上海大劇院主劇場舞臺機械控制系統改造工程方案

吳志華

（上海大劇院 舞臺技術部，上海 200003）

1 概述

1.1 改造依據

上海大劇院是上海市頗有影響的文化設施之一，自1998年8月27日開業以來，已成功上演過歌劇、音樂劇、芭蕾、交響樂、室內樂、話劇、戲曲等各類大型演出和綜藝晚會，在國內外享有很高的知名度，許多國家政要、國際知名人士曾光臨大劇院。劇院內有3個劇場，其中，1800座主劇場的舞臺由一個728 m2的前舞臺、一個360 m2的后舞臺和兩個257 m2的側舞臺組成，帶有舞臺平移、升降、旋轉、樂池升降和電動布景吊桿等設備，是上海重要的演出場所和藝術殿堂。

上海大劇院主劇場舞臺機械設備自日本三菱重工株式會社（以下簡稱三菱重工）設計建造以來，已經歷了10多年的運營。依據國家相關技術標準、安全法規以及機電技術手冊要求，根據上海大劇院舞臺設備系統原設計圖紙技術資料和近年維修原始資料，并針對現階段舞臺設備系統技術的不斷推陳出新的情況，以及近期上海大劇院主劇場舞臺機械設備系統運行情況和設備技術狀況，可以看到上海大劇院舞臺設備系統已過安全可靠期，其中的核心電氣/控制系統已超過了設備（產品）的生命周期（一般為5～7年），大部分設備以現在的標準來看已屬淘汰產品，備品備件的供應已完全不能滿足大劇院系統安全運行的條件，有不少的部件已磨損或可能無備件，一旦這些部件出現故障，很可能會引起系統故障或系統癱瘓，甚至是事故。

因此，劇院決定對主劇場整體舞臺設施予以徹底改造更新，使上海大劇院這顆上海文化設施明珠再次熠熠生輝，成為上海重要的中外文化交流窗口和藝術溝通的橋梁。

1.2 改造的必要性

經長期運營后，由于機械磨損或負載的變化已引起運行參數的變化，導致控制系統原來調試整定的參數偏離或失效，現有舞臺系統（臺上/臺下設備）的運行指標（如低速運行、同步運行等）已無法達到原設計或原調試達到的指標，具體如下：

（1）運行檢測元件（如旋轉脈沖發生器、絕對位置編碼器等）光柵盤的老化引起檢測數據的誤差增大，進而影響控制品質與精度。

（2）各類操作部件已超期服役，如舞臺電機的絕緣性能已下降至竣工驗收測量值的一半；按鈕、電位器、觸摸屏鍵等因長期的觸模使用（超10年）導致接觸不良引起系統時發性或偶發性的誤動作，使控制系統可靠性、安全性降低，運行安全風險加大。

（3）原有控制系統的計算機、觸摸屏、PLC（可編程邏輯控制器）、變頻器等都是20世紀90年代初、中期產品，經過10余年的技術發展，不管哪一類產品技術性能指標都已有了極大的提升，當今流行控制系統所采用的產品其性能指標都比原系統的性能指標高出幾個數量級，幾乎沒有可比性。原有系統的設備基本處于淘汰邊緣，有些設備因技術更新加快也已停產且無備件，如目前仍在運行的日本安川公司的變頻器產品已停產，給今后設備維護帶來困難。

（4）舞臺控制系統受當時設計理念、設計水平與設備制造水平的限制，與當今典型控制系統相比存在一定系統缺陷，整體控制技術已滯后于目前主流先進控制理念，其主要差距對比如下：

a.原有系統的網絡拓撲結構為單總線結構，通信方式采用專用數據令牌傳輸方式，而現今流行控制系統的拓撲結構為環形或雙環形或雙總線結構，通信方式采用通用的以太網協議。

b.原有系統的計算機通過板卡與PLC數據網絡相連，數據無備份，且圖形計算機與控制操作計算機各自獨立，不能互為備份。現今控制系統流行冗余方式，系統中所有的數據都有備份，儲存在冗余服務器中，而操作終端計算機可按功能的不同從冗余服務器中存取所需的信息，不同的操作終端可完全實現功能的互為備用和數據交換。

c.受原有操作系統及軟硬件功能的限制，對操作員層面的操作功能約束較大，在任何一個單獨的操作員終端都不能全部看到操作前所必須了解的所有信息（如吊桿運行時，在計算機顯示終端上可看到吊桿運行的模擬畫面，但實際數據只能在觸摸屏上的專有畫面中看到等）。而采用當今流行的組態軟件或觸摸屏控制軟件，這些必須的操作信息在任何操作員終端都是可視化的。

（5）該控制系統從1996年開始建造，至今已有十多年。按國外同類型劇院的更新慣例，控制系統應在設備（產品）使用年限到期之前，完成升級換代。基于一般設備的使用壽命和升級換代的速率，超期使用會帶來運行安全的巨大風險，一旦一套核心部件故障，整個系統就無法完整、安全地運行。

