基于PLC的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳長(zhǎng)生，李存永

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院 河南 鄭州 450053）

1 引言

生活中的燈光除了照明部分只需提供開關(guān)即可，用在其它各個(gè)領(lǐng)域的燈光因功能而異，都需要采用控制系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)控制。或者是亮度的明暗，或者是色彩的絢爛，或者是造型的豐富變化，而所有這些變化都離不開一個(gè)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過精確控制舞臺(tái)燈光，用來塑造舞臺(tái)場(chǎng)景，營(yíng)造舞臺(tái)氣氛。舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)在很大程度上會(huì)對(duì)舞臺(tái)視覺效果產(chǎn)生影響，所以對(duì)燈光控制系統(tǒng)的要求較高。但是控制系統(tǒng)里面廣泛應(yīng)用的繼電器也有明顯缺點(diǎn)，已經(jīng)很難有效應(yīng)對(duì)日益提高的燈光需求，而PLC技術(shù)則剛好能夠發(fā)揮其強(qiáng)大的控制能力，在燈光控制系統(tǒng)中大展身手。

2 PLC簡(jiǎn)介

PLC的全稱是可編程邏輯控制器，是基于MCU（微控制器）的通用型工業(yè)控制設(shè)備。早期主要用來替代繼電器和接觸器的功能，主要用于順序控制，但是只能進(jìn)行邏輯控制。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，16位和32位微處理器也逐漸應(yīng)用其中，是的PLC得到了迅速發(fā)展。PLC不僅具有超強(qiáng)的控制功能，還具有高可靠性，低功耗，小體積等特點(diǎn)，所以很快成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的支柱芯片之一。

2.1 PLC的組成

PLC的結(jié)構(gòu)非常多，但是它的組成原理基本相同，都是以微處理器為中心，輔以電源、存儲(chǔ)器和I/O接口等模塊，組成其硬件結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上安裝系統(tǒng)控制軟件。從本質(zhì)上來講，PLC就是一種新型的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作模式主要分為運(yùn)行模式和停止模式。

（1）運(yùn)行模式。該模式主要有內(nèi)部處理、通信、輸入、執(zhí)行、輸出五個(gè)階段。（2）停止模式。當(dāng)PLC處于該模式時(shí)，PLC主要完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)等工作。

PLC在運(yùn)行模式下的主要工作過程要完成以下事物：

（1）內(nèi)部處理階段。在本階段，PLC的主要任務(wù)是檢查中央處理器模塊的硬件結(jié)構(gòu)是否正常，對(duì)監(jiān)事定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位。（2）通信階段。在此階段，PLC主要工作是同智能模塊進(jìn)行通信，執(zhí)行編程器的輸入的指令，更新編程器的顯示數(shù)據(jù)等。而一旦PLC進(jìn)入停止模式，則只能完成內(nèi)容處理和通信操作等任務(wù)。（3）輸入階段。本階段也可以成為是采樣階段，顧名思義，是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的。在本階段，PLC要順序讀取輸入端的通斷狀態(tài)，并且將讀取到的信息存入寄存器中，并刷新輸入映象寄存器。（4）處理階段。在本階段，PLC處理器將會(huì)按先上后下，先左后右的順序，逐句讀取梯形圖中的程序，并且根據(jù)輸入映象寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到相關(guān)寄存器中。（5）刷新階段。在處理完梯形圖程序后，PLC會(huì)將所有輸出映象寄存器中的各點(diǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，繼而通過輸出端來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。在運(yùn)行模式下，可編程邏輯控制器將按照以上五個(gè)階段循環(huán)工作。

3 PLC的性能分析

3.1 傳統(tǒng)繼電器

在科技迅速發(fā)展的今天，繼電器已經(jīng)在生活和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，由于其可靠性高的特點(diǎn)，成為了很多設(shè)計(jì)中的必需品。然而，數(shù)量的激增也帶來了一些隱患，尤其是長(zhǎng)期超負(fù)荷的疲勞運(yùn)行導(dǎo)致的損壞，甚至?xí)a(chǎn)生電弧，造成嚴(yán)重后果。而且繼電器的安裝、接線和調(diào)試都需要人工進(jìn)行，因此對(duì)損壞或疲勞的繼電器進(jìn)行更換和維修也就變得十分繁瑣，需要耗費(fèi)大量的人力物力，這也從側(cè)面反映出在實(shí)際應(yīng)用中亟需替代品。

