上海大剧院主剧场舞台机械控制系统改造工程方案

吴志华

（上海大剧院 舞台技术部，上海 200003）

1 概述

1.1 改造依据

上海大剧院是上海市颇有影响的文化设施之一，自1998年8月27日开业以来，已成功上演过歌剧、音乐剧、芭蕾、交响乐、室内乐、话剧、戏曲等各类大型演出和综艺晚会，在国内外享有很高的知名度，许多国家政要、国际知名人士曾光临大剧院。剧院内有3个剧场，其中，1800座主剧场的舞台由一个728 m2的前舞台、一个360 m2的后舞台和两个257 m2的侧舞台组成，带有舞台平移、升降、旋转、乐池升降和电动布景吊杆等设备，是上海重要的演出场所和艺术殿堂。

上海大剧院主剧场舞台机械设备自日本三菱重工株式会社（以下简称三菱重工）设计建造以来，已经历了10多年的运营。依据国家相关技术标准、安全法规以及机电技术手册要求，根据上海大剧院舞台设备系统原设计图纸技术资料和近年维修原始资料，并针对现阶段舞台设备系统技术的不断推陈出新的情况，以及近期上海大剧院主剧场舞台机械设备系统运行情况和设备技术状况，可以看到上海大剧院舞台设备系统已过安全可靠期，其中的核心电气/控制系统已超过了设备（产品）的生命周期（一般为5～7年），大部分设备以现在的标准来看已属淘汰产品，备品备件的供应已完全不能满足大剧院系统安全运行的条件，有不少的部件已磨损或可能无备件，一旦这些部件出现故障，很可能会引起系统故障或系统瘫痪，甚至是事故。

因此，剧院决定对主剧场整体舞台设施予以彻底改造更新，使上海大剧院这颗上海文化设施明珠再次熠熠生辉，成为上海重要的中外文化交流窗口和艺术沟通的桥梁。

1.2 改造的必要性

经长期运营后，由于机械磨损或负载的变化已引起运行参数的变化，导致控制系统原来调试整定的参数偏离或失效，现有舞台系统（台上/台下设备）的运行指标（如低速运行、同步运行等）已无法达到原设计或原调试达到的指标，具体如下：

（1）运行检测元件（如旋转脉冲发生器、绝对位置编码器等）光栅盘的老化引起检测数据的误差增大，进而影响控制品质与精度。

（2）各类操作部件已超期服役，如舞台电机的绝缘性能已下降至竣工验收测量值的一半；按钮、电位器、触摸屏键等因长期的触模使用（超10年）导致接触不良引起系统时发性或偶发性的误动作，使控制系统可靠性、安全性降低，运行安全风险加大。

（3）原有控制系统的计算机、触摸屏、PLC（可编程逻辑控制器）、变频器等都是20世纪90年代初、中期产品，经过10余年的技术发展，不管哪一类产品技术性能指标都已有了极大的提升，当今流行控制系统所采用的产品其性能指标都比原系统的性能指标高出几个数量级，几乎没有可比性。原有系统的设备基本处于淘汰边缘，有些设备因技术更新加快也已停产且无备件，如目前仍在运行的日本安川公司的变频器产品已停产，给今后设备维护带来困难。

（4）舞台控制系统受当时设计理念、设计水平与设备制造水平的限制，与当今典型控制系统相比存在一定系统缺陷，整体控制技术已滞后于目前主流先进控制理念，其主要差距对比如下：

a.原有系统的网络拓扑结构为单总线结构，通信方式采用专用数据令牌传输方式，而现今流行控制系统的拓扑结构为环形或双环形或双总线结构，通信方式采用通用的以太网协议。

b.原有系统的计算机通过板卡与PLC数据网络相连，数据无备份，且图形计算机与控制操作计算机各自独立，不能互为备份。现今控制系统流行冗余方式，系统中所有的数据都有备份，储存在冗余服务器中，而操作终端计算机可按功能的不同从冗余服务器中存取所需的信息，不同的操作终端可完全实现功能的互为备用和数据交换。

c.受原有操作系统及软硬件功能的限制，对操作员层面的操作功能约束较大，在任何一个单独的操作员终端都不能全部看到操作前所必须了解的所有信息（如吊杆运行时，在计算机显示终端上可看到吊杆运行的模拟画面，但实际数据只能在触摸屏上的专有画面中看到等）。而采用当今流行的组态软件或触摸屏控制软件，这些必须的操作信息在任何操作员终端都是可视化的。

（5）该控制系统从1996年开始建造，至今已有十多年。按国外同类型剧院的更新惯例，控制系统应在设备（产品）使用年限到期之前，完成升级换代。基于一般设备的使用寿命和升级换代的速率，超期使用会带来运行安全的巨大风险，一旦一套核心部件故障，整个系统就无法完整、安全地运行。

