舞台灯的PLC控制系统设计.docx

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1、舞台灯的 PLC 掌握系统设计第 1 章 舞台灯的 PLC 设计31.1 舞台灯的进展31.2 舞台灯系统工艺的要求31.3 舞台灯系统的硬件拓扑构造4第 2 章 硬件设计72.1 硬件的选型72.1.1 PLC 的选型72.1.2 舞台灯的选型82.2 元器件使用说明序表92.3 舞台灯光的I/O 地址安排表102.4 舞台灯光设计外部接线图12第 3 章 软件设计133.1 舞台灯光设计流程图133.2 PLC 掌握舞台灯系统的程序15第 4 章 软件仿真204.1 仿真软件的选择204.2 仿真系统设计204.3 仿真系统的测试结果20第 1 章 舞台灯的 PLC 设计1.1 舞台灯的进

2、展随着科学技术的进展以及人民生活水平的提高，在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增加人们的感观，起到广告宣传作用，又可以增加节日气氛，为人们的生活增加亮丽，用在舞台上增加晚会灯光效果。随着电子技术的进展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向进展 PLC 技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革。语言作为可编程规律器件的标准语言描述力量强，掩盖面广，抽象力量强，在实际应用中越来越广泛。在这个阶段，人们开头追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在制造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过 EDA 工具自动

3、完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，削减了出错的时机。本论文设计了一个舞台灯系统，它多用于酒吧， 舞台的闪耀灯。系统承受可编程掌握器PLC做掌握，承受工业通用组态软件“组态王”设计掌握界面，并最终完成直观便利的掌握效果。1.2 舞台灯系统工艺的要求舞台灯掌握系统设计是遵循舞台艺术表演的规律和特别使用要求进展配置的。其目的在于将各种表演艺术再现过程所需的灯光工艺设备按系统工程进展设计配置使舞台灯系统准确、圆满地为艺术展现效劳。该系统工艺设计和设备配置具有综合剧场的使用功能在短时间内可轮换多种不同剧种的灯光操作方案。该系统允许使用全部配置的各种类型灯具和其它补充设备。该系统设计有足

4、够的安全性和存储容量整个系统在不中断主电力供给的前提下对主控台进展持续的诊断检查。舞台灯灯位布置的顶光、区位构成布光阵列，舞台各部位均有布光点，杜绝死区，可敏捷多变地按需组合。1. 顶光系统设计配置整体分为三个环形光道，每个光道由 8 盏灯组成。中间光道的 8 盏灯依次为L1-L8，设定位常亮灯，作为舞台的主要光源。内光道由L9-L16 组成，外光道由L17-L24 构成，设定为闪耀灯，可向舞台后直投、也可垂直向下投射、可加强舞台人物造型及景物空间的照明。2. 电脑灯设计配置电脑灯主要布置在舞台上空的顶光灯杆上，可任意调整灯具投射角度，亮度， 变换图案，光束大小，颜色等功能，确保满足演出对电脑

5、灯变化要求。3. 灯光换色器设计配置安装在局部灯具上的换色器，其作用舞台光、染色、颜色变化、衬托剧情， 到达多姿多彩的效果。舞台灯工艺流程的宏观分析：本系统由 24 盏灯组成，分别有 PLC 的输出端口 Q0.0-Q0.7 和 Q1.0-Q1.3 掌握。按下启动按钮 SB1 后，主光源 L1-L8 亮，且在未按下停顿按钮的前提下会始终保持发亮的状态。0.5 秒后，L9、L10 亮灯；0.5 秒后 L13-L16 亮灯；0.5 秒后，L11、L12 亮灯；0.5 秒后 L15-L18 亮灯；0.5 秒后，L13、L14 亮灯；0.5 秒后 L17-L20 亮灯；0.5 秒后，L15、L16 亮灯

6、；0.5 秒后 L19-L22 亮灯；0.5 秒后，L17、L18 亮灯；0.5 秒后 L21-L24 亮灯；0.5 秒后， L19、L20 亮灯；0.5 秒后 L23、L24、L9、L10 亮灯；0.5 秒后，L21、L22 亮灯；0.5 秒后 L9-L12 亮灯；0.5 秒后，L23、L24 亮灯；0.5 秒后 L11-L14 亮灯。然后从头开头循环按下停顿按钮 SB2 后，全部的灯都处于灭的状态。图 2-1 舞台灯掌握系统硬件构造框图1.3 舞台灯系统的硬件拓扑构造舞台灯系统设计是遵循舞台艺术表演的规律和特别使用要求进展配置的，其目的在于将各种表演艺术再现过程所需的灯光工艺设备，按系统工

