舞臺機械技術與設備系列談（六）
——威亞控制技術

侯鵬強，唐 偉，向 飛

（成都炎興自動化工程有限公司，四川 成都 610052）

威亞（Wire）俗稱吊鋼絲。舞臺威亞是運用鋼纜把演員或者道具懸吊到空中，如圖1所示，使之在空中進行一些特定的表演，以達到某種舞臺效果。筆者解析舞臺裝備行業應用中威亞的不同類別，并針對數控威亞，比對分析兩種常見的威亞控制系統架構，歸納總結應用中的難點及安全問題。

1 威亞分類

1.1 按操控方式分類

威亞從操控的角度分類，可分為人力威亞和數控威亞。

圖1 舞臺威亞

人力威亞主要是通過人來拉動演員或者道具進行飛行表演，一個演員的飛行表演往往需要數個人員拉動繩索配合。為了達到預期效果，一般需要進行較長時間的彩排。目前，人力威亞在舞臺演出中應用較少，在電影行業使用比較廣泛。

數控威亞主要是依靠電機帶動威亞設備，通過威亞設備帶動人員或者道具完成上下升降、前后移動等動作。數控威亞一般采用專用的操作系統，通過運動控制算法保證設備的精確運動，數控威亞可完成較為復雜的運動過程，一般不需要人員進行長期的配合訓練，相比人力威亞，需要排練的周期相對較短。

為了方便文章的闡述，后文中所述的威亞特指數控威亞。

1.2 按空間運行維度分類

從空間運行維度進行分類，威亞設備通常可分為一維單點威亞、二維平面威亞、三維空間威亞。

（1）一維威亞只實現上升和下降，運行動作相對簡單，但相比常規劇場的單點吊機而言，速度一般更快，出繩速度能達到3 m/s，甚至更快。

（2）二維威亞可實現演員的升降和平移動作，其實現的形式較多。

軌道型威亞：軌道型威亞常見的是基于小車模式的，即軌道上運行多個小車，小車上帶一到多根鋼絲繩，不僅可實現小車沿軌道的移動，還可以實現小車上自帶鋼絲繩的升降，如圖2所示。常見的軌道形式有直線軌道、圓形軌道和異形軌道。通常，電機會跟隨小車一起移動，小車供電采用滑觸線，通信則常采用無線或者滑觸線。當然，也有采用將電機放置于軌道兩側的做法，軌道上只是布置鋼絲繩，這種方式和下面所述的索道型威亞比較類似，只是將索道變成了軌道。

圖2 軌道威亞

圖3 索道威亞

圖4 雙線威亞

圖5 四索三維威亞

索道型威亞：索道型威亞一般需要前期在表演空間的兩側搭建威亞塔，然后在空中搭建索道，小車依附索道進行升降和平移，如圖3所示。

雙線威亞：電機放置于表演空間的兩側，兩條鋼絲繩將演員或道具吊掛成V字形，2臺電機控制鋼絲繩的收放，實現二維空間的移動，如圖4所示。該種類型的威亞使用相對簡單，但是對系統的要求比較高；并且同等載荷情況下空間受力情況容易發生變化，在空間運行的不同位置，受力大小是不一樣的，需要前期進行運行范圍的限定。

（3）三維威亞的形式也分多種，鋼絲繩連接的數量根據實際需要來進行設計，常見的是四條鋼絲繩的四索三維威亞，如圖5所示。該種類型的威亞可實現演員或道具空中任意位置的表演移動，使表演方式更加靈活。但采用該類威亞，一般情況下占用空間較多，如四索的威亞，四條繩索會占用空中的大部分位置，需要將四條繩索做成安全扣形式，從而實現快速拆卸；還有一種方式是將四條繩索中的兩條作為出繩點可移動的裝置，在某種情況下可大大縮小占用的空間面積。

圖6 威亞系統分散控制框圖

2 威亞控制系統的架構

威亞控制系統的架構多種多樣，以下主要針對分散控制和集總控制兩種典型的系統架構進行闡述，其他特殊的系統架構不再討論。

2.1 分散控制

典型的分散結構威亞控制系統如圖6所示，系統分為三層結構。

（1）操作層有兩種，一種可以通過總控臺控制所有設備動作，另一種是通過放置在機器附近的控制面板來進行就近操作。通常，總控臺放置在控制室，與燈光、音響系統放置在一起；操作終端采用觸摸屏控制面板，就近放置在機器旁，方便單臺機器的操控。對于編程運行，通過觸摸屏的簡單編程可操控設備的運行動作，而通過主控臺可進行相對復雜的編程。

圖7 威亞系統集總控制框圖

（2）控制層分為主控和分控，通過自帶或外擴的脈沖輸出模塊控制伺服電機。主控一般采用西門子300或者1500系列，分控通常采用西門子200或者1200系列，每個分控只連接2臺～4臺威亞設備。

（3）驅動層采用伺服電機，受限于分控模塊的接口和處理能力，常采用脈沖來控制伺服電機，有些伺服電機的位置信息都無法反饋給控制層，按照位置開環的方式來進行設備的控制。

2.2 集總控制

典型的集總結構威亞控制系統架構如圖7所示，同樣采用分層的設計方式，分為如下三層。

（1）操作層常采用一到多個操作臺，操作臺一般放置在主控室內，通過以太網連接作為主控單元的PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）。