综上所述，为确保上海大剧院主剧场舞台机械设备工作的安全，其舞台系统改造升级项目已迫在眉睫。而且，越早进行改造越有利，其运行也越安全。改造应借鉴当前中外剧院改造项目的成功经验，对剧院整体舞台设施予以彻底改造更新。

1.3 改造原则

上海大剧院主剧场舞台机械控制系统改造的集成、设计制造、测试及试运行依据相关技术要求，并采用适合于该改造项目的相应质量标准、技术标准、试验规程以及在舞台设备行业中规定的任何其他标准，达到现代化的管理目标，主要体现以下几个基本原则。

（1）在不改变舞台机械预定功能和使用需求的前提下，在既定的建筑结构尺寸和地基状况等边界条件下，根据多年的经验及产品特点，进行深化改造设计，方案将体现合理性、可行性和优越性，保证改造后上海大剧院主剧场舞台设备使用的安全性、可靠性、稳定性。

（2）从系统结构及产品性能方面改变原有系统中因当时产品技术的局限以及系统价格的约束而产生的不足之处，以确保改造后系统达到或超过国内同类系统的先进水平，并对类似系统的改造具有示范意义。

（3）改造的控制设备的预期使用寿命按产品的最高标准进行设计，努力提高设备配置的水平。

所供设备采用国际通用的标准化部件及零件，或采用制造厂商生产的标准产品。它是当前舞台控制中通用的，且具有技术先进、性能完备、安全可靠、使用操作方便、备品备件更换方便、维修简单的特点。

（4）更新的设备均符合现定的环境和电气标准，控制系统的设计便于将来扩展。

（5）所有设备和装置均满足相应的安全标准和舞台操作规程，保证用户在安全的工作环境下操作、使用和维修设备。

（6）维修工作无需使用特殊工具，而只需一般的工具和测试设备。所有制造、接线、试验及其他工作，均由经过培训的、有经验的专业人员或技术工人完成。

2 改造方案

2.1 改造的目标

（1）全面提升舞台机械设备使用的安全性、可靠性、稳定性。

（2）全面提升控制系统的先进性，在投资预算内，以提高控制系统的综合性价比为目标，提高设备配置的水平，使舞台控制功能先进可靠、配置合理周全，确保控制系统达到或超过国内同类系统的先进水平。

（3）全面提升上海大剧院主剧场舞台控制操作的可视化程度，使可用的可视信息更为全面，使用方便，提高操作简便性，降低误操作率。

（4）对所有更换的部件选择通用的最新的部件及产品，确保系统的可维护性及备品备件的方便性。

（5）强化安全功能，保证改造后的控制系统在规范的期限内安全使用。

（6）以全新的控制系统配合演出的情节动作，体现表演中的艺术效果，满足国内外演出形式及各类大型会议和庆典活动的要求。

2.2 关键点及难点

2.2.1 关键点及难点

由于改造工程是对现有系统的部分设备进行更新和技术升级，因此，改造后控制系统的新增功能和操作模式将体现对现有控制方式和操作模式的继承和发展，以有利于操作应用的秉承和认同。改造工程的关键点与难点在于：

（1）改造过程需紧密结合20世纪90年代三菱重工设计上海大剧院主剧场舞台设备的机械结构、电气特性、设备运行性能等应用特点，确保改造后的舞台机械控制系统在使用时与原三菱重工建造的舞台设备完全匹配。

（2）改造中欲建立新的网络架构和数据通道，需利用原三菱重工敷设的原始网络数据链和控制链的信号电缆。

（3）改造中新增控制线缆的敷设需利用三菱重工原来在大剧院建设时所预埋预敷的电缆桥架和电缆井及电缆管道。

（4）改造中需更新的部分设备需在三菱重工原控制系统设计技术基础上进行，其更新后设备的通讯接口、电气性能、参数特性、控制功能需确保与原有系统匹配与兼容。

因此，上海大剧院主剧场舞台机械控制系统的改造较一般大剧院舞台机械控制系统的新建而言，难度更大，改造中要求改造者除熟悉原设计思想和原理、系统分配、设备的物理接口及相互通讯协议和原始数据的调用与分配等，还要熟悉线缆的原始敷设走向分布和每根线缆的应用分配。只有这样，才能确保改造升级过程中对原有系统充分利用和完善，尤其是线缆的走向，以最大限度地保护主剧场的整体面貌，保证上海大剧院正常运营和新系统的顺利改造、建成、投入使用。

2.2.2 可行性方案

针对上述改造难点与要点，提出有效的可行性对策如下：

（1）改变原系统的控制方式，基于变动影响量最小进行策划，PLC冗余配置，柜内新增现场I/O、远程I/O站，充分利用原有系统的信号连接电缆，同时，建立新系统正确控制通道，重新整定参数，确保新系统稳定运行。

