基于PLC的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟憲坤， 李明輝

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

我國(guó)的環(huán)境燈光控制系統(tǒng)品種繁多,主要可分為調(diào)光控制系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)和特殊燈具的專(zhuān)用控制器,其中大多數(shù)調(diào)光控制系統(tǒng)是由舞臺(tái)調(diào)光系統(tǒng)改造而成，該系統(tǒng)沒(méi)有克服原中央集中式控制系統(tǒng)的弊病,不能廣泛用于各種環(huán)境燈光系統(tǒng).多數(shù)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性也不強(qiáng)，且它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大相徑庭，通信協(xié)議和制式標(biāo)準(zhǔn)也不同，無(wú)法兼容和互聯(lián)；有的系統(tǒng)還無(wú)法與保安、火災(zāi)報(bào)警、中央空調(diào)等系統(tǒng)集成控制[1，2].因此，采用先進(jìn)的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)構(gòu)建能夠廣泛適用于各種環(huán)境燈光系統(tǒng)的智能化控制系統(tǒng)是照明控制領(lǐng)域的發(fā)展方向之一.為此，作者設(shè)計(jì)了普適性很強(qiáng)的基于PLC控制技術(shù)應(yīng)用于舞臺(tái)燈光控制的系統(tǒng).

1 舞臺(tái)燈光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制要求

舞臺(tái)燈光的照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)的主要要求如下[3，4]：

(1)舞臺(tái)照明每一回路的可載容量(額定電流)≥20 A，使用容量(功率)一般按2～4 kW考慮.

(2)在舞臺(tái)照明設(shè)備的供電系統(tǒng)中，演出過(guò)程中可能頻繁啟動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其啟動(dòng)沖擊電流引起電源電壓波動(dòng)超過(guò)±3%時(shí)，宜采用與舞臺(tái)照明負(fù)荷分開(kāi)的變壓器供電.

(3)燈光控制系統(tǒng)在電氣設(shè)備運(yùn)行中的安全設(shè)置:

圖1 舞臺(tái)燈的布置圖

合理配置輸出：每個(gè)調(diào)光、直通輸出一般有1只32 A的插座，每個(gè)插座的3根導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)一致，通過(guò)絞合而輸出；良好的接地：為消除可控硅干擾，使音、視頻設(shè)備達(dá)到使用要求，在燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇較合理、實(shí)用的接地系統(tǒng).擴(kuò)聲系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)都設(shè)有獨(dú)立接地干線，采用共用地極，接地電阻≤1 Ω；觸電保護(hù)：應(yīng)采取PE線與相關(guān)回路相線一起配線的方式.以減小零序阻抗，保證在發(fā)生單相接地故障時(shí)保護(hù)裝置可靠動(dòng)作，保障人身安全；雷電防護(hù)：在變電所低壓母線裝設(shè)避雷器，調(diào)光燈光配電柜裝設(shè)電涌保護(hù)器，防止舞臺(tái)或附近建筑物遭受雷擊時(shí)由于電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電流、過(guò)電壓損壞調(diào)光柜及燈光控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，保證調(diào)光柜及燈光控制計(jì)算系統(tǒng)安全.

(4)燈光系統(tǒng)電氣線纜及線路敷設(shè)設(shè)置：

燈線和音、視頻等信號(hào)線相互遠(yuǎn)離，相遇時(shí)須做90°交叉且留有0.5 m距離，平行時(shí)間距設(shè)置大于1 m；所有信號(hào)連接線纜均選用五芯屏蔽線，以防止干擾；電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)將電磁干擾降低到最低程度，當(dāng)采用電纜軟管時(shí)，其長(zhǎng)度不能超1 m；動(dòng)力或控制線路所用的多芯和屏蔽電纜的芯線易于按編號(hào)識(shí)別，少于25芯的電纜使用顏色代碼.

圖2 CPU226接線圖

2 舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文假設(shè)舞臺(tái)燈使用24盞燈掛在舞臺(tái)上方，24盞燈采用不同的變幻效果，如圖1所示，根據(jù)舞臺(tái)燈照明系統(tǒng)的要求及西門(mén)子S7-200PLC的設(shè)計(jì)選型[1，5]，該硬件使用CPU226的Q0.0～Q2.7控制燈的亮與滅，CPU226的接線如圖2所示，K1為開(kāi)始按鈕，K2為停止按鈕.

