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舞台机械技术与设备系列谈——威亚控制技术

威亚(Wire)俗称吊钢丝。舞台威亚是运用钢缆把演员或者道具悬吊到空中,如图1所示,使之在空中进行一些特定的表演,以达到某种舞台效果。笔者解析舞台装备行业应用中威亚的不同类别,并针对数控威亚,比对分析两种常见的威亚控制系统架构,归纳总结应用中的难点及安全问题。

 

图1 舞台威亚

 

 
 

1 威亚分类

 

 

1.1

按操控方式分类

 

 

威亚从操控的角度分类,可分为人力威亚和数控威亚。

 

人力威亚主要是通过人来拉动演员或者道具进行飞行表演,一个演员的飞行表演往往需要数个人员拉动绳索配合。为了达到预期效果,一般需要进行较长时间的彩排。目前,人力威亚在舞台演出中应用较少,在电影行业使用比较广泛。

 

数控威亚主要是依靠电机带动威亚设备,通过威亚设备带动人员或者道具完成上下升降、前后移动等动作。数控威亚一般采用专用的操作系统,通过运动控制算法保证设备的精确运动,数控威亚可完成较为复杂的运动过程,一般不需要人员进行长期的配合训练,相比人力威亚,需要排练的周期相对较短。

 

为了方便文章的阐述,后文中所述的威亚特指数控威亚。

 

 

1.2

按空间运行维度分类

 

 

从空间运行维度进行分类,威亚设备通常可分为一维单点威亚、二维平面威亚、三维空间威亚。

 

(1)一维威亚只实现上升和下降,运行动作相对简单,但相比常规剧场的单点吊机而言,速度一般更快,出绳速度能达到3 m/s,甚至更快。

 

(2)二维威亚可实现演员的升降和平移动作,其实现的形式较多。轨道型威亚:轨道型威亚常见的是基于小车模式的,即轨道上运行多个小车,小车上带一到多根钢丝绳,不仅可实现小车沿轨道的移动,还可以实现小车上自带钢丝绳的升降,如图2所示。常见的轨道形式有直线轨道、圆形轨道和异形轨道。通常,电机会跟随小车一起移动,小车供电采用滑触线,通信则常采用无线或者滑触线。当然,也有采用将电机放置于轨道两侧的做法,轨道上只是布置钢丝绳,这种方式和下面所述的索道型威亚比较类似,只是将索道变成了轨道。

 

图2 轨道威亚

 

索道型威亚:索道型威亚一般需要前期在表演空间的两侧搭建威亚塔,然后在空中搭建索道,小车依附索道进行升降和平移,如图3所示。

 

图3 索道威亚

 

双线威亚:电机放置于表演空间的两侧,两条钢丝绳将演员或道具吊挂成V字形,2台电机控制钢丝绳的收放,实现二维空间的移动,如图4所示。该种类型的威亚使用相对简单,但是对系统的要求比较高;并且同等载荷情况下空间受力情况容易发生变化,在空间运行的不同位置,受力大小是不一样的,需要前期进行运行范围的限定。

 

图4 双线威亚

 

(3)三维威亚的形式也分多种,钢丝绳连接的数量根据实际需要来进行设计,常见的是四条钢丝绳的四索三维威亚,如图5所示。该种类型的威亚可实现演员或道具空中任意位置的表演移动,使表演方式更加灵活。但采用该类威亚,一般情况下占用空间较多,如四索的威亚,四条绳索会占用空中的大部分位置,需要将四条绳索做成安全扣形式,从而实现快速拆卸;还有一种方式是将四条绳索中的两条作为出绳点可移动的装置,在某种情况下可大大缩小占用的空间面积。

 

图5 四索三维威亚

 

 
 

2 威亚控制系统的架构

 

威亚控制系统的架构多种多样,以下主要针对分散控制和集总控制两种典型的系统架构进行阐述,其他特殊的系统架构不再讨论。

 

 

2.1

分散控制

 

 

典型的分散结构威亚控制系统如图6所示,系统分为三层结构。

 

图6 威亚系统分散控制框图

 

  • 操作层有两种,一种可以通过总控台控制所有设备动作,另一种是通过放置在机器附近的控制面板来进行就近操作。通常,总控台放置在控制室,与灯光、音响系统放置在一起;操作终端采用触摸屏控制面板,就近放置在机器旁,方便单台机器的操控。对于编程运行,通过触摸屏的简单编程可操控设备的运行动作,而通过主控台可进行相对复杂的编程。

  • 控制层分为主控和分控,通过自带或外扩的脉冲输出模块控制伺服电机。主控一般采用西门子300或者1500系列,分控通常采用西门子200或者1200系列,每个分控只连接2台~4台威亚设备。

  • 驱动层采用伺服电机,受限于分控模块的接口和处理能力,常采用脉冲来控制伺服电机,有些伺服电机的位置信息都无法反馈给控制层,按照位置开环的方式来进行设备的控制。

 

 

2.2

集总控制

 

 

典型的集总结构威亚控制系统架构如图7所示,同样采用分层的设计方式,分为如下三层。

 

图7 威亚系统集总控制框图

 

  • 操作层常采用一到多个操作台,操作台一般放置在主控室内,通过以太网连接作为主控单元的PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)。

