基于PLC的舞台灯控制系统的设计.docx
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基于PLC的舞台灯控制系统的设计
物理与电子工程学院
《PLC原理与应用》
课程设计报告书
设计题目：
基于PLC的舞台灯控制系统的设计
专业：
自动化
班级：
10级2班
学生姓名:
黄超
学号:
2010341242
指导教师：
成燕平
2013年12月20日
物理与电子工程学院课程设计任务书
专业：
自动化班级：
10自动化2
学生姓名
黄超
学号
2010341242
课程名称
PLC原理与应用
设计题目
基于PLC的舞台灯控制系统的设计
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求
设计目的：
1、掌握移位寄存器指令的应用
2、掌握PLC控制系统的设计流程
设计主要内容及要求：
1、舞台灯模块共有7组指示灯，用PLC控制7组舞台灯光的闪烁、移位及时序的变化。
具体要实现的功能有：
（1）、1～7组灯依次点亮，再全亮。
（2）、重复
（1），循环往复。
2、画出实现程序流程图。
3、列出输入、输出端口。
4、写出梯形图程序。
5、调试程序，直至符合设计要求。
工作量
2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排
第1天：
明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：
学习课程设计中用到的PLC相关知识
第4-5天：
根据课程设计的要求画出程序流程图
第6天：
列出I/O分配表
第7-8天：
写出梯形图程序，并对程序进行注释
第9-10天：
学习西门子S7-200的编程软件STEP7MicroWinSP6，并在该软件中编写梯形图程序
第11天：
学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。
第12天：
将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。
第13-14天：
撰写课程设计报告。
主要参考资料
[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012,3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
指导教师签字
教研室主任签字
摘要
本文详细讨论舞台灯光的基本知识及发展和基于s7-200PLC的控制技术，介绍了舞台灯光的PLC控制系统的设计方案及其控制原理，用多种指令实现对舞台灯光中7组灯的控制，通过对时间继电器时间控制的改变可实现不同的灯光效果。
舞台灯光也叫“舞台照明”，简称“灯光”，舞台美术造型手段之一。
PLC简单易学,可靠性高。
其不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理能力更强大。
它比小型机的指令更丰富，适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程控制场合。
关键词：
舞台灯光；PLC；控制功能
1可编程控制器的概论
1.1PLC的定义
PLC英文全称Programmable Logic Controller，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控制的智能型舞台灯比传统的舞台灯控制优越的多。
1.2PLC的工作原理
PLC的工作原理：
电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：
噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。
1.3PLC的选型原则
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。
1、输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
2、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟量I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按次数的25%考虑余量。
控制功能的选择：
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
3、运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高等级运算功能。
随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通讯，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。
要显示数据时需要编译和编码等运算。
2PLC控制与继电器控制的比较
2.1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。
它们比以往的产品具有更高的可靠性。
但是，这也是随之带来了一些问题。
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物力去改制、安装和调试。
2.2PLC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1/10--1/100，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1/2-1/10。
2.3系统I/O分配
系统的I/O分配如表2-3-1所示。
表2-3-1系统I/O分配表
输入
输出
主机
实验模块
注释
主机
实验模块
注释
I0.0
K1
启动
Q0.0
1
灯1区
I0.1
K2
停止
Q0.1
2
灯2区