（2）更新的变频器采用相应的产品，与原变频器匹配。事先读取并记录将予以替换的原变频器设备的控制、驱动保护、通信等专用信息，在理解的基础上按新的数据格式输入到更替的新系列变频器中，在新网的架构上予以整定并调整至设备最佳工作状态以承继以往设备的功能。

（3）清晰地了解原系统电缆走向、敷设数量及用途，改造过程中的新敷设电缆均就地或在控制盘上（盘内），不大面积地更换老系统已敷设的电缆，新系统要增加的网络连接电缆也利用老系统中的备用电缆（芯数）或老系统的电缆通道，重新敷设光缆的范围亦仅限于各PLC站及操作室计算机服务器。

表1 改造前后系统优劣的对比分析

3 改造的内容及范围

3.1 舞台机械部分（包括台上与台下）

所有用于位置编码器检测的钢丝绳装置，树脂轮；两个乐池位置定位已出现明显的两边偏差，需调整位置间隙；由于地面沉降原因，后舞台与侧舞台运行时位置有偏差，需调整；大幕卷扬机构中的轴承需检查，部分需更换；吊杆部分运行频繁的电机及旋转编码器需更换。舞台机械的其他部分改造以检修、保养维护为主，保证运行的安全性及可靠性，同时满足与升级后控制系统的匹配与兼容。

3.2 电气与控制系统

3.2.1 台上设备部分（吊杆系统设备）

（1）主操作台、图形计算机、网络接口设备、软件的升级与更新，操作画面的重新组态编程。

（2）主操作台和副操作台电气监控计算机、网络接口设备、软件的升级与更新，操作画面的重新组态编程。

（3）主操作台和副操作台的触摸屏的更新替换，触摸屏软件的更新升级，触摸屏画面的组态。

（4）控制盘内的所有PLC部件、软件更新，程序移植。

（5）控制盘内的所有变频器部件更新，参数移植。

（6）变频器专用的18相整流电源装置主要部件的更新。

（7）新增电气设备绝缘劣化在线监测装置。

（8）新增电力测量与能量管理系统。

（9）部分或全部现场的限位开关、脉冲信号发生器、绝对位置编码器的更新。

（10）部分继电器、接触器、电气开关及电位器、按钮、指示灯的更新。

（11）现场的配线作业与改造安装布线及光缆敷设。

（12）升级更新后的设备调整、参数确定、程序调试、设备试运行、操作培训、图纸等文档的编制。

（13）无线监控系统的导入。

3.2.2 改造前后控制系统优劣的对比分析

如表1所示。

3.2.3 台下设备部分（舞台系统设备）

类同于台上设备的更新内容。

3.3 系统结构及功能的增加

（1）PLC、服务器、通信网络采用冗余配置方式，使系统的可靠性和稳定性得到更大的提高。

（2）采用多屏显示技术，强化操作人员的操作可视化程度，避免出现误操作。

（3）增加无线便携式近台操作终端，方便布台调试。

（4）增加离线仿真功能，在离线状态下支持节目制作编排设计。

（5）增加日志记录功能，将各种设备的操作命令及运行状态的变位信息作为事件日志保存，供分析、检查、追述之用。

（6）增加绝缘电能监控处理功能，支持系统初期异常或故障的查明及预警。

（7）对图形操作终端的画面增加丰富的、新的标准功能，扩大操作的范围，增添新的操作手段与方式。

（8）强化安全功能，防止突然出现的误操作或误动作。

（9）增加远程监控功能，可以由专家进行远程故障诊断。

3.4 系统的软件结构

如图1所示。

3.5 系统的硬件结构

如图2所示。

4 系统技术指标

4.1 PLC实时性指标

数据采样周期：≤10 ms；控制执行时间：≤10 ms；A/D转换时间：≤10 ms。

4.2 上位计算机实时性指标

画面调用响应时间：重要和报警画面≤1 s，90%常规画面≤2 s，其他≤3 s；数据库刷新到画面上实时数据刷新周期≤2 s；操作员发执行命令到应答显示的响应时间≤3s；从出现报警信号到在画面上显示并发音响报警的响应时间 ≤2 s。

4.3 控制响应时间

接收控制命令到执行控制的响应时间 ≤1s；控制命令的响应时间满足操作要求。

4.4 可靠性指标

上位计算机平均无故障时间（MTBF）≥10000 h；PLC平均无故障时间（MTBF）≥50000 h；通道平均故障时间＜24 h/y；电源系统平均故障时间＜4 h/y；设备平均故障排除时间＜1 h。

4.5 实用性指标

系统的可利用率不低于99.95%，停机时间不多于4.5 h；系统时钟精度：1 ms。

该方案的原则、目标、设备配置及其效果，尚需实践的最终检验。笔者期待得到业内关注，原上海大剧院的改建最终能为行业提供可借鉴的经验。