7、程进展设计配置，使舞台灯光系统准确、圆满地为艺术展现效劳。为了保证音响系统的高质量运行，对扩声系统供电提出如下要求：扩声系统的供电应与灯光照明供电分开，电源要经稳压设备处理。扩声系统供电电源的变压器组应与照明、空调等大电流供电电源的变压器组分开。扩声系统供电容量 AC220V/10kVA，有条件的话，最好二路供电，主、备自动切换。电力管线与音响管线应尽量避开平行，假设实在无法抑制时，其间隔不得小于 50cm。图 2-2 舞台灯掌握系统拓扑图用 PLC 实施掌握，其实质是依据掌握功能的要求，通过程序按肯定算法进展输入/输出变换，并将这个变换利用物理方式实现，呈现在舞台。PLC 专为工业现场应用而

8、设计，承受了典型的计算机构造，它主要由CPU、电源、存储器和特地设计的输入/输出接口电路等组成。由图 2-1 舞台灯光掌握系统硬件构造框图可知，输入单元由启动按钮和停顿按钮组成，所编的程序存放在存储器中，输出单元由 24 盏舞台灯组成。当按下启动按钮时，程序开头执行，舞台灯依据所对应的指令亮灭。如图 2-2，当启动按钮按下之后，PLC 正常工作，执行相应的程序掌握继电器动作，然后影响继电器连接的某种接触器断开和闭合。比方在按钮按下之后掌握常亮灯的继电器闭合，接下来常亮灯的接触器也闭合，所以常亮灯的 8 盏灯变亮，并会在停顿按钮按下之前始终保持它的发亮状态。同时，为了营造猛烈的舞台艺术气氛和打造

9、对观众的视觉冲击，本掌握系统还设计了特别效果。在节目需要的时候，水槽中的泡泡液在风扇的吹动下马上产生很多泡泡，以协作演出渲染气氛。或者开启烟雾机，营造烟雾布满的特别效果，以到达演出空间的模糊。万一消灭意外状况，报警指示灯显示报警，由操作人员按下急停按钮，避开造成不良后果。第 2 章 硬件设计2.1 硬件的选型2.1.1 PLC 的选型在 PLC 系统设计时，首先应确定掌握方案，下一步工作就是 PLC 工程设计选 型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，依据易于与工业掌握系统形成一个整体，易于扩大其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有

10、投运业绩、成熟牢靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和掌握要求相适应。生疏可编程序掌握器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时， 应具体分析工艺过程的特点、掌握要求，明确掌握任务和范围确定所需的操作和动作，然后依据掌握要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC 的功能、外部设备特性等，最终选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的掌握系统。本次舞台灯设计用的是来自西门子(SIEMENS)S7-200 系列 CPU226 可编程控制器。一个输出点掌握两盏灯，共 16 个输出点，设计 24 盏灯，不需要扩展模板。产品规格：西门子(SI

11、EMENS)S7-200 系列 CPU226 在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型 PLC 所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有 10 点-100 点输入输出点数的弹性构成。而且还可连接可编程掌握终端，制造了尚无前例的敏捷运用。它不仅可以替代继电器掌握柜，就是作为小型掌握器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求，AC 电源输入，继电器输出， 能加扩展单元。表 3-1CPU22XCPU226主要技术指标表依据本设计舞台灯的掌握的需要，PLC 掌握系统的输入信号有 2 个按钮开关，输出信号有 24 个彩灯。依据表 3-1 所示的 CPU22XI/O 点数表，可知 CPU22

12、6 有24 个输入口和 16 个输出口，可以满足掌握要求。最终选定型号是 S7-200 系列CPU226AC/DC/RELAY。2.1.2 舞台灯的选型1） 在舞台中间光道的 8 盏灯L1-L8，用做舞台的主光，面光主要用来满 足人物正面对光的需要和突出人物表情的刻画、更生动的勾画出演员的表演特点， 由于面光位置距离舞台较远，所以面光选用了 2KW 聚光灯 4 台和 2KW 回光灯 4 台；聚光灯投射距离远光照强；回光灯投射角度宽光斑大适用于大面积铺光提高 舞台照度；并安装了面光灯换色器用于变换灯光颜色衬托舞台剧情场景。2） 在舞台内光道的8 盏灯L9-L16，用以照亮人物顶部及局部景物光，选

