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作者：拓豐舞臺(tái)
2023-06-30 15:40:48
本文上接
摘 要：
介紹安全完整性等級(jí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)在于舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)安全相關(guān)的內(nèi)容，同時(shí)闡述了舞臺(tái)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的國(guó)內(nèi)外差距。
4、我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距
4.1
客觀評(píng)價(jià)我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)的技術(shù)水平
自國(guó)家大劇院1998年開(kāi)始啟動(dòng)建設(shè)以來(lái)，我國(guó)劇場(chǎng)建設(shè)連續(xù)20年蓬勃發(fā)展，取得了舉世矚目、令人驕傲的成績(jī)。國(guó)產(chǎn)的舞臺(tái)機(jī)械（含控制系統(tǒng)）裝備了國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)劇場(chǎng)，少數(shù)還出口國(guó)外。據(jù)報(bào)道，機(jī)械設(shè)備（含控制系統(tǒng)）的國(guó)產(chǎn)化率很高（達(dá)80％到90％）。在肯定成績(jī)的同時(shí)也使不適當(dāng)?shù)陌胃哒f(shuō)法有了市場(chǎng)。例如：認(rèn)為“我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)的產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程等方面與國(guó)外先進(jìn)水平差距不大”，甚至認(rèn)為“國(guó)內(nèi)骨干企業(yè)的機(jī)械設(shè)備技術(shù)達(dá)到了國(guó)際舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的領(lǐng)先水平”，“產(chǎn)品已經(jīng)形成多個(gè)系列”，通用產(chǎn)品開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等等。
個(gè)人認(rèn)為，我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械（含控制系統(tǒng)）行業(yè)的技術(shù)水平與國(guó)際還有明顯的差距，除了劇場(chǎng)建設(shè)因配置形式單一帶來(lái)的諸多問(wèn)題外，標(biāo)準(zhǔn)奇缺（特別是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備及管理安全標(biāo)準(zhǔn)、單機(jī)及系統(tǒng)使用操作標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品系列參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)及保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)等）、設(shè)計(jì)理念（例如安全設(shè)計(jì)的理念、系統(tǒng)控制的理念等）偏差、設(shè)計(jì)方法不當(dāng)（機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)分離、舞臺(tái)機(jī)械與劇場(chǎng)整體設(shè)計(jì)分離等）、設(shè)備及機(jī)構(gòu)不完善（制動(dòng)器沒(méi)有單獨(dú)的安全檢測(cè)裝置、松繩——欠載控制機(jī)械裝置不靠譜、高速吊機(jī)鋼絲繩偏角修正裝置不全、防火幕下降到位檢測(cè)裝置缺失等）、控制安全系統(tǒng)要求低（當(dāng)前使用的PLC系統(tǒng)是基于程序控制而非運(yùn)動(dòng)控制概念，SIL3要求的多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制功能無(wú)法達(dá)到）等方面的差距是明顯的。試想，舞臺(tái)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范總數(shù)不超過(guò)10個(gè)，其產(chǎn)品如何達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化？連舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有，怎么奢談系列化？設(shè)計(jì)、設(shè)備和安全控制等方面存在的明顯差距，豈能空談機(jī)械設(shè)備技術(shù)達(dá)到了國(guó)際舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的領(lǐng)先水平？
只能說(shuō)，我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械的設(shè)備技術(shù)只能夠滿足當(dāng)前劇場(chǎng)低水平（演出場(chǎng)次不多、舞臺(tái)機(jī)械使用頻率不高、機(jī)械設(shè)備動(dòng)作復(fù)雜及控制嚴(yán)格的歌劇舞劇演出場(chǎng)次極少等）的演出需求，與西歐先進(jìn)國(guó)家舞臺(tái)機(jī)械在演出中的使用頻率、復(fù)雜程度以及對(duì)控制系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，有著明顯的差異。至少水平仍有較大的提升空間，需要業(yè)內(nèi)同仁不斷努力，在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)（完善專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系列）、設(shè)計(jì)理念與方法、基礎(chǔ)研究（如高速卷?yè)P(yáng)機(jī)的降噪材料研究、高速卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)機(jī)能研究、新型松繩機(jī)構(gòu)研究等）、系統(tǒng)控制安全設(shè)計(jì)（從普通的程序控制向運(yùn)動(dòng)控制的功能性轉(zhuǎn)變等）等方面，提高要求，迅速趕上國(guó)際先進(jìn)水平。
4.2
從滿足SIL3安全完整性要求談國(guó)內(nèi)外差距
