北京冬奥会开幕式冰瀑提升门设计解析

高新君，陆 乐，宋 松，杨元永，郑志荣，王秀会

（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）

1 概述

冰瀑提升门是北京冬奥会和冬残奥会开幕式演出装置——“冰瀑”大型表演装置的关键设备，被誉为“中国门”，是欢迎全世界冰雪健儿相聚北京的盛情之门。

冰瀑提升门结构上安装LED显示屏，可根据需求升降，向上运行升至最高位置时，形成的门洞宽14 m、高7 m，实现为运动员提供入场口的功能。见图1、图2。

图1 “冰瀑”大型表演装置（摄影：王秀会）

图2 运动员通过提升门入场（摄影：王秀会）

2 设计依据和总体效果

提升门安装于冰瀑大型表演装置主体结构内，通过提升驱动系统实现升降。提升门显示屏与固定显示屏错位安装，提升门位于固定显示屏后部约300 mm处，“门梁”“门框”装有250 mm的显示屏，配以视频影像，形成庄严富丽、大气磅礴的中国传统大门的效果。提升门错位安装如图3所示，与中国传统大门示意对比见图4。

图3 提升门错位安装示意图

图4 中国传统大门示意图和提升门状态对比（摄影：王秀会）

提升门升降行程：7 m

升降载荷：提升门门体及LED格栅屏自重

升降速度：0.04 m/s～0.4 m/s（速度可调）

单程运行时间：不大于21 s

固定停位：0 m、+7 m（相对于正下方固定坡道面）

3 结构组成

提升门机械系统由提升屏框架、固定导向组件、电动插销组件、限位开关、缓冲系统、升降驱动系统等组成。

控制系统采用可编程逻辑控制器（PLC），通过控制台进行操作，控制设备运行。控制台可设定目标位置、运行速度，并可查看运动状态和定位显示以及记忆存储。控制台设有手动操作模式的上升、下降、停止按钮，以及程控模式的运行、停止按钮；触控屏画面中有同硬件按钮相同功能的软按钮，以及整个系统的急停按钮等。

3.1 动作流程

提升门通过变频器控制电机卷扬机驱动钢丝绳实现提升和下降动作。提升门上升到位后，制动器制动，电动插销插入插销座，起到二次保护作用，可防止提升门意外下降，确保下方人员的通行安全。当提升门需要下降时，电动插销收回，制动器打开，提升门下降。

3.2 功能组成

提升门由电机（带电磁制动器和编码器）、减速器、液压制动器、卷筒组件、钢丝绳、固定导轨、滑轮组件、导向组件、提升门屏体、电动插销组件等组成。提升门通过电机连接减速机驱动卷筒，在固定导轨和导向组件共同辅助下，实现平稳升降。布置如图5所示。

图5 提升门布置俯视图

通过工程计算，提升门主要设备技术参数及功率见表1。

表1 提升门主要设备配置表

3.2.1 升降驱动系统

提升门设有两套升降卷扬机（一主一备），安装在固定显示屏主体结构上。升降卷扬机由电机、液压制动器、减速器、联轴器、卷筒、防乱绳组件等组成。当主卷扬机工作出现故障时，可立即启动备用卷扬机，提升门可继续运行，从而提高设备运行的可靠性。

钢丝绳根据所承受的载荷情况，按照10倍安全系数选取钢丝绳，并选择与钢丝绳配套的附件。为了确保每条钢丝绳受力均衡，在转向滑轮组上安装载荷传感器对每条钢丝绳受力情况进行监测，并在控制台直观显示钢丝绳载荷数据，提高了钢丝绳的安全性、可靠性。

升降卷扬机和滑轮组件安装于主体结构的马道区域，便于安装、维修以及保障期间的人员进行观察。驱动系统上方马道铺设防火及防雨遮挡布，以保障驱动系统处于安全使用环境。升降驱动系统布置示意见图6，安装现场见图7。

图6 升降驱动系统布置示意图

图7 升降驱动系统安装现场

3.2.2 电动插销组件

电动插销的驱动机构可通过电动和手动两种方式操作。正常使用时，电机驱动插销完成其伸出和收回动作，插销上设置的限位开关可自动反馈插销动作是否到位，电机驱动插销完成动作所需时间约6 s。当出现停电或其他控制故障时，可操作手轮完成插销的伸出和抽回动作。依据人机工程学测算，手动完成每个动作所需时间约120 s～150 s，所需扭矩力为16.5 N，小于人操作手轮的最佳力，操作简单轻松。电动插销示意图见图8，电动插销安装现场见图9。

图8 电动插销示意图

图9 电动插销安装现场

3.2.3 缓冲装置

提升门底部两侧各设置一套弹簧缓冲器，且于门体正下方安装4套缓冲橡胶件。当提升门下降至距离地屏100 mm处，门体结构正压在缓冲器的缓冲杆上表面，门体继续下降但运行速度降低。运行至距离地屏20 mm处，橡胶块落至地屏上，门体缓缓停止在地屏上。缓冲装置可降低提升门对地屏的冲击力，实现对周围设备的保护。缓冲装置布置示意见图10，现场安装见图11。