13、用 4 台 2KW 聚光灯、4 台 2KW 柔光灯。聚光灯光效强突出人物和物体的特征；柔光灯光照严峻，能复原人和物体的本质颜色；同时加上调光台运用编组变化的应用，可以产生不同的灯光效果。3） 在舞台外光道的 8 盏灯L17-L24，为侧光灯，用于刻画和压制人物及物体的左右轮廓的暗影区，选用了 2KW 散光灯 4 台和 2KW 回光灯 4 台。利用散光灯和回光灯强硬的光斑使轮廓更为突出，更加细腻。舞台灯的空间布置如以下图 3-1 所示：图 3-1 舞台灯的空间布置图把舞台灯光掌握系统中的 24 盏灯均匀分布在舞台上方的中心，到达完好的照明效果。全部的灯中分别有作为主光源的聚光灯、作为侧光的散光灯

14、、作为刻画人和物轮廓的回光灯和作为调整舞台颜色的柔光灯。其中，舞台灯光空间布置为三个环形光道。中间光道 8 盏灯：L1-L8；内光道 8 盏灯：L9-L16；外光道 8 盏灯:L17-L24。这三层光道把聚光灯、散光灯、回光灯、柔光灯均匀的散布在舞台灯的上方。2.2 元器件使用说明序表（1） 本系统需要的器件如表 3-1 所示：表 3-1 舞台灯光需要的器件在这次的掌握系统中，我设计了以 24 盏灯为舞台背景的照明系统。本次舞台灯设计用的是西门子(SIEMENS)S7-200 系列的 CPU226 可编程掌握器掌握的。需要 PLC 一台，彩灯 24 盏。需要按钮 3 只，启动按钮、停顿按钮和急

15、停按钮。为了防止电流过大烧毁电路，分别在 PLC 的输入端和输出端各设熔断器 1 只。另外需要假设干导线连接线路。2.3 舞台灯光的I/O 地址安排表(1)输入I表 3-2 输入安排表启动按钮和停顿按钮组成了舞台灯光掌握系统的输入接口单元，启动按钮SB1 的输入通过输入点 I0.0 完成；停顿按钮 SB2 的输入通过输入点 I0.1 完成。（2） 输出Q表 3-3序号输出安排表名称输出点序号名称输出点1L1Q0.013L13Q0.62L2Q0.014L14Q0.63L3Q0.115L15Q0.74L4Q0.116L16Q0.75L5Q0.217L17Q1.06L6Q0.218L18Q1.07L

16、7Q0.319L19Q1.18L8Q0.320L20Q1.19L9Q0.421L21Q1.210L10Q0.422L22Q1.211L11Q0.523L23Q1.312L12Q0.524L24Q1.3本掌握系统的输出安排如表 3-3 所示，我设计的舞台灯具共 24 盏，CPU226 的输出点共有十六个，参加一个输出点掌握一盏灯的亮灭明显是不够用的。于是我就想到了添加扩展模块或者一个输出点掌握多盏灯的亮灭。争论之前设计的系统的流程图可知，在任意一个灯组工作的 0.5S，都必有两盏灯的状态是一样的， 并且任意一刻状态一样的两盏灯是固定的。再考虑到尽可能的降低本钱花费，我选择其次种方案，即利用一个输

17、出点掌握两盏灯的亮灭。这样，24 盏灯只需要用 12 个输出点即 Q0.0-Q0.7 和 Q1.0-Q1.3。安排如下：输出点 Q0.0 掌握灯 L1 和 L2 的亮灭状态；输出点 Q0.1 掌握灯L3 和 L4 的亮灭状态；输出点Q0.2 掌握灯 L5 和 L6 的亮灭状态；输出点Q0.3 掌握灯 L7 和 L8 的亮灭状态；输出点 Q0.4 掌握灯 L9 和 L10 的亮灭状态；输出点Q0.5 掌握灯L11 和L12 的亮灭状态；输出点 Q0.6 掌握灯L13 和L14 的亮灭状态； 输出点 Q0.7 掌握灯 L15 和 L16 的亮灭状态；输出点 Q1.0 掌握灯 L17 和 L18 的

18、亮灭状态；输出点 Q1.1 掌握灯 L19 和 L20 的亮灭状态；输出点 Q1.2 掌握灯 L21 和 L22 的亮灭状态；输出点 Q1.3 掌握灯 L23 和 L24 的亮灭状态。在执行闪耀灯光的指令时，假设继电器在 PLC 的掌握下接通，与它连接的闪耀灯光的接触器也瞬间闭合。与此同时，与闭合的接触器所对应的输出点输出为1，该输出点掌握的灯变亮。2.4 舞台灯光设计外部接线图图 3-2 外部接线图I0.0 为启动按钮 SB1 的输入点，I0.1 为停顿按钮 SB2 的输入点。CPU226 有16 个输出点。本次舞台灯光掌握系统设计共用到 24 盏灯，由于工艺流程图中显示，每次都有两盏灯同时

