毕业设计-基于PLC的舞台灯光设计.doc
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西安航空职业技术学院毕业设计论文
基于PLC的舞台灯光设计
【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24只灯的控制，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
Abstract:
ThispaperdiscussesthebasicsofstagelightingandthedevelopmentandS7-200PLC-basedcontroltechnology,introducesthelightingofthePLCcontrolsystemdesignandcontroltheory,usingavarietyofstagelighting24waterlights,controlledbytimerelaytimeofchangeindifferentlightingeffectscanberealized.Lightingisalsocalled"stagelighting",referredtoas"light",stageartformoneofthemeans.PLCiseasytolearn,andhighreliability.Itnotonlyhastheswitchandanalogcontrolfunctions,alsohasanumberofmorecomputingpower,itscommunicationfunctionsandanalogprocessingmorepowerful.Itisricherthantheminicomputerinstructionforcomplexlogiccontrolsystemandcontinuousprocesscontrolsituations
Keywords:
StagelightingPLC
目录
引言 1
1可编程控制器的概论 1
1.1PLC的概述 1
1.2PLC的由来 1
1.3PLC的定义 2
1.4PLC的构成 2
1.5PLC的工作原理 3
1.6PLC的输入与输出 4
1.7PLC的基本性能指标 4
1.7.1PLC的主要特点 4
1.7.2PLC的功能 5
1.8PLC的选型原则 11
1.9PLC的发展趋势 11
2PLC控制与继电器控制的比较 13
2.1PLC控制与继电器控制两者区别 13
2.2控制继电器存在的缺点 13
2.3PLC相对于继电器线路的优势 14
3舞台灯光的PLC设计 16
3.1舞台灯光的设计原则 16
3.2舞台灯光系统的工艺要求 16
3.3本系统的PLC和扩展模块的选择 16
3.4舞台灯光工艺流程图 17
3.5舞台灯光的PLC设计 21
3.5.1元器件使用说明序表 21
3.5.2舞台灯光的I/O地址分配表 21
3.5.3舞台灯光设计外部接线图 22
3.5.4舞台灯光设计梯形图 22
3.5.5舞台灯光设计语句表 36
3.6舞台灯光设计模拟与调试 45
结束语 47
谢辞 48
文献 49
1
引言
目前，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。
在全球工业计算机控制领域，围绕开放式过程控制系统、开放式过程控制软件、开放式数据通信协议，已经发生巨大变革。
1可编程控制器的概论
1.1PLC的概述
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。
经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。
目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
1.2PLC的由来
早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
1、编程方便，现场可修改程序；
2、维修方便，采用模块化结构；
3、可靠性高于继电器控制装置；
4、体积小于继电器控制装置；
5、数据可直接送入管理计算机；
6、成本可与继电器控制装置竞争；
7、输入可以是交流115V；
8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；
9、在扩展时，原系统只要很小变更；
10、用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
这就是著名的GM10条。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制。
于1977年开始工业应用。
1.3PLC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。
1.4PLC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。
1.5PLC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.扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
1.6PLC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（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）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。
1.7PLC的基本性能指标
1.7.1PLC的主要特点
（1）高可靠性;1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4）采用性能优良的开关电源。
5）对采用的器件进行严格的筛选。