4.2.1 差距主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)
除上文提到的舞臺(tái)機(jī)械專(zhuān)業(yè)與國(guó)外的差距（標(biāo)準(zhǔn)的、設(shè)計(jì)的、管理的、基礎(chǔ)研究的等）外，從滿足SIL3安全完整性要求出發(fā)，可以認(rèn)為舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)與國(guó)外的差距，機(jī)械專(zhuān)業(yè)和控制專(zhuān)業(yè)都有，但控制系統(tǒng)表現(xiàn)更為突出，而且差距明顯。目前國(guó)內(nèi)控制系統(tǒng)的主流是PLC系統(tǒng)，由于我們的設(shè)計(jì)理念基于過(guò)程控制，雖然表面上滿足了劇場(chǎng)的使用要求，實(shí)際上只是低水平的要求。而SIL3的設(shè)計(jì)理念是基于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，用有效的運(yùn)動(dòng)控制方法達(dá)到系統(tǒng)整體安全的目的。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)完全達(dá)不到國(guó)外軸控制系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)SIL3的要求，只是一般意義上的程序控制。要對(duì)全國(guó)大部分劇場(chǎng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行SIL3達(dá)標(biāo)改造，在技術(shù)、工期、投資等方面有很多問(wèn)題。實(shí)際上，PLC系統(tǒng)也有運(yùn)動(dòng)控制，如西門(mén)子的產(chǎn)品就有PLC系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器。但無(wú)論是改造或是新設(shè)計(jì)，其投資不菲。歐洲先進(jìn)國(guó)家采用的是各制造廠為舞臺(tái)機(jī)械控制專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的軸控制器（軸運(yùn)動(dòng)控制器），產(chǎn)品完全符合控制系統(tǒng)的功能安全理念并達(dá)到SIL3的要求。以往由于沒(méi)有從SIL3對(duì)控制的根本要求出發(fā)，對(duì)軸控制器乃至國(guó)外整個(gè)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)比較膚淺，一些評(píng)價(jià)有失偏頗，往往強(qiáng)調(diào)了軸控制器的缺點(diǎn)而沒(méi)有看到它的優(yōu)越性能。對(duì)國(guó)內(nèi)使用的PLC系統(tǒng)只看到它能使用（處于低水平）、價(jià)格低（安全性能差）、易掌握（缺乏安全性）、能滿足低水平演出使用等方面，而沒(méi)有從SIL3的基本要求去衡量。國(guó)外的專(zhuān)用軸控制器也確有諸如不通用、價(jià)格高、備品備件獲得受廠商“終生”控制、售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題。
據(jù)報(bào)道，2018年初，大豐舞臺(tái)設(shè)計(jì)研究院率先研發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)軸控制器簡(jiǎn)易舞臺(tái)設(shè)備，已經(jīng)通過(guò)了德國(guó)TüV的認(rèn)證，并成功在廣西柳州文化中心劇院等工程使用。其技術(shù)參數(shù)和專(zhuān)業(yè)功能已達(dá)到歐洲主要廠商產(chǎn)品的同等水平，價(jià)格卻有大幅度的降低。大豐的研究成果和這一產(chǎn)品的成功應(yīng)用，有望大大提高我國(guó)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的裝備水平，迅速縮小與國(guó)外的差距。
4.2.2 安全完整性等級(jí)（SIL）的確定方法
（注：以下所述除少數(shù)外均為現(xiàn)PLC控制不具備、或不能達(dá)到SIL3要求的功能，以黑體字表示）
（1）載荷安全控制
為了載荷安全控制，受控設(shè)備必須配置載荷傳感器，它的作用是：
? 過(guò)載保護(hù)：在120％額定載荷時(shí)設(shè)備不能提升運(yùn)動(dòng)。
? 欠載保護(hù)：即常常稱為松繩保護(hù)，簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，保護(hù)更準(zhǔn)確。
? 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)精確計(jì)算運(yùn)動(dòng)曲線，確保運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
? 某些情況下，可以滿足設(shè)備輕載高速、重載低速的特殊指令。
（2）制動(dòng)器安全檢測(cè)
? 單制動(dòng)器分別檢測(cè)：升降設(shè)備的雙制動(dòng)器必須能進(jìn)行單個(gè)制動(dòng)器的性能測(cè)試。
? 制動(dòng)器安全控制SBC（Safe Brake Control）：設(shè)備在使用狀態(tài)，確保關(guān)斷驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩定時(shí)檢測(cè)，確保設(shè)備靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的狀態(tài)安全；
? 制動(dòng)器安全測(cè)試SBT（Safe Brake Test）：對(duì)靜態(tài)制動(dòng)器施加一定轉(zhuǎn)矩，周期性測(cè)試制動(dòng)器的實(shí)際位移，確保制動(dòng)器安全，避免載荷自動(dòng)滑落。
（3）安全停止SS（Safe Stop）:
0類(lèi)緊急停機(jī)SS0（Safe Stop0）:即不可控急停，觸發(fā)時(shí)直接斷開(kāi)電源；
1類(lèi)緊急停機(jī)SS1（Safe Stop1）：即可控急停，觸發(fā)時(shí)先定時(shí)控制減速然后切斷電源。
注：標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了0類(lèi)和1類(lèi)緊急停機(jī)，且0類(lèi)緊急停機(jī)優(yōu)先，由于0類(lèi)緊急停機(jī)產(chǎn)生巨大的慣性力，對(duì)設(shè)備本身和建筑結(jié)構(gòu)不利，近來(lái)采用1類(lèi)緊急停機(jī)的越來(lái)越多。