19、亮灭，所以我所设想的是每个输出点同时掌握两盏灯， 这次设计只需要用到 12 个输出点，即 Q0.0-Q0.7 和 Q1.0-Q1.3。舞台灯光掌握系统的外部接线图如图 3-4 所示。当按下启动按钮时，CPU 开头工作，由继电器带动接触器动作，到达掌握灯光的闪耀效果。当按下停顿按钮时，24 盏灯同时灭掉。第 3 章 软件设计3.1 舞台灯光设计流程图如图 4-1 为舞台艺术灯饰自动掌握演示流程图。本系统由 24 组灯组成，分别由 PLC 的输出端口 Q0.0-Q0.7 和 Q1.0-Q1.3 掌握。按下启动按钮 SB1 后，由Q0.0-Q0.3 掌握的灯 L1-L8 亮，作为舞台的主光源，始终保

20、持亮的状态。0.5 秒后，由 Q0.4 掌握的灯 L9、L10 亮 0.5 秒；然后由 Q0.6 和 Q0.7 掌握的灯 L13-L16 亮 0.5 秒；然后，由 Q0.5 掌握的灯 L11、L12 亮 0.5 秒；然后由 Q0.7 和 Q1.0 掌握的灯 L15-L18 亮 0.5 秒；然后，由Q0.6 掌握的灯 L13、L14 亮 0.5 秒；然后由 Q1.0 和 Q1.1 掌握的灯 L17-L20 亮 0.5 秒；然后，由Q0.7 掌握的灯 L15、L16 亮 0.5 秒；然后由 Q1.1 和 Q1.2 掌握的灯 L19-L22 亮 0.5 秒；然后，由 Q1.0 掌握的灯 L17、L1

21、8 亮灯 0.5 秒；然后由 Q1.2 和 Q1.3 掌握的灯 L21-L24 亮灯 0.5 秒；然后，由Q1.1 掌握的灯 L19、L20 亮灯 0.5 秒；然后由Q1.3 和 Q0.4 掌握的灯 L23、L24、L9、L10 亮灯 0.5 秒；然后，由Q1.2 掌握的灯 L21、L22 亮灯 0.5 秒；然后由 Q0.4 和 Q0.5 掌握的灯 L9-L12 亮灯 0.5 秒；然后，由 Q1.3 掌握的灯L23、L24 亮灯 0.5 秒；然后由 Q0.5 和 Q0.6 掌握的灯 L11-L14 亮灯。然后从头开头循环按下停顿按钮 SB2 后，全部的灯都处于灭的状态。该设计的舞台灯分为常亮灯

22、和闪耀灯，给人们带来了一场视觉盛宴也满足了人们的审美心理的需要，使舞台背景空间最大限度地利用了 PLC 的价值，并到达使用功能和审美功能的统一。图 4-1 舞台灯光掌握系统的掌握流程图3.2 PLC 掌握舞台灯系统的程序图 4-2 程序初始化程序初始化，对选用的中间传输存放器 MW10 清零，为后边的存储数据做预备。图 4-3 常亮灯置位按下启动按钮 I0.0，并且停顿按钮 I0.1 们没有按下，系统启动，输出点Q0.0-Q0.3 置位，Q0.0-Q0.3 掌握的灯 L1-L8 变亮。利用线圈 M0.0 到达自锁的效果，即使启动按钮在按下后由于机械弹性弹上去，也不影响灯的亮度。所以灯L1-L8

23、 是常亮灯。图 4-4 掌握系统停顿按下停顿按钮 I0.1 时，对输出状态存放器 QW0 清零，循环完毕。同时对输出点 Q0.0-Q0.3 复位，Q0.0-Q0.3 掌握的常亮灯 L1-L8 变灭图 4-5 定时 0.5S利用 100ms 的接通延时定时器 T37、T38，实现定时 0.5S 的掌握。由于分析程序流程图可知，每隔 0.5S 闪耀灯的状态都要转变一次，所以用定时器帮助掌握程序的运行图 4-6 计数器时钟计数器时钟。每过去一个 0.5S，计数脉冲信号就完成一次输入，计时器就加一。当线圈 M1.0 带电后，复位脉冲信号输入，计数器清零，接下来的程序就重计数。图 4-7 条件满足时中间

