基于的舞台灯光控制毕业设计论文

基于PLC 的舞台灯光控制摘要 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称为PC 或PLC 是60 年代末发明的工业控制器件。日本电气控制学会曾对可编程控制器作了一个定义 可编程控制器是将逻辑运算,顺序控制,时序和计数以及算术运算等控制程序用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据存储的控制内容,经过模拟,数字等输入输出部件,对生产设备和生产过程进行控制的装置。 PLC 是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的.它既不同于普通的计算机,又不同于一般的计算机控制系统,作为一种特殊形式的计算机控制装置,它在系统结构,硬件组成软件结构以及I/O 通道,用户界面诸多方面都有其特殊性。 MCGS(Monitor and Control Generated System􀎰通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,能够在Windows 平台上运行。通过对现场数据的采集处理。以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式。向用户提供解决实际工程问题的方案。充分利用windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性,在自动化领域有着更广泛的应用。本文利用MCGS 组态软件检验舞台灯光控制系统的运行情况。 舞台灯光在现代舞台演出中的作用:照明演出,使观众看清演员表演和景物形象;导引观众视线;塑造人物形象,烘托情感和展现舞台幻觉;创造剧中需要的空间环境;渲染剧中气氛;显示时、空转换,突出戏剧矛盾冲突和加强舞台节奏,丰富艺术感染力。有时也配合舞台特技。 在现代演出中,灯光的强度、色彩、照明区的分布,灯光的运动等都具有较大的可塑性与可控性。舞台灯光的艺术效果是随着演出的进展、舞台气氛的不断变换而展现的。舞台灯光是空间艺术与时间艺术的结合体,舞台灯光的历史发展是同戏剧的演变以及科学技术的进步密切相联的。关键词: 可编程控制器 自动控制 舞台灯光 MCGS 组态 目录摘要 .1 可编程控制器的概论 . 1.1PLC的定义. 1.2 PLC的构成 . 1.3 PLC的特点 . 1.4 PLC 的输入与输出 . 1.5 PLC的发展趋势 . 2 PLC 控制与继电器控制的比较 . 2.1 PLC 控制与继电器控制两者区别 . 2.2 控制继电器存在的缺点 . 2.3 PLC 相对于继电器线路的优势 .3 舞台灯光的PLC 设计 . 3.1 舞台灯光的设计原则 . 3.2 舞台灯光系统的工艺要求 . 3.3 舞台灯光工艺流程图 . 3.4 舞台灯光控制要求 .总结 . 参考文献 .致谢 .附录 . 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 1.1 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 控制的智能型舞台艺术灯比传统的舞台艺术灯控制优越的多。1.2 PLC 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。1.3 PLC 的特点(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: 平均故障间隔时间长 故障修复时间(平均修复时间)短任何电子设备产生的故障,通常为两种: 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障,只要不引起系统部件的损坏,一旦环境条件恢复正常,系统也随之恢复正常。但对PLC 而言,受外界影响后,内部存储的信息可能被破坏。 永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件,如果能使PLC 在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围,使PLC 在恶劣条件消失后自动恢复正常,这样就能提高平均故障间隔时间;如果能在PLC 上增加一些诊断措施和适当的保护手段,在永久性故障出现时,能很快查出故障发生点,并将故障限制在局部,就能降低PLC 的平均修复时间。为此,各PLC 的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施,使PLC 除了本身具有较强的自诊断能力,能及时给出出错信息,停止运行等待修复外,还使PLC 具有了很强的抗干扰能力。 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。 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件,采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,如LC 或 型滤波网络,以消除或抑制高频干扰,也削弱了各种模块之间的相互影响。 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V 电源,采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 隔离在微处理器与I/O 电路之间,采用光电隔离措施,有效地隔离I/O 接口与CPU 之间电的联系,减少故障和误动作;各I/O 口之间亦彼此隔离。 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障,能迅速更换,使系统恢复正常工作:同时也有助于加快查找故障原因。 软件措施:有极强的自检及保护功能。 故障检测软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。 信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时,不破坏PLC 内部的信息。一旦故障条件消失,可恢复正常,继续原来的程序工作。所以,PLC 在检测到故障条件时, 立即把现状态存入存储器,软件配合对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何操作,以防存储信息被冲掉。 设置警戒时钟WDT(􀎮看门狗)如果程序每循环执行时间超过了WDT 规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。 加强对程序的检查和校验一旦程序有错,立即报警,并停止执行。 对程序及动态数据进行电池后备停电后,利用后备电池供电,有关状态及信息就不会丢失。 PLC 的出厂试验项目中,有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V,上升时间1nS􀎰脉冲宽度为1 S 的干扰脉冲。一般,平均故障间隔时间可达几十万上千万小时;制成系统亦可达45 万小时甚至更长时间。 (2)配套齐全,功能完善,适用性强 PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外, 现代PLC 大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC 的功能单元大量涌现, 使PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易, 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小,重量轻57264 .能耗低 以超小型PLC 为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm􀎰重量小于150g,􀎰功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。 1.4 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,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。 1.5 PLC 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,􀎰但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)􀎯控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(Industrial PC)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、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。