國家大劇院戲劇場舞臺機械電氣控制系統(tǒng)及故障分析

前言

國家大劇院戲劇場（以下簡稱：戲劇場）從2007年開業(yè)至今，舞臺機械系統(tǒng)已經(jīng)運行了15年，為戲劇場的各種重大演出提供了有力的保障和支持。舞臺機械系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需要一整套可靠的電氣控制系統(tǒng)予以配合，電氣控制系統(tǒng)作為舞臺機械的控制中樞，在舞臺機械運行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 戲劇場舞臺機械電氣控制系統(tǒng)概述

戲劇場舞臺機械系統(tǒng)在國內(nèi)可以說是獨樹一幟，其臺下舞臺機械采用鼓筒式轉(zhuǎn)臺與液壓驅(qū)動升降臺/塊能夠有機融合地呈現(xiàn)豐富的舞臺效果。這套舞臺機械的電氣控制系統(tǒng)（以下簡稱：該系統(tǒng)）尤其復(fù)雜，它不僅涉及到臺上、臺下機械設(shè)備的同時使用，還要兼顧液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定有效運行。

1.1 舞臺機械電氣控制系統(tǒng)

戲劇場舞臺機械電氣控制系統(tǒng)由德國力士樂公司（Rexroth，以下簡稱：力士樂）主導(dǎo)設(shè)計，該系統(tǒng)沿襲了力士樂電氣控制系統(tǒng)的基本框架。如圖1所示。

根據(jù)上述焊接材料的選用原則，AWS A5.14，AWS A5.11標(biāo)準(zhǔn)中材料的用途，以及管道焊接需要全位置焊接的工藝要求，NiCrMo-3，NiCrMo-10、NiCrMo-12系列焊接材料均適用于N03867超級奧氏體不銹鋼的焊接。母材與焊條熔敷金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能對比如表3、表4所示。

從技術(shù)原理角度而言，蛋白質(zhì)印跡檢測技術(shù)是借助聚丙烯酰胺凝膠電泳，分離外源蛋白質(zhì)，并與顯色酶反應(yīng)，通過結(jié)合反應(yīng)實現(xiàn)分離檢測。對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行不可溶蛋白質(zhì)的分析時，采用蛋白質(zhì)印跡檢測技術(shù)，能夠檢測出蛋白質(zhì)含量，并且與蛋白質(zhì)預(yù)定限值作對比分析，進(jìn)而明確轉(zhuǎn)基因食品的質(zhì)量和安全性。

變頻器出現(xiàn)故障的頻率比較高。導(dǎo)致這些故障發(fā)生的原因可能是環(huán)境、電壓、設(shè)備老化、使用過載等。戲劇場設(shè)備使用環(huán)境是處于國際一流水平的，常年恒溫恒濕，所以環(huán)境不應(yīng)是主要原因。而且國家大劇院對工作人員操作設(shè)備有嚴(yán)格的規(guī)范要求，使用過載也不應(yīng)是主要原因。因此，變頻器的故障原因主要在于設(shè)備老化等。

1.2 SYB2000舞臺機械控制系統(tǒng)

SYB2000舞臺機械控制系統(tǒng)由力士樂于1997年開發(fā)，系統(tǒng)中的計算機以雙通道結(jié)構(gòu)工作。即，舞臺設(shè)備的全部傳感器和執(zhí)行機構(gòu)都由2臺計算機同時處理。如果一臺計算機檢測到一個故障，傳動裝置將進(jìn)入安全狀態(tài)停止運行。整套系統(tǒng)是根據(jù)歐洲舞臺系統(tǒng)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)EN 61508 （VDE 0803）（安全相關(guān)系統(tǒng)中計算機的原則）的要求設(shè)計，該系統(tǒng)實施的安全措施符合3級安全完整水平。

在現(xiàn)階段工程質(zhì)量監(jiān)督工作中，存在著監(jiān)督工作執(zhí)行力有待提升問題。同時，監(jiān)督單位職責(zé)未得到明確劃分，管理工作難以落實到實際施工過程中。不僅如此，施工單位及建設(shè)單位對工程質(zhì)量監(jiān)督工作重要性的認(rèn)知度有待提升，導(dǎo)致工程監(jiān)理力度不高，監(jiān)理及其他部門之間的矛盾不斷激化，難以發(fā)揮出真正的作用。