  • 主控单元一般采用具有较强处理能力的PLC,其多数采用带有高速工业以太网的总控,目前用在威亚控制系统中的PLC常配置以太网总线接口,方便进行下层多台伺服驱动的互联。

  • 驱动单元多数采用总线型伺服,且总线多采用工业以太网,通信速度快,即使系统连接有几十上百台伺服驱动单元也可实现高精度控制。

 

 

2.3

威亚控制系统两种架构的比较

 

 

分散型和集总型的控制架构各有优缺点。对于分散控制,当主控台失效时,分散配置的操作终端方便进行简单的编程。但分散控制也有其不利的一面,由于每个分散控制都采用小型PLC,多台威亚设备之间物理上实现了隔离,需要做安全保护就需要在主控上将每个设备的状态分别读取再进行分散安全控制,但受限于每个分控的处理能力和总线相对较低的通信速率,对于不同设备间需要精确同步和本质安全的应用需求略有不足。

 

集总型控制方式则基本采用一网到底的控制方式,采用一个性能强的PLC,通过以太网接口连接到操作层,同样通过高速工业以太网连接到每个伺服驱动单元,扫描百台设备周期控制在1 ms内,设备的安全和互锁都放置在总控中执行,编程简单可靠。但该种架构的设计冗余度相对较低,一般需要进行主控一级设备的备份。

 

 

2.4

技术特点

 

 

威亚运行速度快,编程要求复杂。威亚的应用特性决定了威亚控制系统有其自身的特点。

 

  • 批量快速编程。为了达到演出效果,通常需要对几十上百个吊点分别编程,有些点与点之间的运行轨迹类似,但是起始时间不同,可统一修改参数或者渐进式修改,快速、有效。

  • 防摇。对于二维威亚,通常需要做防摇处理,国内目前主要是通过增加弯弓的方式形成简单的三角形机械防摇,但是此种防摇效果有限,无法完全避免晃动,需要将加减速时间设置较长,但效果依然不理想。随着目前防摇算法的成熟,也可采用算法实现防摇,将设备进行分段加速,可在比较短的时间内达到最大速度或者从最大速度减低到最小速度,实际使用过程中加速度能达到4 m/s²,电子防摇效果较好,对硬件无特别要求,但无法和机械防摇同时使用。

  • 运行暂停。由于威亚一般需要与灯光配合,用灯光来追威亚悬挂的人或者物,因此,在各种对光过程中就需要在每个时间点进行反复的启停控制,以方便灯光的调整。

  • 图形编辑。该功能主要针对二维威亚和三维威亚,对于运行轨迹比较复杂的应用,往往需要快速调整威亚的运动轨迹,一般采用图形编辑的功能,以拖拉的方式可以在三维视图中进行运行轨迹的快速设定,实现类似CAD的设计方式。

  • 编组安全。目前演出过程中,越来也多的空中表演需要用多个威亚提升、平移多位演员或物体,对威亚编组安全的需求也就越来越多,安全编组可在某个设备运行异常时及时停止其他设备,防止造成人身意外伤害。

 

 
 

3 威亚在演出中的典型应用

 

演出中运用的威亚经常需要与人进行互动,设备本身悬挂最多的往往就是表演人员,按照EN 17206的划分,属于典型的UC5和UC6应用,如表1所示,为EN 17206标准中对于两种使用情况的描述。其中,UC5主要针对单点威亚,UC6主要针对多轴威亚的应用场所,如三维威亚吊人应用。如青岛上合峰会使用了124台单点威亚设备和一套四索三维威亚(见图8),武汉军运会使用了196台威亚设备(见图9),这些都属于典型的单点、多轴的应用。

 

 

图8 青岛上合峰会124路单点威亚和3D威亚

 

图9 武汉军运会威亚

 

 
 

4 威亚的安全问题

 

针对演出中威亚的应用,多数安全功能都需要达到SIL3的安全等级,比如急停类设计、位置偏差保护、速度偏差保护、超载保护等。

 

目前,威亚在国内演出应用中,需要注意以下常见的安全问题。

 

  • 国内典型的威亚设备多采用伺服驱动,有时只采用伺服电机自带的抱闸进行制动,制动安全隐患较大,应该增加外部制动或者采用双制动异步电机的方案。

  • 无松乱绳检测。威亚设备出绳速度快,钢丝绳一旦出现松乱绳的情况,容易造成钢丝绳被绞断的情况出现,需增加此类安全开关检测。

  • 操作终端安全规范不到位。如有些威亚系统仍然采用鼠标或者触摸方式直接启动设备运行,没有按键、手柄等激活操作的实体,安全隐患较大。

  • 未配置安全编组功能。不配置安全编组功能很容易在多组威亚设备吊挂一个物体的时候发生安全隐患。

 

 

目前,国内舞台装备行业中
威亚设备受限于价格和技术原因,
对于安全的重视程度不够,提升空间较大,
应当参照国外一些舞台机械设备的安全标准
来指导设计、生产、安装等。
威亚技术由于使用的特殊性,
不论是机械本体还是控制系统,
均应执行较高的安全标准。

 

 

选自《演艺科技》2020年第11期 侯鹏强,唐 伟,向 飞《舞台机械技术与设备系列谈(六)——威亚控制技术》,如需了解原文,请查阅《演艺科技》2020年第11期转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。