舞台灯光控制Word格式.docx
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第一章．可编程控制器的概论
1.1PLC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）,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。
PLC外观图见图1.1.
图1.1PLC外观图
1.2PLC的构成说明
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。
图1.2PLC组成框架图
1.3PLC的输入与输出接口
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。
1.4PLC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。
1.5PLC的基本特点
（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:
①平均故障间隔时间长。
②故障修复时间（平均修复时间）短
·
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。
软件措施:
（1）有极强的自检及保护功能。
（2）配套齐全,功能完善,适用性强。
（3）易学易用,深受工程技术人员欢迎。
（4）系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造。
1.6PLC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所争论的焦点之一。
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,?
?
这种趋势也许不会继续发展下去。
随着软PLC（SoftPLC）?
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。
此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。
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:
（1）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IPC（IndustrialPC）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。
（2）丰富I/O模块,使PLC在实时性、精度、分；
得到改善和提高；
（3）进一步强化网络功能,以实现信息管理自动化；
场总线接口；
（4）多种编程语言并存,互补不足；
（5）硬件结构集成化、冗余化；
IntegratedCircuits）和表面安装；
同时,为了进一步提高系统的可靠性。
第二章．S7-300系列PLC的配置及组态
2.1S7-200系列PLC的硬件说明
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程设备、通信模块、触摸屏文本显示器等。
图2.1PLC组成框架图
2.2S7-200的硬件组态
S7-200的编程元件：
（1）输入继电器I；
（2）输出继电器Q；
（3）辅助继电器M（或称为位存储器）；
（4）外部输入寄存器PI；
（5）外部输出寄存器PQ；
（6）定时器T（共5种）；
（7）计数器C（共3种）；
（8）8数据块寄存器DB；
（9）本地数据寄存器L。
2.3CPU模块
CPU
221/222/224/226
集成I/O点：
10（6入4出）/14（8入6出）/24（14入10出）/40（24入16出）点；
程序空间4096/4096/12288/16384/24576B。
最大DI/DO
2516/256点；
最大AI/AO
35/32点；
最多7个扩展模块。
定时器/计数器256/256点；
高速计数器4/6点30kHz，2点20kHz高速输出；
模拟电位器1/2个，实时钟，1/2个RS-485接口；
4点输入中断，2个定时中断
（1～255ms）。
224XP：
2AI、1AO，2通信口，高速输入200kHz、高速输出100kHz。
PPI、MPI、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议；
使用STEP
7-Micro/WIN
32编程软件。
2.4课程设计的控制要求
舞台灯光系统设置如图所示：
图2.2灯光系统设置图
要求：
合上启动按钮后，按以下规律显示：
1→2、8→3、7→4、6→5→4、6→3、7→2、8→1→1、2→1、2、3、4→5、6、7、8→7、8→1、5→4、8→1、3、5、7→2、4、6、8→全部闪烁3次→9→10→1→2→3→4→5→6→7→8。
2.5PLC的选择
一共有两个数字输入量，10个数字输出量。
所以直接选取CPU模块即可完成该控制系统的设计，不需要进行拓展。
本次设计过程中使用的是CPU224。
CPU224的数字量I/O为14入10出。
如图所示：
图2.3S7_200CPU224
图2.4S7_200CPU224端子接线图
2.5.1PLC控制舞台灯系统的I/0分配表
表2.1PLC控制舞台灯系统的I/O分配表
PLC控制舞台灯系统的I/0分配表
输入/输出
电器元件
I/O地址
作用
输入
启动按钮
I0.0
启动系统
停止按钮
I0.1
停止系统
输出
1号灯
Q0.0
控制1号灯
2号灯
Q0.1
控制2号灯
3号灯
22Q0.2
控制3号灯
4号灯
Q0.3
控制4号灯
5号灯
Q0.4
控制5号灯
6号灯
Q0.5
控制6号灯
7号灯
Q0.6
控制7号灯
8号灯
Q0.7
控制8号灯
9号灯
Q1.0
控制9号灯
10号灯
Q1.1
控制10号灯
2.6控制系统I/O口分析
由舞台灯光系统设置图可知，一共有十盏灯的熄灭状态需要控制，输入量未知，但至少应该有启动和停止两个控制输入。
同时还必须在舞台灯光开始工作之前对所有的灯具进行检测，发现有灯具不能正常工作应当及时更换，为灯光系统的正常工作提供保障。
综上分析可知：
输入：
启动按钮，停止按钮
输出：
1号灯，2号灯，3号灯，4号灯，5号灯，6号灯，7号灯，8号灯，9号灯，10号灯
