論中國舞臺機械電氣控制系統的安全

杜安坤++董強++亢勇++楊永魁

【摘 要】 根據舞臺機械的特點，分析其可能產生的安全狀況，并結合安全標準的貫徹落實情況，在機械防護、電氣控制 設備防護、電磁兼容防護、人類工效學、軟件編程等多方面提出增強系統安全性的具體可行措施，對舞臺機械 從業者具有參考價值。

【關鍵詞】 舞臺機械；電氣控制；危險源；系統安全；安全標準；防范措施

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.03.006

Discussing the Safety of China Stage Machinery Electrical Control System

DU An-kun， DONG Qiang， KANG Yong， YANG Yong-kui

（General Equipment Engineering Design Research Institute， Beijing 100028， China）

【Abstract】According to the characteristics of the stage machinery， analysis of the possible security conditions， and connecting with the implementation of safety standards， in mechanical protection， electric control equipment protection， EMC protection， human ergonomics， software programming and other aspects to put forward some feasible measures to enhance the system security. This can provide some reference for practitioners.

【Key Words】stage machinery； electrical control； source of danger； system security； standard of security； preventive measures

1 引言

舞臺機械是典型的文化設施，目前它主要整合了起重運輸機械、設備制造、電氣、液壓、計算機、網絡及自動化控制等技術，是門類龐雜、服務于藝術的系統。文化部頒發的行業標準（WH/T）系列舞臺機械部分的標準貫徹落實工作已逾十年，核心任務之一是保證舞臺機械的安全。

舞臺機械的安全性主要包括機電設備安全和人身安全兩方面的內容，這兩個方面相互關聯、相互影響，有時是不可分割的。演藝行業電氣涉及活動場所和生產場地的工業機電設備，須服務于以演員為中心的排練和演出活動。所以，舞臺機械設備的電氣控制系統必須建立在絕對安全的水平之上。

2 舞臺機械的特點

（1）吊掛牽引的高勢能

臺上吊掛設備及其所被承載的布景、燈具等景物重量可觀、尺寸大、種類多、層次密度大，提升過程是重物在高空中的懸吊運動或斜拉運動。

（2）可運動的結合面多

有舞臺機械的劇場，單體設備邊界數量有限。但是單體設備和固定支撐、相鄰的單體設備之間產生出相互咬合的邊界，則呈現出眾多有相對運動的結合面。

（3）設備運行是多種運動的組合

推、拉、轉、提組成的多維運動，形體龐大的金屬結構件的整體運動，大量結構復雜、形狀不一、運動各異、速度多變的可動部件，形成舞臺機械的危險點多且分散的特點，給安全防護增加難度。

（4）以人為中心的作業范圍

金屬結構橫跨演出場地，設備、設施把人群包圍其中，構成人在機械之中的活動場所，使危險的影響范圍加大。舞臺機械是服務于演職人員活動的可組態物流作業。

（5）多人配合的群體作業

舞臺機械作業程序的編制體現導演的舞美意圖，配合排練或演出進程或演員動作，通過空間運行，將設備在指定時間變換到指定位置。每一次作業循環，都必須是多人合作完成，無論哪個環節出問題，都可能發生意外。

（6）使用時環境在變化

在主舞臺區，臺上、臺下及四周不僅設備多、人員集中，還受燈光、音響、水特效條件和場地限制的影響，特別是排練階段，還涉及舞臺造型、上下場演職人員活動和周圍環境等調整的多因素影響。

（7）民用化的工業設備

相比于一般的其他機械，舞臺機械是工業設備在公共場所的民用化，以演職人員即人活動為核心，安全性高于功能性要求的表演載體。因此，舞臺機械控制系統在規定的時間和空間對電能、機械能的變換和傳遞要有必要的限制。

