基于plc的舞台灯光控制

基于PLC的舞台灯光控制摘要可编程控制器PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER简称为PC或PLC是60年代末发明的工业控制器件。日本电气控制学会曾对可编程控制器作了一个定义可编程控制器是将逻辑运算,顺序控制,时序和计数以及算术运算等控制程序用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据存储的控制内容,经过模拟,数字等输入输出部件,对生产设备和生产过程进行控制的装置。PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的它既不同于普通的计算机,又不同于一般的计算机控制系统,作为一种特殊形式的计算机控制装置,它在系统结构,硬件组成软件结构以及I/O通道,用户界面诸多方面都有其特殊性。舞台灯光在现代舞台演出中的作用照明演出,使观众看清演员表演和景物形象导引观众视线塑造人物形象,烘托情感和展现舞台幻觉创造剧中需要的空间环境渲染剧中气氛显示时、空转换,突出戏剧矛盾冲突和加强舞台节奏。有时也配合舞台特技。关键词可编程控制器；自动控制；舞台灯光；MCGS；组态THESTAGELIGHTINGCONTROLBASEDONPLCABSTRACTTHEPROGRAMMABLECONTROLLERPROGRAMMABLELOGICALCONTROLLERREFERREDTOASPCORPLCISINDUSTRYCONTROLDEVICEINVENTIONATTHEENDOFTHE60SJAPANELECTRICALCONTROLSOCIETYHASONTHEPROGRAMMABLECONTROLLERASAPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERISTHELOGICOPERATION,SEQUENCECONTROL,TIMING,COUNTINGANDARITHMETICOPERATIONSSUCHASINSTRUCTIONBYACONTROLPROGRAMSTOREDINTHEMEMORY,ANDTHENACCORDINGTOTHECONTROLCONTENTSTORAGE,THROUGHTHESIMULATION,SUCHASDIGITALINPUT/OUTPUTCOMPONENTS,DEVICECONTROLTHEPRODUCTIONEQUIPMENTANDPRODUCTIONPROCESSPLCISTHECOMPUTERTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFAUTOMATICCONTROLTHEORYBASEDONITISDIFFERENTFROMTHEORDINARYCOMPUTER,ANDISDIFFERENTFROMTHEGENERALCOMPUTERCONTROLSYSTEM,ASASPECIALFORMOFCOMPUTERCONTROLDEVICE,ITSSYSTEMSTRUCTURE,HARDWAREANDSOFTWARESTRUCTUREOFTHEI/OCHANNEL,THEUSERINTERFACEHASITSPARTICULARITYEFFECTOFSTAGELIGHTINGINTHEMODERNSTAGELIGHTINGPERFORMANCEFIRST,MAKETHEAUDIENCESEEACTORSANDSCENERYIMAGETHEGUIDETHEAUDIENCESATTENTIONTHESHAPINGCHARACTERS,CONTRASTSTHEEMOTIONANDSHOWSTAGEILLUSIONTHECREATIONOFSPACEENVIRONMENTTHENEEDTHEGASATMOSPHERERENDERINGDRAMATHEDISPLAY,SPACECONVERSION,HIGHLIGHTINGTHEDRAMATICCONFLICTCONFLICTANDSTRENGTHENSTAGERHYTHMSOMETIMESWITHTHESTUNTKEYWORDSPROGRAMMABLECONTROLLERAUTOMATICCONTROLSTAGELIGHTINGMCGSCONFIGURATION目录摘要IABSTARACII1可编程控制器的概论111PLC的定义112PLC的构成113PLC的特点214PLC的输入与输出415PLC的发展趋势42PLC控制与继电器控制的比较621PLC控制与继电器控制两者区别622控制继电器存在的缺点723PLC相对于继电器线路的优势73舞台灯光的PLC设计931舞台灯光的设计原则932舞台灯光系统的工艺要求933舞台灯光工艺流程图934舞台灯光控制要求1435舞台灯光的PLC设计14总结30参考文献31致谢321可编程控制器的概论11PLC的定义PLC英文全称PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制系统是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统它采用一种可编程的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置,是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展可编程控制器更多地具有了计算机的功能不仅能实现逻辑控制,还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程,而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点已广泛应用于工业控制的各个领域,大大推进了机电一体化的进程。可编程控制器PLC,是集自动控制技术、计算机技术、和通讯技术为一体的高科技产品。具有可靠性高,功能齐全,使用灵活方便等优点。由此可见,用PLC控制的智能型舞台艺术灯比传统的舞台艺术灯控制优越的多。12PLC的构成从结构上分,PLC分为固定式和组合式模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。13PLC的特点1可靠性高,抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求平均故障间隔时间长故障修复时间平均修复时间短任何电子设备产生的故障,通常为两种偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障,只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统也随之恢复正常。但对PLC而言,受外界影响后,内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件,如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围,使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常,这样就能提高平均故障间隔时间如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段,在永久性故障出现时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,就能降低PLC的平均修复时间。为此,各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PLC除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还使PLC具有了很强的抗干扰能力。硬件措施主要模块均采用大规模或超大规模集成电路,大量开关动作由无触点的电子存储器完成,I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件,采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,如LC或型滤波网络,以消除或抑制高频干扰,也削弱了各种模块之间的相互影响。