北京冬奧會開幕式冰瀑提升門設計解析

高新君，陸 樂，宋 松，楊元永，鄭志榮，王秀會

（北京北特圣迪科技發展有限公司，北京 100028）

1 概述

冰瀑提升門是北京冬奧會和冬殘奧會開幕式演出裝置——“冰瀑”大型表演裝置的關鍵設備，被譽為“中國門”，是歡迎全世界冰雪健兒相聚北京的盛情之門。

冰瀑提升門結構上安裝LED顯示屏，可根據需求升降，向上運行升至最高位置時，形成的門洞寬14 m、高7 m，實現為運動員提供入場口的功能。見圖1、圖2。

圖1 “冰瀑”大型表演裝置（攝影：王秀會）

圖2 運動員通過提升門入場（攝影：王秀會）

2 設計依據和總體效果

提升門安裝于冰瀑大型表演裝置主體結構內，通過提升驅動系統實現升降。提升門顯示屏與固定顯示屏錯位安裝，提升門位于固定顯示屏后部約300 mm處，“門梁”“門框”裝有250 mm的顯示屏，配以視頻影像，形成莊嚴富麗、大氣磅礴的中國傳統大門的效果。提升門錯位安裝如圖3所示，與中國傳統大門示意對比見圖4。

圖3 提升門錯位安裝示意圖

圖4 中國傳統大門示意圖和提升門狀態對比（攝影：王秀會）

提升門升降行程：7 m

升降載荷：提升門門體及LED格柵屏自重

升降速度：0.04 m/s～0.4 m/s（速度可調）

單程運行時間：不大于21 s

固定停位：0 m、+7 m（相對于正下方固定坡道面）

3 結構組成

提升門機械系統由提升屏框架、固定導向組件、電動插銷組件、限位開關、緩沖系統、升降驅動系統等組成。

控制系統采用可編程邏輯控制器（PLC），通過控制臺進行操作，控制設備運行?？刂婆_可設定目標位置、運行速度，并可查看運動狀態和定位顯示以及記憶存儲?？刂婆_設有手動操作模式的上升、下降、停止按鈕，以及程控模式的運行、停止按鈕；觸控屏畫面中有同硬件按鈕相同功能的軟按鈕，以及整個系統的急停按鈕等。

3.1 動作流程

提升門通過變頻器控制電機卷揚機驅動鋼絲繩實現提升和下降動作。提升門上升到位后，制動器制動，電動插銷插入插銷座，起到二次保護作用，可防止提升門意外下降，確保下方人員的通行安全。當提升門需要下降時，電動插銷收回，制動器打開，提升門下降。

3.2 功能組成

提升門由電機（帶電磁制動器和編碼器）、減速器、液壓制動器、卷筒組件、鋼絲繩、固定導軌、滑輪組件、導向組件、提升門屏體、電動插銷組件等組成。提升門通過電機連接減速機驅動卷筒，在固定導軌和導向組件共同輔助下，實現平穩升降。布置如圖5所示。

圖5 提升門布置俯視圖

通過工程計算，提升門主要設備技術參數及功率見表1。

表1 提升門主要設備配置表

3.2.1 升降驅動系統

提升門設有兩套升降卷揚機（一主一備），安裝在固定顯示屏主體結構上。升降卷揚機由電機、液壓制動器、減速器、聯軸器、卷筒、防亂繩組件等組成。當主卷揚機工作出現故障時，可立即啟動備用卷揚機，提升門可繼續運行，從而提高設備運行的可靠性。

鋼絲繩根據所承受的載荷情況，按照10倍安全系數選取鋼絲繩，并選擇與鋼絲繩配套的附件。為了確保每條鋼絲繩受力均衡，在轉向滑輪組上安裝載荷傳感器對每條鋼絲繩受力情況進行監測，并在控制臺直觀顯示鋼絲繩載荷數據，提高了鋼絲繩的安全性、可靠性。

升降卷揚機和滑輪組件安裝于主體結構的馬道區域，便于安裝、維修以及保障期間的人員進行觀察。驅動系統上方馬道鋪設防火及防雨遮擋布，以保障驅動系統處于安全使用環境。升降驅動系統布置示意見圖6，安裝現場見圖7。

圖6 升降驅動系統布置示意圖

圖7 升降驅動系統安裝現場

3.2.2 電動插銷組件

電動插銷的驅動機構可通過電動和手動兩種方式操作。正常使用時，電機驅動插銷完成其伸出和收回動作，插銷上設置的限位開關可自動反饋插銷動作是否到位，電機驅動插銷完成動作所需時間約6 s。當出現停電或其他控制故障時，可操作手輪完成插銷的伸出和抽回動作。依據人機工程學測算，手動完成每個動作所需時間約120 s～150 s，所需扭矩力為16.5 N，小于人操作手輪的最佳力，操作簡單輕松。電動插銷示意圖見圖8，電動插銷安裝現場見圖9。

圖8 電動插銷示意圖

圖9 電動插銷安裝現場

3.2.3 緩沖裝置

提升門底部兩側各設置一套彈簧緩沖器，且于門體正下方安裝4套緩沖橡膠件。當提升門下降至距離地屏100 mm處，門體結構正壓在緩沖器的緩沖桿上表面，門體繼續下降但運行速度降低。運行至距離地屏20 mm處，橡膠塊落至地屏上，門體緩緩停止在地屏上。緩沖裝置可降低提升門對地屏的沖擊力，實現對周圍設備的保護。緩沖裝置布置示意見圖10，現場安裝見圖11。

