織夢螺螄道場 濃縮江南水鄉(xiāng)——浙江館“青瓷碗”大型演藝設備系統(tǒng)

杜安坤，王海林，孔憲旺，董 強，祁 宇，陳 威

（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）

1 演藝設備制造的出發(fā)點

領會導演意圖，用演藝設備做什么，怎么做，設備技術與藝術創(chuàng)意的結合點是什么，怎么結合？是做好表演設備和系統(tǒng)的一個個關鍵點。結合不好，在信息發(fā)達的今天勢必造成觀眾的審美疲勞。因此，設備的型、體、運動軌跡、運動速度，設備群組的組態(tài)、速度和位置關系，作為個案的系統(tǒng)如何保證安全可靠等因素，有必要統(tǒng)籌協(xié)調。舞臺演藝設備的制造處在一個施展大眾公共藝術的時代，參加世博會是一個展現(xiàn)、鍛煉的機會，并且學科人才的培養(yǎng)更需要這樣的實踐。借世博會浙江館的“碗里乾坤”，展現(xiàn)鬧市中天堂般的雅靜視聽，心儀向往的天地人和之意境。浙江館外觀如圖1所示，裝飾前館內透視如圖2所示。

2 表演任務與創(chuàng)意呈現(xiàn)

圖1 浙江館外觀

圖2 裝飾前的館內透視

位于浙江館核心區(qū)的巨大“青瓷碗”無疑是館內的重要看點。“小橋流水人家，婉約竹林品茶；表演形式聚會，地方特色文化；天堂美景一碗大，詩情畫意絲竹雅；五千年歷史積淀，八分鐘演繹技法。”這即是“青瓷碗”的創(chuàng)意理念。觀眾站在碗四周的環(huán)形升降平臺上，平臺上升，先把碗底外圍觀眾從如紗如織的薄霧中送到桃園仙境般的碗口四周，十幕佳景在龍泉青瓷大碗內漸次展現(xiàn)，綿綿江南情意，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水鄉(xiāng)人家”、“跨海大橋”依次升出水面，“錢塘江潮”、“斷橋故事”、“采茶撲蝶”、“運河絲路”……將浙江千百年來的歷史和特色呈現(xiàn)在觀眾眼前。“青瓷碗”展演在世博會184天里從不間斷，每天從早8點表演到子夜，場場爆滿。技術與藝術的精致融合帶給觀眾精美的視覺感受。

3 館內設備集成

“青瓷碗”是一個小而全的演藝舞臺。相對于劇場舞臺它是小的；從涉及的專業(yè)設備來說，它是全的。即使不將工藝美術、建筑造型、結構計算、空間及通道利用、消防和對講通訊算在內，它已經包含了中控統(tǒng)管下的燈光、音響、多媒體、機電、電液、給水、排水、水霧、噴淋、水面3D投影、超短焦投影，中控網絡、現(xiàn)場網絡、三維動畫等多個專業(yè)的設備和裝備器材。

大碗和碗內運動場景由不銹鋼材料制成，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水鄉(xiāng)人家”、“跨海大橋”、“荷花”的升降裝置由碗底穿出的5組同步液壓缸組驅動。在碗底部，集中了液壓控制和檢測回路、注水泵、排水閥等設備，碗的外壁敷設密集的噴霧嘴及其管路，碗壁再罩上沿部預留篩眼的烤瓷碗狀外殼。裝飾后的青瓷碗如圖3所示，碗內場景機械安裝如圖4所示，集中在碗底的設備如圖5所示。

為了減少對地面的集中載荷，碗內填充了聚氨酯泡沫材料，即便如此，碗中所盛的液體二氧化鈦和水以及各不銹鋼場景仍重達40多噸。

4 設備結合工藝美術的運行

4.1 中心控制臺

服務器主機通過總線網絡分布I/O接口與各專業(yè)子系統(tǒng)預置I/O接口相連，按節(jié)目時序統(tǒng)一管理各子系統(tǒng)設備的啟停，并監(jiān)控各子系統(tǒng)的設備工作狀態(tài)。

4.2 升降平臺

臺面起始位置位于觀眾進口，與踏步平臺平層，也與碗底處在同一平面。觀眾憑欄圈定站齊后升降平臺徐徐升起，把觀眾帶到碗口，隔碗相望，腳與碗邊平，每個觀眾踞青瓷碗一隅。

環(huán)形升降臺可載人70名，外徑15 m，內徑9.1 m，升降行程2.85 m，升降速度0.000 5 m/s ~ 0.05 m/s，由同步軸驅動環(huán)形分布的10條剛性鏈完成升降，節(jié)省了空間高度，安全性要求高。驅動電機一用一備，采用編碼器控制定位，由2臺液壓制動器和5臺電動插銷確保升降動作的定位和載荷方面的安全。如此近的距離，平臺降噪、平穩(wěn)啟動和停準都是非常必要的，在矢量變頻器的控制下平衡了電機的剛性和柔性。碗內場景液壓缸分布如圖6所示，驅動平臺的鋼性鏈如圖7所示。

