杜安坤，王海林，孔憲旺，董 強(qiáng)，祁 宇，陳 威

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

1 演藝設(shè)備制造的出發(fā)點(diǎn)

領(lǐng)會(huì)導(dǎo)演意圖，用演藝設(shè)備做什么，怎么做，設(shè)備技術(shù)與藝術(shù)創(chuàng)意的結(jié)合點(diǎn)是什么，怎么結(jié)合？是做好表演設(shè)備和系統(tǒng)的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。結(jié)合不好，在信息發(fā)達(dá)的今天勢(shì)必造成觀眾的審美疲勞。因此，設(shè)備的型、體、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)備群組的組態(tài)、速度和位置關(guān)系，作為個(gè)案的系統(tǒng)如何保證安全可靠等因素，有必要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。舞臺(tái)演藝設(shè)備的制造處在一個(gè)施展大眾公共藝術(shù)的時(shí)代，參加世博會(huì)是一個(gè)展現(xiàn)、鍛煉的機(jī)會(huì)，并且學(xué)科人才的培養(yǎng)更需要這樣的實(shí)踐。借世博會(huì)浙江館的“碗里乾坤”，展現(xiàn)鬧市中天堂般的雅靜視聽(tīng)，心儀向往的天地人和之意境。浙江館外觀如圖1所示，裝飾前館內(nèi)透視如圖2所示。

2 表演任務(wù)與創(chuàng)意呈現(xiàn)

圖1 浙江館外觀

圖2 裝飾前的館內(nèi)透視

位于浙江館核心區(qū)的巨大“青瓷碗”無(wú)疑是館內(nèi)的重要看點(diǎn)?！靶蛄魉思?，婉約竹林品茶；表演形式聚會(huì)，地方特色文化；天堂美景一碗大，詩(shī)情畫(huà)意絲竹雅；五千年歷史積淀，八分鐘演繹技法。”這即是“青瓷碗”的創(chuàng)意理念。觀眾站在碗四周的環(huán)形升降平臺(tái)上，平臺(tái)上升，先把碗底外圍觀眾從如紗如織的薄霧中送到桃園仙境般的碗口四周，十幕佳景在龍泉青瓷大碗內(nèi)漸次展現(xiàn)，綿綿江南情意，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水鄉(xiāng)人家”、“跨海大橋”依次升出水面，“錢(qián)塘江潮”、“斷橋故事”、“采茶撲蝶”、“運(yùn)河絲路”……將浙江千百年來(lái)的歷史和特色呈現(xiàn)在觀眾眼前?！扒啻赏搿闭寡菰谑啦?huì)184天里從不間斷，每天從早8點(diǎn)表演到子夜，場(chǎng)場(chǎng)爆滿(mǎn)。技術(shù)與藝術(shù)的精致融合帶給觀眾精美的視覺(jué)感受。

3 館內(nèi)設(shè)備集成

“青瓷碗”是一個(gè)小而全的演藝舞臺(tái)。相對(duì)于劇場(chǎng)舞臺(tái)它是小的；從涉及的專(zhuān)業(yè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是全的。即使不將工藝美術(shù)、建筑造型、結(jié)構(gòu)計(jì)算、空間及通道利用、消防和對(duì)講通訊算在內(nèi)，它已經(jīng)包含了中控統(tǒng)管下的燈光、音響、多媒體、機(jī)電、電液、給水、排水、水霧、噴淋、水面3D投影、超短焦投影，中控網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、三維動(dòng)畫(huà)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)備和裝備器材。

大碗和碗內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景由不銹鋼材料制成，“河姆渡文化”、“三潭印月”、“水鄉(xiāng)人家”、“跨海大橋”、“荷花”的升降裝置由碗底穿出的5組同步液壓缸組驅(qū)動(dòng)。在碗底部，集中了液壓控制和檢測(cè)回路、注水泵、排水閥等設(shè)備，碗的外壁敷設(shè)密集的噴霧嘴及其管路，碗壁再罩上沿部預(yù)留篩眼的烤瓷碗狀外殼。裝飾后的青瓷碗如圖3所示，碗內(nèi)場(chǎng)景機(jī)械安裝如圖4所示，集中在碗底的設(shè)備如圖5所示。

為了減少對(duì)地面的集中載荷，碗內(nèi)填充了聚氨酯泡沫材料，即便如此，碗中所盛的液體二氧化鈦和水以及各不銹鋼場(chǎng)景仍重達(dá)40多噸。