圖10 緩沖裝置布置示意圖

圖11 緩沖裝置安裝現場

3.2.4 提升門門體

提升門門體寬14 m，厚0.45 m，高7 m，上端部與吊點動滑輪組連接，通過鋼絲繩傳動，實現提升門的升降功能。提升門門體重約4000 kg，門體前安裝的LED格柵屏重量約1000 kg。LED屏安裝后，提升門重心前移，故動滑輪組的中心位置相對門體中心前移50 mm。提升門門門體結構見圖12，動滑輪布置示意見圖13。

圖12 提升門門體結構

圖13 動滑輪布置圖

4 電氣及控制系統

電氣及控制系統主要由一級配電箱、控制臺（觸控屏、I/O模塊、PLC、急停鏈）、現場主控柜（變頻器）、電纜及線槽、網絡線纜、就近按鈕等組成。系統框圖見圖14。通過對提升門驅動系統和電動插銷的控制，可實現提升門設備連鎖、設備狀態監視、設定運動參數、主備切換、故障診斷、系統維護等功能。

圖14 控制系統框圖

控制臺是控制系統的核心，安裝有移動指令PLC（POWER MOVPLC），通過觸控顯示屏、遠程I/O模塊及控制按鍵實現對全系統的設備協調、數據采集、顯示、交換、存儲、備份、響應、控制指令發送和設備操作等諸多功能?？刂婆_具備自動控制和手動控制功能。控制臺是采集數據輸入輸出的主要設備，主要接收一系列的信號并傳輸到PLC進行綜合邏輯判斷，同時確認設備的可運行性。控制臺在處理相關安全信號時還會根據信號的安全等級及時判斷是否需要斷開硬件連線，從而起到安全保護作用。

主設備控制系統采用移動指令PLC和觸控屏控制設備（DOP11），備用設備控制系統通過按鈕操作盒直接控制變頻器實現設備的控制。

設備動作流程：移動指令PLC采集操作人員的控制信號，控制系統確認是否運行設備以及相關運行場景。當接收到運行命令后，移動指令PLC將速度、位置等數據通過網絡交換機發送給變頻器來驅動電機，實現設備動作。

現場控制臺主要安裝變頻器及其控制邏輯回路，電機制動器、編碼器、限位等信號接入其中，就近放置柜體，使變頻器到電機之間的距離盡可能短，從而減小其他因素所帶來的干擾。

就近按鈕操作盒，作為常用操作盒及應急操作盒，根據現場布局情況，盡可能放置在視野清晰、能盡量統觀到全局的位置。

5 安全可靠性設計

5.1 可靠性設計

1) 驅動系統采用一主一備兩套系統，主備系統相互獨立。

2) 提升門驅動系統的關鍵零部件進行冗余設計，減速機的安全系數大于1.25，制動器的安全系數大于1.5，鋼絲繩安全系數大于10。

3) 控制系統亦采用一主一備兩套獨立系統，網絡采用環網和冗余的網絡交換機。

4) 控制系統采用先進的數字技術、測量技術、網絡通訊技術、顯示技術、人機接口技術，使用高速、高可靠性的移動指令PLC及DOP觸摸屏，實現系統的自動控制及顯示功能；使用專用控制器與直接控制器相連，實現快速精確的控制，其中專用控制器由移動指令PLC、變頻器及專業控制軟件組成；專用控制器之間采用EtherCAT工業現場總線通訊；行程檢測采用絕對相對二合一編碼器。這種全數字控制系統，提高了控制精度，確保軟限位的有效性，并具有良好的重復性。

5.2 安全性設計

1) 零部件的操作部位無尖銳的棱邊，設置有檢修平臺和攀爬設施，保證了施工和維修人員的安全。設備使用前進行試驗和協調運動試驗，以確保產品安全。

2) 提升門下方通道處設有激光掃描組件。當有人員通過時，可通過電氣控制提升門停止降落的安全保護措施，以確保人員的安全。

3) 設有電動插銷。提升門提升至最高點處，電動插銷伸出，防止提升門因設備異常而墜落；電動插銷具備電動和手動兩種操作方式，為系統提供雙重安全保護功能。

4) 設有機械緩沖器和緩沖橡膠。防止設備異常狀態時提升門快速降落造成地屏損壞，以保護設備的安全。

5) 設有限位開關、極限位開關、減速開關等多種電氣安全保護措施，以確保設備等的安全。

6) 設備附近設有維修開關。設備維修時斷開維修開關，使得現場限位開關等裝置因電源被斷開而無法發出使能信號，變頻器無法啟動，以確保人員和設備安全。

7) 設有松繩亂繩檢測裝置。當鋼絲繩發生松繩亂繩時，能及時停止設備的運行，保護鋼絲繩不受損傷及設備和人員的安全。

8) 設有過載檢測裝置。為了防止設備偏載、超載運行，在轉向滑輪組裝有載荷傳感器，當實際載荷超過額定載荷時，設備停止運行，防止事故發生。

6 結論

作為北京冬奧會各代表隊成員進入體育場看到的第一個設備，冰瀑提升門能否安全、可靠、精準地提升，不僅關系到整場演出的成敗，也在一定程度上反映了中國人的嚴謹態度和科技水平。冰瀑提升門在調試完成后進行了多次彩排演練，圓滿完成了北京冬奧會開幕式演出的任務，不僅讓各代表隊成員記住了迎客的“中國門”，更讓全世界感受到了中國人民愿與世界人民一起向未來的友好善良和博大胸懷。