（4）運(yùn)動(dòng)及精度控制檢測(cè)
? 速度控制
安全極限速度：限制設(shè)備的最大運(yùn)行速度，一般為額定速度的125％；
系統(tǒng)默認(rèn)速度：當(dāng)操作選定速度超出設(shè)備速度參數(shù)時(shí)，以設(shè)定的系統(tǒng)默認(rèn)速度（一般為額定速度的80％）運(yùn)行；
安全速度控制：實(shí)時(shí)檢測(cè)演出場(chǎng)景設(shè)定的速度并進(jìn)行限制，一般為設(shè)定速度的125％；
速度誤差控制：實(shí)時(shí)檢測(cè)演出場(chǎng)景設(shè)定的速度是否在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，超出速度誤差范圍時(shí)，即發(fā)出停機(jī)信號(hào)。
? 位置控制
場(chǎng)景安全位置限制：檢測(cè)設(shè)備的所有實(shí)際使用位置必須在場(chǎng)景設(shè)定的允許范圍內(nèi)，而不是設(shè)備的限位開(kāi)關(guān)限定的范圍，即常說(shuō)的場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置；
雙編碼器位置測(cè)試：雙編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果其中一個(gè)超出規(guī)定誤差，則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償。必要時(shí)會(huì)啟動(dòng)停機(jī)程序。
? 方向控制：保證電動(dòng)機(jī)只能按規(guī)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，以處理事故并避免事故進(jìn)一步發(fā)展。
在設(shè)備的安全開(kāi)關(guān)觸發(fā)進(jìn)行事故處理后，設(shè)備第一次運(yùn)轉(zhuǎn)的方向必須是產(chǎn)生事故的反方向，即向減小事故趨勢(shì)的方向運(yùn)行。如：
吊桿下降時(shí)松繩保護(hù)開(kāi)關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后吊桿的運(yùn)行方向必須是提升；
吊桿上升時(shí)跳槽保護(hù)開(kāi)關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后吊桿的運(yùn)行方向必須是下降；
升降臺(tái)上升時(shí)防剪切開(kāi)關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后升降臺(tái)的運(yùn)行方向必須是下降；
升降臺(tái)下降時(shí)防剪切開(kāi)關(guān)觸發(fā)停機(jī)后，處理事故后升降臺(tái)的運(yùn)行方向必須是上升；
（5）成組設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制
? 鎖定型編組
場(chǎng)景需要固定連接到多個(gè)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備上，鎖定型編組中所有的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備必須以相同的速度同步運(yùn)行并移動(dòng)相同的距離，即時(shí)間位移同步。為避免鎖定型編組中因設(shè)備間出現(xiàn)速度或位置偏差，引起場(chǎng)景的傾翻或扭曲等危險(xiǎn)情況發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)該高速監(jiān)控該組內(nèi)各設(shè)備的速度和位置，當(dāng)該組中任一設(shè)備的速度和位置超出誤差允許范圍時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)停止該組內(nèi)所有運(yùn)行的設(shè)備，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS）。
注：還有時(shí)間同步編組，即在不同位置的設(shè)備在相同時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)易舞臺(tái)設(shè)備，運(yùn)行不同的距離，到達(dá)同一設(shè)定目標(biāo)位置。
? 安全型編組
用于控制速度、距離等參數(shù)組合復(fù)雜的設(shè)備組的運(yùn)行。在這種情況下操作的失誤將導(dǎo)致場(chǎng)景及設(shè)備碰撞或損壞等危險(xiǎn)情況。系統(tǒng)必須高速監(jiān)控該組中所有運(yùn)行設(shè)備的速度和位置，當(dāng)該組中的任一設(shè)備沒(méi)有按照預(yù)先設(shè)定或計(jì)算出的速度曲線運(yùn)行，或者速度或位置的偏差超出了系統(tǒng)允許的誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)必須立即停止該組內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS）。
? 聯(lián)鎖型編組
用于控制按設(shè)定順序運(yùn)動(dòng)并有聯(lián)鎖關(guān)系的設(shè)備組的運(yùn)行。當(dāng)該組中任一設(shè)備的運(yùn)動(dòng)順序不符合聯(lián)鎖關(guān)系或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)必須立即停止該組內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出的停止命令應(yīng)該是緊急停機(jī)命令（EMS），以免損壞設(shè)備和發(fā)生危險(xiǎn)情況。
? 自由型編組
用于控制相互之間獨(dú)立的多個(gè)設(shè)備的同時(shí)聯(lián)合運(yùn)行。自由型編組允許各設(shè)備的運(yùn)行獨(dú)立于其他設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)定的速度圖和動(dòng)作距離來(lái)運(yùn)行。當(dāng)該組中任一設(shè)備的速度或位置的偏差超出系統(tǒng)允許的誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出針對(duì)單個(gè)設(shè)備的停止命令，而其他正常運(yùn)行的設(shè)備不受任何影響。
以上所述運(yùn)動(dòng)及其誤差控制，在故障或事故狀態(tài)下也同樣適用。
（6）其他：
? 加速度限制控制；
? 安全加速度范圍控制；
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