加強工程質(zhì)量監(jiān)督人員專業(yè)技能及職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)工作。首先，完善人員業(yè)務(wù)及交款知識體系，提升其思想政治水平；其次，結(jié)合工程實際需求制定出科學(xué)且系統(tǒng)的職能分工方案，制定并完善施工審核流程；此后，要求工程質(zhì)量監(jiān)督人員做好施工紀(jì)律的管理及施工材料的收集工作；最后，針對工程質(zhì)量監(jiān)督專業(yè)知識及技能在人員群體中做好教育培訓(xùn)工作，采用業(yè)績考核及獎懲機制相結(jié)合的手段，力爭營造出積極嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)理工作氛圍。

EA電氣柜的主要功能是提供電力配電器（總線分配器）、SC控制盤、SC插座及各種驅(qū)動器主控單元的24V工作電壓。EA電氣柜提供輸入電壓的設(shè)備還包括：驅(qū)動器的高階軸計算機（雙通道控制升降臺1和升降臺2）、主控單元、SC控制盤的計算機、各種驅(qū)動器的SC插座的網(wǎng)絡(luò)、軸控制器（BLE）、通過軸控制器單元連接器的網(wǎng)絡(luò)等。

對變頻器故障的故障點、種類、原因進(jìn)行判斷時，首先應(yīng)根據(jù)控制面板的錯誤代號進(jìn)行初步判斷，然后觀察變頻器上的指示燈信號是否正常來排查故障點。變頻器的故障處理可以嘗試斷電重啟進(jìn)行復(fù)位，以及重置使用參數(shù)等方法，如發(fā)現(xiàn)變頻器元器件損壞則需要更換新的變頻器。2020年曾出現(xiàn)過吊桿在按激活鍵以后設(shè)備運行之前緩慢向上或向下移動，最后通過吊桿變頻器參數(shù)重置的方法消除了此現(xiàn)象。

在電氣系統(tǒng)中，保險的作用不用贅述，它作為電氣系統(tǒng)的守護(hù)排頭兵，必須守好第一關(guān)。戲劇場電氣系統(tǒng)中的保險分為兩類：供電路保險和信號路保險。由于外網(wǎng)電路輸入不穩(wěn)定或者系統(tǒng)開啟時造成的瞬間電流過大，從而導(dǎo)致保險熔斷是保險損壞的最主要原因。因此，要經(jīng)常性地檢查各類保險的使用情況，確保各類保險能起到即時熔斷的作用，保護(hù)整個電氣系統(tǒng)不受到電流沖擊。

戲劇場的SYB2000舞臺機械控制系統(tǒng)的操作層級主要包括編程計算機RC、狀態(tài)計算機SM、控制面板SC/CP和開機面板；控制層級主要包括EP電氣柜和EA電氣柜等；執(zhí)行層級主要包括軸控制器BLE、變頻器、氣動液壓缸、電機和PLC等。見圖2。

2 故障梳理

15年來，該系統(tǒng)總共出現(xiàn)故障320多起，基本上涵蓋了操作層、控制層及執(zhí)行層三個層級。其中出現(xiàn)故障頻率較高的是軸控制器、變頻器、保險、BTH板。故障比例如圖3所示。

發(fā)生的電氣故障按出現(xiàn)的頻率可分為兩大類：經(jīng)常性故障和偶發(fā)性故障。其中經(jīng)常性故障主要包括：軸控制器、變頻器、保險、BTH板等；偶發(fā)性故障主要包括：載荷控制器、升降臺塊鎖定裝置、繼電器、主控接觸器、變頻器風(fēng)扇、數(shù)據(jù)總處理器（HUB）、編碼器等。

3 故障案例

3.1 保險

其中EP電氣柜主要功能是提供CP控制盤所在地及主要單元的24V工作電壓。EP電氣柜提供輸入電壓的設(shè)備還包括：數(shù)據(jù)控制器（DC）、MR-10總線的總線主機（BM）、耦合單元、狀態(tài)計算機（SM）和編程計算機（RC）的網(wǎng)絡(luò)、通過CP控制盤的計算機連接器的網(wǎng)絡(luò)、CP插座里的主控單元等。

