舞台灯光控制系统设计

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计题目：舞台灯光控制系统设计姓 名： 学 号： 专业班级： 指导教师： _ 日 期： 2017.6.14 电子信息工程学院太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程学院 时间：2017年3月1日学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目舞台灯光控制系统设计主要研究内容 掌握PLC控制系统的设计方法，掌握PLC的编程方法，利用PLC实现舞台灯光控制系统的设计。研究方法原理设计主要技术指标(或研究目标)1、掌握PLC控制系统的设计方法。2、完成控制系统硬件设计，给出控制系统原理图。3、完成控制系统软件设计，编制控制程序。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论1 1.1引言1 1.2国内外研究现状1 1.3研究该课题的目的和内容2 1.4文章结构2第2章 系统功能需求分析和设计方案4 2.1系统的功能需求分析4 2.2控制方案的选择5 2.2.1继电器控制的特点5 2.2.2 PLC控制的特点6 2.3系统建模6 2.4控制升降舞台的电机的调速方式8 2.4.1变频调速的控制方法8 2.4.2变频调速的方式9 2.5升降舞台的控制方法11 2.5.1两种同步控制方式的比较11 2.6系统的输入输出分析12第3章 硬件设计14 3.1系统整体概述14 3.2 控制器的选择15 3.3舞台灯的选型16 3.4变频器的选择17 3.5舞台灯光的 I/O 地址分配表17 3.6舞台灯光控制系统电气原理图19第4章 软件设计24 4.1 step7介绍24 4.2程序流程图24 4.3程序设计26 4.4 PID控制的设计29 4.4.1PID参数整定31第5章 系统测试32 5.1测试的目的32 5.2彩灯部分的仿真32 5.2.1仿真软件的选择32 5.2.2仿真过程32 5.2.3仿真结果35 5.3升降舞台的仿真36 5.3.1仿真软件的选择36 5.3.2 仿真结果36第6章 结论39致谢40参考文献41附录42摘要为了解决解决过去简单机械式的舞台灯光控制方式的效率低和效果差的问题和升降舞台无法同步升降而导致演出事故时有发生的问题。本文设计了一种基于西门子s7-200的舞台灯光控制系统。本次设计中，针对舞台灯数量较多，且闪烁效果多变的特点。结合PLC控制的优点，通过PLC的多种程序指令实现对舞台上28盏灯亮灭的控制。通过对时间继电器的控制来实现不同的闪烁效果。通过S7-200Sim2.0仿真证明采用PLC控制能够稳定控制舞台灯光有规律的亮灭，达到了预期的设计目的。其次，针对升降舞台同步控制系统大惯性、非线性、时变性等特点，结合常规PID控制的优点，提出了PID控制算法用于升降舞台系统的同步控制。通过MATLAB仿真证明采用PID控制算法能达到系统同步性、快速性、稳定性的要求。 关键词：舞台灯光，PLC控制，同步升降ABSTRACTIn order to solve the issue that the way of simple mechanical stage lighting control mode is low efficiency and poor effect and platform lift cannot be synchronized lifting so that cause stage accident happened from time to tome. This graduation project is about a stage lighting control system based on Siemens s7-200. In this design, the number of stage lamps is large, and the characteristics of the flicker are varied. Combined with the advantages of PLC control, the control of 28 lights on stage is realized through PLC. Different flicker effects are achieved by controlling the time relay. Through the s7-200sim2.0 simulation, it is proved that PLC control can control the lighting of stage stably, and achieve the desired design goal. Secondly, in view of the lifting stage synchronization control system of big inertia, nonlinear and