1、 西安航空职业技术学院 毕业设计论文1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 PLCAbst
2、ract: This paper discusses the basics of stage lighting and the development and S7-200 PLC-based control technology, introduces the lighting of the PLC control system design and control theory, using a variety of stage lighting 24 water lights, controlled by time relay time of change in different li
3、ghting effects can be realized. Lighting is also called “stage lighting“, referred to as “light“, stage art form one of the means. PLC is easy to learn, and high reliability. It not only has the switch and analog control functions, also has a number of more computing power, its communication functio
4、ns and analog processing more powerful. It is richer than the minicomputer instruction for complex logic control system and continuous process control situationsKey words: Stage lighting PLC 西安航空职业技术学院 毕业设计论文1毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰
5、写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 西安航空职业技术学院 毕业设计论文1注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标
6、准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术
7、标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它西安航空职业技术学院 毕业设计论文1目录引言 .11 可编程控制器的概论 .11.1 PLC 的概述 .11.2 PLC 的由来 .11.3 PLC 的定义 .21.4 PLC 的构成 .21.5 PLC 的工作原理 .31.6 PLC 的输入与输出 .41.7 PLC 的基本性能指标
8、.41.7.1 PLC 的主要特点 .41.7.2 PLC 的功能 .51.8 PLC 的选型原则 .111.9 PLC 的发展趋势 .112 PLC 控制与继电器控制的比较 .132.1 PLC 控制与继电器控制两者区别 .132.2 控制继电器存在的缺点 .132.3 PLC 相对于继电器线路的优势 .143 舞台灯光的 PLC 设计 .163.1 舞台灯光的设计原则 .163.2 舞台灯光系统的工艺要求 .163.3 本系统的 PLC 和扩展模块的选择 .163.4 舞台灯光工艺流程图 .173.5 舞台灯光的 PLC 设计 .213.5.1 元器件使用说明序表 .213.5.2 舞台灯
9、光的 I/O 地址分配表 .213.5.3 舞台灯光设计外部接线图 .223.5.4 舞台灯光设计梯形图 .223.5.5 舞台灯光设计语句表 .363.6 舞台灯光设计模拟与调试 .45结 束 语 .47谢 辞 .48文 献 .49西安航空职业技术学院 毕业设计论文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
10、程控制器的概论1.1 PLC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。1.2 PLC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
11、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；西安航空职业技术学院 毕业设计论文2 8、输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接
12、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
13、国从 1974 年开始研制。于 1977年开始工业应用。1.3 PLC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
14、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
15、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。1.4 PLC的构成西安航空职业技术学院 毕业设计论文3 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。1.5 PLC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
16、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
17、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
18、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。西安航空职业技术学院 毕业设计论文4 (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。1.6 PLC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
19、，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
20、。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
21、.7 PLC的基本性能指标1.7.1 PLC 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，其滤西安航空职业技术学院 毕业设计论文5 波时间常数一般为 1020ms。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
22、 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
23、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。1.7.2 PLC 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）
24、 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，西安航空职业技术学院 毕业设计论文6 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
25、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
26、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
27、 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