3.2 軸控制器

該系統(tǒng)采用一個軸控制器控制四個驅(qū)動器動作的控制模式。這種模式有利于節(jié)約成本，但是弊端就是損壞一臺軸控制器會導(dǎo)致四個裝置驅(qū)動器不能動作。

3.3 變頻器

力士樂電氣控制系統(tǒng)主要分三個層級：操作層級、控制層級和驅(qū)動層級。操作層級包括操作面板（Operating panels）、數(shù)據(jù)存儲器（Accesspoint）、編程計算機RC（Production Computer）和狀態(tài)計算機SM（Status Monitor）；控制層級包括主控制器MC（Master Controller）、數(shù)據(jù)處理器DC（Data Concentrator）、總線主控BM（Bus Master）、軸控制器BLE（Axis Controller）和可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）等；驅(qū)動層級包括液壓電機、氣動液壓缸、電機以及變頻器等。

有一次，他從昏迷中給一種貼著他耳朵喘息的聲音驚醒了。那只狼一跛一跛地跳回去，它因為身體虛弱，一失足摔了一跤。樣子可笑極了，可是他一點也不覺得有趣。他甚至也不害怕。他已經(jīng)到了這一步，根本談不到那些。不過，這一會，他的頭腦卻很清醒，于是他躺在那兒，仔細(xì)地考慮。

從1999—2008年，國土資源部在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的1 640個丘陵山區(qū)縣部署完成了1∶20萬比例尺地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，查出24萬處隱患點。這只是初步摸底，此項工作還應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)。災(zāi)害風(fēng)險評估是將災(zāi)害防治工作前移，從根本上預(yù)防風(fēng)險，是現(xiàn)代風(fēng)險管理的本質(zhì)，需要政府主管部門具有前瞻性、超前意識和長遠(yuǎn)意識。

3.4 接觸器

接觸器是電氣系統(tǒng)中使用頻率最高的電氣元件，是配電柜、電控柜等重要的組成部分，是電氣系統(tǒng)重要的電力控制部件。由于該系統(tǒng)老化，接觸器出現(xiàn)的故障頻率也在逐年攀升，主要表現(xiàn)為接觸器吸合不緊、燒毀等。其中主要原因就是由于常年使用造成接觸器的觸頭處形成積碳，從而導(dǎo)致吸合不緊。因此，在設(shè)備使用維護(hù)中應(yīng)對接觸器加強檢查，及時更換有問題的接觸器，以免對電氣系統(tǒng)的供電造成影響。

3.5 繼電器

在舞臺機械電氣控制系統(tǒng)中，繼電器是其中必不可少的部件。繼電器的種類很多，通常分為保護(hù)繼電器和控制繼電器兩大類。該系統(tǒng)曾發(fā)生因繼電器損毀致使轉(zhuǎn)臺不能轉(zhuǎn)動的故障。該系統(tǒng)的電磁式繼電器和時間繼電器見圖4。

繼電器也是故障高發(fā)的部件，故障的發(fā)生和使用條件有著密切的關(guān)系。在使用過程中，在非必要情況下，應(yīng)避免向繼電器長時間通電，以免繼電器線圈長時間處于高溫狀態(tài)導(dǎo)致線圈燒毀。另外，繼電器觸點接觸不良也是引發(fā)故障的重要原因。由于繼電器觸點表面氧化 腐蝕、附著灰塵異物等，或者設(shè)備使用中長時間震動都會導(dǎo)致繼電器觸點接觸不良。

3.6 其他故障

經(jīng)過多年的使用，該系統(tǒng)還出現(xiàn)過載荷傳感器失效、BTH電路板燒毀、溫度傳感器失靈、編碼器定位不準(zhǔn)等故障。這些故障均屬于偶發(fā)性故障，也應(yīng)加以關(guān)注。

4 結(jié)語

總的來說，該系統(tǒng)是一套成熟、穩(wěn)定的機械電氣控制系統(tǒng)，是以歐洲國家多年的舞臺表演使用經(jīng)驗為基礎(chǔ)開發(fā)的系統(tǒng)，有很多方面值得借鑒學(xué)習(xí)。同時，隨著舞臺表演的多元化，也對舞臺機械系統(tǒng)提出了更高的要求，對維護(hù)人員也有了更大的挑戰(zhàn)。一套舞臺機械系統(tǒng)的使用年限一般為10～15年，如何在這么長的時間里保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，是值得進(jìn)一步研究和探討的課題。