time-varying characteristics, combined with the advantages of conventional PID control, PID control algorithm is proposed for elevator stage of synchronous control system. MATLAB simulation shows that the PID control algorithm can meet the requirements of system synchronization, speed and stability.Key words: stage lighting，PLC control，synchronous lift第1章 绪论1.1引言 随着科学技术的不断发展以和人们审美水平的不断上升。在现代生活中，彩灯作为一种装饰可以用在很多场合。它不但可以增强美感还可以通过选择彩灯颜色以和控制彩灯的亮暗频率来烘托出特定的氛围。随着科技的发展，PLC技术在国内外控制领域中异军突起，在实际生活中的应用越来越广泛。在这个发展的过程中，人们不再仅仅满足于系统功能的多样性，而是更多的要实现系统的自动化与智能化。这样不但可以提高效率，还可以使人类从繁冗的工作中得以解脱。使得人们把更多的精力放在产品研发上。同时也提高了产品的质量，减少了系统出错的几率。本论文设计了一个舞台灯光控制系统，它多用于宴会厅，酒吧等场所。系统采用PLC控制的方法，最终实现了一定的控制效果。1.2国内外研究现状 在工业自动化控制领域，PLC始终都占有一席之地，为许许多多的自动化系统提供了可靠稳定的控制。它可操作性强，不但可以使得很多复杂的控制变得简易，而且还可以提供快捷的控制。但是目前看来，PLC还必须要面对其他新的技术所带来的挑战与冲击。所以PLC目前依然需要不断的技术革新来满足当下大的市场环境。 舞台灯光是根据舞台艺术演出的法则和特定的表演需求而设计的。其目的在于配合各种表演艺术来营造烘托出相应的氛围。随着人们生活水平的提高，对于一些娱乐产业中类似宴会厅歌剧院的场所的要求越来越高。从运用方面来说，我国在舞台灯光的美观设计上的技术已经非常成熟，只是在舞台灯光系统的实际控制方面稍有欠缺。 伴随着科学技术的不断进步，在研究人员的不断努力下，一大批高效节能的照明灯陆续问世。从最初的白炽灯到现在的各式各样的节能灯，无一不为我们展现出科技的进步。相比之下，新型的照明灯具比以往的照明灯更加的环保、节能和高效。除此之外，照明效果也有了质的提升。在安全方面，这些灯大都配置了红外反射膜，这样可以减少大量的热辐射从而延长了照明灯具的使用寿命也大大增加了演艺人员在演出时的安全系数。 在国际潮流和科技的推动下，舞台灯光正朝着多元化的方向快速发展。在原有的的高效、节能、安全、便携等优点的基础上，舞台灯光正在朝着功能多样性和种类多样性的方向发展。同时随着自动化技术的飞速发展，舞台灯光系统的自动化程度也日益提高。 在升降舞台的研发方面，我国也已经付出了很多年的努力，技术也日趋成熟。但是如何更大程度的提高系统的安全性依然是一个无法完全解决的难题。由于升降舞台的控制的不严谨性，演出事故也是时有发生。例如旋转舞台的失控，导致在演出结束时演员无法正面对观众。还有，由于多块升降舞台的的不同步性，导致在某一平面时多块升降台无法处于同一水平面，从而引发演员摔倒或者坠落的演出事故。因此，实现舞台的同步控制就显得尤为重要了。1.3研究该课题的目的和内容本系统设计了一个自动化的舞台灯光控制系统，可以用于酒吧或者宴会厅的闪烁灯。所谓自动化就是指不需要人过多的干预就能够自动的配合舞台氛围或者场景的需要来达到控制一些灯的亮暗以和它们的闪烁频率的目的。本次设计通过PLC的控制，使舞台灯光的亮暗闪烁更加自动化和多样化。我首先选择了PLC的型号，我选取了西门子S7-200系列的CPU226可编程控制器。然后进行了输入和输出的分析。在进行完这些准备工作后，我开始对舞台灯进行一定的空间布置。我一共选取了28盏彩灯，其中有4盏彩灯为旋转彩灯，由四台电机带动旋转。剩余的24盏是固定彩灯。我将24盏彩灯均匀分布在3个椭圆形光道上，每个光道由大到小依次嵌套，并且每个光道上都安装8盏彩灯。其中最外侧和最内侧的光道上的灯为闪烁灯，中间光道的灯为常亮灯，保证舞台最基本的照明。最后就是绘制电气原理图和编程了。绘制原理图我使用到了AUTO CAD2014这一软件。在绘制系统的I/O表时，考虑到所选用的CPU输出点不够，所以我增加了三个拓展模块来满足我的设计要求。本系统还带有舞台升降的部分以和还带有风扇泡泡机和烟雾机。在升降舞台部分包括两块独立的升降台，为了安全起见，在起降时应当达到同步起降的效果。在需要时，按下相应的开关即可。1.4文章结构本文分为六章。第1章为文章的绪论，主要介绍课题研究的背景以和国内外的现状。第2章为课题的设计方案，主要介绍了系统控制方案的选择、舞台灯光的工艺要求以和舞台升降舞台的同步控制方法，还有控制升降舞台的电机的调速方法。第3章是系统整体的硬件设计，对PLC的型号选择、CPU的型号的选择、舞台灯的选型进行了一定的概述。