3 舞臺機械系統可能產生的危險源

必須站在舞臺機械操作人員、舞美監督、演職人員（和秀場類開放式舞臺的觀眾）的角度來看劇場舞臺機械系統設備的安全問題，與控制系統有關的危險源有很多。

3.1 機械危險

由于舞臺機械設備及其附屬設施的構件、零件、道具或失手滑落而來的固體和流體物質等的機械能（動能和勢能）作用，可能產生傷害的各種物理因素，以及與機械設備有關的滑絆、傾倒、剪切和跌落危險等。

3.2 電氣危險

電氣危險的主要形式是電擊、燃燒和爆炸。其危險源主要有以下幾種。

（1）電氣裝備中的失效或故障，及其可能引發的觸電、電短路或者電氣原因造成的火災，及其短路或過載引起的熔化粒子噴射、熱輻射和化學效應。

（2）控制電路（或其零件或設備）中的失靈或故障，及其引發的機器的錯誤行為。

（3）能源供應受到干擾或者中斷以及總電路的故障，及其引發的機器的錯誤行為。

（4）與滑動或者滾動接觸相關的連接電路帶來的損耗，及其引發的安全功能失效。

（5）由電器外部或內部原因造成的干擾（例如電磁干擾、靜電干擾或者無線電干擾）。

（6）存儲的能量（電能或者機械能）。

（7）會影響或者傷害人員健康的電氣噪聲影響。

（8）硬件以及軟件錯誤。

（9）同一或鄰近空域的不同系統之間的無線設備的載波頻段存在沖突。

3.3 溫度危險

（1）高溫對人體的影響。

（2）高溫燒傷、燙傷，高溫生理反應。

（3）高溫引起的燃燒或爆炸。

溫度危險產生的條件有：環境溫度、熱源輻射或接觸高溫物（材料、火焰或爆炸物）等。

3.4 噪聲危險

噪聲產生的原因主要有機械噪聲、電磁噪聲和空氣動力噪聲。噪聲會帶來很多危害。

（1）對聽覺的影響。根據噪聲的強弱和作用時間不同，可造成耳鳴、聽力下降、永久性聽力損失，甚至暴振性耳聾等。

（2）對生理、心理的影響。通常90 dB（A）以上的噪聲對神經系統、心血管系統等都有明顯的影響；低頻噪聲，會使人產生厭煩、精神壓抑等不良心理反應。

（3）干擾語言通信和聽覺信號而引發其他危險。

（4）直接干擾調度指揮。

3.5 振動危險

振動對人體可造成生理和心理的影響，造成損傷和病變。最嚴重的振動（或長時間不太嚴重的振動）可能產生生理嚴重失調。

3.6 輻射危險

可以把產生輻射危險的各種輻射源（離子化或非離子化）歸納為以下幾個方面。

（1）電波輻射：低頻輻射、無線電射頻輻射和微波輻射。

（2）光波輻射：主要有紅外線輻射、可見光輻射和紫外線輻射。

（3）射線輻射：X射線和Y射線輻射。

（4）粒子輻射：主要有α、β粒子射線輻射，電子束輻射，離子束輻射和中子輻射等。

（5）激光。

輻射的危險是殺傷人體細胞和機體內部的組織，輕者會引起各種病變，重者會導致死亡。

3.7 材料和物質產生的危險

（1）接觸或吸入有害物（如有毒、腐蝕性或刺激性的液、氣、霧、煙）所導致的危險。

（2）粉塵、可燃氣體等引起火災與爆炸的危險。

（3）生物（鼠咬）和微生物（如霉菌、病毒或細菌）危險。

使用機械加工過程的所有材料和物質都應考慮在內。例如構成機械設備、設施自身（包括裝飾裝修）的各種物料。

3.8 未履行人類工效學原則而產生的危險

由于機械設計或環境條件不符合安全人類工效學的要求，存在與人的生理或心理特征、能力不協調之處，可能會產生以下危險。

（1）對生理的影響。負荷（體力負荷、聽力負荷、視力負荷、其他負荷等）超過人的生理范圍，長期靜態或動態型操作姿勢、勞動強度過大或過分用力所導致的危險。

（2）對心理的影響。對機械進行操作、監視或維護而造成精神負擔過重或準備不足、緊張等而產生的危險。

（3）對人操作的影響。表現為操作偏差或失誤而導致的危險等。

3.9 演職人員對舞臺環境陌生而產生的危險

（1）對設備運行速度、加速度、位移的節拍配合不當而產生的危險。

（2）設備運行與場次更迭時，演員上下場配合不當而導致的危險等。

（3）演員對設備運行心理準備不足而導致的危險等。