(3) 进一步强化网络功能,以实现信息管理自动化。例如IPC 型控制器具备多种现场总线接口。如FESTO 总线、Profibus、AS-I、CAN 等,以及各种网络连接模块, 如Novell 等,从而使PLC 与PLC、PLC 与PC、PLC 与现场设备之间建立通讯联网。(4) 多种编程语言并存,互补不足。IPC 型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外,还可以用IEC1131 规定的用于顺序控制的标准化语言以及C、Basic 等计算机语言进行编程。(5) 硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路(ASIC􀎰Application SpecificIntegrated Circuits)和表面安装技术(SMT,Surface-Mout Technology)在PLC 硬件设计上的运用,使得PLC 产品硬件元件数量更少,集成度更高,体积更小,其可靠性更高。同时,为了进一步提高系统的可靠性,PLC 产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU 单元、通信单元、电源单元或I/O 单元甚至整个系统的冗余配置,使得整个PLC 系统的可靠性得以进一步加强。2 PLC 控制与继电器控制的比较 2.1 PLC 控制与继电器控制两者区别 1、控制方法不同,电器控制系统逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组合成逻辑控制,其连线多且复杂,体积大,功耗大,系统构成后,想再改变或增加功率较为困难。另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大性质。而PLC 采用了计算机技术,其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中,要改变控制逻辑只需改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少,“软继电器”的触点数量是无限的57264 .PLC 系统的灵活性和可扩展性好。体积小,功耗小,而且PLC 所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,PLC 系统的灵活性和可扩展性好。 2、工作方式不同, 在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于制约状态,即该吸合的继电器同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式。而PLC 的用户程序按一定顺序循环执行,所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串联工作方式。 3、 触点数目不同,硬继电器的触点数量有限,用于控制的继电器触点一般为48对,而梯形图中每只“软继电器”供编程使用的触点数是无限对的。 4、组成器件不同,继电器控制线路是许多真正的硬继电器组成的,而梯形图是由许多所谓“软继电器”组成的。硬继电器易磨损,而“软继电器”则无磨损现象。 5、定时和计数控制不同 电器控制系统采用时间继电器的延时时间控制 时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化影响 定时精度不高。而 PLC 采用半导体集 成电路做定时器 时钟脉冲由晶体振荡器产生 精度高 定时范围宽 用户可根据需要在程序中设定定时值 修改方便 不受环境的影响 且 PLC 具有计数功能 而电器控 制一般不具备计数功能。 6、可靠性和可维护不同 由于电器控制系统使用了大量的机械触点 其存在机械磨损 电弧烧伤等 寿命短 系统的连线多 所以可靠性和可维护性差。而 PLC 大量 的开关动作有无触点的半导体电路来完成 其寿命长 可靠性高 PLC 还具有自诊断功 能 能查出自身的故障 随时显示给操作人员 并能动态地监视控制程序的执行情况为现场调试和维护提供方便。2.2 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。他们比以往的产品具有更高的 可靠性。但是 这也是随之带来的一些问题。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和物力去改制、安装和调试。2.3 PLC 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LC 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地排除故障。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确1/2-1/10。3舞台灯光的 PLC 设计3.1 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。 5 % n1. 创造完全的舞台布光自由空间 适应一切布光要求2. 为使该系统能够持续运行 适当加大储备和扩展空间3. 系统的抗干扰能力和安全性作为重要设计指标 4. 高效节能冷光新型灯具被引入系统设计中。3.2 舞台灯光系统的工艺要求 1 该系统工艺设计和设备配置具有综合剧场的使用功能 在短时间内可轮换多种不同 剧种的灯光操作方案。2 该系统允许使用全部配置的各种类型灯具和其它补充设备 。3. 该系统设计有足够的安全性和存储容量 整个系统在不中断主电力供应的前提下 对主控台进行持续的诊断检查3.3 舞台灯光图 3.4 舞台灯光控制要求 如图 4.1 为一舞台艺术灯饰自动控制演示装置。本系统由 23 组灯组成 分别由 PLC的输出端口 Y0 Y1 Y2 .Y7,Y10 Y11.Y17,Y20 Y21 Y23 控制。按下启动按钮 SB1 后Y0,Y10,Y11,Y12,Y14,Y21,Y22,Y23 同时亮 2 秒 然后 Y0,Y1,Y10,Y11,Y13,Y16,Y17,Y20同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y1,Y2,Y12,Y15 同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y1,Y2,Y3,Y10,Y11,Y13Y21,Y22,Y23 同时亮 2 秒 2 秒后 Y4,Y5,Y6,Y7Y12,Y14,Y17 同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y1Y2,Y4,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y16,Y17 同时亮 2 秒 2 秒后 Y5,Y6,Y12,Y14,Y15,Y16,Y20 同时亮 2 秒 2 秒后 Y0, Y4,Y7,Y10,Y11,Y12, Y13,Y15,Y16,Y20 同时亮 2 秒 2 秒后Y2,Y5,Y6,Y10,Y11,Y12,Y14,Y16,Y17,Y21,Y22,Y23 同时亮2 秒 2 秒后Y0,Y1, Y3,Y4,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y17,Y20 同时亮2 秒 2 秒后Y2,Y5,Y6,Y13,Y14,Y15 Y16,Y20,Y21,Y22,Y23 同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y4,Y5,Y6,Y7,Y12,Y14,Y15,Y16,Y17,Y21,Y22,Y23同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y1,Y3,Y10,Y11,Y12,Y13,Y15,Y16,Y17,Y20 同时亮 2 秒 2 秒后Y2,Y4,Y5,Y6,Y7,Y10,Y11,Y12,Y14,Y15,Y17,Y21,Y22,Y23 同时亮 2 秒 2 秒后 Y0,Y1,Y2,Y3Y10,Y11,Y12,Y14,Y17 同时亮 2 秒 然后从头开始循环.3.5舞台灯光的 PLC 设计1、舞台灯光的输入 输出信号(1) 输入 X (2) 输出 (Y)(3) 外部接线图 3、 舞台灯光的梯形图