最后本章还给出了系统的电气原理图和I/O分配表。第4章是软件设计部分，主要包括对step7软件的介绍、程序流程图和对部分模块的程序的解释说明还有系统的建模和PID控制设计部分。第5章为系统测试，包括两部分。第一部分介绍了介绍了仿真软件。第二部分对仿真结果做了一定的解释。第6章为本文的结论。第2章 系统功能需求分析和设计方案本章节主要介绍了舞台灯光控制系统的设计方案。主要包括舞台灯光的空间布局和其工艺要求。为了安全，还增加了扩声系统的配电要求。最后介绍了升降舞台部分的设计思路以和控制方法。2.1系统的功能需求分析舞台灯光的设计宗旨是配合舞台表演的需要来营造出一种艺术氛围，给观众带来美的享受。本文中，舞台灯光的空间布置要科学实用。既要美观，满足演出需求，又要避免照明死区。各种灯光的亮灭可以根据需求灵活组合。在需要时还控制舞台升降、开启烟雾机和风扇泡泡机来配合灯光营造表演氛围。1.顶光系统设计配置需求 本研究方案一共控制24盏闪烁灯，24盏灯均匀分布在三个椭圆形光道上。每个光道由8 盏灯组成。中间光道的8盏灯依次为L1-L8，设定为常亮灯，作为舞台的主要光源。内光道由L9-L16组成，外光道由L17-L24构成，设定为闪烁灯，闪烁频率为0.5秒。投射方向多变，可根据需求刻画人物和突出表演效果。如图2.1为闪烁灯的空间布置图。图2.1闪烁灯的空间布局图2.旋转灯光的设计配置需求 舞台正上方的前后左右四个位置分别安装一个旋转彩灯。每个旋转彩灯分别由一台电机带动。由于旋转彩灯的所需功率较小，所以这里选择YS-7134型号的电机。通过对电机的转速进行控制来控制旋转彩灯的转速。四个电机由一台变频器拖动。这样可以保证四个旋转彩灯的同步性，以达到美观的效果。3.灯光换色器设计配置需求 部分灯安装换色器，根据表演的需要给灯换以不同的，烘托表演氛围，增加舞台表演的多样性。4.升降舞台的设计配置需求升降舞台的整个行程为舞台平面下2m到舞台平面上1m。整个升降舞台由两个单独的平行升降台构成，如图2.2所示。两块升降台分别通过两台电机来拖动。这里电机选择Y180M-2型三相异步电机，该型号电机效率高、节能好、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。电机主轴通过减速器与柔性齿轮条的结合，把电机的旋转运动变为舞台的上升与下降。 升降台2 升降台1图2.2升降舞台俯视图5.音响系统供电配置需求灯光和音响是舞台表演的两大重要组成部分。对于舞台表演艺术来说，二者同等重要。所以为了安全和演出效果不受干扰，现对音响扩声系统的配电提出以下要求： 音响扩声系统的配电与舞台灯光的配电完全分开，并且要有稳压处理。在变压器部分，音响扩声系统和舞台灯光系统也应当独立使用。扩声系统供电容量AC220V/10KVA，有条件的话，最好二路供电，主、备自动切换。为了防止电磁干扰，电力管线与音响管线应尽量交叉放置，若平行则必须保距离持50厘米以上的。2.2控制方案的选择2.2.1继电器控制的特点 如今继电器已经应用到国内生产的方方面面，在一些小型系统的控制上，继电器控制因为其控制方式单一，所以更加的容易实现。但是这也是随之带来的一些问题。继电器控制是通过硬件接线的方式来实现的。当控制系统较大或者系统的输出较多时，继电器控制的接线就会非常复杂，占用的资源也较多。当系统形成后，很难对系统的功能进行调整。系统的可扩展性受到很大的限制。同时，由于系统的触点和连线较多，所以给后期对系统的维护和维修都带来了极大的不便。2.2.2 PLC控制的特点PLC即为可编程逻辑控制器的简称。PLC控制具备以下优点1、功能强大，实用性高。2、稳定性好，抗干扰能力强。3、系统易于调试操作。4、编程方法简单5、系统易于维护与维修。6、占用空间小，能耗低。PLC的弊端是PLC的体系较为闭塞与独立，当用户选择了一种PLC后，必须选择相应的控制规则，学习相应的语言。 本控制系统输出点较多，如果使用继电器控制则浪费成本并且在多个输出同时工作的情况下，控制过程较为繁冗，还会产生大量的热量造成安全隐患。并且在改变灯光的控制规律时PLC控制更加方便。所以我选择PLC控制。2.3系统建模异步电机数学模型的建立：异步电机的电磁转矩为： (2.1)式中：m相数，一般取m=3；p电机极对数；s转差率；、定子的相电压、定子的角频率；、定子每相电阻、转子每相电阻； 、定子每相漏感、转子每相漏感； 异步电机在正常工作的情况下，其临界滑差率一般较大，即转差率S小。所以有 ，即为： （2.2） 将带入式（2.2）得 （2.3）式中：、同步转速、实际转速r/min；电机在调速过程中，与的比例关系基本恒定，得到，为变频调速增益，则 （2.4）其中,则： （2.5)根据电动机铭牌上标明的各个额定参数：功率，电压，转速，可计算出 ; 将结果带入式（2.3），可推导出未知数: (2.6)进而可得的值。由电机机械运动方程： （2.7）式中：工作机械负载转矩，N.m；电动机和负载转动惯量，kg.；转动惯量，kg.将式（2.5）带入（2.6）得： （2.8）式2.16经拉式变换得： （2.9）得到电机传递函数近似为： （2.10） 2.4控制升降舞台的电机的调速方式2.4.1变频调速的控制方法在本文中，升降舞台通过电机来带动，所以要想控制舞台的同步升降，只要控制了电机转速的同步性就可以控制升降舞台的同步性。