国家大剧院戏剧场舞台机械电气控制系统及故障分析

前言

国家大剧院戏剧场（以下简称：戏剧场）从2007年开业至今，舞台机械系统已经运行了15年，为戏剧场的各种重大演出提供了有力的保障和支持。舞台机械系统的安全稳定运行需要一整套可靠的电气控制系统予以配合，电气控制系统作为舞台机械的控制中枢，在舞台机械运行中发挥着至关重要的作用。

1 戏剧场舞台机械电气控制系统概述

戏剧场舞台机械系统在国内可以说是独树一帜，其台下舞台机械采用鼓筒式转台与液压驱动升降台/块能够有机融合地呈现丰富的舞台效果。这套舞台机械的电气控制系统（以下简称：该系统）尤其复杂，它不仅涉及到台上、台下机械设备的同时使用，还要兼顾液压系统的稳定有效运行。

1.1 舞台机械电气控制系统

戏剧场舞台机械电气控制系统由德国力士乐公司（Rexroth，以下简称：力士乐）主导设计，该系统沿袭了力士乐电气控制系统的基本框架。如图1所示。

根据上述焊接材料的选用原则，AWS A5.14，AWS A5.11标准中材料的用途，以及管道焊接需要全位置焊接的工艺要求，NiCrMo-3，NiCrMo-10、NiCrMo-12系列焊接材料均适用于N03867超级奥氏体不锈钢的焊接。母材与焊条熔敷金属的化学成分、力学性能对比如表3、表4所示。

从技术原理角度而言，蛋白质印迹检测技术是借助聚丙烯酰胺凝胶电泳，分离外源蛋白质，并与显色酶反应，通过结合反应实现分离检测。对转基因食品进行不可溶蛋白质的分析时，采用蛋白质印迹检测技术，能够检测出蛋白质含量，并且与蛋白质预定限值作对比分析，进而明确转基因食品的质量和安全性。

变频器出现故障的频率比较高。导致这些故障发生的原因可能是环境、电压、设备老化、使用过载等。戏剧场设备使用环境是处于国际一流水平的，常年恒温恒湿，所以环境不应是主要原因。而且国家大剧院对工作人员操作设备有严格的规范要求，使用过载也不应是主要原因。因此，变频器的故障原因主要在于设备老化等。

1.2 SYB2000舞台机械控制系统

SYB2000舞台机械控制系统由力士乐于1997年开发，系统中的计算机以双通道结构工作。即，舞台设备的全部传感器和执行机构都由2台计算机同时处理。如果一台计算机检测到一个故障，传动装置将进入安全状态停止运行。整套系统是根据欧洲舞台系统相关安全标准EN 61508 （VDE 0803）（安全相关系统中计算机的原则）的要求设计，该系统实施的安全措施符合3级安全完整水平。

在现阶段工程质量监督工作中，存在着监督工作执行力有待提升问题。同时，监督单位职责未得到明确划分，管理工作难以落实到实际施工过程中。不仅如此，施工单位及建设单位对工程质量监督工作重要性的认知度有待提升，导致工程监理力度不高，监理及其他部门之间的矛盾不断激化，难以发挥出真正的作用。

加强工程质量监督人员专业技能及职业素养的培养工作。首先，完善人员业务及交款知识体系，提升其思想政治水平；其次，结合工程实际需求制定出科学且系统的职能分工方案，制定并完善施工审核流程；此后，要求工程质量监督人员做好施工纪律的管理及施工材料的收集工作；最后，针对工程质量监督专业知识及技能在人员群体中做好教育培训工作，采用业绩考核及奖惩机制相结合的手段，力争营造出积极严谨的监理工作氛围。

EA电气柜的主要功能是提供电力配电器（总线分配器）、SC控制盘、SC插座及各种驱动器主控单元的24V工作电压。EA电气柜提供输入电压的设备还包括：驱动器的高阶轴计算机（双通道控制升降台1和升降台2）、主控单元、SC控制盘的计算机、各种驱动器的SC插座的网络、轴控制器（BLE）、通过轴控制器单元连接器的网络等。

对变频器故障的故障点、种类、原因进行判断时，首先应根据控制面板的错误代号进行初步判断，然后观察变频器上的指示灯信号是否正常来排查故障点。变频器的故障处理可以尝试断电重启进行复位，以及重置使用参数等方法，如发现变频器元器件损坏则需要更换新的变频器。2020年曾出现过吊杆在按激活键以后设备运行之前缓慢向上或向下移动，最后通过吊杆变频器参数重置的方法消除了此现象。

在电气系统中，保险的作用不用赘述，它作为电气系统的守护排头兵，必须守好第一关。戏剧场电气系统中的保险分为两类：供电路保险和信号路保险。由于外网电路输入不稳定或者系统开启时造成的瞬间电流过大，从而导致保险熔断是保险损坏的最主要原因。因此，要经常性地检查各类保险的使用情况，确保各类保险能起到即时熔断的作用，保护整个电气系统不受到电流冲击。