圖3 裝飾后的青瓷碗

圖4 碗內場景機械安裝

圖5 集中在碗底的設備

4.3 多回路液壓同步組驅動

4.3.1 液壓機械要求條件

（1）系統(tǒng)最大壓力為 5 MPa，雙泵為用一備一，工作時可任選其一啟動。當液位繼電器無低液位信號報警輸出時可單獨啟動，啟動時溢流閥不加電。

（2）溢流閥加電隨各電磁閥的動作需要，有任意電磁閥加電動作時，需同時給相應溢流閥加電（和啟動的泵對應），并隨電磁閥斷電后延時斷電，動作關系為并聯(lián)關系。

（3）每液壓缸組中比例閥為調節(jié)同步使用，與各自油缸內置位移傳感器的位置差成，閉環(huán)模式，自動調節(jié)修正誤差。

（4）每液壓缸組動作中主控電磁閥分主閥和備閥，為用一備一模式，可自由切換。

4.3.2 液壓控制任務分析

由于所舉升的場景輕重不一，場景又存在或升或降的換景運行，那么，在這個多缸液壓系統(tǒng)中，各液壓缸同步組運動時的負載壓力是不相等的，勢必存在各缸之間運動的相互干擾現(xiàn)象，所以，各液壓缸組均采用了比例換向閥閉環(huán)控制，各油缸內置位移傳感器檢測位置，檢測速度由位置對時間的微分確定。

本案屬用機械聯(lián)結來實現(xiàn)場景的同步運動的回路，用剛性梁使兩液壓缸的活塞桿間建立剛性的運動聯(lián)結，實現(xiàn)位移同步，鋼梁與液壓缸連接處允許位置偏差5 mm。

4.3.3 控制實現(xiàn)方法

碗內液壓設備采用隨機檢測多點平衡控制方法，監(jiān)控每一個動態(tài)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)故障自鎖，完成多點同步液壓驅動。PLC通過檢測油缸內位移傳感器的4 mA ~ 20 mA輸出信號，進行自動比較和平衡插補運算，實現(xiàn)對4 mA ~ 20 mA比例換向閥的平衡定位控制。濾油器報警信號、液位報警信號、溫度報警號、電磁溢流閥等與液壓泵啟動關聯(lián)，以確保機電液設備的系統(tǒng)安全可靠運行。

液壓同步運動回路用來保證系統(tǒng)中的兩個或多個液壓缸等執(zhí)行元件在運動中以相同的位移或速度升降，也可以按1:1的速比運動。在同步運動回路中影響同步運動精度的因素很多，如外負載、泄漏、摩擦阻力、元件的變形及液體中含有氣體等都會使比例換向閥運動同步不精確。為此，同步運動回路應盡量克服或減少上述因素的影響。同步運動包括位置同步和速度同步兩種。

4.3.4 閉環(huán)比例閥的同步

比例換向閥同步運動的每組液電液回路中，各使用了一個電液比例換向閥，控制每組液壓缸1和2的運動，1號為主，2號為從跟隨1號的速度和位置，當兩液壓缸出現(xiàn)位置誤差時，由PLC檢測并計算其裝置位移信號，調節(jié)比例換向閥的開度，實現(xiàn)糾偏控制。同步誤差2 mm，升降運行速度0 mm/s ~ 150 mm/s。設計同步周期5 ms，即最大同步響應速度設計為0.75 mm/5 ms。實際同步周期3 ms，即最大同步響應速度設計可到0.45 mm/3 ms（取決于PLC的掃描周期）。電液轉換設備如圖8所示。

圖6 碗內場景液壓缸分布

圖7 驅動平臺的鋼性鏈

圖8 電液轉換設備

圖9 中心計算機控制系統(tǒng)

圖10 冗余可靠性保障

圖11 碗內江南水鄉(xiāng)場景效果

圖12 碗內河姆渡場景效果

如想保證兩液壓缸在任何時候的位置誤差小于0.3 mm，則只能使用多軸伺服控制器控制電液伺服閥同步，使各軸液壓缸通過的即時流量相同，實現(xiàn)液壓缸高精度同步。

5 機械控制系統(tǒng)

浙江館機械控制系統(tǒng)集計算機、PLC、機電、電液、給排水等設備組成了機電液混合動力傳動的自動化控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以西門子公司的S7-300系列PLC作為核心控制器，數(shù)據通訊總線人機界面采用西門子TP277觸摸屏，主要控制對象有環(huán)形升降臺、液壓泵站、碗內液壓設備、注水、排水等設備。如圖9所示。碗內各場景設備采用多液壓缸同步驅動。被控對象一用一備。防水、防潮要求高。

冗余備份、同步控制既是功能需要，也是運動的機械設備的安全措施。系統(tǒng)在完成機電設備可靠運行的技術指標同時，門開關、觀眾站位等方面的聯(lián)鎖防護，全場所有的監(jiān)控布防、場內外信息溝通、對觀眾流動秩序的引導均要反映到操作控制平臺。如圖10所示。

6 結束語

“碗里乾坤大，集中又細化。”“青瓷碗”展演設備多樣而且密集，升降平臺、液壓設備同步要求高，安全和可靠性要求高。圖11、圖12為碗內相關場景最終效果。這是一個受控于中心指揮的統(tǒng)一體，實現(xiàn)了技術與工藝美術的多元化結合。世博會期間的全程運營，依靠全員參與和全過程的制度化實現(xiàn)技術保障。圖11、圖12為碗內相關場景最終效果。