控制电机的转速就涉和到电机的调速。变频调速是常用的电机调速的方式。概括来说，变频调速是通过改变电源频率来调整电动机转速的连续平滑调速方法，改变电机电源来改变其转速。 在变频调速领域，异步电机在调速时保持恒定的转差功率，其效率高、动态性能好的优点使其占有不可替代的地位，更有着不可比拟的优势。该方式能够从根本上入手，对电机施行控制，其控制思想是根据系统的稳态方程的变换研究得来的，由电机学理论知识得知： 首先定义转差率 s 为： （2.11） 由式(2.11)经代数变换得： （2.12）由于 （2.13）将式(2.13)带入式(2.14)，则有异步电机转速公式： （2.14）式中：同步转速，r/min；n机械转速；定子电源频率，Hz；P电机的极对数；S转差率。由公式(2.14)可知，要使电机的转速发生改变，可通过以下三种参数的调整来实现：电源频率、极对数、转差率。通常情况下，极对数和转差率会保持不变，因此只能靠改变供电电源的频率，来使发生相应变化，进而实现电机转速的调整。 2.4.2变频调速的方式由电机学可知： （2.15） 式中： 定子每相绕组感应电动势； 定子绕组的每相串联匝数； 基波绕组的系数； 每极气隙的磁通量； 忽略定子阻抗压降，得到： （2.16）由(2.6)看出，如果电压保持不变，那么随着与气隙的磁通量 成反比关系，即 增大则变小，若变小则增大。 异步电动机的转矩表达式如下： （2.17）式中： 异步电机转矩系数；转子绕组电流；转子绕组功率角； 可见，如果减小，则电机的输出转矩M也会减小，最终使电机的效率变低，同时，电动机的最大转矩也受到影响，严重时会导致电机堵转；所以在大多数情况下会选择恒压频比控制。在电机调速的时候，一般情况下应尽量将每极磁通量控制在系统规定的数值上下。假如磁通量很低，则意味着电机铁心存在很大的浪费，没有资源的合理有效应用；但假若一味提高磁通量，那么铁心会饱和，甚至电机会因为绕组过热而被烧坏。直流电动机有独立的励磁系统，所以要保持磁通恒定主要以补偿电枢反应的方式来实现。不同的是，异步电机中的磁通是由定子和转子磁动势共同合成，所以要想保持磁通恒定就没那么容易了。 由公式(2.5)可知，想要保证气隙磁通量恒定，就要使电源频率 从额定值慢慢降低的过程中，调节感应电动势的大小： （2.18）但是，由于感应电动势的调节比较困难，所以当电动势处于较大的值时，定子压降可以忽略，此时，故： （2.19） 以上即为恒压频比控制。2.5升降舞台的控制方法升降舞台通过电机来带动。一般的升降舞台的升降速度大约为1m/S.对电机启动加速时间进行设置，来控制电机的加速时间，进而控制舞台的上升时的加速时间。在舞台停止时，还应当设置减速点，当舞台上升到减速点位置时，舞台开始减速，到达停止点时（即限位开关），舞台停止上升。这里加速时间设置为电机启动后，速度在0.5s内达到1000r/min然后保持匀速转动，到达减速点，速度时在0.5s内转速变为0。按下下降按钮时，舞台开始下降，电机的转速在0.5s内达到1000r/min，到达减速点时，舞台开始减速，达到停止点时，舞台停止下降。这里的电机以和旋转彩灯所用到的电机启动方式均为变频启动，这样可以节约能源，减少大电流对绕组的冲击，延长电机的寿命。为了安全起见，升降舞台的两块升降台应当达到同步控制的效果。这里我选择同步控制误差小于30mm的标准，这样在安全和视觉两方面均可以有很好地保证。2.5.1两种同步控制方式的比较升降舞台的同步控制的思路分为两种。第一种称为并行控制。这是一种最简单的控制方式。顾名思义，并行控制就是将多台电机采取并联的方式，各个升降台的调速系统都接受相同的信号来控制电机的转速。这种方式容易实现，但是抗干扰能力较弱。如图2.3就是并行控制的示意图。图2.3并行控制示意图另一种是主从控制，它是将两台电机分为主电机和从电机。主电机的输出值就是从电机的输入值。也就是说从电机的输出可以跟随主电机的输出来进行调整。而从电机的输出不会影响主电机，这样安全性和整体性都大大提高。如图2.4就是主从控制的示意图。所以选择主从控制的方式更加能够保证系统的整体性和同步性，从而提高安全性。图2.4主从控制示意图现代升降舞台系统中，由于舞台运动过程中存在负载不均匀 ，摩擦阻力大小不一等因素，因此舞台同步控制是一个复杂、时变动态过程，存在非线性、大惯性的特征。传统 PID 控制算法简单，可靠性较高，应用设计简便，应用广泛，对于确定数学模型的系统可以获得最好的控制效果。所以PID控制在舞台同步控制方面仍然占有一席之地。在本次设计中采用PID控制来实现两块升降台的同步升降。2.6系统的输入输出分析针对上述中的对控制方案的描述，现总结得出系统的输入输出。系统共有8个输入，29个输出。输入分别为启动按钮，停止按钮，舞台上升按钮，舞台上减速按钮，舞台上停止按钮，舞台下降按钮，舞台下停止按钮，舞台下减速按钮。输出为各个舞台灯的亮暗和带动升降舞台，旋转彩灯和风扇泡泡机的各个电机的变频启动和工频运行。 综上所述本章总体介绍了舞台灯光控制系统的设计思路。分别对灯光控制系统部分以和升降舞台部分的设计思路以和设计需求做了介绍。