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国家大剧院戏剧场舞台机械电气控制系统及故障分析
发布时间:2022-11-3 10:49:19   浏览次数:
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国家大剧院戏剧场舞台机械电气控制系统及故障分析



 国家大剧院戏剧场舞台机械电气控制系统按照欧洲标准进行设计制造,在世界舞台机械控制系统中具有代表性。本文针对该系统以及多年使用情况进行分析探讨,梳理故障案例,总结使用经验。

国家大剧院戏剧场(以下简称:戏剧场)从2007年开业至今,舞台机械系统已经运行了15年,为戏剧场的各种重大演出提供了有力的保障和支持。舞台机械系统的安全稳定运行需要一整套可靠的电气控制系统予以配合,电气控制系统作为舞台机械的控制中枢,在舞台机械运行中发挥着至关重要的作用。

1 戏剧场舞台机械电气控制系统概述

戏剧场舞台机械系统在国内可以说是独树一帜,其台下舞台机械采用鼓筒式转台与液压驱动升降台/块能够有机融合地呈现丰富的舞台效果。这套舞台机械的电气控制系统(以下简称:该系统)尤其复杂,它不仅涉及到台上、台下机械设备的同时使用,还要兼顾液压系统的稳定有效运行。

1.1 舞台机械电气控制系统

戏剧场舞台机械电气控制系统由德国力士乐公司(Rexroth,以下简称:力士乐)主导设计,该系统沿袭了力士乐电气控制系统的基本框架。如图1所示。


 

力士乐电气控制系统主要分三个层级:操作层级、控制层级和驱动层级。操作层级包括操作面板(Operating panels )、数据存储器( Accesspoint )、编程计算机 RC (Production Computer)和状态计算机SM(Status Monitor);控制层级包括主控制器MC(Master Controller)、数据处理器DC(Data Concentrator)、总线主控BM(Bus Master)、轴控制器BLE(Axis Controller)和可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)等;驱动层级包括液压电机、气动液压缸、电机以及变频器等。

1.2 SYB2000舞台机械控制系统

SYB2000舞台机械控制系统由力士乐于1997年开发,系统中的计算机以双通道结构工作。即,舞台设备的全部传感器和执行机构都由2台计算机同时处理。如果一台计算机检测到一个故障,传动装置将进入安全状态停止运行。整套系统是根据欧洲舞台系统相关安全标准EN 61508 (VDE 0803)(安全相关系统中计算机的原则)的要求设计,该系统实施的安全措施符合3级安全完整水平。

戏剧场的SYB2000舞台机械控制系统的操作层级主要包括编程计算机RC、状态计算机SM、控制面板SC/CP和开机面板;控制层级主要包括EP电气柜和EA电气柜等;执行层级主要包括轴控制器BLE、变频器、气动液压缸、电机和PLC等。见图2。

 



其中EP电气柜主要功能是提供CP控制盘所在地及主要单元的24V工作电压。EP电气柜提供输入电压的设备还包括:数据控制器(DC)、MR-10总线的总线主机(BM)、耦合单元、状态计算机(SM)和编程计算机(RC)的网络、通过CP控制盘的计算机连接器的网络、CP插座里的主控单元等。

EA电气柜的主要功能是提供电力配电器(总线分配器)、SC控制盘、SC插座及各种驱动器主控单元的24V工作电压。EA电气柜提供输入电压的设备还包括:驱动器的高阶轴计算机(双通道控制升降台1和升降台2)、主控单元、SC控制盘的计算机、各种驱动器的SC插座的网络、轴控制器(BLE)、通过轴控制器单元连接器的网络等。
2 故障梳理

15年来,该系统总共出现故障320多起,基本上涵盖了操作层、控制层及执行层三个层级。其中出现故障频率较高的是轴控制器、变频器、保险、BTH板。故障比例如图3所示。

发生的电气故障按出现的频率可分为两大类:经常性故障和偶发性故障。其中经常性故障主要包括:轴控制器、变频器、保险、BTH板等;偶发性故障主要包括:载荷控制器、升降台块锁定装置、继电器、主控接触器、变频器风扇、数据总处理器(HUB)、编码器等。

3 故障案例

 

3.1 保险

在电气系统中,保险的作用不用赘述,它作为电气系统的守护排头兵,必须守好第一关。戏剧场电气系统中的保险分为两类:供电路保险和信号路保险。由于外网电路输入不稳定或者系统开启时造成的瞬间电流过大,从而导致保险熔断是保险损坏的最主要原因。因此,要经常性地检查各类保险的使用情况,确保各类保险能起到即时熔断的作用,保护整个电气系统不受到电流冲击。

3.2 轴控制器

该系统采用一个轴控制器控制四个驱动器动作的控制模式。这种模式有利于节约成本,但是弊端就是损坏一台轴控制器会导致四个装置驱动器不能动作。

3.3 变频器

变频器出现故障的频率比较高。导致这些故障发生的原因可能是环境、电压、设备老化、使用过载等。戏剧场设备使用环境是处于国际一流水平的,常年恒温恒湿,所以环境不应是主要原因。而且国家大剧院对工作人员操作设备有严格的规范要求,使用过载也不应是主要原因。因此,变频器的故障原因主要在于设备老化等。

对变频器故障的故障点、种类、原因进行判断时,首先应根据控制面板的错误代号进行初步判断,然后观察变频器上的指示灯信号是否正常来排查故障点。变频器的故障处理可以尝试断电重启进行复位,以及重置使用参数等方法,如发现变频器元器件损坏则需要更换新的变频器。2020年曾出现过吊杆在按激活键以后设备运行之前缓慢向上或向下移动,最后通过吊杆变频器参数重置的方法消除了此现象。

3.4 接触器

接触器是电气系统中使用频率最高的电气元件,是配电柜、电控柜等重要的组成部分,是电气系统重要的电力控制部件。由于该系统老化,接触器出现的故障频率也在逐年攀升,主要表现为接触器吸合不紧、烧毁等。其中主要原因就是由于常年使用造成接触器的触头处形成积碳,从而导致吸合不紧。因此,在设备使用维护中应对接触器加强检查,及时更换有问题的接触器,以免对电气系统的供电造成影响。

3.5 继电器

在舞台机械电气控制系统中,继电器是其中必不可少的部件。继电器的种类很多,通常分为保护继电器和控制继电器两大类。该系统曾发生因继电器损毁致使转台不能转动的故障。该系统的电磁式继电器和时间继电器见图4。


 

继电器也是故障高发的部件,故障的发生和使用条件有着密切的关系。在使用过程中,在非必要情况下,应避免向继电器长时间通电,以免继电器线圈长时间处于高温状态导致线圈烧毁。另外,继电器触点接触不良也是引发故障的重要原因。由于继电器触点表面氧化腐蚀、附着灰尘异物等,或者设备使用中长时间震动都会导致继电器触点接触不良。

3.6 其他故障

经过多年的使用,该系统还出现过载荷传感器失效、BTH电路板烧毁、温度传感器失灵、编码器定位不准等故障。这些故障均属于偶发性故障,也应加以关注。

总的来说,该系统是一套成熟、稳定的机械电气控制系统,是以欧洲国家多年的舞台表演使用经验为基础开发的系统,有很多方面值得借鉴学习。同时,随着舞台表演的多元化,也对舞台机械系统提出了更高的要求,对维护人员也有了更大的挑战。一套舞台机械系统的使用年限一般为10~15年,如何在这么长的时间里保障系统的安全稳定运行,是值得进一步研究和探讨的课题。

 

 
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