1、畢業設計（論文）基于PLC的舞臺燈光設計 基于PLC的舞臺燈光設計【摘要】本文詳細討論舞臺燈光的基本知識及發展和基于s7-200PLC的控制技術，介紹了舞臺燈光的PLC控制系統的設計方案及其控制原理，用多種指令實現對舞臺燈光中24只燈的控制，通過對時間繼電器時間控制的改變可實現不同的燈光效果。舞臺燈光也叫“舞臺照明”，簡稱“燈光”，舞臺美術造型手段之一。PLC簡單易學,可靠性高。其不僅具有開關量和模擬量的控制功能，還具有更強的數字計算能力，它的通信功能和模擬量處理能力更強大。它比小型機的指令更豐富，適用于復雜的邏輯控制系統以及連續生產過程控制場合。關鍵詞：舞臺燈光 PLCAbstract: T

2、his paper discusses the basics of stage lighting and the development and S7-200 PLC-based control technology, introduces the lighting of the PLC control system design and control theory, using a variety of stage lighting 24 water lights, controlled by time relay time of change in different lighting

3、effects can be realized. Lighting is also called "stage lighting", referred to as "light", stage art form one of the means. PLC is easy to learn, and high reliability. It not only has the switch and analog control functions, also has a number of more computing power, its communic

4、ation functions and analog processing more powerful. It is richer than the minicomputer instruction for complex logic control system and continuous process control situationsKey words: Stage lighting PLC 目錄引言11 可編程控制器的概論11.1 PLC的概述11.2 PLC的由來11.3 PLC的定義21.4 PLC的構成21.5 PLC的工作原理31.6 PLC的輸入與輸出41.7 PLC的

5、基本性能指標4 PLC 的主要特點4 PLC 的功能51.8 PLC的選型原則111.9 PLC的發展趨勢112 PLC控制與繼電器控制的比較132.1 PLC控制與繼電器控制兩者區別132.2 控制繼電器存在的缺點132.3 PLC相對于繼電器線路的優勢143 舞臺燈光的PLC設計163.1舞臺燈光的設計原則163.2舞臺燈光系統的工藝要求163.3本系統的PLC和擴展模塊的選擇163.4 舞臺燈光工藝流程圖173.5 舞臺燈光的PLC設計21使用說明序表21光的I/O地址分配表21光設計外部接線圖22光設計梯形圖22光設計語句表363.6舞臺燈光設計模擬與調試45結 束 語47謝 辭48文

6、 獻49引言目前，PLC始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需要。在全球工業計算機控制領域，圍繞開放式過程控制系統、開放式過程控制軟件、開放式數據通信協議，已經發生巨大變革PLC英文全稱Programmable?Logic?Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并

7、通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制系統是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。可編程控制器是計算機技術與自動化控制技術相結合而開發的一種適用工業環境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統繼電器的替換產品而出現的。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現邏輯控制，還具有了數據處理、通信、網絡等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組

8、裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于工業控制的各個領域，大大推進了機電一體化的進程。可編程控制器 PLC ，是集自動控制技術、計算機技術、和通訊技術為一體的高科技產品。具有可靠性高，功能齊全，使用靈活方便等優點。A MTBF/ MTBF+MTTR 式中A-有效率MTBF-平均故障間隔時間MTTR-平均修復時間當然，A值越大越好，它可使PLC系統得到充分的利用，是為什么要使用PLC的重要指標。而從上式可知，MTBF越大，MTTR越小，則A越大。所以，PLC的可靠措施都是圍繞提高MTBF及MTTR值進行的。鑒于可靠工作是PLC的重要特點，至關重要，故有關提高MTBF及降

9、低MTTR的措施如何，以及PLC的MTBF與MTTR值也成為PLC性能的重要指標。8、經濟指標以上七條講的都是PLC的技術性能。其實，使用PLC，還要考慮經濟指標。經濟是基礎，經濟上不合算，不能帶來經濟效益，使用PLC也就沒有基礎。所以，這個指標也是重要的。經濟指標最簡單的就是看價格。一般講，同樣技術性能的PLC，價格低其經濟指標就好。此外，還要看供貨情況，供貨不及時，影響使用，價格即使低，也不一定就好；看技術服務，資料不全，用戶出現問題得不到技術支持也不好。對經濟指標還要作綜合分析，要看使用了PLC能否帶來效益，然后，再分析使用哪家的PLC效益更好些。1.8 PLC的選型原則在PLC系統設計

10、時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，PLC的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的