3.2 PLC的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)來講，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）功能強(qiáng)。以小型PLC為例，西門子S7-200內(nèi)包含了大量的可編程原件，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編程功能，是繼電器不能相比的。（2）軟硬件配套齊全。經(jīng)過多年的發(fā)展和市場(chǎng)考驗(yàn)，PLC已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的產(chǎn)品系列，有多重硬件配置供各類用戶選擇，用戶使用非常方便。（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)?？删幊炭刂破鳛榱藢?duì)抗干擾，從硬件和軟件上都進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，適用于各種有嚴(yán)重干擾的應(yīng)用場(chǎng)合。（4）易于安裝調(diào)試。PLC吸取了繼電器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，使用軟件來實(shí)現(xiàn)原有的硬件功能，從而減少了設(shè)計(jì)和安裝的復(fù)雜度，也方便了用戶的使用。（5）易于編程。PLC編程主要采用梯形圖語言。該語言采用圖形化的方式來表達(dá)程序，易于理解，便于編程，其中的電路符號(hào)幾乎和電路原理圖相似，易學(xué)易懂，降低了編程人員的負(fù)擔(dān)。

4 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

舞臺(tái)燈光主要是為了營(yíng)造優(yōu)美的視覺盛宴，烘托現(xiàn)場(chǎng)氣氛，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，而舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循舞臺(tái)藝術(shù)的需要和各種特殊要求，對(duì)燈光進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而達(dá)到為舞臺(tái)藝術(shù)服務(wù)的初衷。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，主要考慮以下原則：

（1）美觀。舞臺(tái)燈光首先要美觀。該設(shè)計(jì)原則主要是為了更好的吸引觀眾。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，在完成燈光基本功能的前提下，要充分考慮美觀度，對(duì)烘托現(xiàn)場(chǎng)氣氛、美化舞臺(tái)空間都有巨大幫助。（2）功能性。本原則是必須嚴(yán)格遵守的。舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的就是為了通過適時(shí)的改變燈光的色彩和亮度，以及舞臺(tái)燈具的點(diǎn)亮順序和頻率，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。（3）經(jīng)濟(jì)性。由于舞臺(tái)燈光的使用頻率非常高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到成本。在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮到燈光系統(tǒng)的建造成本，更要考慮到運(yùn)營(yíng)成本。舞臺(tái)燈光實(shí)際上還包括演藝廳的觀眾區(qū)的燈光，這些燈光主要是為了滿足人們的生理需要，配合舞臺(tái)上的諸多功能性燈光，從而極大地提高舞臺(tái)效果。這數(shù)量眾多的燈具勢(shì)必會(huì)造成巨大的電能損耗，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能地用最少的投入和功率，獲得最佳的燈光效果。（4）安全性。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重中之重。演藝廳往往聚集了大量的人員，而燈光系統(tǒng)本身也會(huì)發(fā)熱，并且往往懸掛于房頂，因此要充分考慮整個(gè)燈光系統(tǒng)的安全性。燈光控制系統(tǒng)要首先滿足安全性原則，其次才是功能的保證。

4.2 設(shè)計(jì)工藝

本設(shè)計(jì)的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)要求滿足綜合劇場(chǎng)的功能，能夠使燈光系統(tǒng)適時(shí)地變換不同的照度和色彩，而且控制系統(tǒng)要足夠友好，方便工作人員及時(shí)操控。要充分考慮到燈光系統(tǒng)的維修和容量，保證燈光系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)診斷檢查時(shí)可以不中斷主要電力供應(yīng)。

4.3 本系統(tǒng)的PLC和擴(kuò)展模塊的選擇

本次舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)用的是來自西門子(SIEMENS)S7-200系列PLC設(shè)備。它是一款小型PLC設(shè)備，但是具有PLC設(shè)備的主要功能，而且安裝空間小，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繼電器的替代。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)照S7-200系列PLC設(shè)備的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用CPU226處理器，它有24個(gè)輸入口、16個(gè)輸出口和擴(kuò)展模板為EM223（8I/8Q），可以滿足控制要求。

4.4 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)流程圖

舞臺(tái)燈光的點(diǎn)亮順序和花色根據(jù)實(shí)際需求可以靈活調(diào)整。圖1是一種簡(jiǎn)單的點(diǎn)亮順序。

圖1 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)語

舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了使用功能強(qiáng)大的PLC控制器完成舞臺(tái)燈光控制，技術(shù)可靠，安全性好，能耗低，編程簡(jiǎn)單，與科技發(fā)展接軌，也體現(xiàn)了科技進(jìn)步對(duì)生活的巨大影響。