聚光燈使用兩個(gè)電機(jī)M1和M2來(lái)控制其在兩個(gè)垂直方向上的移動(dòng)，如圖3所示.M1控制聚光燈在X軸上移動(dòng)，M2控制聚光燈在Y軸上移動(dòng).

聚光燈的移動(dòng)采用手動(dòng)操作，如圖4操縱桿推向某一方向時(shí)，使相應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，控制信號(hào)輸入PLC，經(jīng)運(yùn)算后輸出控制電機(jī)拖動(dòng)聚光燈向相應(yīng)方向轉(zhuǎn)動(dòng).圖中“L”表示向左，“R”表示向右，“F”表示向前，“B”表示向后.

數(shù)字量輸出模塊EM222與繼電器的接線如圖5所示：Q3.0～Q3.3分別與KM1～KM4相連，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；Q3.4與聚光燈L0相連，控制聚光燈的亮與滅，當(dāng)ON開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，聚光燈亮，OFF閉合時(shí)，聚光燈滅.電機(jī)控制均設(shè)為點(diǎn)動(dòng)，電機(jī)M1控制聚光燈前后運(yùn)動(dòng)，電機(jī)M2控制電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)，其接線圖如圖6所示，結(jié)合圖4可得其工作過(guò)程如下：

圖3 電機(jī)布置圖 圖4 方向開(kāi)關(guān)布置圖

當(dāng)L閉合時(shí)，繼電器KM1動(dòng)作，觸點(diǎn)KM1吸合，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，聚光燈向左移動(dòng)；

當(dāng)R閉合時(shí)，繼電器KM2動(dòng)作，觸點(diǎn)KM2吸合，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，聚光燈向右移動(dòng)；

當(dāng)F閉合時(shí)，繼電器KM3動(dòng)作，觸點(diǎn)KM3吸合，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，聚光燈向前移動(dòng)；

當(dāng)B閉合時(shí)，繼電器KM4動(dòng)作，觸點(diǎn)KM4吸合，電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，聚光燈向后移動(dòng).

圖5 EM222接線圖

3 舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)舞臺(tái)燈光的工作過(guò)程可得其控制指令符號(hào)表如圖7所示.

圖6 電場(chǎng)接線圖

符號(hào)表中Left為聚光燈向左移動(dòng)按鈕，Right為聚光燈向右移動(dòng)按鈕，F(xiàn)orward為聚光燈向前移動(dòng)按鈕，Back為聚光燈向后移動(dòng)按鈕，Start_L為舞臺(tái)燈啟動(dòng)按鈕，Stop_L為舞臺(tái)燈停止按鈕，Light_ON為聚光燈啟動(dòng)按鈕，Light_OFF為聚光燈停止按鈕，Row_1為第一排燈啟動(dòng)按鈕，Row_2為第二排燈啟動(dòng)按鈕，Row_3為第三排燈啟動(dòng)按鈕.

圖7 控制指令符號(hào)表

舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的軟件主程序如圖8所示，SM0.1啟動(dòng)初始化自程序SBR_0，初始化舞臺(tái)燈變幻數(shù)據(jù).Start_L啟動(dòng)標(biāo)志位M20.0.Stop_L停止標(biāo)志位M20.0.Row_1啟動(dòng)第一排燈變幻程序SBR_1,Row_2啟動(dòng)第一排燈變幻程序SBR_2,Row_3啟動(dòng)第一排燈變幻程序SBR_3.SM0.0無(wú)條件啟動(dòng)電機(jī)控制程序MOTOR.Light_ON啟動(dòng)聚光燈，輸出到Q3.4，并自鎖,Light_OFF解除自鎖，關(guān)閉聚光燈.

圖8 舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的軟件主程序

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以西門(mén)子S7-200PLC作為控制主機(jī)控制燈光的變幻和進(jìn)行管理，完成了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)；有完善的故障判斷功能，可為操作人員迅速排除故障提供方便；系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確、完整，極大地方便了操作與管理，可廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境燈光系統(tǒng)的智能化控制，進(jìn)一步推動(dòng)了PLC控制技術(shù)在舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.

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