2.7硬件电路设计
该控制系统主要由十盏灯，两个启动按钮，以及SP_200CPU224组成。
表2.2控制电路中两个开关分别对应
启动/停止开关
检测开关
电路接线图如图所示：
图2.5硬件接线图
第三章.软件编程
3.1软件设计基本原理
对于常通类负载，其控制十分简单，只需一次接通或者断开就可以实现。
虽然变换类以及流水闪烁类的控制方法多种多样，但是只要彩灯能按指定的节拍或者花本次plc控制程序设计是基于彩灯的一般控制方法——环形分配器原理。
式闪烁就可以满足控制要求。
而比较规范的设计方法是“环形分配器法”。
该方式就是产生一个钟节拍和一个花式节拍，节拍钟内的长针按照节拍步进，步进节拍长短按照花灯闪烁的时间间隔进行设置，本实验中设置为8步，分别是v2.0,v2.1,v2.2,v2.3,v2.4,v2.5,v2.6,v2.7，每步安排不同的输出，带动彩灯进行不同的花式闪烁。
同时还设置有短针，每当长针走过一圈，完成一次循环之后短针便要前进一步，本次设计中讲短针的一圈设置为v3.0，v3.1，v3.2对应选通不同的译码输出电路。
3.2编程梯形图
当按下I0.0之后结束扫描结束程序，当按下I0.1之后进行一次检测，I0.2之后开始按控制要求进行闪烁，此时对VB2.0置1，此时没有对VB3进行操作，即VB3=0，此时网络8选通进行写操作，VB2进行移位，对应8个不同的输出样式，1→2、8→3、7→4、6→5→4、6→3、7→2、8。
此时VB2.7=1，长针走过一圈，VB2.7下降沿时候对VB3.1置1，然后开始第二个循环移位过程，即长针走第二圈，网络9的输出选通VB2循环移位时对应1→1、2→1、2、3、4→5、6、7、8→7、8→1、5→4、8→1、3、5、7。
然后当VB2.7=1时VB2进行新一轮的移位，VB3也进行移位，2、4、6、8→全部闪烁3次，此时的状态变化过程是2、4、6、8→全部灭→全部亮→全部灭→全部亮→全部灭→全部亮→全部灭，网络10进行输出。
然后VB2VB3再次移位，控制9→10→1→2→3→4→5→6循环，循环结束再次移位VB2VB3，对7→8输出，最后当VB2.2=1时候结束程序。
I0.1为检测开关选择SBR_5点亮所有灯具，以观察是否是灯具损坏。
I0.2为启动停止开关，闭合时给VB2.0VB3.0置位z
而下图中网络五的作用则是在所有花式闪烁结束后重新给VB2.0VB3.0置位开始新一轮的循环闪烁。
3.3子程序输出编码
下面列出每个控制不同花式的输出子程序控制灯具是对应的状态表
表3.2SBR_0状态对应表
点亮的灯具编号
对应VB2状态
1
00000001
2、8
00000010
3、7
00000100
4、6
00001000
5
00010000
00100000
01000000
10000000
由上表可知，当灯具1点亮的时候对应VB2的状态为00000001，其余灯具点亮时VB2的状态也一目了然，不再赘述。
现在以SBR_0为例讲解输出编码，下表为个灯具的控制位。
表3.3SBR_0控制状态对应表
由VB2.X控制点亮
2
1、7
3
2、6
4
2、5
6
5、3
7
6、2
8
7、1
9
VB3.0非
10
上表中可知灯具1由VB2.0控制点亮，灯具2由VB2.1和VB2.7控制点亮，而9和10则是有VB3.0的非控制点亮，因为调用SBR_0时VB3DE低五位为00001。
据此可以设计出SBR_0的输出梯形图，其余子程序的设计于此相似，不再赘述，现在给出对应的状态表。
下面给出子程序SBR_0到SBR_5的梯形图。
表3.4SBR_1状态对应表
1、2
1、2、3、4
5、6、7、8
7、8
1、5
4、8
1、3、5、7
上图为子程序SBR_1
上图为子程序SBR_2
表3.5SBR_2状态对应表
2、4、6、8
全灭
全亮
表3.6
表3.7
表3.8SBR_5状态对应表
对应M2.1状态
3.3子程序调用/输出效果
表3.1子程序调用及输出效果表
子程序名
调用条件
（VB3低四位）
输出效果
SBR_0
00001
1→2、8→3、7→4、6→5→4、6→3、7→2、8
SBR_1
00010
1→1、2→1、2、3、4→5、6、7、8→7、8→1、5→4、8→1、3、5、7
SBR_2
00100
2、4、6、8→全部闪烁3次
SBR_3
01000
9→10→1→2→3→4→5→6
SBR_4
10000
7→8
SBR_5
M2.1=1
控制10盏灯全亮
由表可知VB3的低五位的不同状态来调用子程序进行输出写操作，前边四个子程序SBR_0到SBR_4按顺序显示不同的花式输出。
SBR_5当M2.1=1时候被调用控制10盏灯全亮，进行一次灯具检测，观察是否有损坏灯具，如果有灯具不亮则要进行更换以保证舞台灯光能够正常工作。
程序语句表：
STL程序设计：
TITLE=PROGRAMCOMMENTS
Network1
//检测按钮
LDI0.1
=M2.1
Network2
LDM2.1
CALLSBR5
Network3//NetworkTitle
//开始闪烁
LDI0.2
=M2.2
Network4
//每隔0.5s产生一个脉冲，并在程序启动时给v2.0和v3.0置1
LDM2.2
LPS
ANT37
TONT37,+40
LPP
EU
MOVB1,VB2
MOVB1,VB3
Network5
LDV2.1
ED
AV3.4
Network6
//对VB2进行移位
LDT37
RLBVB2,1
Network7
//每当VB2完成一次循环移位便对VB3进行移位
LDV2.7
AV3.0
AV3.1
OLD
AV3.2
AV3.3
RLBVB3,1
Network8
//1→2、8→3、7→4、6→5→4、6→3、7→2、8
LDNV3.2
ANV3.1
CALLSBR0
Network9
//1→1、2→1、2、3、4→5、6、7、8→7、8→1、5→4、8→1、3、5、7
LDNV3.3
ANV3.2
ANV3.0
CALLSBR1
Network10
//2、4、6、8→全部闪烁3次
ANV2.1
CALLSBR2
Network11
//9→10→1→2→3→4→5→6
LDV3.3
CALLSBR3
Network12
//7→8
LDV3.4
ANV2.2
CALLS
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