11、PLC和設計相應的控制系統。1.9 PLC的發展趨勢長期以來，PLC始終處于工業自動化控制領域的主戰場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業企業對自動化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術的采用、系統開放性和價格。 PLC技術展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數人認為，PLC將會繼續失去市場份額；更有甚者認為，在工業PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊

12、工業應用領域仍將為PLC提供一定的市場份額。?在全球工業計算機控制領域，圍繞開放與再開放過程控制系統、開放式過程控制軟件、開放性數據通信協議，已經發生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會繼續發展下去。隨著軟PLC（SoftPLC）控制組態軟件技術的誕生與進一步完善和發展，安裝有SoftPLC組態軟件和基于工業PC控制系統的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統PLC供應商在思想上已經發生了戲劇性的變化，他們必須面對現實，在傳統PLC的技術發展與提高方面作出更加開放的高姿態。對于控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應商正在向工業用戶提供開放式的編程組態工具軟件，而且對于工

13、業用戶表現得非常積極。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業控制行業。著微處理器技術、超大規模集成電路技術和數字通訊技術的進步和發展，可編程序控制器也得到了迅速發展，其功能已遠遠超出了其定義所指的范圍，其概念也日趨模糊，現代可編程控制器的發展趨勢主要有以下幾個方面: 1 用高性能器件，盡量縮小與工業控制計算機之間的差距。例如，德國FESTO公司的IPC Industrial PC 由一系列符合工業標準的模塊組成，它與微機兼容且具有PLC的功能。 2 豐富I/O模塊，使PLC在實時性、精度、分辨率、人機對話等性能方面進一步得到改善和提高。 3 進一步強化網絡功能

14、，以實現信息管理自動化。例如IPC型控制器具備多種現場總線接口。如FESTO總線、Profibus、AS-I、CAN等，以及各種網絡連接模塊，如Novell等，從而使PLC與PLC、PLC與PC、PLC與現場設備之間建立通訊聯網。 4 多種編程語言并存，互補不足。IPC型控制器除了采用梯形圖、指令表編程以外，還可以用IEC1131規定的用于順序控制的標準化語言以及C、Basic等計算機語言進行編程。 5 硬件結構集成化、冗余化。隨著專用集成電路 ASIC，Application Specific Integrated Circuits 和表面安裝技術 SMT，Surface-Mout Tech

15、nology 在PLC硬件設計上的運用，使得PLC產品硬件元件數量更少，集成度更高，體積更小，其可靠性更高。同時，為了進一步提高系統的可靠性，PLC產品還采用了硬件冗余和容錯技術。用戶可以選擇CPU單元、通信單元、電源單元或I/O單元甚至整個系統的冗余配置，使得整個PLC系統的可靠性得以進一步加強。2 PLC控制與繼電器控制的比較2.1 PLC控制與繼電器控制兩者區別1、控制方法不同，電器控制系統邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯或并聯等組合成邏輯控制，其連線多且復雜，體積大，功耗大，系統構成后，想再改變或增加功率較為困難。另外，繼電器的觸點數量有限，所以電器控制系統的靈活性和可擴展性

16、受到很大性質。而PLC采用了計算機技術，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統功能。系統連線少，體積小，功耗小，而且PLC所謂“軟繼電器”實質上是存儲器單元的狀態，所以“軟繼電器”的觸點數量是無限的，PLC系統的靈活性和可擴展性好。2、工作方式不同， 在繼電器控制電路中，當電源接通時，電路中所有繼電器都處于制約狀態，即該吸合的繼電器同時吸合，不該吸合的繼電器受某種條件限制而不能吸合，這種工作方式稱為并行工作方式。而PLC的用戶程序按一定順序循環執行，所以各軟繼電器都處于周期性循環掃描接通中，受同一條件制約的各個繼電器的動作次序決定于程序掃描

17、順序，這種工作方式稱為串聯工作方式。3、觸點數目不同，硬繼電器的觸點數量有限，用于控制的繼電器觸點一般為4-8對，而梯形圖中每只“軟繼電器”供編程使用的觸點數是無限對的。4、組成器件不同，繼電器控制線路是許多真正的硬繼電器組成的，而梯形圖是由許多所謂“軟繼電器”組成的。硬繼電器易磨損，而“軟繼電器”則無磨損現象。5、定時和計數控制不同，電器控制系統采用時間繼電器的延時時間控制，時間繼電器的延時時間易受環境溫度和溫度變化影響，定時精度不高。而PLC采用半導體集成電路做定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據需要在程序中設定定時值，修改方便，不受環境的影響，且PLC具有計數