戏剧场的SYB2000舞台机械控制系统的操作层级主要包括编程计算机RC、状态计算机SM、控制面板SC/CP和开机面板；控制层级主要包括EP电气柜和EA电气柜等；执行层级主要包括轴控制器BLE、变频器、气动液压缸、电机和PLC等。见图2。

2 故障梳理

15年来，该系统总共出现故障320多起，基本上涵盖了操作层、控制层及执行层三个层级。其中出现故障频率较高的是轴控制器、变频器、保险、BTH板。故障比例如图3所示。

发生的电气故障按出现的频率可分为两大类：经常性故障和偶发性故障。其中经常性故障主要包括：轴控制器、变频器、保险、BTH板等；偶发性故障主要包括：载荷控制器、升降台块锁定装置、继电器、主控接触器、变频器风扇、数据总处理器（HUB）、编码器等。

3 故障案例

3.1 保险

其中EP电气柜主要功能是提供CP控制盘所在地及主要单元的24V工作电压。EP电气柜提供输入电压的设备还包括：数据控制器（DC）、MR-10总线的总线主机（BM）、耦合单元、状态计算机（SM）和编程计算机（RC）的网络、通过CP控制盘的计算机连接器的网络、CP插座里的主控单元等。

3.2 轴控制器

该系统采用一个轴控制器控制四个驱动器动作的控制模式。这种模式有利于节约成本，但是弊端就是损坏一台轴控制器会导致四个装置驱动器不能动作。

3.3 变频器

力士乐电气控制系统主要分三个层级：操作层级、控制层级和驱动层级。操作层级包括操作面板（Operating panels）、数据存储器（Accesspoint）、编程计算机RC（Production Computer）和状态计算机SM（Status Monitor）；控制层级包括主控制器MC（Master Controller）、数据处理器DC（Data Concentrator）、总线主控BM（Bus Master）、轴控制器BLE（Axis Controller）和可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）等；驱动层级包括液压电机、气动液压缸、电机以及变频器等。

有一次，他从昏迷中给一种贴着他耳朵喘息的声音惊醒了。那只狼一跛一跛地跳回去，它因为身体虚弱，一失足摔了一跤。样子可笑极了，可是他一点也不觉得有趣。他甚至也不害怕。他已经到了这一步，根本谈不到那些。不过，这一会，他的头脑却很清醒，于是他躺在那儿，仔细地考虑。

从1999—2008年，国土资源部在地质灾害易发的1 640个丘陵山区县部署完成了1∶20万比例尺地质灾害调查，查出24万处隐患点。这只是初步摸底，此项工作还应进一步推进。灾害风险评估是将灾害防治工作前移，从根本上预防风险，是现代风险管理的本质，需要政府主管部门具有前瞻性、超前意识和长远意识。

3.4 接触器

接触器是电气系统中使用频率最高的电气元件，是配电柜、电控柜等重要的组成部分，是电气系统重要的电力控制部件。由于该系统老化，接触器出现的故障频率也在逐年攀升，主要表现为接触器吸合不紧、烧毁等。其中主要原因就是由于常年使用造成接触器的触头处形成积碳，从而导致吸合不紧。因此，在设备使用维护中应对接触器加强检查，及时更换有问题的接触器，以免对电气系统的供电造成影响。

3.5 继电器

在舞台机械电气控制系统中，继电器是其中必不可少的部件。继电器的种类很多，通常分为保护继电器和控制继电器两大类。该系统曾发生因继电器损毁致使转台不能转动的故障。该系统的电磁式继电器和时间继电器见图4。

继电器也是故障高发的部件，故障的发生和使用条件有着密切的关系。在使用过程中，在非必要情况下，应避免向继电器长时间通电，以免继电器线圈长时间处于高温状态导致线圈烧毁。另外，继电器触点接触不良也是引发故障的重要原因。由于继电器触点表面氧化 腐蚀、附着灰尘异物等，或者设备使用中长时间震动都会导致继电器触点接触不良。

3.6 其他故障

经过多年的使用，该系统还出现过载荷传感器失效、BTH电路板烧毁、温度传感器失灵、编码器定位不准等故障。这些故障均属于偶发性故障，也应加以关注。

4 结语

总的来说，该系统是一套成熟、稳定的机械电气控制系统，是以欧洲国家多年的舞台表演使用经验为基础开发的系统，有很多方面值得借鉴学习。同时，随着舞台表演的多元化，也对舞台机械系统提出了更高的要求，对维护人员也有了更大的挑战。一套舞台机械系统的使用年限一般为10～15年，如何在这么长的时间里保障系统的安全稳定运行，是值得进一步研究和探讨的课题。