图10 缓冲装置布置示意图

图11 缓冲装置安装现场

3.2.4 提升门门体

提升门门体宽14 m，厚0.45 m，高7 m，上端部与吊点动滑轮组连接，通过钢丝绳传动，实现提升门的升降功能。提升门门体重约4000 kg，门体前安装的LED格栅屏重量约1000 kg。LED屏安装后，提升门重心前移，故动滑轮组的中心位置相对门体中心前移50 mm。提升门门门体结构见图12，动滑轮布置示意见图13。

图12 提升门门体结构

图13 动滑轮布置图

4 电气及控制系统

电气及控制系统主要由一级配电箱、控制台（触控屏、I/O模块、PLC、急停链）、现场主控柜（变频器）、电缆及线槽、网络线缆、就近按钮等组成。系统框图见图14。通过对提升门驱动系统和电动插销的控制，可实现提升门设备连锁、设备状态监视、设定运动参数、主备切换、故障诊断、系统维护等功能。

图14 控制系统框图

控制台是控制系统的核心，安装有移动指令PLC（POWER MOVPLC），通过触控显示屏、远程I/O模块及控制按键实现对全系统的设备协调、数据采集、显示、交换、存储、备份、响应、控制指令发送和设备操作等诸多功能。控制台具备自动控制和手动控制功能。控制台是采集数据输入输出的主要设备，主要接收一系列的信号并传输到PLC进行综合逻辑判断，同时确认设备的可运行性。控制台在处理相关安全信号时还会根据信号的安全等级及时判断是否需要断开硬件连线，从而起到安全保护作用。

主设备控制系统采用移动指令PLC和触控屏控制设备（DOP11），备用设备控制系统通过按钮操作盒直接控制变频器实现设备的控制。

设备动作流程：移动指令PLC采集操作人员的控制信号，控制系统确认是否运行设备以及相关运行场景。当接收到运行命令后，移动指令PLC将速度、位置等数据通过网络交换机发送给变频器来驱动电机，实现设备动作。

现场控制台主要安装变频器及其控制逻辑回路，电机制动器、编码器、限位等信号接入其中，就近放置柜体，使变频器到电机之间的距离尽可能短，从而减小其他因素所带来的干扰。

就近按钮操作盒，作为常用操作盒及应急操作盒，根据现场布局情况，尽可能放置在视野清晰、能尽量统观到全局的位置。

5 安全可靠性设计

5.1 可靠性设计

1) 驱动系统采用一主一备两套系统，主备系统相互独立。

2) 提升门驱动系统的关键零部件进行冗余设计，减速机的安全系数大于1.25，制动器的安全系数大于1.5，钢丝绳安全系数大于10。

3) 控制系统亦采用一主一备两套独立系统，网络采用环网和冗余的网络交换机。

4) 控制系统采用先进的数字技术、测量技术、网络通讯技术、显示技术、人机接口技术，使用高速、高可靠性的移动指令PLC及DOP触摸屏，实现系统的自动控制及显示功能；使用专用控制器与直接控制器相连，实现快速精确的控制，其中专用控制器由移动指令PLC、变频器及专业控制软件组成；专用控制器之间采用EtherCAT工业现场总线通讯；行程检测采用绝对相对二合一编码器。这种全数字控制系统，提高了控制精度，确保软限位的有效性，并具有良好的重复性。

5.2 安全性设计

1) 零部件的操作部位无尖锐的棱边，设置有检修平台和攀爬设施，保证了施工和维修人员的安全。设备使用前进行试验和协调运动试验，以确保产品安全。

2) 提升门下方通道处设有激光扫描组件。当有人员通过时，可通过电气控制提升门停止降落的安全保护措施，以确保人员的安全。

3) 设有电动插销。提升门提升至最高点处，电动插销伸出，防止提升门因设备异常而坠落；电动插销具备电动和手动两种操作方式，为系统提供双重安全保护功能。

4) 设有机械缓冲器和缓冲橡胶。防止设备异常状态时提升门快速降落造成地屏损坏，以保护设备的安全。

5) 设有限位开关、极限位开关、减速开关等多种电气安全保护措施，以确保设备等的安全。

6) 设备附近设有维修开关。设备维修时断开维修开关，使得现场限位开关等装置因电源被断开而无法发出使能信号，变频器无法启动，以确保人员和设备安全。

7) 设有松绳乱绳检测装置。当钢丝绳发生松绳乱绳时，能及时停止设备的运行，保护钢丝绳不受损伤及设备和人员的安全。

8) 设有过载检测装置。为了防止设备偏载、超载运行，在转向滑轮组装有载荷传感器，当实际载荷超过额定载荷时，设备停止运行，防止事故发生。

6 结论

作为北京冬奥会各代表队成员进入体育场看到的第一个设备，冰瀑提升门能否安全、可靠、精准地提升，不仅关系到整场演出的成败，也在一定程度上反映了中国人的严谨态度和科技水平。冰瀑提升门在调试完成后进行了多次彩排演练，圆满完成了北京冬奥会开幕式演出的任务，不仅让各代表队成员记住了迎客的“中国门”，更让全世界感受到了中国人民愿与世界人民一起向未来的友好善良和博大胸怀。