舞台灯的PLC控制系统设计

舞台灯的PLC控制系统设计

第1章 舞台灯的PLC设计

1.1舞台灯的发展

随着科学技术的发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，既可以增强人们的感观，起到广告宣传作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展PLC技术的应用引起电子产品及系统开发的性变革。语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。在这个阶段，人们开始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，把精力集中在创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工具自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错的机会。本论文设计了一个舞台灯系统，它多用于酒吧，舞台的闪烁灯。系统采用可编程控制器（PLC）做控制，采用工业通用组态软件—“组态王”设计控制界面，并最终完成直观方便的控制效果。

1.2舞台灯系统工艺的要求

舞台灯控制系统设计是遵循舞台艺术表演的规律和特殊使用要求进行配置的。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行设计配置使舞台灯系统准确、地为艺术展示服务。

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。

该系统设计有足够的安全性和存储容量整个系统在不中断主电力供应的前提下对主控台进行持续的诊断检查。

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，可灵活多变地按需组合。

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，设定为闪烁灯，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灯变化要求。

3.灯光换色器设计配置

安装在部分灯具上的换色器，其作用舞台光、染色、色彩变化、衬托剧情，达到多姿多彩的效果。

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控制。按下启动按钮SB1后，主光源L1-L8亮，且在未按下停止按钮的前提下会一直保持发亮的状态。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；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。然后从头开始循环……按下停止按钮SB2后，所有的灯都处于灭的状态。

图2-1 舞台灯控制系统硬件结构框图

1.3舞台灯系统的硬件拓扑结构

舞台灯系统设计是遵循舞台艺术表演的规律和特殊使用要求进行配置的，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，按系统工程进行设计配置，使舞台灯光系统准确、地为艺术展示服务。

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：

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷电力管线与音响管线应尽量避免平行，若实在无法克服时，其间隔不得小于50cm。

用PLC实施控制，其实质是按照控制功能的要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换利用物理方式实现，展现在舞台。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

图2-2 舞台灯控制系统拓扑图

由图2-1舞台灯光控制系统硬件结构框图可知，输入单元由启动按钮和停止按钮组成，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，程序开始执行，舞台灯按照所对应的指令亮灭。

如图2-2，当启动按钮按下之后，PLC正常工作，执行相应的程序控制继电器动作，然后影响继电器连接的某种接触器断开和闭合。比如在按钮按下之后控制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，并会在停止按钮按下之前一直保持它的发亮状态。同时，为了营造强烈的舞台艺术氛围和打造对观众的视觉冲击，本控制系统还设计了特殊效果。在节目需要的时候，水槽中的泡泡液在风扇的吹动下立即产生许多泡泡，以配合演出渲染气氛。或者开启烟雾机，营造烟雾弥漫的特殊效果，以达到演出空间的朦胧。万一出现意外情况，报警指示灯显示报警，由操作人员按下急停按钮，避免造成不良后果。

第2章 硬件设计

2.1硬件的选型

2.1.1PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，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，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、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，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，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，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

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。一个输出点控制两盏灯，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(SIEMENS)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控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制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3-1CPU22X（CPU226）主要技术指标表

根据本设计舞台灯的控制的需要，PLC控制系统的输入信号有2个按钮开关，输出信号有24个彩灯。根据表3-1所示的CPU22XI/O点数表，可知CPU226有24个输入口和16个输出口，可以满足控制要求。最后选定型号是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烘托舞台剧情场景。

2）在舞台内光道的8盏灯（L9-L16），用以照亮人物顶部及部分景物光，选用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；柔光灯光照柔和，能还原人和物体的本质色彩；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下图3-1所示：

把舞台灯光控制系统中的24盏灯均匀分布在舞台上方的，达到完好的照明效果。所有的灯中分别有作为主光源的聚光灯、作为侧光的散光灯、作为刻画人和物轮廓的回光灯和作为调节舞台色彩的柔光灯。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。

图3-1舞台灯的空间布置图

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

   

在这次的控制系统中，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可编程控制器控制的。需要PLC一台，彩灯24盏。需要按钮3只，启动按钮、停止按钮和急停按钮。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。另外需要若干导线连接线路。

2.3舞台灯光的I/O地址分配表

(1)输入（I）

表3-2 输入分配表

启动按钮和停止按钮组成了舞台灯光控制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；停止按钮SB2的输入通过输入点I0.1完成。

（2）输出（Q）

表3-3  输出分配表

序号	名称	输出点	序号	名称	输出点
1	L1	Q0.0	13	L13	Q0.6
2	L2	Q0.0	14	L14	Q0.6
3	L3	Q0.1	15	L15	Q0.7
4	L4	Q0.1	16	L16	Q0.7
5	L5	Q0.2	17	L17	Q1.0
6	L6	Q0.2	18	L18	Q1.0
7	L7	Q0.3	19	L19	Q1.1
8	L8	Q0.3	20	L20	Q1.1
9	L9	Q0.4	21	L21	Q1.2
10	L10	Q0.4	22	L22	Q1.2
11	L11	Q0.5	23	L23	Q1.3
12	L12	Q0.5	24	L24	Q1.3

本控制系统的输出分配如表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，加入一个输出点控制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控制多盏灯的亮灭。研究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相同的，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成本花费，我选择第二种方案，即利用一个输出点控制两盏灯的亮灭。这样，24盏灯只需要用12个输出点即Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.3。

