舞臺機械控制系統的安全要求及軸控制技術的特點與應用

［德］克里斯蒂安·弗萊米勒

（德國SBS舞臺技術有限公司）

1 舞臺區域的安全需求

劇院的舞臺區域不僅僅是一個演出的場地，它還是劇院中很多不同專業人員的工作地點，這些專業人員包括工程師、技術工人、演員、音樂家、舞臺監督、臨時工人等。

與一般工作場地不同的是，舞臺區域還有以下特點：

（1）有時漆黑，有時照明昏暗；

（2）有時設備和布景的運動速度非常快；

（3）有些人員（包括非技術性的員工）必須在運行中的設備或布景范圍內工作；

（4）不同專業的人員（技術/藝術專業人員）需要同步作業；

（5）會有即時的表演，這時必須排除可能造成演出中斷的技術缺陷。

上述幾種情形是從劇院舞臺設備操作人員的視角列出的。本文將著重強調與控制系統相關的安全要求，同時，也將談及其他一些相關因素。

2 舞臺機械控制系統的安全要求

根據經驗，對舞臺設備而言，使用安全是重中之重。目前，與之相關的安全規范已經在多個國家實施了15年以上，這些規范和標準對舞臺設備的機械與控制系統的使用者及生產制造者同樣適用，也對選擇舞臺設備的生產廠商及設備的挑選產生了重要的影響。

無論任何專業，“安全”是永恒的主題。多年來，安全因素一直貫穿劇院設備的各項細節之中，哪怕是再細小的安全要求，都已制定有相應的國際規范。德國標準DIN 56950《演藝技術－機械設備－安全要求與檢驗》對舞臺機械的安裝與運行安全要求有詳盡的描述，是一個指導性的規范。在DIN 56950規定項下，劇場演出期間舞臺機械的控制還必須符合國際電工委員會標準IEC 61508《電氣/電子/可編程電氣安全相關系統的基本安全要求》所規定的SIL3要求（Safety Integrity Level安全度等級）。

IEC61508描述了控制系統“最新發展水平”的特點，并對全部有安全功能要求的控制系統適用。這個標準尤其規定了控制系統依照SIL3等級最小化風險的要求。另有一個指導性的2006/42/EG《機械設備規范》，它在歐盟作為防范致傷事故的法律來執行。

對安全的要求不能只通過某幾個公司的自我約束來實現。各國有獨立的檢測認證機構（如德國的TüV）提供獨立的鑒定。這些機構的專家監測安全控制系統開發的全部過程，并在每個中間階段檢查現有的安全規范是否被實施。在系統開發完畢后，此類機構頒發證書，證明系統符合規范，從而使劇院的用戶確信其使用的安全控制系統符合安全要求，劇院人員不至因設備的使用而導致任何危險。這一點對劇院管理方尤其重要，因為其任務之一是確保人員的安全與健康。

3 COSTACOwin?控制系統配置

控制系統必須擁有高度可使用率。為了達到這一要求，有必要開發出一個模塊化、分散型的控制系統，并做到在各個主要組件配置上都設有冗余。這可以保證在一個組件出現故障時，其他設備不至受到影響。以SBS舞臺技術有限公司開發的COSTACOwin?控制系統為例，其配置如圖1所示。

系統中所有的控制面板均獨立工作（在面板層面上形成冗余），通過以太網與中央計算機通訊。以太網也可以做成冗余的形式。這個標準配置的系統使用兩臺中央計算機，以保證系統的高在線特性。每臺設備都通過獨立的插接式控制盒同其他設備及其傳感器以及系統中央計算機相連接；插接式的連接可以使設備變換更迅速。控制盒內安裝了軸計算機，軸計算機及中央計算機之間的工業以太網均為高度冗余設計。

控制面板、中央計算機、網絡、裝有軸計算機的控制盒中任何一臺設備的部件出現問題，上述配置的系統都能夠使用冗余繼續工作，且不會影響到安全性與便捷性。由于COSTACOwin?控制系統的優良特性，可以保證舞臺設備的高在線可使用性，演出不會被中斷。

當然，控制系統還有其他重要的特性，比如：

（1）合理的性能價格比；

（2）舒適的用戶界面；

（3）向系統內添加額外的軸/控制臺時的方便程度；

（4）系統可更新 / 可按每個模塊的順序逐個調整，重新搭建系統；

（5）向系統內加入其他專業設備。

4 軸控制系統的優勢

為了達到安全方面和開機率的要求，不同的廠家相繼開發了基于軸控的計算機控制系統。這意味著，制造控制系統的廠家要使用自主開發的軸控計算機。與相對較為通用的標準化的工業自動化系統（如PLC系統）相比，軸控制系統具有如下優勢：

（1）軸控制計算機是專門為舞臺機械應用開發的，因此可以全方位滿足安全標準與規范（特別是IEC61508規定的SIL3要求），在系統開發時已將這些要求考慮在內。整套系統還通過了獨立檢測機構的認證。

（2）為舞臺機械開發的軸控制系統方案在開機率方面要求很高。控制系統使用模塊式的分散型架構，可以很方便地提供有冗余的配置。

（3）系統的研發部門對劇場的功能與使用了解透徹，可以為各種劇場效果開發出更有針對性的應用系統。控制系統的最終使用方與系統開發者可以直接溝通，并可在開發階段將使用方的愿望快速準確地全盤考慮在系統中。

（4）可以長期保證供應控制系統的備品備件。由于系統是由專業公司開發的，它們也是這些公司產品的一部分。長期維護備品備件的供應也是符合這些專業公司自身利益的。與之相比，通用型工業自控產品的長期備件供應取決于這些公司自身的遠期戰略。舞臺機械產品只是這些大公司內很小的業務，與其他業務部門的收益相比，在整個公司全局收益中顯得微不足道。

表1 一些大型劇場控制系統使用情況

總的來講，使用通用化的工業自動系統（如PLC）也可以滿足SIL3的安全規范要求，但要達到軸控制系統的水平高度，這類方案在靈活性和經濟性方面的競爭力都顯不足。否則，舞臺機械的控制系統廠家就沒有必要去自主開發軸控制系統了。

5 軸控制系統開發和應用實例

這里有兩個案例。德國博世力士樂公司長年開發并制造PLC系統的標準化產品，但將PLC系統廣泛在其他工業中應用，不過該公司于2011年專門為舞臺機械開發了劇場應用的軸控制系統。這說明了舞臺機械在應用上對軸控制系統的需求。另一個例子是，一家小的德國企業在德國范圍內提供安全控制系統。在2008年之前，這個公司一直希望向市場提供有競爭力的基于PLC的安全控制系統。2009年他們推出了自行開發的全新軸控制系統，提高了其產品的價格競爭力。

在中國以外的一些大型劇場控制系統的使用情況，如表1所示。從表中可以看出，上述項目均按IEC 61508標準的SIL3規范提供了經認證的控制系統。這些項目系統里的模塊化和分散式架構尤其重要，而控制系統內大量的冗余配置保證了整個舞臺機械系統極高的在線開機率。

另一個重要方面是，所有這些技術上的要求都沒有依靠于任何一個專家組、設計公司，與使用者的國別也無必要關聯。表中的國家，無論是發達國家還是發展中國家，都在使用同樣高標準的系統，而安裝在劇院中的由不同廠家自行開發的軸控制系統都通過了獨立的第三方機構的檢測。