（4）由燈光的明暗突變使演員對運行設備配合不當而導致的危險等。

（5）演職人員新來一個劇場不熟悉環境。

3.10 演藝劇場中的雜耍設備

如飛行機構、威亞牽引、馬術等雜耍設備，與劇場里的常規舞臺設備混雜編場。秀場臨時設備布置，與原有控制要求的干涉。

4 中國相關安全標準

安全問題是一個全員全過程的大問題，而這一過程是指從項目立項直至舞臺機械生存周期的結束。顯然，安全標準的貫徹，既體現在技術層面，也體現在管理層面。

安全是指人或物在一定環境中不發生危險與不受到損害的狀態，而安全性是表明人或物在一個環境中對危險的損傷所能承受的最大能力。

安全性最終目標是避免事故的發生，為達到此目的，中國對產品有“3C”市場準入強制性認證制度。對工業裝置的自動化系統中設置了安全保護控制系統，并對其設置與整個生產裝置的安全要求等級進行了規定。美國儀表學會（ISA）稱安全系統為安全儀表系統（Safety Instrument System， SIS），對應ISA-S84.01標準。國際電工委員會（IEC）稱安全要求等級為“安全完整性等級”（Safety Integrity Levels， SIL），對應IEC61508標準。

4.1 中國現有安全標準

中國規范對風險評價采取的是實現安全的迭代過程，即根據機械使用的工藝過程、使用和產出的物質、操作條件等信息，與有關機械的設計、使用、傷害事故的知識和經驗匯集到一起，對機器壽命周期內的各種風險進行評價的過程。電氣控制系統風險評價過程依據標準GB/T 16856《機械安全 風險評價》系列標準、GB/T 22696《電氣設備的安全 風險評估和風險降低》系列標準。

但是，目前國內尚無系統的安全評價標準，對應于IEC61511在國內的協調標準為GB/T 21109《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》系列標準，采用IEC的SIL概念，稱之為安全度。有量化標準，如二級安全度等級（SIL 2）定義為每年故障危險的平均概率為0.01～0.001。

4.2 中國舞臺安全標準

在布景表現用的活動場地和制造場所中的機械設備上使用電氣和電子裝備及系統，必須在設計和安裝機械以及安全機件時，遵守有關機械安全的要求，依次確定風險等級、安全度等級，從而提高系統可靠性。對特殊的裝備元件應確定特殊要求。

通過配電、電氣控制以及選擇器材來保障，在出現錯誤時，能夠防止出現危險的運行狀態。與電氣控制產生的危險密切相關的風險，必須作為總要求的一部分，用于布景表現的活動場地和生產場所的機械設備在風險評估的框架內進行評估。

就所貫徹的標準規范而言，目前在中國舞臺機械工程中電氣控制主要依據非標準起重運輸機械設備、建筑電氣有關規范，而不是工業規范。2007年至2010年，在制定中國舞臺機械電氣控制安全標準時，WH/T 28《舞臺機械 臺上設備安全》、WH/T 36《舞臺機械 臺下設備安全要求》中的標準引用重點參考了德國舞臺規范DIN 56950（工業標準），并基本對應。電氣控制則主要依據GB 5226《機械安全 機械電氣設備》系列標準和GB/T 16855《機械安全 控制系統有關部件》。2010年后，中國不僅相繼修訂完善了引用標準，還推出了新的系列安全標準，如GB/T 18831-2010《機械安全 帶防護裝置的聯鎖裝置設計和選擇原則》、GB 28526-2012《機械電氣安全 安全相關電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全》、GB 16655-2008《機械安全 集成制造系統 基本要求》等。而且，中國的標準編制基本上是按行業分類，唯有自動化或控制方面的標準是按專業劃分的，而自動化或控制作為專業面對的是各行各業的控制任務。筆者認為現階段對舞臺機械控制系統的評價可以參照和借助GB/T 21109標準進行。