分配如下：输出点Q0.0控制灯L1和L2的亮灭状态；输出点Q0.1控制灯L3和L4的亮灭状态；输出点Q0.2控制灯L5和L6的亮灭状态；输出点Q0.3控制灯L7和L8的亮灭状态；输出点Q0.4控制灯L9和L10的亮灭状态；输出点Q0.5控制灯L11和L12的亮灭状态；输出点Q0.6控制灯L13和L14的亮灭状态；输出点Q0.7控制灯L15和L16的亮灭状态；输出点Q1.0控制灯L17和L18的亮灭状态；输出点Q1.1控制灯L19和L20的亮灭状态；输出点Q1.2控制灯L21和L22的亮灭状态；输出点Q1.3控制灯L23和L24的亮灭状态。

在执行闪烁灯光的指令时，如果继电器在PLC的控制下接通，与它连接的闪烁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，该输出点控制的灯变亮。

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为停止按钮SB2的输入点。CPU226有16个输出点。本次舞台灯光控制系统设计共用到24盏灯，因为工艺流程图中显示，每次都有两盏灯同时亮灭，所以我所设想的是每个输出点同时控制两盏灯，这次设计只需要用到12个输出点，即Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.3。

舞台灯光控制系统的外部接线图如图3-4所示。当按下启动按钮时，CPU开始工作，由继电器带动接触器动作，达到控制灯光的闪烁效果。当按下停止按钮时，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控制演示流程图。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控制。按下启动按钮SB1后，由Q0.0-Q0.3控制的灯L1-L8亮，作为舞台的主光源，一直保持亮的状态。0.5秒后，由Q0.4控制的灯L9、L10亮0.5秒；然后由Q0.6和Q0.7控制的灯L13-L16亮0.5秒；然后，由Q0.5控制的灯L11、L12亮0.5秒；然后由Q0.7和Q1.0控制的灯L15-L18亮0.5秒；然后，由Q0.6控制的灯L13、L14亮0.5秒；然后由Q1.0和Q1.1控制的灯L17-L20亮0.5秒；然后，由Q0.7控制的灯L15、L16亮0.5秒；然后由Q1.1和Q1.2控制的灯L19-L22亮0.5秒；然后，由Q1.0控制的灯L17、L18亮灯0.5秒；然后由Q1.2和Q1.3控制的灯L21-L24亮灯0.5秒；然后，由Q1.1控制的灯L19、L20亮灯0.5秒；然后由Q1.3和Q0.4控制的灯L23、L24、L9、L10亮灯0.5秒；然后，由Q1.2控制的灯L21、L22亮灯0.5秒；然后由Q0.4和Q0.5控制的灯L9-L12亮灯0.5秒；然后，由Q1.3控制的灯L23、L24亮灯0.5秒；然后由Q0.5和Q0.6控制的灯L11-L14亮灯。然后从头开始循环……按下停止按钮SB2后，所有的灯都处于灭的状态。

该设计的舞台灯分为常亮灯和闪烁灯，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，并达到使用功能和审美功能的统一。

图4-1 舞台灯光控制系统的控制流程图

3.2 PLC控制舞台灯系统的程序

 

图4-2 程序初始化

程序初始化，对选用的中间传输寄存器MW10清零，为后边的存储数据做准备。

图4-3常亮灯置位

按下启动按钮I0.0，并且停止按钮I0.1们没有按下，系统启动，输出点Q0.0-Q0.3置位，Q0.0-Q0.3控制的灯L1-L8变亮。利用线圈M0.0达到自锁的效果，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是常亮灯。

    

图4-4控制系统停止

按下停止按钮I0.1时，对输出状态寄存器QW0清零，循环结束。同时对输出点Q0.0-Q0.3复位，Q0.0-Q0.3控制的常亮灯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的控制。因为分析程序流程图可知，每隔0.5S闪烁灯的状态都要改变一次，所以用定时器协助控制程序的运行

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，接下来的程序就重新计数。

图4-7 条件满足时中间计时线圈带电

0.5S的时钟。加计数器的置放到寄存器C1中，判断C1的值。若C1的值为1。时线圈M0.4带电，若C1的值为2时线圈M0.5带电，若C1的值为3时线圈M1.0带电。

图4-8  中间传输寄存器初始化

线圈M0.1带电时，对中间传输寄存器赋初值。中间传输寄存器MW10和MW20的初值都为16位的二进制数，每个二进制位控制一个输出点，每一个输出点控制两盏灯，只需要用二进制的高八位控制16盏闪烁灯的亮灭。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。中间传输寄存器MW10的初值为0100，即为0000000100000000，中间传输寄存器MW20的初值为0110000000000000。然后利用循环移位控制整个舞台灯光的闪烁。

图4-9  改变循环条件

循环条件的改变。当单个输出点为1的循环移位到Q1.3时，下个为1的单个输出点应该是Q0.4，所以需要改变循环条件；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的单个输出点应该是Q1.3、Q0.4，所以需要改变循环条件。

图4-10 中间传输寄存器中数值的左移

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寄存器MW10中，再把移动过的值送到输出寄存器QW0中。通过每次传送到输出寄存器的数据来控制舞台灯光的闪烁灯，完成循环闪烁的效果。

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使用方便、安装简单、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PLC（CPU或I／0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提供了简单的界面，可以用编程的方法（如改变输入的通／断状态，输入值的变化）来监控和修改不同的参数，也可以使用变量表（VAT）进行监控和修改变量。

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，差别很小。

（2）在模拟的CPU上运行程序，可代替S7-200的CPU模板。

（3）通过创建变量表，可以存取模拟PLC的输入／输出存储器、累加器和寄存器中的数据。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行单独复位或一起复位。

（5）同真实的CPU模板一样，在S7_200_sim2.0中可以改变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，一直保持亮的状态。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。然后从头开始循环……

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一致。所以本控制系统的设计是可靠的，能达到舞台灯光的效果。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氛围。得出结论，本设计达到了预期的效果。