6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
（2）丰富的I/O接口模块;PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
（3）采用模块化结构;为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（4）编程简单易学;PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式对使用者来说不需要具备计算机的专门知识因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
（5）安装简单维修方便;PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行,各种模块上均有运行和故障指示装置便于用户了解运行情况和查找故障,由于采用模块化结构因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。
1.7.2PLC的功能
（1）逻辑控制
（2）定时控制（3）计数控制（4）步进（顺序）控制（5）PID控制（6）数据控制（PLC具有数据处理能力）（7）通信和联网（8）其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
可编程控制器的基本性能可用如下八条予以概括：
1、工作速度
工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度。
工作速度是PLC工作的基础。
速度高了，才可能通过运行程序实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能发挥PLC的多种多样的作用。
PLC的指令是很多的。
不同的PLC指令的条数也不同。
少的几十条，多的几百条。
指令不同，执行的时间也不同。
但各种PLC总有一些基本指令，而且各种的PLC都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。
这个时间当然越短越好，已从微秒级缩短到零点微秒级。
并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。
执行时间短可加快PLC对一般输入信号的响应速度。
从讨论PLC的工作原理知，从对PLC加入输入信号，到PLC产生输出，最理想的情况也要延迟一个PLC运行程序的周期。
因为PLC监测到输入信号，经运行程序后产生的输出，才是对输入信号的响应。
不理想时，还要多延长一个周期。
当输入信号送入PLC时，PLC的输入刷新正好结束，就是这种情况。
这时，要多等待一个周期，PLC的输入映射区才能接受到这个新的输入信号。
对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。
对急需处理的输入信号延迟多长时间PLC能予以响应，要另作要求。
为了处理急需响应的输入信号，PLC有种种措施。
不同的PLC措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。
一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。
这个效果可从两个方面来衡量：
一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。
多数PLC都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒。
性能高的、大型的PLC响应点数更多。
工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。
控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统。
这就是把工作速度作为PLC第一指标的原因。
2、控制规模
控制规模代表PLC控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟进行控制。
控制规模与速度有关。
因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长PLC循环的时间，也必然会延长PLC对输入信号的响应。
为了避免这个情况，PLC的工作速度就要快。
所以，大型PLC的工作速度总是比小的要快。
控制规模还与内存区的大小有关。
规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。
同时点数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。
这个区大，相应地内部器件也要增多，这些都要求有更大的系统存储区。
控制规模还与输入、输出电路数有关。
如控制规模为1024点，那就得有1024条I/O电路。
这些电路集成于I/O模块中，而每个模块有多少路的I/O点总是有数的。
所以，规模大，所使用的模块也多。
控制规模还与PLC指令系统有关。
规模大的PLC指令条数多，指令的功能也强，才能应付对点数多的系统进行控制的需要。
控制规模是对PLC其它性能指标起着制约作用的指标；也是PLC划分为微、小、中、大和特大型的标准。
3、组成模块
PLC的结构虽有箱体及模块式之分，但从质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。
在此，不妨把PLC的模块组成当作所有PLC的结构性能。
这个性输入刷新正好结束，就是这种情况。
这时，要多等待一个周期，PLC的输入映射区才能接受到这个新的输入信号。
对一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对急需响应的输入信号，就不能接受了。
对急需处理的输入信号延迟多长时间PLC能予以响应，要另作要求。
为了处理急需响应的输入信号，PLC有种种措施。