可見舞臺機械電氣控制安全標準是在規定的時間、空間對電能、機械能的變換和傳遞的限制，是對以演職人員活動為核心的物流安全的全面要求，是工業電氣在公共場所民用化的安全保障，具有控制系統高于功能性要求的最重要性質。

5 實現電氣控制系統安全的措施

為了預防錯誤，對于所有安全相關的、帶有風險評估的危險識別職能，應根據機械安全的風險評價原則來確定舞臺機械控制系統必要的安全度級別（SIL），再根據相關安全規范確定技術要求、選擇合適的安全措施來實現系統裝備。安全措施是一個措施綜合體，包括在設計階段必須考慮到的措施和操作者必須采取的措施。

舞臺機械電氣控制安全措施包括機械防護、電氣設備、電磁兼容、人類工效學、軟件編程、標志、安裝施工、用戶管理等方面，最終落實在緊急停機與安全聯鎖上。

5.1 與機械防護相關的措施

機械安全防護，當舞臺機械直接安全技術措施不能或不完全能實現安全時，必須在生產設備總體設計階段設計出一種或多種專門用來保證人員安全的裝置，也稱為間接安全技術措施。

（1）運動行程：作業運行限位，停車限位。

（2）運動速度：速度或失速、超速監控。

（3）定位裝置：如插銷鎖定裝置、回轉定位制動裝置。

（4）負荷限制裝置：對可能因超負荷發生部件損壞而造成傷害的，應設置負荷限制裝置。

（5）防護裝置：防護門、欄桿。

（6）關聯運動時空關系：組合運行、群控狀態下的相關運動條件。

（7）每臺機械都應設置緊急停機裝置，使已有的或即將發生的危險得以避開。

（8）演職人員進出場安全監控條件。

5.2 與電氣設備防護相關的措施

是電氣控制自身的防護，機械設備也要防止以下影響。

（1）接地故障/殘余電流保護。

（2）相序及缺相保護。

（3）短路引起的過流保護。

（4）過載電流保護。

（5）不正常溫度保護。

（6）供電中斷或電壓降落隨后復原的保護。

（7）電動機失速、超速保護。

（8）閃電或開關浪涌引起的過電壓。

5.3 與電磁兼容（EMC）相關的措施

電磁兼容，是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾。電磁兼容包括兩方面：一是設備或系統對外部的輻射騷擾、傳導騷擾；二是對外部設備或系統的輻射抗擾度、傳導抗擾度。劇場調光、揚聲器功放、電機調速裝置等可控硅設備工作中產生大量的高次諧波，如果在系統設計和安裝時，沒有充分考慮電磁兼容的問題，小則造成設備不能穩定運行，大則造成設備的損壞。目前，EMC已經成為系統故障的主要原因，其防護措施有以下幾種。