綜上所述，為確保上海大劇院主劇場舞臺機械設備工作的安全，其舞臺系統改造升級項目已迫在眉睫。而且，越早進行改造越有利，其運行也越安全。改造應借鑒當前中外劇院改造項目的成功經驗，對劇院整體舞臺設施予以徹底改造更新。

1.3 改造原則

上海大劇院主劇場舞臺機械控制系統改造的集成、設計制造、測試及試運行依據相關技術要求，并采用適合于該改造項目的相應質量標準、技術標準、試驗規程以及在舞臺設備行業中規定的任何其他標準，達到現代化的管理目標，主要體現以下幾個基本原則。

（1）在不改變舞臺機械預定功能和使用需求的前提下，在既定的建筑結構尺寸和地基狀況等邊界條件下，根據多年的經驗及產品特點，進行深化改造設計，方案將體現合理性、可行性和優越性，保證改造后上海大劇院主劇場舞臺設備使用的安全性、可靠性、穩定性。

（2）從系統結構及產品性能方面改變原有系統中因當時產品技術的局限以及系統價格的約束而產生的不足之處，以確保改造后系統達到或超過國內同類系統的先進水平，并對類似系統的改造具有示范意義。

（3）改造的控制設備的預期使用壽命按產品的最高標準進行設計，努力提高設備配置的水平。

所供設備采用國際通用的標準化部件及零件，或采用制造廠商生產的標準產品。它是當前舞臺控制中通用的，且具有技術先進、性能完備、安全可靠、使用操作方便、備品備件更換方便、維修簡單的特點。

（4）更新的設備均符合現定的環境和電氣標準，控制系統的設計便于將來擴展。

（5）所有設備和裝置均滿足相應的安全標準和舞臺操作規程，保證用戶在安全的工作環境下操作、使用和維修設備。

（6）維修工作無需使用特殊工具，而只需一般的工具和測試設備。所有制造、接線、試驗及其他工作，均由經過培訓的、有經驗的專業人員或技術工人完成。

2 改造方案

2.1 改造的目標

（1）全面提升舞臺機械設備使用的安全性、可靠性、穩定性。

（2）全面提升控制系統的先進性，在投資預算內，以提高控制系統的綜合性價比為目標，提高設備配置的水平，使舞臺控制功能先進可靠、配置合理周全，確保控制系統達到或超過國內同類系統的先進水平。

（3）全面提升上海大劇院主劇場舞臺控制操作的可視化程度，使可用的可視信息更為全面，使用方便，提高操作簡便性，降低誤操作率。

（4）對所有更換的部件選擇通用的最新的部件及產品，確保系統的可維護性及備品備件的方便性。

（5）強化安全功能，保證改造后的控制系統在規范的期限內安全使用。

（6）以全新的控制系統配合演出的情節動作，體現表演中的藝術效果，滿足國內外演出形式及各類大型會議和慶典活動的要求。

2.2 關鍵點及難點

2.2.1 關鍵點及難點

由于改造工程是對現有系統的部分設備進行更新和技術升級，因此，改造后控制系統的新增功能和操作模式將體現對現有控制方式和操作模式的繼承和發展，以有利于操作應用的秉承和認同。改造工程的關鍵點與難點在于：

（1）改造過程需緊密結合20世紀90年代三菱重工設計上海大劇院主劇場舞臺設備的機械結構、電氣特性、設備運行性能等應用特點，確保改造后的舞臺機械控制系統在使用時與原三菱重工建造的舞臺設備完全匹配。

（2）改造中欲建立新的網絡架構和數據通道，需利用原三菱重工敷設的原始網絡數據鏈和控制鏈的信號電纜。

（3）改造中新增控制線纜的敷設需利用三菱重工原來在大劇院建設時所預埋預敷的電纜橋架和電纜井及電纜管道。

（4）改造中需更新的部分設備需在三菱重工原控制系統設計技術基礎上進行，其更新后設備的通訊接口、電氣性能、參數特性、控制功能需確保與原有系統匹配與兼容。

因此，上海大劇院主劇場舞臺機械控制系統的改造較一般大劇院舞臺機械控制系統的新建而言，難度更大，改造中要求改造者除熟悉原設計思想和原理、系統分配、設備的物理接口及相互通訊協議和原始數據的調用與分配等，還要熟悉線纜的原始敷設走向分布和每根線纜的應用分配。只有這樣，才能確保改造升級過程中對原有系統充分利用和完善，尤其是線纜的走向，以最大限度地保護主劇場的整體面貌，保證上海大劇院正常運營和新系統的順利改造、建成、投入使用。

2.2.2 可行性方案

針對上述改造難點與要點，提出有效的可行性對策如下：

（1）改變原系統的控制方式，基于變動影響量最小進行策劃，PLC冗余配置，柜內新增現場I/O、遠程I/O站，充分利用原有系統的信號連接電纜，同時，建立新系統正確控制通道，重新整定參數，確保新系統穩定運行。