电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的5V电源,采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。隔离在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系,减少故障和误动作各I/O口之间亦彼此隔离。采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障,能迅速更换,使系统恢复正常工作同时也有助于加快查找故障原因。软件措施有极强的自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时,不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失,可恢复正常,继续原来的程序工作。所以,PLC在检测到故障条件时,立即把现状态存入存储器,软件配合对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何操作,以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟WDT看门狗如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。加强对程序的检查和校验一旦程序有错,立即报警,并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后,利用后备电池供电,有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中,有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V,上升时间1NS脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般,平均故障间隔时间可达几十万上千万小时制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用,深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小,重量轻57264能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100MM重量小于150G,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。14PLC的输入与输出PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分I/O完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入DI开关量输出DO模拟量输入AI模拟量输出AO等模块。开关量是指只有开和关或1和0两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下开关量按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量按信号类型分,有电流型420MA,020MA、电压型010V,05V,1010V等,按精度分,有12BIT,14BIT,16BIT等。除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有交流电源220VAC或110VAC,直流电源常用的为24VAC。底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。15PLC的发展趋势长期以来,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因,在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案,适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面,PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击,尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。PLC技术展的最终趋势仍然是人们争论的焦点之一。大多数人认为,PLC将会继续失去市场份额,更有甚者认为,在工业PC面前,PLC将会一步一步走向死亡但也有一部分人相信,一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。在全球工业计算机控制领域,围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议,已经发生巨大变革,几乎到处都有PLC,但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLCSOFTPLC控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展,安装有SOFTPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长,这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化,他们必须面对现实,在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲,这是PLC控制器的核心,PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件,而且对于工业用户表现得非常积极。随着微处理器技术、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展,可编程序控制器也得到了迅速发展,其功能已远远超出了其定义所指的范围,其概念也日趋模糊,现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面2用高性能器件,尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如。德国FESTO公司的IPCINDUSTRIALPC由一系列符合工业标准的模块组成,它与微机兼容且具有PLC的功能。3丰富I/O模块,使PLC在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。4进一步强化网络功能,以实现信息管理自动化。例如IPC型控制器具备多种现场总线接口。如FESTO总线、PROFIBUS、ASI、CAN等,以及各种网络连接模块,如NOVELL等,从而使PLC与PLC、PLC与PC、PLC与现场设备之间建立通讯联网。5多种编程语言并存,互补不足。IPC型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外,还可以用IEC1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及C、BASIC等计算机语言进行编程。6硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITS和表面安装技术SMT,SURFACEMOUTTECHNOLOGY在PLC硬件设计上的运用,使得PLC产品硬件元件数量更少,集成度更高,体积更小,其可靠性更高。同时,为了进一步提高系统的可靠性,PLC产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU单元、通信单元、电源单元或I/O单元甚至整个系统的冗余配置,使得整个PLC系统的可靠性得以进一步加强。2PLC控制与继电器控制的比较21PLC控制与继电器控制两者区别1、控制方法不同,电器控制系统逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组合成逻辑控制,其连线多且复杂,体积大,功耗大,系统构成后,想再改变或增加功率较为困难。