（1）接地與屏蔽保護。

（2）電磁解耦與濾波。

（3）消除靜電。

（4）軟啟動。

（5）電機和電磁執行部件電纜應獨立于其他電纜走線。

（6）確保驅動控制柜中的接觸器有滅弧功能。

（7）設計控制柜體時要注意EMC的區域原則，把不同的設備規劃在不同的區域中。

5.4 與人類工效學相關的措施

（1）與身體尺寸有關的設計應考慮到在工作過程中身體尺寸的因素。

（2）設計應使身體動作的幅度、強度、速度和節拍相互協調。

（3）有關指示器和操動器設計應以適合于人的感知特性的方式來加以選擇、設計和配置。

（4）工作環境設計應保證工作環境中物理的、化學的和生物學的因素對人無害。

（5）工作過程設計應當保證工作者的健康和安全。

5.5 與軟件程序相關的措施

（1）一般安裝和環境需考慮的問題。

（2）用戶控制目標對象和被測量。

（3）要控制的過程。

（4）硬件配置和調整。

（5）系統總響應時間。

（6）故障診斷：故障鑒別、報警記錄、報警處理。

（7）聯鎖：物理要求、系統類型、手動優先、存取控制認可和口令。

（8）停機方式：系統斷電、系統后備、正常停機、應急停機。

（9）啟動方式：再啟動、冷啟動、熱啟動或暖啟動。

（10）遠程控制、數據通信、數據網絡要求。

（11）外部設備：信號要求、數據傳送存取。

（12）操作員接口：電鍵鎖、軟件鎖需要的包括對操作者介入的存取控制和安全方案等。

（13）編程和調試工具。

5.6 安全電路與安全電器

在各種工業控制系統中，常常需要設置雙手操作裝置、安全門裝置、安全幕檢測裝置、急停按鈕裝置和限幅保護裝置來保證人身和設備的安全。盡管這些措施能對人身和設備的安全提供良好的保障，但是在設備方面缺乏安全性電器的使用，同樣會使這些措施形同虛設，并且可能出現各種不良后果。工業自動化中的安全性電器顯得尤為重要。為了保護操作者和機器設備的安全，世界各國都頒布了相應的安全標準。

隨著安全標準的推出以及對安全系統重視度的不斷提高，安全系統的認證也變得越來越重要，安全聯鎖系統的設計思想、系統結構都須嚴格遵守相應國際標準并取得權威機構的認證。在設置安全系統時，既要滿足工業過程的可靠要求，又要保證安全度。

5.6.1 緊急斷電和緊急停機

按照GB 5226.1-2002第9.2.5.3條停機功能有以下三類。

（1）0類：立即關閉機械設備驅動部分的供電（不受控的停止）。采用此標準，裝置必須是機電電纜連接，功能不可依靠電子邏輯或網絡傳輸。

（2）1類：控制的停止，為了達到停止的目的，仍保留機械設備驅動裝置的供電，直到停止后才切斷，即有序停機后切斷供電。

（3）2類：控制的停止，一直保持機械設備驅動裝置的電源。

0類、1類和2類停止功能的使用，必須根據風險評估以及機械設備的功能需求進行設置。

0類、1類的停止功能必須獨立于運行方式，其中0類停止具有優先權。

緊急停機（緊急情況下停止工作），依據GB 5226.1-2002第9.2.5.4.2條，機械設備必須設置緊急停機功能，用于停止驅動裝置。緊急狀態下的停止必須達到0類停機或者作為1類停機。在設備正常運行的狀態下，對于具有碰撞、剪切等安全防護的獨立運行設備，急停時可采取減速延時停機。

5.6.2 緊急停機裝置

每臺機器必須裝有一個或數個緊急停機裝置，以避免現有的或即將發生的危險。但是以下情況例外。

（1）由于緊急停機裝置不能縮短停機時間或無法采取特別措施來解決危險，因而不能減少危險的機器。

（2）手提式機器和手動控制式機器。

緊急停機控制裝置必須具有可明確識別、清晰可見且迅速可及的控制器；在不會造成額外危險的情況下，盡快停止有危險的過程；必要時，觸發或允許觸發某些安全保護機構。

緊急停機控制裝置在發出停止命令后，一旦終止有效操作，則該命令必須通過接通緊急停機裝置予以維持，直到這一接通明確失效；在不觸發停機命令的情況下，該裝置必須是不能接通的；必須只能通過一個適當的操作切斷該裝置。切斷緊急停機裝置不得使機械設備重新啟動，而只是允許其重新啟動。