4 設(shè)備結(jié)合工藝美術(shù)的運(yùn)行

4.1 中心控制臺(tái)

服務(wù)器主機(jī)通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布I/O接口與各專(zhuān)業(yè)子系統(tǒng)預(yù)置I/O接口相連，按節(jié)目時(shí)序統(tǒng)一管理各子系統(tǒng)設(shè)備的啟停，并監(jiān)控各子系統(tǒng)的設(shè)備工作狀態(tài)。

4.2 升降平臺(tái)

臺(tái)面起始位置位于觀眾進(jìn)口，與踏步平臺(tái)平層，也與碗底處在同一平面。觀眾憑欄圈定站齊后升降平臺(tái)徐徐升起，把觀眾帶到碗口，隔碗相望，腳與碗邊平，每個(gè)觀眾踞青瓷碗一隅。

環(huán)形升降臺(tái)可載人70名，外徑15 m，內(nèi)徑9.1 m，升降行程2.85 m，升降速度0.000 5 m/s ~ 0.05 m/s，由同步軸驅(qū)動(dòng)環(huán)形分布的10條剛性鏈完成升降，節(jié)省了空間高度，安全性要求高。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一用一備，采用編碼器控制定位，由2臺(tái)液壓制動(dòng)器和5臺(tái)電動(dòng)插銷(xiāo)確保升降動(dòng)作的定位和載荷方面的安全。如此近的距離，平臺(tái)降噪、平穩(wěn)啟動(dòng)和停準(zhǔn)都是非常必要的，在矢量變頻器的控制下平衡了電機(jī)的剛性和柔性。碗內(nèi)場(chǎng)景液壓缸分布如圖6所示，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的鋼性鏈如圖7所示。

圖3 裝飾后的青瓷碗

圖4 碗內(nèi)場(chǎng)景機(jī)械安裝

圖5 集中在碗底的設(shè)備

4.3 多回路液壓同步組驅(qū)動(dòng)

4.3.1 液壓機(jī)械要求條件

（1）系統(tǒng)最大壓力為 5 MPa，雙泵為用一備一，工作時(shí)可任選其一啟動(dòng)。當(dāng)液位繼電器無(wú)低液位信號(hào)報(bào)警輸出時(shí)可單獨(dú)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)溢流閥不加電。

（2）溢流閥加電隨各電磁閥的動(dòng)作需要，有任意電磁閥加電動(dòng)作時(shí)，需同時(shí)給相應(yīng)溢流閥加電（和啟動(dòng)的泵對(duì)應(yīng)），并隨電磁閥斷電后延時(shí)斷電，動(dòng)作關(guān)系為并聯(lián)關(guān)系。

（3）每液壓缸組中比例閥為調(diào)節(jié)同步使用，與各自油缸內(nèi)置位移傳感器的位置差成，閉環(huán)模式，自動(dòng)調(diào)節(jié)修正誤差。

（4）每液壓缸組動(dòng)作中主控電磁閥分主閥和備閥，為用一備一模式，可自由切換。

4.3.2 液壓控制任務(wù)分析

由于所舉升的場(chǎng)景輕重不一，場(chǎng)景又存在或升或降的換景運(yùn)行，那么，在這個(gè)多缸液壓系統(tǒng)中，各液壓缸同步組運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載壓力是不相等的，勢(shì)必存在各缸之間運(yùn)動(dòng)的相互干擾現(xiàn)象，所以，各液壓缸組均采用了比例換向閥閉環(huán)控制，各油缸內(nèi)置位移傳感器檢測(cè)位置，檢測(cè)速度由位置對(duì)時(shí)間的微分確定。

本案屬用機(jī)械聯(lián)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的同步運(yùn)動(dòng)的回路，用剛性梁使兩液壓缸的活塞桿間建立剛性的運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)位移同步，鋼梁與液壓缸連接處允許位置偏差5 mm。

4.3.3 控制實(shí)現(xiàn)方法

碗內(nèi)液壓設(shè)備采用隨機(jī)檢測(cè)多點(diǎn)平衡控制方法，監(jiān)控每一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)故障自鎖，完成多點(diǎn)同步液壓驅(qū)動(dòng)。PLC通過(guò)檢測(cè)油缸內(nèi)位移傳感器的4 mA ~ 20 mA輸出信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)比較和平衡插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)4 mA ~ 20 mA比例換向閥的平衡定位控制。濾油器報(bào)警信號(hào)、液位報(bào)警信號(hào)、溫度報(bào)警號(hào)、電磁溢流閥等與液壓泵啟動(dòng)關(guān)聯(lián)，以確保機(jī)電液設(shè)備的系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