（2）主控單元一般采用具有較強處理能力的PLC，其多數采用帶有高速工業以太網的總控，目前用在威亞控制系統中的PLC常配置以太網總線接口，方便進行下層多臺伺服驅動的互聯。

（3）驅動單元多數采用總線型伺服，且總線多采用工業以太網，通信速度快，即使系統連接有幾十上百臺伺服驅動單元也可實現高精度控制。

2.3 威亞控制系統兩種架構的比較

分散型和集總型的控制架構各有優缺點。

對于分散控制，當主控臺失效時，分散配置的操作終端方便進行簡單的編程。但分散控制也有其不利的一面，由于每個分散控制都采用小型PLC，多臺威亞設備之間物理上實現了隔離，需要做安全保護就需要在主控上將每個設備的狀態分別讀取再進行分散安全控制，但受限于每個分控的處理能力和總線相對較低的通信速率，對于不同設備間需要精確同步和本質安全的應用需求略有不足。

集總型控制方式則基本采用一網到底的控制方式，采用一個性能強的PLC，通過以太網接口連接到操作層，同樣通過高速工業以太網連接到每個伺服驅動單元，掃描百臺設備周期控制在1 ms內，設備的安全和互鎖都放置在總控中執行，編程簡單可靠。但該種架構的設計冗余度相對較低，一般需要進行主控一級設備的備份。

2.4 技術特點

威亞運行速度快，編程要求復雜。威亞的應用特性決定了威亞控制系統有其自身的特點。

（1）批量快速編程。為了達到演出效果，通常需要對幾十上百個吊點分別編程，有些點與點之間的運行軌跡類似，但是起始時間不同，可統一修改參數或者漸進式修改，快速、有效。

（2）防搖。對于二維威亞，通常需要做防搖處理，國內目前主要是通過增加彎弓的方式形成簡單的三角形機械防搖，但是此種防搖效果有限，無法完全避免晃動，需要將加減速時間設置較長，但效果依然不理想。隨著目前防搖算法的成熟，也可采用算法實現防搖，將設備進行分段加速，可在比較短的時間內達到最大速度或者從最大速度減低到最小速度，實際使用過程中加速度能達到4 m/s2，電子防搖效果較好，對硬件無特別要求，但無法和機械防搖同時使用。

（3）運行暫停。由于威亞一般需要與燈光配合，用燈光來追威亞懸掛的人或者物，因此，在各種對光過程中就需要在每個時間點進行反復的啟停控制，以方便燈光的調整。

（4）圖形編輯。該功能主要針對二維威亞和三維威亞，對于運行軌跡比較復雜的應用，往往需要快速調整威亞的運動軌跡，一般采用圖形編輯的功能，以拖拉的方式可以在三維視圖中進行運行軌跡的快速設定，實現類似CAD的設計方式。

表1 UC5和UC6使用情況描述

圖8 青島上合峰會124路單點威亞和3D威亞

圖9 武漢軍運會威亞

（5）編組安全。目前演出過程中，越來也多的空中表演需要用多個威亞提升、平移多位演員或物體，對威亞編組安全的需求也就越來越多，安全編組可在某個設備運行異常時及時停止其他設備，防止造成人身意外傷害。

3 威亞在演出中的典型應用

演出中運用的威亞經常需要與人進行互動，設備本身懸掛最多的往往就是表演人員，按照EN 17206的劃分，屬于典型的UC5和UC6應用，如表1所示，為EN 17206標準中對于兩種使用情況的描述。其中，UC5主要針對單點威亞，UC6主要針對多軸威亞的應用場所，如三維威亞吊人應用。如青島上合峰會使用了124臺單點威亞設備和一套四索三維威亞（見圖8），武漢軍運會使用了196臺威亞設備（見圖9），這些都屬于典型的單點、多軸的應用。

4 威亞的安全問題

針對演出中威亞的應用，多數安全功能都需要達到SIL3的安全等級，比如急停類設計、位置偏差保護、速度偏差保護、超載保護等。

目前，威亞在國內演出應用中，需要注意以下常見的安全問題。

（1）國內典型的威亞設備多采用伺服驅動，有時只采用伺服電機自帶的抱閘進行制動，制動安全隱患較大，應該增加外部制動或者采用雙制動異步電機的方案。

（2）無松亂繩檢測。威亞設備出繩速度快，鋼絲繩一旦出現松亂繩的情況，容易造成鋼絲繩被絞斷的情況出現，需增加此類安全開關檢測。

（3）操作終端安全規范不到位。如有些威亞系統仍然采用鼠標或者觸摸方式直接啟動設備運行，沒有按鍵、手柄等激活操作的實體，安全隱患較大。

（4）未配置安全編組功能。不配置安全編組功能很容易在多組威亞設備吊掛一個物體的時候發生安全隱患。

5 結語

目前，國內舞臺裝備行業中威亞設備受限于價格和技術原因，對于安全的重視程度不夠，提升空間較大，應當參照國外一些舞臺機械設備的安全標準來指導設計、生產、安裝等。威亞技術由于使用的特殊性，不論是機械本體還是控制系統，均應執行較高的安全標準。