在舞台灯的空间布局完成后，我初步选择了一套闪烁灯的闪烁方案。在升降舞台部分，我选择了主从控制的控制思路，运用PID来达到两块升降台同步控制的效果。在升降舞台的调速上，为了提高电机的输出效率，我选择了恒压频比的调速方式。最后对系统整体的输入输出做了分析，第3章 硬件设计 本章节讨论了硬件的选型。主要包括PLC的选型，CPU的选型，舞台灯光的选择以和变频器的选择。本章节还给出了舞台灯光的I/O表和电气原理图，并分别对其做出了一定的解释。3.1系统整体概述 系统总体分为输入单元、输出单元、和CPU。输入单元由输入按钮，输出按钮组成。输出单元由28盏灯和升降舞台、烟雾机和风扇泡泡机组成。编写的程序存放在存储器中。 如图3.1，当按下启动按钮时，PLC开始工作，CPU开始执行相应的程序来控制某些继电器的触点的闭合或者断开。此时控制旋转彩灯的继电器触电闭合，控制灯L1-L7的继电器触电也闭合，所以常亮灯的8盏灯变亮。且会持续到停止按钮按下。同时，如果演出需要，则可以开启烟雾机制造烟雾，也可以开启风扇泡泡机，共同配合灯光营造出特定的演出氛围。最后还设置了急停按钮。万一出现意外情况，则可以按下急停按钮，所有的继电器触电全部断开，避免造成不必要的损失。图3.1舞台灯光控制系统结构图3.2 控制器的选择目前市面上市场占有率较高的PLC品牌有三种，分别是西门子PLC，三菱PLC和欧姆龙PLC。三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，但是三菱PLC模拟量模块价格较为昂贵，程序也较为复杂。欧姆龙PLC使用较为方便，价格较低。适合小型系统的控制，但是其稳定性欠佳。西门子PLC价格适中抗干扰能力比较强，也比较耐用，维护率，损坏率比较低。最重要的是西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单。而本文中对大量彩灯的控制均为模拟量。所以综合考虑后，我选择了西门子品牌的PLC。而S7系列的PLC又是西门子PLC中最为经典的，所以我选择西门子S7系列的PLC。1、S7-300S7-300针对适用于低性能且结构模块化的中小型控制系统，其优点是结构高度模块化，很容易就可以实现配置分布化，不论从电磁兼容性还是抗震冲击性能上其性价比都非常高，这也是它被广泛应用于众多的工业控制领域的原因。另外它也可在很多不同的CPU模块中选择使用，扩展模块更是多达32个模块。这使得它变的很强大。2、SIMATIC S7-400(产于德国西门子公司）S7-400 PLC的性能偏中、高档，广泛应用于机械行业，它较S7-200和S7-300而言处理速度快，通讯能力更强，采用免风扇的模块化形式，保证了其安全可靠性，多种CPU、通用功能模块使得S7-400 PLC可以根据不同的需求组合成不同的系统。还有一个特出的优点是其只需要增加少许的模块即可在控制系统的范围变大的时候使系统满足其需求。3、S7-200S7-200 PLC是小型化的PLC种类，它适用性强，与自动化检测和控制有关的工业领域都将S7-200 PLC广泛的应用其中，性价比高，在各种行业、场合中都能自动检验、监测并控制，它的功能很强大，不管是单机运行还是以网络形式运行都能够将复杂的控制完成，安全性、可靠性都很高，另外它的内容简单，很容易掌握并操作，丰富的指令集、内置集成功能、扩展模块以和超强的通讯能力更是让这个产品实用无比。对三种不同的PLC进行比较，S7-300PLC和S7-400PLC的CPU模块、通信模块等等都适用于本系统。但结合实验室以和设备的型号特点，需要昂贵的经费支持。因此其设备控制的需求不高，性价比反而较低。而S7-200不仅完全符合应用要求，性价比还很高。最终选取S7-200PLC作为核心控制处理器。文章中所使用的是来自西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226可编程控制器。在本次设计中，一个输出点控制一盏灯，CPU226只有16个输出，所以需要增加扩展模块。西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有10点-100点输入输出点数的弹性构成。而且还可连接可编程控制终端。表3.1 CPU22X(CPU226)主要技术指标表型号CPU226程序/字4096用户数据/字2560用户储存器类型EEFPROM本机I/O24入/16出数字量I/O映像区大小/bit256最大模拟量输入输出32入/32出I/O映像寄存器/bit1281/和1280顺序控制继电器/bit2563.3舞台灯的选型 舞台的灯光排布分为3个椭圆形的光道。其中为舞台提供基本照明功能的是作为舞台主灯光的中间光道的8盏灯L1-L8。主灯光的作用除了提供基本的照明外还要能够正面勾勒演员轮廓和突出演员的表情。所以L1-L8我选取4台2KW的聚光灯和4台2KW的回光灯。聚光灯投射距离远，可以突出演员的轮廓，回光灯投射角度大，可以形成大的舞台光斑，提高舞台亮度并且增加美感。 在三条光道最里侧的光道上的8盏灯，主要负责对演员上方的区域和其他的一些舞台场景进行照亮，所以我选择4台2KW的聚光灯和4台2KW的柔光灯，并且交错放置。