另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大性质。而PLC采用了计算机技术,其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中,要改变控制逻辑只需改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少,“软继电器”的触点数量是无限的57264PLC系统的灵活性和可扩展性好。体积小,功耗小,而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,PLC系统的灵活性和可扩展性好。2、工作方式不同,在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于制约状态,即该吸合的继电器同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序按一定顺序循环执行,所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串联工作方式。3、触点数目不同,硬继电器的触点数量有限,用于控制的继电器触点一般为48对,而梯形图中每只“软继电器”供编程使用的触点数是无限对的。4、组成器件不同,继电器控制线路是许多真正的硬继电器组成的,而梯形图是由许多所谓“软继电器”组成的。硬继电器易磨损,而“软继电器”则无磨损现象。5、定时和计数控制不同电器控制系统采用时间继电器的延时时间控制时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化影响定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路做定时器时钟脉冲由晶体振荡器产生精度高定时范围宽用户可根据需要在程序中设定定时值修改方便不受环境的影响且PLC具有计数功能而电器控制一般不具备计数功能。6、可靠性和可维护不同由于电器控制系统使用了大量的机械触点其存在机械磨损电弧烧伤等寿命短系统的连线多所以可靠性和可维护性差。而PLC大量的开关动作有无触点的半导体电路来完成其寿命长可靠性高PLC还具有自诊断功能。22控制继电器存在的缺点今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧甚至会熔在一起产生误操作引起严重的后果。再者对一个具体使用的装有上百个继电器的设备其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下大的继电器将产生大量的热及噪声同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装如果有简单的改动也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。23PLC相对于继电器线路的优势1、功能强性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件有很强的功能可以实现非常复杂的控制功能与相同功能的继电器相比具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网实现分散控制集中管理。2、硬件配套齐全用户使用方便适应性强可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3、可靠性高抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良容易出现故障PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器仅剩下与输入和输出有关的少量硬件接线可减少互继电器控制系统的1/101/100因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施具有很强的抗干扰能力平均无故障时间达到数万小时以上可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4、系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律很容易掌握。对于复杂的控制系统梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试输入信号用小开关来模拟通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决系统的调试时间比继电器系统少得多。5、编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似梯形图语言形象直观易学易懂熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言可编程序控制器在执行梯形图的程序时用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6、维修工作量少维修方便PLC的故障率很低且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7、体积小能耗低对于复杂的控制系统使用PLC后可以减少大量的中间继电器和时间继电器小型PLC的体积相当于几个继电器大小因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/21/10。3舞台灯光的PLC设计31舞台灯光的设计原则舞台灯光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、圆满地为艺术展示服务。1创造完全的舞台布光自由空间适应一切布光要求2为使该系统能够持续运行适当加大储备和扩展空间3系统的抗干扰能力和安全性作为重要设计标4高效节能冷光新型灯具被引入系统设计中。32舞台灯光系统的工艺要求1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。2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。3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33舞台灯光图34舞台灯光控制要求如图41为一舞台艺术灯饰自动控制演示装置。本系统由23组灯组成分别由PLC的输出端Y0Y1Y2Y7,Y10Y11Y17,Y20Y21Y23控制。按下启动按钮SB1后Y0,Y10,Y11,Y12,Y14,Y21,Y22,Y23同时亮2秒然后Y0,Y1,Y10,Y11,Y13,Y16,Y17,Y20同时亮2秒2秒后Y0,Y1,Y2,Y12,Y15同时亮2秒2秒后Y0,Y1,Y2,Y3,Y10,Y11,Y13Y21,Y22,Y23同时亮2秒2秒后Y4,Y5,Y6,Y7Y12,Y14,Y17同时亮2秒2秒后Y0,Y1Y2,Y4,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y16,Y17同时亮2秒2秒后Y5,Y6,Y12,Y14,Y15,Y16,Y20同时亮2秒2秒后Y0,Y4,Y7,Y10,Y11,Y12,Y13,Y15,Y16,Y20同时亮2秒2秒后Y2,Y5,Y6,Y10,Y11,Y12,Y14,Y16,Y17,Y21,Y22,Y23同时亮2秒2秒后Y0,Y1,Y3,Y4,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y17,Y20同时亮2秒2秒后Y2,Y5,Y6,Y13,Y14,Y15Y16,Y20,Y21,Y22,Y23同时亮2秒2秒后Y0,Y4,Y5,Y6,Y7,Y12,Y14,Y15,Y16,Y17,Y21,Y22,Y23同时亮2秒2秒后Y0,Y1,Y3,Y10,Y11,Y12,Y13,Y15,Y16,Y17,Y20同时亮2秒2秒后Y2,Y4,Y5,Y6,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y17,Y21,Y22,Y23同时亮2秒2秒后Y0,Y1,Y