（2）更新的變頻器采用相應的產品，與原變頻器匹配。事先讀取并記錄將予以替換的原變頻器設備的控制、驅動保護、通信等專用信息，在理解的基礎上按新的數據格式輸入到更替的新系列變頻器中，在新網的架構上予以整定并調整至設備最佳工作狀態以承繼以往設備的功能。

（3）清晰地了解原系統電纜走向、敷設數量及用途，改造過程中的新敷設電纜均就地或在控制盤上（盤內），不大面積地更換老系統已敷設的電纜，新系統要增加的網絡連接電纜也利用老系統中的備用電纜（芯數）或老系統的電纜通道，重新敷設光纜的范圍亦僅限于各PLC站及操作室計算機服務器。

表1 改造前后系統優劣的對比分析

3 改造的內容及范圍

3.1 舞臺機械部分（包括臺上與臺下）

所有用于位置編碼器檢測的鋼絲繩裝置，樹脂輪；兩個樂池位置定位已出現明顯的兩邊偏差，需調整位置間隙；由于地面沉降原因，后舞臺與側舞臺運行時位置有偏差，需調整；大幕卷揚機構中的軸承需檢查，部分需更換；吊桿部分運行頻繁的電機及旋轉編碼器需更換。舞臺機械的其他部分改造以檢修、保養維護為主，保證運行的安全性及可靠性，同時滿足與升級后控制系統的匹配與兼容。

3.2 電氣與控制系統

3.2.1 臺上設備部分（吊桿系統設備）

（1）主操作臺、圖形計算機、網絡接口設備、軟件的升級與更新，操作畫面的重新組態編程。

（2）主操作臺和副操作臺電氣監控計算機、網絡接口設備、軟件的升級與更新，操作畫面的重新組態編程。

（3）主操作臺和副操作臺的觸摸屏的更新替換，觸摸屏軟件的更新升級，觸摸屏畫面的組態。

（4）控制盤內的所有PLC部件、軟件更新，程序移植。

（5）控制盤內的所有變頻器部件更新，參數移植。

（6）變頻器專用的18相整流電源裝置主要部件的更新。

（7）新增電氣設備絕緣劣化在線監測裝置。

（8）新增電力測量與能量管理系統。

（9）部分或全部現場的限位開關、脈沖信號發生器、絕對位置編碼器的更新。

（10）部分繼電器、接觸器、電氣開關及電位器、按鈕、指示燈的更新。

（11）現場的配線作業與改造安裝布線及光纜敷設。

（12）升級更新后的設備調整、參數確定、程序調試、設備試運行、操作培訓、圖紙等文檔的編制。

（13）無線監控系統的導入。

3.2.2 改造前后控制系統優劣的對比分析

如表1所示。

3.2.3 臺下設備部分（舞臺系統設備）

類同于臺上設備的更新內容。

3.3 系統結構及功能的增加

（1）PLC、服務器、通信網絡采用冗余配置方式，使系統的可靠性和穩定性得到更大的提高。

（2）采用多屏顯示技術，強化操作人員的操作可視化程度，避免出現誤操作。

（3）增加無線便攜式近臺操作終端，方便布臺調試。

（4）增加離線仿真功能，在離線狀態下支持節目制作編排設計。

（5）增加日志記錄功能，將各種設備的操作命令及運行狀態的變位信息作為事件日志保存，供分析、檢查、追述之用。

（6）增加絕緣電能監控處理功能，支持系統初期異常或故障的查明及預警。

（7）對圖形操作終端的畫面增加豐富的、新的標準功能，擴大操作的范圍，增添新的操作手段與方式。

（8）強化安全功能，防止突然出現的誤操作或誤動作。

（9）增加遠程監控功能，可以由專家進行遠程故障診斷。

3.4 系統的軟件結構

如圖1所示。

3.5 系統的硬件結構

如圖2所示。

4 系統技術指標

4.1 PLC實時性指標

數據采樣周期：≤10 ms；控制執行時間：≤10 ms；A/D轉換時間：≤10 ms。

4.2 上位計算機實時性指標

畫面調用響應時間：重要和報警畫面≤1 s，90%常規畫面≤2 s，其他≤3 s；數據庫刷新到畫面上實時數據刷新周期≤2 s；操作員發執行命令到應答顯示的響應時間≤3s；從出現報警信號到在畫面上顯示并發音響報警的響應時間 ≤2 s。

4.3 控制響應時間

接收控制命令到執行控制的響應時間 ≤1s；控制命令的響應時間滿足操作要求。

4.4 可靠性指標

上位計算機平均無故障時間（MTBF）≥10000 h；PLC平均無故障時間（MTBF）≥50000 h；通道平均故障時間＜24 h/y；電源系統平均故障時間＜4 h/y；設備平均故障排除時間＜1 h。

4.5 實用性指標

系統的可利用率不低于99.95%，停機時間不多于4.5 h；系統時鐘精度：1 ms。

該方案的原則、目標、設備配置及其效果，尚需實踐的最終檢驗。筆者期待得到業內關注，原上海大劇院的改建最終能為行業提供可借鑒的經驗。