柔光灯光照强度较弱，可以凸显出演员衣着和其他场景的颜色。 在环形光道最外侧的8盏灯因为位置靠近外围，所以为侧光灯。用于制造一些影音区域来烘托一定的氛围。这里我选用2KW散光灯4台和2KW回光灯4台。 旋转彩灯则在舞台正上方的前后左右四个方位各安装一个。旋转彩灯使用工作电压为220V，功率为10W的LED旋转彩灯。3.4变频器的选择在本文中，升降舞台以和旋转彩灯部分均需要电机来带动。而电机的调速部分则由变频器来完成。我选择PLC同属西门子公司的MICROMASTER 440变频器。该变频器具有安全系数高。稳定性能好的特点。可以实现多种参数设定的自由切换。并且自身保护功能完善，可进行电压和欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护和PTC/KTY电动机过载保护等。图3.2是MICROMASTER 440变频器的示意图图3.2MM440变频器示意图3.5舞台灯光的 I/O 地址分配表（1）输入表3.2舞台灯光的输入序号名称输入点1启动按钮I0.02停止按钮I0.13舞台上停止I0.34舞台上减速I0.45舞台下停止I0.56舞台下减速I0.67舞台上升I0.78舞台下降I1.0（2）输出表3.3舞台灯光的输出序号名称输出点1Q0.0L1灯2Q0.1L2灯3Q0.2L3灯4Q0.3L4灯5Q0.4L5灯6Q0.5L6灯7Q0.6L7灯8Q0.7L8灯9Q1.0L9灯10Q1.1L10灯11Q1.2L11灯12Q1.3L12灯13Q1.4L13灯14Q1.5L14灯15Q1.6L15灯16Q1.7L16灯17Q2.0L17灯18Q2.1L18灯19Q2.2L19灯20Q2.3L20灯21Q2.4L21灯22Q2.5L22灯23Q2.6L23灯23Q2.7L24灯23Q3.0L25灯24Q3.1L26灯25Q3.2L27灯26Q3.3L28灯27Q3.4M1变频启动28Q3.5M1工频运行29Q3.6M2变频启动30Q3.7M2工频运行31Q4.0M3变频启动32Q4.1M3工频运行33Q4.2M4变频启动34Q4.3M4工频运行35Q4.4M5变频启动36Q4.5M5工频运行37Q4.6烟雾机38Q4.7风扇泡泡机39Q5.1舞台停止本控制系统的输出分配如表3.4所示，我设计的舞台灯具共28盏，CPU226的输出点共有十六个，一个输出点控制一盏灯的亮灭明显是不够用的。于是我就想到了添加扩展模块。这样可以使得每一个彩灯都可以独立工作，使烟雾机与风扇泡泡机也可以独立工作互不影响，提高系统的安全性。3.6舞台灯光控制系统电气原理图图3.3所示是变频一个变频器带动四个电机在一定转速下运行，这四个电机均为变频启动。M1-M4控制驱动旋转彩灯L24-L28的旋转。图3.4所示的是一个变频器带动舞台升降的电机转动以和带动风扇泡泡机和烟雾机工作的电机。其中M5驱动升降舞台的运行，M6带动风扇泡泡机的运行，M7带动烟雾机的运行图3.5显示的是彩灯与西门子PLC的连接方式。PLC电源使用直流24V电源。输出点Q0.0-Q0.7连接常亮灯L1-L8，Q1.0-Q1.7连接闪烁灯L9-L16。输入点SB1是启动按钮，SB2是停止按钮，SB8控制舞台上升，SB9控制舞台下降，SB10控制舞台停止。LS1是控制舞台上升停止的点，LS2是控制舞台下降停止的点，LS3是控制舞台上升时的减速点，LS4是控制舞台下降时的减速点。图3.6是拓展模块，同样接直流24v的电源。输出点Q2.0-Q2.3接闪烁灯L17-L20，Q2.4-Q2.7接闪烁灯L21-L24.图3.3旋转彩灯电机部分原理图图3.4升降舞台、烟雾机、风扇泡泡机部分原理图图3.5PLC输入输出部分原理图图3.7也是扩展模块，其中输出点Q3.0-Q3.3接旋转彩灯L25-L28。开关K1是M1电机变频启动，K2是控制M1电机工频运行。开关K3是M2电机变频启动，K4是控制M2电机工频运行。图3.8也为拓展模块，开关K5是M3电机变频启动，K6是控制M3电机工频运行。开关K7是M4电机变频启动，K8是控制M4电机工频运行。开关K9是M5电机变频启动，K10是控制M5电机工频运行。K11是控制烟雾机的开关，K12是控制风扇泡泡机的开关。图3.6拓展模块原理图1图3.7拓展模块原理图2图3.8拓展模块原理图3 综上所述，本章节重点介绍了舞台灯光控制系统硬件部分的的设计，主要介绍了各部分的主要工作原理和实现的功能以和电气原理图。有了硬件的基础，通过程序等软件的制作才能更好地实现所需要的效果。第4章 软件设计 本章节是舞台灯光控制系统的软件设计部分。首先对step7软件的功能做了一定的介绍，然后给出了整体的程序流程图和一些模块的程序设计。4.1 step7介绍STEP7作为西门子的主要软件部分，运用于可编程控制中。STEP7的作用不仅仅能实现硬件部分工作，更能使整个控制系统实现通信运行。STEP7软件工具包括SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件配置、网络配置。以下对这些工具进行详细的描述。SIMATIC作用是管理控制系统中的数据以和程序。