舞台机械控制系统的安全要求及轴控制技术的特点与应用

［德］克里斯蒂安·弗莱米勒

（德国SBS舞台技术有限公司）

1 舞台区域的安全需求

剧院的舞台区域不仅仅是一个演出的场地，它还是剧院中很多不同专业人员的工作地点，这些专业人员包括工程师、技术工人、演员、音乐家、舞台监督、临时工人等。

与一般工作场地不同的是，舞台区域还有以下特点：

（1）有时漆黑，有时照明昏暗；

（2）有时设备和布景的运动速度非常快；

（3）有些人员（包括非技术性的员工）必须在运行中的设备或布景范围内工作；

（4）不同专业的人员（技术/艺术专业人员）需要同步作业；

（5）会有即时的表演，这时必须排除可能造成演出中断的技术缺陷。

上述几种情形是从剧院舞台设备操作人员的视角列出的。本文将着重强调与控制系统相关的安全要求，同时，也将谈及其他一些相关因素。

2 舞台机械控制系统的安全要求

根据经验，对舞台设备而言，使用安全是重中之重。目前，与之相关的安全规范已经在多个国家实施了15年以上，这些规范和标准对舞台设备的机械与控制系统的使用者及生产制造者同样适用，也对选择舞台设备的生产厂商及设备的挑选产生了重要的影响。

无论任何专业，“安全”是永恒的主题。多年来，安全因素一直贯穿剧院设备的各项细节之中，哪怕是再细小的安全要求，都已制定有相应的国际规范。德国标准DIN 56950《演艺技术－机械设备－安全要求与检验》对舞台机械的安装与运行安全要求有详尽的描述，是一个指导性的规范。在DIN 56950规定项下，剧场演出期间舞台机械的控制还必须符合国际电工委员会标准IEC 61508《电气/电子/可编程电气安全相关系统的基本安全要求》所规定的SIL3要求（Safety Integrity Level安全度等级）。

IEC61508描述了控制系统“最新发展水平”的特点，并对全部有安全功能要求的控制系统适用。这个标准尤其规定了控制系统依照SIL3等级最小化风险的要求。另有一个指导性的2006/42/EG《机械设备规范》，它在欧盟作为防范致伤事故的法律来执行。

对安全的要求不能只通过某几个公司的自我约束来实现。各国有独立的检测认证机构（如德国的TÜV）提供独立的鉴定。这些机构的专家监测安全控制系统开发的全部过程，并在每个中间阶段检查现有的安全规范是否被实施。在系统开发完毕后，此类机构颁发证书，证明系统符合规范，从而使剧院的用户确信其使用的安全控制系统符合安全要求，剧院人员不至因设备的使用而导致任何危险。这一点对剧院管理方尤其重要，因为其任务之一是确保人员的安全与健康。

3 COSTACOwin®控制系统配置

控制系统必须拥有高度可使用率。为了达到这一要求，有必要开发出一个模块化、分散型的控制系统，并做到在各个主要组件配置上都设有冗余。这可以保证在一个组件出现故障时，其他设备不至受到影响。以SBS舞台技术有限公司开发的COSTACOwin®控制系统为例，其配置如图1所示。

系统中所有的控制面板均独立工作（在面板层面上形成冗余），通过以太网与中央计算机通讯。以太网也可以做成冗余的形式。这个标准配置的系统使用两台中央计算机，以保证系统的高在线特性。每台设备都通过独立的插接式控制盒同其他设备及其传感器以及系统中央计算机相连接；插接式的连接可以使设备变换更迅速。控制盒内安装了轴计算机，轴计算机及中央计算机之间的工业以太网均为高度冗余设计。

控制面板、中央计算机、网络、装有轴计算机的控制盒中任何一台设备的部件出现问题，上述配置的系统都能够使用冗余继续工作，且不会影响到安全性与便捷性。由于COSTACOwin®控制系统的优良特性，可以保证舞台设备的高在线可使用性，演出不会被中断。

当然，控制系统还有其他重要的特性，比如：

（1）合理的性能价格比；

（2）舒适的用户界面；

（3）向系统内添加额外的轴/控制台时的方便程度；

（4）系统可更新 / 可按每个模块的顺序逐个调整，重新搭建系统；

（5）向系统内加入其他专业设备。

4 轴控制系统的优势

为了达到安全方面和开机率的要求，不同的厂家相继开发了基于轴控的计算机控制系统。这意味着，制造控制系统的厂家要使用自主开发的轴控计算机。与相对较为通用的标准化的工业自动化系统（如PLC系统）相比，轴控制系统具有如下优势：

（1）轴控制计算机是专门为舞台机械应用开发的，因此可以全方位满足安全标准与规范（特别是IEC61508规定的SIL3要求），在系统开发时已将这些要求考虑在内。整套系统还通过了独立检测机构的认证。

（2）为舞台机械开发的轴控制系统方案在开机率方面要求很高。控制系统使用模块式的分散型架构，可以很方便地提供有冗余的配置。

（3）系统的研发部门对剧场的功能与使用了解透彻，可以为各种剧场效果开发出更有针对性的应用系统。控制系统的最终使用方与系统开发者可以直接沟通，并可在开发阶段将使用方的愿望快速准确地全盘考虑在系统中。

（4）可以长期保证供应控制系统的备品备件。由于系统是由专业公司开发的，它们也是这些公司产品的一部分。长期维护备品备件的供应也是符合这些专业公司自身利益的。与之相比，通用型工业自控产品的长期备件供应取决于这些公司自身的远期战略。舞台机械产品只是这些大公司内很小的业务，与其他业务部门的收益相比，在整个公司全局收益中显得微不足道。

表1 一些大型剧场控制系统使用情况

总的来讲，使用通用化的工业自动系统（如PLC）也可以满足SIL3的安全规范要求，但要达到轴控制系统的水平高度，这类方案在灵活性和经济性方面的竞争力都显不足。否则，舞台机械的控制系统厂家就没有必要去自主开发轴控制系统了。

5 轴控制系统开发和应用实例

这里有两个案例。德国博世力士乐公司长年开发并制造PLC系统的标准化产品，但将PLC系统广泛在其他工业中应用，不过该公司于2011年专门为舞台机械开发了剧场应用的轴控制系统。这说明了舞台机械在应用上对轴控制系统的需求。另一个例子是，一家小的德国企业在德国范围内提供安全控制系统。在2008年之前，这个公司一直希望向市场提供有竞争力的基于PLC的安全控制系统。2009年他们推出了自行开发的全新轴控制系统，提高了其产品的价格竞争力。

在中国以外的一些大型剧场控制系统的使用情况，如表1所示。从表中可以看出，上述项目均按IEC 61508标准的SIL3规范提供了经认证的控制系统。这些项目系统里的模块化和分散式架构尤其重要，而控制系统内大量的冗余配置保证了整个舞台机械系统极高的在线开机率。

另一个重要方面是，所有这些技术上的要求都没有依靠于任何一个专家组、设计公司，与使用者的国别也无必要关联。表中的国家，无论是发达国家还是发展中国家，都在使用同样高标准的系统，而安装在剧院中的由不同厂家自行开发的轴控制系统都通过了独立的第三方机构的检测。