不同的PLC措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不同。
一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。
这个效果可从两个方面来衡量：
一是能否对几个输入信号作快速响应；二是快速响应的速度有多快。
多数PLC都可对一个或多个输入点作快速响应，快速响应时间仅几个毫秒。
性能高的、大型的PLC响应点数更多。
工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。
控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需作快速响应的系统。
这就是把工作速度作为PLC第一指标的原因。
4、内存容量
PLC内存有用户及系统两大部分。
用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。
系统内存是与CPU配置在一起的。
CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。
用户内存大小与可存储的用户程序量有关。
内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。
从发展趋势看，内存容量总是在不断增大着。
大型PLC的内存容量可达几十k，以至于一百多k。
系统内存对于用户，主要体现在PLC能提供多少内部器件。
不同的内部器件占据系统内存的不同区域。
在物理上并无这些器件，仅仅为RAM。
但通过运行程序进行使用时，给使用者提供的却实实在在有这些器件。
内存器件种类越多，数量越多，越便于PLC进行种种逻辑量及模拟控制。
它也是代表PLC性能的重要指标。
PLC内部器件有：
I/O继电器，或称映射区。
它与PLC所能控制的I/O点数及模拟量的路数直接相关。
内部继电器数，有的称为标志位数，代表着PLC的内部继电器数。
它与I/O继电器区相联系着，有时与后者相联系进行处理。
内部继电器多，便于PLC建立复杂的时序关系，以实现多种多样的控制要求。
一般讲，内部继电器数比I/O继电器要多得多。
有的内部继电器还可丢电保持，即它的状态（ON或OFF）、PLC丢电后，靠内部电池仍予以保持。
再上电后可继续丢电前的状态。
保持继电器可增强PLC控制能力，特别对记录故障，故障排除后恢复运行，更显得有用。
定时器，可进行定时控制。
定时值可任意设定。
定时器有多少，设定范围有多大，设定值的分辨率又是多少，这些都代表定时器件的性能。
计数器，可进行计数，到达某设定计数值可发送相应信号。
可进行什么样的计数，计数范围多大，怎么设定，有多少计数器，则是PLC计数器性能的代表指标。
数据存储区，用以存储工作数据。
多以字、两字或多字为单位予以使用，是PLC进行模拟量控制，或记录数据所必不可少的。
这个存储区的大小代表PLC的性能也是越大越好。
趋势也是越来越大。
小型机也如此。
如日本OMRON公司的CQM1机，其DM区就有6k字。
而过去同是小型机的C60P的DM区才64个字。
大型机的DM可达10K以至几十K。
此外还有其它一些内部器件，了解某PLC性能时，也都必须掌握它。
内部器件也是PLC指令的操作数，不弄清楚是无法编程的。
5、指令系统
PLC有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用PLC的重要方面。
你不懂PLC指令怎么编程，没有程序，PLC又怎么工作？
PLC的指令越来越多，越来越丰富。
功能很强的指令，综合多种作用的指令日见增多。
PLC的指令繁多，但主要的有这么几种类型：
基本逻辑指令，用于处理逻辑关系，以实现逻辑控制。
这类指令不管什么样的PLC都总是有的。
数据处理指令，用于处理数据，如译码，编码，传送、移位等等。
数据运算指令，用于进数据的运算，如十、一、X、/等，可进行整形数计算，有的还可浮点数运算；也可进行逻辑量运算，等等。
流程控制指令，用以控制程序运行流程。
PLC的用户程序一般是从零地址的指令开始执行，按顺序推进。
但遇到流程控制指令也可作相应改变。
流程控制指令也较多，运用得好，可使程序简练，并便于调试与阅读。
状态监控指令，用以监视及记录PLC及其控制系统的工作状态，对提高PLC控制系统的工作可靠性大有帮助。
当然，并不是所有的PLC都有上述那么多类的指令，也不是有的PLC仅有上述几类指令。
以上只是指出几个例子，说明要从哪几个方面了解PLC指令，从中也可大致看出指令的多少及功能将怎样影响PLC的性能。
除了指令，为进行通讯，PLC还有相应的协议与通讯指令或命令，这些也反映了PLC的性能。
6、支持软件
为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家都开发有关计算机支持软件。
从本质上讲，PLC所能识别的只是机器语言。
它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。
助记符语言是最基本也是最简单的PLC语言。
它类似计算机的汇编语言，PLC的指令系统就是用这种语言表达的。
这种语言仅使用文字符号，所使用的编程工具简单，用简易编程器即可。
所以，多数PLC都配备有这种语言。
梯形图语言是图形语言，它用类似于继电器电路图的符号表达PLC实现控制的逻辑关系。
这种语言与符号语言有对应关系，很容易互相转换，并便于电气工程师了解与熟悉，故用得很普遍，几乎所有的PLC都开发有这种语言。
由于它是用图形表达，小的编程器不好使用它，得有较大的液晶画面的编程器，才能使用它。
多数是在计算机对PLC编程时，才使用这种语言。
流程图语言，它也是图形语言，不过所用的符号不与电气元件符号相似，而与计算机用的流程图符号相似，便干计算机工作人员了解与熟悉。
流程图语言与符号语言也有一一对应关系，只是它对应的符号语言与梯形图的对应不一样。
熟悉计算机而又未从事过一般电气工作的人员，乐于用这种语言对PLC编程。
日本OMRON公司开发的F系列
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