符号编辑器管理着控制系统中的文字符号，存储器等的模块符号就是它给标注并识别的。硬件诊断工具顾名思义管理着控制系统的整体运行的状态，如果有些模块出现了故障等情况，就可以打开硬件诊断工具来清楚的看到到底是哪里出了问题，这样才能解决掉故障使系统能继续正常工作。编程语言是我们最熟悉的工具模块，包括梯形图、语言句以和功能模块图。其中，梯形图最大的优点在于简单易懂，在开关控制部分尤其加大对它的使用度。语言句作为编程语言的文本指示来编写系统需要的一步步程序。而功能图同梯形图一样也是系统的图形表示方法。硬件配置工具运用于对I/O口等参数的分配。网络配置工具主要控制着系统数据的传输。4.2程序流程图如图4.6为舞台灯光控制系统的流程图。本系统由28组灯组成，分别由PLC 的输出端口 Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.7、Q2.0-Q2.7以和Q3.0-Q3.3控制。按下启动按钮SB1后，旋转彩灯L25-L28开始亮起并且开始旋转。由Q0.0-Q0.7控制的灯L1-L8 亮，作为舞台的主光源，一直保持亮的状态。0.5秒后，由Q1.0、Q1.1控制的灯 L9、L10 亮0.5秒，然后由 Q1.4、Q1.5、Q1.6和Q1.7 控制的灯L13-L16亮0.5秒；然后，由Q1.2和Q1.3控制的灯L11、L12亮0.5 秒；然后由Q1.6和Q1.7以和Q2.0和Q2.1控制的灯L15-L18亮0.5秒；然后，由 Q1.4和Q1.5控制的灯L13、L14亮0.5秒；然后由Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3和Q2.4控制的灯L17-L20亮 0.5 秒；然后，由Q1.6和Q1.7控制的灯L15、L16亮0.5秒；然后由Q2.2、Q2.3、Q2.4和Q2.5控制的灯L19-L22 亮 0.5 秒；然后，由Q2.0和Q2.1控制的灯L17、L18 亮灯0.5秒；然后由Q1.8、Q1.9、Q2.0和 Q2.1控制的灯L21-L24 亮灯0.5 秒；然后，由Q2.2和Q2.3控制的灯L19、L20亮灯0.5秒；然后由Q2.6、Q2.7和Q1.0、Q1.1控制的灯L23、L24、L9、L10亮灯0.5秒；然后，由Q2.4和Q2.5控制的灯L21、L22 亮灯0.5秒；然后由Q1.0和Q1.1、Q1.2、Q1.3控制的灯L9-L12亮灯0.5秒；然后，由Q2.6、Q2.7控制的灯 L23、L24亮灯0.5秒；然后由Q1.2、Q1.3、Q1.4和Q1.5控制的灯L11-L14亮灯。然后从头开始循环直到按下SB2停止按钮后，所有灯都熄灭。该设计的舞台灯分为常亮灯和闪烁灯，给人们带来了一场视觉盛宴也满足了人们的审美心理的需要，使舞台背景空间最大限度地利用了PLC的价值，并达到使用功能和审美功能的统一。舞台灯光控制系统的控制流程图如图4.1。图4.1闪烁灯工艺流程图4.3程序设计（1）主程序设计图4.2主程序 图4.7所示为主程序部分，分别初始化调用升降舞台和的光控制部分的子程序。（2）旋转彩灯启动图4.3旋转彩灯部分程序 按下开始按钮，同时输出点Q3.4为控制旋转彩灯L25的电机M1开始变频启动，输出点Q3.6为控制旋转彩灯L26的电机M2开始变频启动，输出点Q4.0为控制旋转彩灯L27的电机M3开始变频启动，输出点Q4.2为控制旋转彩灯L28的电机M4开始变频启动这里启动加速时间为3秒钟。（3）旋转彩灯的电机切换到工频运行图4.4灯光部分程序1 如图4.9所示，当启动结束后，M1-M4开始以工作频率开始运行。输出点为Q3.5,Q3.7，Q4.1，Q4.3。（4）按下启动按钮后，0.5秒后L9-L10亮图4.5灯光部分程序2 如图4.10所示，按下启动按钮，输出点Q1.0和Q1.1控制的L9和L10开始点亮0.5秒。（5）0.5秒后L13-L16灯亮图4.6灯光部分程序3 如图4.11所示，Q1.0和Q1.1控制的L9和L10熄灭，Q0.14-Q1.7控制的灯L13-L16开始点亮0.5秒。（7）舞台升降部分图4.7舞台升降部分程序 如图4.12是舞台升降部分。I0.7为舞台上升的控制输入，按下I0.7后，带动舞台上升的电机M5开始变频启动。在变频启动结束后，输出Q4.5，即M5工频运行。运行到减速点时，输入I0.5，M5开始减速，直到到达停止点，舞台停止，输出Q5.1。（8）循环部分图4.8循环部分程序 如图4.13为循环部分程序，首先在此对彩灯部分程序初始化，然后开始循环。4.4 PID控制的设计由上文可知：三相异步电机的数学模型为 该升降舞台同步控制系统的电机采用 Y180M-2 型三相异步电机，该型号电机效率高、节能好、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠其参数为：额定功率；极对数p =1；额定转速=2940r/min；额定电压=380 V；额定电流=41.5 A；工频=50Hz；额定转矩=71.463 N /m；转动惯量=0.075kg/。