18、功能，而電器控制一般不具備計數功能。6、可靠性和可維護不同，由于電器控制系統使用了大量的機械觸點，其存在機械磨損，電弧燒傷等，壽命短，系統的連線多，所以可靠性和可維護性差。而PLC大量的開關動作有無觸點的半導體電路來完成，其壽命長，可靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態地監視控制程序的執行情況，為現場調試和維護提供方便。2.2 控制繼電器存在的缺點今天繼電器已應用到家庭及工業控制的各個領域。他們比以往的產品具有更高的可靠性。但是，這也是隨之帶來的一些問題。如絕大多數控制繼電器都是長期磨損和疲勞工作條件下進行的，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產生電弧，甚

19、至會熔在一起產生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統必須是手工接線、安裝，如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調試。PLC相對于繼電器線路的優勢功能強，性能價格比高 一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。可篇程序控制器可以通過通信聯網，實現分散控制，集中管理。 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 可編程序控制器產

20、品已經標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統配置，組成不同的功能、不規模的系統。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有很強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器。 可靠性高，抗干擾能力強 傳統的繼電器控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障，PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，

21、平均無故障時間達到數萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業生產現場，PLC已被廣大用戶公認為最可靠的工業控制設備之一。 系統的設計、安裝、調試工作量少 PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。 PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計方法。這種編程方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。 PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發光二極管可觀察輸出信號的狀態。完成了系統的安裝和接線后，在現場的統調過程中發現的問題一般

22、通過修改程序就可以解決，系統的調試時間比繼電器系統少得多。 編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執行梯形圖的程序時，用解釋程序將它“翻譯”成匯編語言后再去執行。 維修工作量少，維修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，可以根據PLC上的發光二極管或編程器提供的住處迅速的查明故障的原因，用更換

23、模塊的方法可以迅速地排除故障。 體積小，能耗低 對于復雜的控制系統，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積相當于幾個繼電器大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/2-1/10。功能性原則這一條也就是說大家在對演藝廳舞臺燈光設計的時候必須符合功能的要求。無論是哪一個角落的燈光設計都需要根據不同的空間、不同的場合、不同的對象選擇不同的照明方式和燈具，并保證恰當的照度和亮度。美觀性原則美觀性原則設計是為了能夠讓自己的舞臺燈光設計更加吸引人，燈光照明是裝飾美化環境和創造藝術氣氛的重要手段。一般演藝廳的舞臺燈光設計都是為了烘托出好的娛樂氣氛。所以在設計的時候一般非常注意這

24、方面的設計原則。經濟性原則在舞臺燈光設計的時候在滿足需求的同時要保證這一點原則，那才是整個舞臺燈光設計的重點，所以你若是一名燈光設計師那么在給演藝廳舞臺燈光設計的時候要注意這一點。在觀眾區燈光照明設計是為了滿足人們視覺生理和審美心理的需要，使演藝廳空間最大限度地體現實用價值和欣賞價值，并達到使用功能和審美功能的統一。這就是我們所說的經濟性原則。安全性原則安全性原則應當是整個演藝廳舞臺燈光設計的重點，無論大家想設計一個什么樣的燈光，在設計的時候一定要遵循這一設計的原則，在燈光照明設計要求絕對的安全可靠。大家在設計的時候不要只追求美觀而不注意它的安全設計。其實整個舞臺燈光設計中它應當算是設計的重點

25、。3.2舞臺燈光系統的工藝要求 1.該系統工藝設計和設備配置具有綜合劇場的使用功能 在短時間內可輪換多種不同 劇種的燈光操作方案。2該系統允許使用全部配置的各種類型燈具和其它補充設備 。3. 該系統設計有足夠的安全性和存儲容量 整個系統在不中斷主電力供應的前提下 對主控臺進行持續的診斷檢查。本次舞臺燈設計用的是來自西門子 SIEMENS S7-200系列CPU226可編程控制器。所用的擴展模板為EM223（8I/8Q）。產品規格：西門子 SIEMENS S7-200系列CPU226 在編程環境等方面，它不僅具備了以往的小型PLC所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實現了具有10點-100點

26、輸入輸出點數的彈性構成。而且還可連接可編程控制終端，創造了尚無前例的靈活運用。它不僅可以替代繼電器控制柜，就是作為小型控制器或在傳感器應用中，亦能適應生產現場不同的需求，AC電源輸入，繼電器輸出，能加擴展單元。表3-1 CPU22X（CPU226）主要技術指標表型號CPU226程序/字4096用戶數據/字2560用戶儲存器類型EEFPROM本機I/O24入/16出數字量I/O映像區大小/bit256最大模擬量輸入/輸出32入/32出I/O映像寄存器/bit1281/和1280順序控制繼電器/bit256根據本設計舞臺燈的控制的需要，PLC控制系統的輸入信號有2個按鈕開關，輸出信號有24個彩燈。

