(shè)備如模塊化升降臺(tái)、拆裝式轉(zhuǎn)臺(tái)等也在流動(dòng)演出中使用，此類舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用中仍存在一些共性的問題。

（1）安全類傳感器配置不足

為了快速搭臺(tái)的需要，通常會(huì)省去很多安全傳感器和開關(guān)，比如很多升降臺(tái)都沒有限位開關(guān)和極限開關(guān)的配置，往往僅依賴于電機(jī)尾軸的增量編碼器設(shè)置軟限位來完成基本的限位功能。對(duì)于載荷類傳感器，內(nèi)地在進(jìn)行舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的搭建時(shí)較少配置，但在港澳臺(tái)和國外的項(xiàng)目中，載荷傳感器幾乎是標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2）伺服電機(jī)使用不當(dāng)

流動(dòng)演出用的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備，多數(shù)為提升類設(shè)備，如環(huán)鏈葫蘆、升降臺(tái)等，在目前的一些應(yīng)用中采用了伺服電機(jī)，但又沒有配置額外的制動(dòng)單元，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器制動(dòng)力矩不夠，在失電的情況下容易發(fā)生危險(xiǎn)。

（3）操作復(fù)雜

目前，為流動(dòng)演出臨時(shí)搭建的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，其操作仍然比較繁瑣，針對(duì)物體的編組幾乎沒有，對(duì)于一個(gè)需要搖擺的物體很難滿足快速編程的需求。

以上問題以現(xiàn)在的技術(shù)和設(shè)備水平完全可以解決，關(guān)鍵是要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)予以高度重視。同樣可采用基于風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，進(jìn)行設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)分析，再采用措施降低到可容許的風(fēng)險(xiǎn)范圍?？蓞⒖糄IN56950、EN17206等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

流動(dòng)演出要求臨時(shí)搭建的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備輕量化和模塊化，使多數(shù)設(shè)備可以由多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成，例如一塊屏的升降可能由4～6個(gè)點(diǎn)完成，某些升降平臺(tái)也由多個(gè)剛性鏈來直接頂升，機(jī)械部件的模塊化相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；對(duì)于電控單元，模塊化程度高則要求軟件易用、安全，特別是安全編組功能是一個(gè)硬性要求，必須有，當(dāng)同步設(shè)備中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生異常時(shí)可快速停止其他同組設(shè)備，而基于物體對(duì)象編程的方式最好也應(yīng)具備。