将和P带入公式（2.3）可得： （4.1）将额定转速和求出的同步转速代入公式(2.11)可得： （4.2）将额定电压、电机极对数p、额定转矩、工频、转差率s 代入公式(2.23)可得： (4.3)将以上求出的额定电压、电机极对数p、转子每相电阻、工频代入变频调速增益公式可得： （4.4）将计算出的变频调速增益以和电机铭牌的参数代入公式(2.27)，可得到电机的传递函数为： （4.5）变频器的输入是控制电压，得到相应的电源频率和电机定子的相电压,与与的关系为；因此： （4.6）变频器加速时间设置成0.5s，得到其传递函数为： （4.7）4.4.1PID参数整定在MATLAB SIMULINK仿真平台下，如图4.9采用主从同步控制方式，建立二电机同步控制结构，首先采用常规PID控制算法。通过运用PID试凑法整定参数，该方法原则为：对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。先整定的值，和为0，首先由小逐渐增大，直到出现震荡，然后减小，直到震荡消失。确定好后，将比例系数减小为原来的50%80%，再设置一个较大的，然后逐渐减小直到出现震荡，再增大，直到震荡消失，记录下此时的值，此时。的整定方法与相同，整定值记录下此时的值，再计算。在图 5.2 的基础上，反复仿真实验，我们寻找到了能输出较好响应曲线的 PID 参数配置：，。图4.9常规PID主从控制结构图第5章 系统测试5.1测试的目的在前期做了大量的研究工作之后，最终则需要通过系统仿真或者实物搭建来检验前期的工作是否正确以和本文的课题是否可行。针对本文所研究的内容，为了节省资源，降低成本，我选择系统仿真的方式来验证本次课题的正确性与可行性。本文的仿真的目的是两个方面。1、验证验证舞台灯光部分。这一部分主要为了验证28盏闪烁灯的梯形图程序是否正确，能否按照之前设定的流程图来控制亮灭。2、验证两块升降台能否同步升降，也就是验证控制升降台的两台电机的转速能否达到同步的效果。针对以上两个方面。我选择两个不同的软件来进行仿真。5.2彩灯部分的仿真5.2.1仿真软件的选择我们知道PLC的仿真软件很多，但是由于S7-200Sim2.0使用方便、安装简单、仿真效果明显，所以本设计选用的是S7-200Sim2.0仿真软件，S7-200Sim2.0仿真软件是在STEP-7环境下，不用连接任何S7系列的PLC（CPU或 I0 模板），而是通过仿真的方法运行和测试用户的应用程序。 S7_200Sim2.0提供了简单的界面，可以用编程的方法（如改变输入的通/断状态，输入值的变化）来监控和修改不同的参数，也可以使用变量表（VAT）进行监控和修改变量。5.2.2仿真过程1、在Step7 MicroWin V3.2中新建一个项目。图 5.1新建项目1、 输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为AWL文件。图5.2编译正确后导出AWL 文件2、 打开仿真软件，点“Configuration”-“CPU型号”(或在已有的CPU图案上双击)。图5.3开启仿真软件选择 CPU 型号3、 在弹出的对话框中选择CPU型号，要与你项目中的型号相同。图5.4选择CPU226一台4、点击“程序”-“载入程序”(或工具条中的第2个按钮)。5、 会有个对话框，选择 Step 7 MicroWin V3.2 的版本，点击“Accept”。图5.5 Step7 MicroWin V3.2的版本6将先前导出的AWL文件打开。图5.6打开导出的AWL文件7、点击“查看（E）”“内存监视（M）”(或工具条中的第12个按钮)输入想要监视的地址。8、点“PLC”-“RUN”(或工具栏上的绿色三角按钮)，程序已经开始模拟运行。5.2.3仿真结果图5.7仿真结果示意图仿真结果如图所示：其中从左到右，从上到下显示的灯依次为L1-L28。从仿真系统的运行来看，测试结果如下：按下启动按钮后由，灯L1-L8 亮，且一直保持亮的状态。0.5秒后， L9、L10 、L17亮 0.5 秒；然后 L13-L16 亮 0.5 秒；然后，灯 L11、L12 亮 0.5 秒；灯 L15-L18 亮 0.5 秒；然后，灯 L13、L14 亮0.5 秒；然后灯L17-L20亮0.5 秒；然后，灯L15、L16亮0.5 秒；灯L19-L22亮0.5 秒；然后，灯 L17、L18 亮灯 0.5 秒；灯 L21-L24 亮灯 0.5 秒；然后，灯 L19、L20 亮灯 0.5秒；然后灯 L23、L24、L9、L10 亮灯 0.5 秒；灯 L21、L22 亮灯 0.5 秒；然后灯 L9-L12 亮灯 0.5 秒；灯L23、L24 亮灯 0.5 秒；然后由Q1.2、Q1.3、Q1.4和Q1.5控制的灯L11-L14亮灯。然后从头开始循环如图5.1所示的时刻为：此时L1-L7均为点亮状态，旋转彩灯L25-L28也同时点亮。L8、L9、L17也为点亮状态，其余均为熄灭状态。由以上结果知，程序可以正常运行，结果也和第4章的程序流程图一致。所以本控制系统的设计是可靠的，能达到舞台灯光的效果。并且在泡泡机和烟雾机的作用下，更加丰富了观众的视觉感应以和更好地渲染了舞台的氛围。得出结论，本设计达到了预期的效果。5.3升降舞台