5.6.3 安全繼電器

安全繼電器具有的安全特性：電路冗余，并且帶有內置的自檢測；即使元件出現故障，安全功能依然能夠保持；在每一個啟動和停止循環，自動檢測安全繼電器的正確打開和閉合；可檢測供電故障、元器件故障、線圈故障、接地故障、輸入回路中的短路、開路。

5.6.4 可編程安全系統

可編程安全系統具有的安全特性是：輸入可以被配置為報警輸入；單極輸出可以配置為測試脈沖輸出；雙極輸出每一路具有短路、過載、超溫保護；系統被分為一個故障保護部分和一個標準部分，僅故障保護部分可以處理安全相關功能，并且，故障保護部分和標準部分之間的通信互不產生影響；CPU中的故障保護部分被設計為多通道的和相異的結構，以確保高的安全等級。所有的輸入和輸出，通過每一通道被單獨地處理，只是與其他通道比較結果來產生可用的輸出信號。單、雙極輸入有測試脈沖。

5.6.5 緊急停車與安全聯鎖

這是用于監視急停按鈕、機械防護、電氣防護等裝置（或獨立單元）的操作，如果過程超出安全操作范圍，可以使過程進入安全狀態，確保裝置具有一定安全度的系統。一個完整的安全聯鎖系統應包括現場檢測、控制及執行單元等部分。整個安全系統的可用性及可靠性應綜合考慮現場檢測單元、控制單元、執行單元、信號連接用接線端子等。

使用已認證的電路技術和部件，緊急停車及安全聯鎖系統應獨立于過程控制系統，以降低控制功能和安全功能同時失效的概率。設計應遵循以下原則。

（1）緊急停車及安全聯鎖系統原則上獨立設置。

（2）檢測元及執行機構原則上獨立設置。

（3）中間環節最少。

（4）采用冗佘或容錯結構。

（5）系統應是故障安全型。

5.6.6 對電氣控制系統自身的基本要求

包括硬件和軟件，當代自動化控制對電氣控制系統性能的基本要求可以歸結為兩個要素和五個性質：兩個基本要素是能量（傳遞、變換）和信息交換；五個性質是決定系統快速性的時間響應特性、決定系統穩定性的收斂性、決定系統精度特性的穩態誤差、魯棒性（解決復雜的工業過程控制大系統乃至復雜巨系統的系統模型的不確定性的魯棒控制）、決定系統評價性的可觀測性。舞臺機械控制系統的模型及其單臺設備的速度、位置、轉矩模型的創建或采用，模型中各參數的整定，標志著設備功能的完備性和技術的先進性。

這些基本要求構成了保證系統可靠性的基礎。

5.6.7 可靠性設計

可靠性構成了系統安全性的基礎。

可靠性，是指機器或其零部件在規定的使用條件下和規定期限內執行規定的功能而不出現故障的能力。提高機械的可靠性可以降低危險故障率，減少需要查找故障和檢修的次數，不因為失效使機器產生危險的誤動作，從而可以減少操作者面臨危險的概率，這一原則適用于機器的零部件及機械各組成部分。

6 結語

舞臺機械是重物在空間的吊運、起重平臺的多機構組合運動、龐大金屬結構的整機移動，以及大范圍、多環節的群體運作，這些特點使舞臺機械作業的安全問題尤其突出。舞臺機械的電氣安全問題仍然處于特別重要的位置，我國對這些文化設施的建設及使用過程中有關的規范規程有待發展完善，應該給予重視。

舞臺機械電氣控制系統的安全性，應建立在貫徹舞臺機械電氣控制系統相關規范標準進程的基礎上，以規范指導舞臺機械電氣控制系統設計，提高舞臺機械電氣控制系統安全水平，從而全面推進我國舞臺機械行業的制造水平。

（編輯 王 芳）