1M
24V
Q0.2
3
灯3区
0V-COM
开关公共端
Q0.3
4
灯4区
Q0.4
5
灯5区
Q0.5
6
灯6区
Q0.6
7
灯7区
1L、2L
24V
3舞台灯光的PLC设计
3.1舞台灯光设计要求
本设计要求应用PLC来控制舞台灯光的闪烁变化。
在设计中共有七个输出端口分别控制七组舞台灯的闪烁变换。
此外还有两个输入端口分别作为启动与停止控制端。
程序运行过程为当程序开始运行后舞台灯从灯1区开始依次点亮，两灯闪烁间隔为一秒。
当按下停止按钮后舞台灯停止闪烁。
3.2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、功能性原则
这一条也就是说大家在对演艺厅舞台灯光设计的时候必须符合功能的要求。
无论是哪一个角落的灯光设计都需要根据不同的空间、不同的场合、不同的对象选择不同的照明方式和灯具，并保证恰当的照度和亮度。
2、美观性原则
美观性原则设计是为了能够让自己的舞台灯光设计更加吸引人，灯光照明是装饰美化环境和创造艺术气氛的重要手段。
一般演艺厅的舞台灯光设计都是为了烘托出好的娱乐气氛。
所以在设计的时候一般非常注意这方面的设计原则。
3、经济性原则
在舞台灯光设计的时候在满足需求的同时要保证这一点原则，那才是整个舞台灯光设计的重点，所以你若是一名灯光设计师那么在给演艺厅舞台灯光设计的时候要注意这一点。
在观众区灯光照明设计是为了满足人们视觉生理和审美心理的需要，使演艺厅空间最大限度地体现实用价值和欣赏价值，并达到使用功能和审美功能的统一。
这就是我们所说的经济性原则。
4、安全性原则
安全性原则应当是整个演艺厅舞台灯光设计的重点，无论大家想设计一个什么样的灯光，在设计的时候一定要遵循这一设计的原则，在灯光照明设计要求绝对的安全可靠。
大家在设计的时候不要只追求美观而不注意它的安全设计。
其实整个舞台灯光设计中它应当算是设计的重点。
3.3舞台灯光设计梯形图
舞台灯设计梯形图如图3-3-1所示
图3.3.1程序设计梯形图
3.4舞台灯光设计流程图
舞台灯光设计流程图如图3-4-1所示
图3-4-1舞台灯设计流程图
心得体会
经过一个多月不懈的努力，终于完成了从舞台灯光的设计到论文的编写。
该课题是更具PLC及MCGS组态软件相关知识完成的。
成功的道路不是一帆风顺的，有这么一句话说的好“不经历风雨怎能见彩虹”，当然我设计该课题时也曾遇到过困难，其中难度最大的就是关于MCGS组态这方面的知识，但是经过同学们之间的讨论及不断的学习，与次同时在老师的帮助下渐渐地对MCGS组态软件有了进一步的了解。
对于变成这方面由于学习比较认真，关于这方面就没什么太大的问题。
整个设计在发现错误改正错误的过程下不断完善，到最后终于完成了。
本次设计使我能够更好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。
在做这次毕业实际的过程中使我学到了很多，我感到不论做什么事情，都要真真正正用心去做，才会使自己酵素成长，没有学习就不可能有实践的能力，没有自己的实践就不会有所突破，希望这次的经历能让我在以后的学习生活中不断成长与进步。
参考文献
[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社,2013.8
[2]梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].机械工业出版社,2012,3
[3]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].机械工业出版社,2006.1
课程设计成绩评定表
院系：
物理与电子工程学院班级：
姓名：
学号：
项目
分值
优秀
（x≥90%）
良好
（90%>x≥80%）
中等
（80%>x≥70%）
及格
（70%>x≥60%）
不及格（x<60%）
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
平时考核
20
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。
学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。
学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务。
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度。
课程设计报告
报告内容组织书写
20
结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。
结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰。
结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整。
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。
技术水平
20
设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。
设计合理、理论分析与计算正确，文献引用、调查调研比较合理、可信。
设计合理，理论分析与计算基本正确，主要文献引用、调查调研比较可信。
设计基本合理，理论分析与计算无大错。
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，文献引用、调查调研有较大的问题。
仿真/制作
40
实验数据准确，有很强的实际动手能力和计算机应用能力。
实验数据比较准确，有较强的实际动手能力和计算机应用能力。
实验数据比较准确，有一定的实际动手能力。
实验数据无大错。
实验数据不可靠，实际动手能力差。
指导教师签名
指导教师评定成绩
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