液壓同步運(yùn)動(dòng)回路用來(lái)保證系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)液壓缸等執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)中以相同的位移或速度升降，也可以按1:1的速比運(yùn)動(dòng)。在同步運(yùn)動(dòng)回路中影響同步運(yùn)動(dòng)精度的因素很多，如外負(fù)載、泄漏、摩擦阻力、元件的變形及液體中含有氣體等都會(huì)使比例換向閥運(yùn)動(dòng)同步不精確。為此，同步運(yùn)動(dòng)回路應(yīng)盡量克服或減少上述因素的影響。同步運(yùn)動(dòng)包括位置同步和速度同步兩種。

4.3.4 閉環(huán)比例閥的同步

比例換向閥同步運(yùn)動(dòng)的每組液電液回路中，各使用了一個(gè)電液比例換向閥，控制每組液壓缸1和2的運(yùn)動(dòng)，1號(hào)為主，2號(hào)為從跟隨1號(hào)的速度和位置，當(dāng)兩液壓缸出現(xiàn)位置誤差時(shí)，由PLC檢測(cè)并計(jì)算其裝置位移信號(hào)，調(diào)節(jié)比例換向閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)糾偏控制。同步誤差2 mm，升降運(yùn)行速度0 mm/s ~ 150 mm/s。設(shè)計(jì)同步周期5 ms，即最大同步響應(yīng)速度設(shè)計(jì)為0.75 mm/5 ms。實(shí)際同步周期3 ms，即最大同步響應(yīng)速度設(shè)計(jì)可到0.45 mm/3 ms（取決于PLC的掃描周期）。電液轉(zhuǎn)換設(shè)備如圖8所示。

圖6 碗內(nèi)場(chǎng)景液壓缸分布

圖7 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的鋼性鏈

圖8 電液轉(zhuǎn)換設(shè)備

圖9 中心計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

圖10 冗余可靠性保障

圖11 碗內(nèi)江南水鄉(xiāng)場(chǎng)景效果

圖12 碗內(nèi)河姆渡場(chǎng)景效果

如想保證兩液壓缸在任何時(shí)候的位置誤差小于0.3 mm，則只能使用多軸伺服控制器控制電液伺服閥同步，使各軸液壓缸通過(guò)的即時(shí)流量相同，實(shí)現(xiàn)液壓缸高精度同步。

5 機(jī)械控制系統(tǒng)

浙江館機(jī)械控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、PLC、機(jī)電、電液、給排水等設(shè)備組成了機(jī)電液混合動(dòng)力傳動(dòng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以西門(mén)子公司的S7-300系列PLC作為核心控制器，數(shù)據(jù)通訊總線(xiàn)人機(jī)界面采用西門(mén)子TP277觸摸屏，主要控制對(duì)象有環(huán)形升降臺(tái)、液壓泵站、碗內(nèi)液壓設(shè)備、注水、排水等設(shè)備。如圖9所示。碗內(nèi)各場(chǎng)景設(shè)備采用多液壓缸同步驅(qū)動(dòng)。被控對(duì)象一用一備。防水、防潮要求高。

冗余備份、同步控制既是功能需要，也是運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備的安全措施。系統(tǒng)在完成機(jī)電設(shè)備可靠運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)同時(shí)，門(mén)開(kāi)關(guān)、觀眾站位等方面的聯(lián)鎖防護(hù)，全場(chǎng)所有的監(jiān)控布防、場(chǎng)內(nèi)外信息溝通、對(duì)觀眾流動(dòng)秩序的引導(dǎo)均要反映到操作控制平臺(tái)。如圖10所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

“碗里乾坤大，集中又細(xì)化?！薄扒啻赏搿闭寡菰O(shè)備多樣而且密集，升降平臺(tái)、液壓設(shè)備同步要求高，安全和可靠性要求高。圖11、圖12為碗內(nèi)相關(guān)場(chǎng)景最終效果。這是一個(gè)受控于中心指揮的統(tǒng)一體，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與工藝美術(shù)的多元化結(jié)合。世博會(huì)期間的全程運(yùn)營(yíng)，依靠全員參與和全過(guò)程的制度化實(shí)現(xiàn)技術(shù)保障。圖11、圖12為碗內(nèi)相關(guān)場(chǎng)景最終效果。