27、根據表3-1所示的CPU 22X I/O點數表，可知CPU 226有24個輸入口和16個輸出口，和擴展模板為EM223（8I/8Q），可以滿足控制要求。最后選定型號是S7-200系列CPU226AC/DC/RELAY，擴展模板為EM223（8I/8Q）。3.4 舞臺燈光工藝流程圖方式一：圖3-1 工藝流程圖一方式二：圖3-2 工藝流程圖二方式三：圖3-3 工藝流程圖三3.5 舞臺燈光的PLC設計使用說明序表 1 本系統需要的器件如表3-5所示：表3-2舞臺燈光需要的器件器件名稱西門子PLC彩燈按鈕熔斷器導線數量1臺24個3只1只若干光的I/O地址分配表 1 輸入（I）表3-3 輸入分配表序號

28、名 稱輸入點0啟動按鈕SB1I0.01停止按鈕SB2I0.1 2 輸出 Q 表3-4輸出配表序號名 稱輸出點序號名 稱輸出點0L0Q0.012L12Q1.41L1Q0.113L13Q1.52L2Q0.214L14Q1.63L3Q0.315L15Q1.74L4Q0.416L16Q2.05L5Q0.517L17Q2.16L6Q0.618L18Q2.27L7Q0.719L19Q2.38L8Q1.020L20Q2.49L9Q1.121L21Q2.510L10Q1.222L22Q2.611L11Q1.323L23Q2.7光設計外部接線圖圖3-4外部接線圖光設計梯形圖方式一：方式二：方式三：光設計語句表方

29、式一：方式二：方式三：西門子S7-200漢化仿真軟件可以仿真大量的S7-200指令（支持常用的位觸點指令、定時器指令、計數器指令、比較指令、邏輯運算指令和大部分的數學運算指令等）, 仿真程序提供了數字信號輸入開關、兩個模擬電位器和LED輸出顯示，仿真程序同時還支持對TD-200文本顯示器的仿真，在實驗條件尚不具備的情況下，完全可以作為學習S7-200的一個輔助工具。方式一：方式二：方式三：通過西門子S7-200漢化仿真軟件的調試，此程序完全符合內容要求。結 束 語經過我不懈的努力及老師的悉心指導，完成了控制系統的總體方案設計以及PLC控制系統的軟、硬件設計。正確合理地進行PLC選型，I/O通道

30、分配，畫出PLC輸入/輸出接線圖，主電路圖，畫出程序流程圖（或時序圖）、設計梯形圖和編寫語句表。并對系統進行系統測試、聯調及模擬調試。終于完成了舞臺燈光設計，本課題是由PLC及其相關知識實現的。在進行畢業設計的過程中，我深刻體會到我的基礎功并不是那么的扎實，比如在編程序的時候發現以自己的實力只能用簡單的順序法編寫，而對指令卻不是很了解，通過課題設計讓我感受到PLC指令運用的靈活性和PLC在現代各行各業中的重要地位。在做這次畢業設計過程使我學到了很多，不論做什么事都要真真正正用心去做，自己成長，這次的經歷能讓我在以后的生活中不斷成長進謝 辭在整個畢業設計中，得到喬琳君老師的精心指導。在整個課題研

31、究過程中，老師在各方面給予了我的關心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。老師學識淵博，經驗豐富，思維敏捷，時時給我熱情的鼓勵和不倦的的教誨，在研究思想和研究方法上給我諸多啟示，從而得到了全面解決同時也受到各位老師優良工作作風的影響，培養了我嚴肅認真、一絲不茍和實事求是的工作作風，并樹立了正確的人生觀。老師待人誠懇，心胸寬大，精深的知識令我受益匪淺。這次從課程學習、論文選題、課題研究到論文撰寫無不凝聚著導師的心血和汗水。在此我向我的指導老師表示衷心的感謝！同時此課題的能夠順利完成也離不開其他老師及同學給我的幫助和指導，在此也特別向其他老師和同學表示深深的謝意，愿你們心想事成，萬事如意。同時，在論文寫作過程中，我還參考了有關的書籍和論文，在這里一并向有關的作者表示謝意。我還要感謝，是你們讓我們的寢室充滿快樂與溫馨，在畢業設計的這段時間里，你們給了我很多的啟發，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝！年的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要劃下完美的句號。值此畢業論文完成之際，我謹向所有關心、愛護、幫助我的人們表示最誠摯的感謝與最美好的祝愿。文 獻3 ：張文明.組態軟件控制技術J.北京:清華大學出版社, 20