24、计时线圈带电0.5S 的时钟。加计数器的置放到存放器C1 中，推断C1 的值。假设C1 的值为1。时线圈 M0.4 带电，假设 C1 的值为 2 时线圈 M0.5 带电，假设 C1 的值为 3 时线圈M1.0 带电。图 4-8 中间传输存放器初始化线圈 M0.1 带电时，对中间传输存放器赋初值。中间传输存放器 MW10 和 MW20 的初值都为 16 位的二进制数，每个二进制位掌握一个输出点，每一个输出点控制两盏灯，只需要用二进制的高八位掌握 16 盏闪耀灯的亮灭。输出点对应的那个二进制位为 1 时，输出点所对应的那两盏灯亮；输出点对应的那个二进制位为0 时，输出点所对应的那两盏灯灭。中间传输

25、存放器 MW10 的初值为 0100，即为0000000100000000，中间传输存放器MW20 的初值为 0110000000000000。然后利用循环移位掌握整个舞台灯光的闪耀。图 4-9转变循环条件循环条件的转变。当单个输出点为 1 的循环移位到 Q1.3 时，下个为 1 的单个输出点应当是 Q0.4，所以需要转变循环条件；当连续两个输出点为 1 的循环移位到 Q1.2、Q1.3 时，下个为 1 的单个输出点应当是 Q1.3、Q0.4，所以需要转变循环条件。图 4-10 中间传输存放器中数值的左移当线圈M0.4 带电时，每次循环左移一位，并把结果放在中间传输存放器 MW10 中，再把移

26、动过的值送到输出存放器 QW0 中。通过每次传送到输出存放器的数据来掌握舞台灯光的闪耀灯，完成循环闪耀的效果。第 4 章 软件仿真4.1 仿真软件的选择我们知道 PLC 的仿真软件很多，但是由于 S7_200_sim2.0 使用便利、安装简洁、 仿真效果明显， 所以本设计选用的是 S7_200_sim2.0 仿真软件， S7_200_sim2.0 仿真软件是在 STEP-7 环境下，不用连接任何 S7 系列的 PLCCPU 或 I0 模板，而是通过仿真的方法运行和测试用户的应用程序。S7_200_sim2.0 供给了简洁的界面，可以用编程的方法如转变输入的通 断状态，输入值的变化来监控和修改不

27、同的参数，也可以使用变量表 VAT 进展监控和修转变量。4.2 仿真系统设计（1） S7_200_sim2.0 的功能是很强的，可以监控和调整模拟 PLC 的性能， 通过 S7_200_sim2.0 的工作过程与真实的 PLC 相比，差异很小。（2） 在模拟的 CPU 上运行程序，可代替 S7-200 的 CPU 模板。（3） 通过创立变量表，可以存取模拟 PLC 的输入输出存储器、累加器和存放器中的数据。也可以通过符号地址存取存储器数据。（4） 可以选择定时器自动运行，或者手动置位复位。可以对各个定时器进展单独复位或一起复位。（5） 同真实的 CPU 模板一样，在 S7_200_sim2.0

28、 中可以转变 CPU 的操作方式STOP、RUN、RUN-P。4.3 仿真系统的测试结果从仿真系统的运行来看，测试结果如下：按下启动按钮后，Q0.0-Q0.3 变亮， 始终保持亮的状态。0.5 秒后，Q0.4 亮 0.5 秒；然后Q0.6 和 Q0.7 亮 0.5 秒；然后，Q0.5 亮 0.5 秒；然后 Q0.7 和 Q1.0 亮 0.5 秒；然后，Q0.6 亮 0.5 秒；然后Q1.0 和 Q1.1 亮 0.5 秒；然后，Q0.7 亮 0.5 秒；然后Q1.1 和 Q1.2 亮 0.5 秒；然后，Q1.0 亮 0.5 秒；然后 Q1.2 和 Q1.3 亮 0.5 秒；然后，Q1.1 亮 0.5 秒；然后Q1.3 和 Q0.4 亮 0.5 秒；然后，Q1.2 亮 0.5 秒；然后Q0.4 和 Q0.5 亮 0.5 秒；然后，Q1.3 亮 0.5 秒；然后 Q0.5 和 Q0.6 亮 0.5 秒。然后从头开头循环有以上结果知，程序可以正常运行，结果也和第四章的程序流程图全都。所以本掌握系统的设计是牢靠的，能到达舞台灯光的效果。并且在泡泡机和烟雾机的作用下，更加丰富了观众的视觉感应以及更好地渲染了舞台浪漫的气氛。得出结论，本设计到达了预期的效果。