霓虹灯(毕业设计)

毕业设计（论文）报告题目舞台灯PLC控制
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2010年4 月
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8根镭射灯管和24只流水灯的控制，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。

镭射灯管和流水灯有各自控制要求，但两者之间也存在一定的联系。

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； PLC
Abstract
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 in order to realize the laser tube 8 and 24 water control lights, controlled by time relay time of change in different lighting effects can be realized. Laser tube and flow control lamp has its own requirements, but there are some between the links. 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 functions and analog processing more powerful. It is richer than the minicomputer instruction for complex logic control system and continuous process control situations
Keywords: Stage lighting ；PLC
摘要 (1)
Abstract (1)
前言 (3)
第一章课题的背景与意义 (4)
1.1 课题的背景 (4)
1.2课题的意义 (4)
1.3课题的研究内容 (4)
第二章控制要求分析 (5)
2.1 控制要求 (5)
2.2 任务分解及设计思路 (6)
第三章控制系统硬件设计 (10)
3.1 PLC选型 (10)
3.2 CPU和扩展模块选择 (10)
3.3 I/O分配表 (11)
3.4 硬件接线图 (12)
第四章控制系统程序设计 (13)
4.1 程序设计流程 (13)
4.2 主程序设计 (14)
4.3程序模拟与调试 (48)
第五章总结与展望 (52)
致谢 (53)
参考文献 (54)
可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）是以微处理器为核心的通用工业控制装置，是在继电接触器控制基础上发展起来的。

随着社会生产的发展和科学技术的进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子的迅猛发展，当今的可编程控制器已将3C（computer，control，communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，又集“３电”，即电控、电议、电信三方面控制功能于一体的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化重要支柱。

SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司性价比比较高的PLC系统。

在其系列PLC中S7-200是针对低性能要求设计的小型PLC，S7-300是针对中的性能要求设计的模块化中小型PLC，最多可扩展32个模块。

S7-400是针对中高性能的模块化大型PLC，可以扩展300多个模块。

我设计的课题是《舞台灯光的PLC控制》，随着社会的发展和进步，舞台灯在日常生活中运用已经越来越广泛了，舞台布光是演出空间构成的重要组成部分，是根据情节的发展对人物以及所需的特定场景进行全方位的视觉环境的灯光设计，并有目的将设计意图以视觉形象的方式再现给观众的艺术创作，舞台灯光的控制系统须能有效地控制和调配全部灯具并产生谐调的艺术效果。

在我的设计中，我将运用顺序控制和指令控制两种方法对所要求的舞台灯进行编程，所用的PLC为S7-200。

第一章课题的背景与意义
1.1 课题的背景
舞台灯光的作用，在不同的历史时期，不同的演出形式，不同物质条件下，其照明概念也不相同。

它的发展是随着戏剧艺术、剧场建筑、科学技术的发展而发展的。

舞台灯光大致经历了五个发展阶段：1.照明，2可控光的启蒙，3表现自然幻觉，4抒发艺术情感，5走向光景时代，以上五个发展方面，并非时间意义上的严格划分，而是舞台灯光功能发展上的概要归纳。

1.2 课题的意义
舞台灯光的发展日新月异，人们对舞台灯光所呈现出来的效果也提出了更高的要求。

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。

可编程序控制器(PLC)是专门在工业环境情况下应用的一种数字运算操作的电子系统。

舞台灯光的控制要求动态变化，在某一时间内多次控制某一类灯光的亮与灭，要直接控制某类灯光按设计图案动态变化，将PLC应用到舞台灯光控制中，能取得较好的实际效果。

PLC可通过循环、移位、传送等指令编制程序，轻松地实现复杂控制功能。

一旦舞台灯光系统建立后，若需要修改设计程序，就能轻易地实现，不需要改变外部复杂的连线，大大降低了工作的难度。

1.3 课题的研究内容
本课题的研究内容如下:一是课题的背景和意义；二是对控制要求进行分析包括任务的分解和设计思路的分析；三是对控制系统硬件要求的解析包括PLC的选型，CPU的选择，I/O分配表和硬件接线图的制作；四是对程序的编写以及模拟和调试等等。

第二章控制要求分析
2.1 控制要求
1 控制对象
2 控制要求
●舞台中有8根镭射灯管，24只各色流水灯，其中每4只灯为一组；
●舞台周围8根镭射灯管控制要求：按下启动按钮后，第1根亮——第2根亮
——……——第8根亮，时间间隔为3s，全亮后，显示24s，再反过来从第8根——第7根——……——第1根，按3s间隔时间顺序熄灭。

全熄灭后保持熄灭状态6s，再从第8根开始亮，顺序点亮第7根——第6根——……——第1根，间隔3s，全亮后显示15s，再从第1根——第2根——……——第8根，按3s顺序间隔熄灭，全部熄灭后保持熄灭状态6s，然后循环执行上述动作。

自动控制，要求分别用顺序控制方式和用移位、传送指令方式实
现控制。

●24只流水灯，4个流水灯为一组，控制要求：按下启动按钮后，先点亮Ⅰ（1#，
3#），3s钟后熄灭，点亮Ⅱ（5#，7#），3s钟后熄灭，点亮Ⅲ（9#，11#），3s 钟后熄灭，点亮Ⅳ（13#，15#），3s钟后熄灭，点亮Ⅴ（17#，19#），3s钟后熄灭，点亮Ⅵ（21#，23#），3s钟后熄灭；点亮Ⅳ（24#，22#），3s钟后熄灭，点亮Ⅴ（20#，18#），3s钟后熄灭，点亮Ⅳ（16#，14#），3s钟后熄灭，点亮Ⅲ（12#，10#），3s钟后熄灭，点亮Ⅱ（8#，6#），3s钟后熄灭，点亮Ⅰ（4#，2#），3s钟后熄灭。

循环执行上述动作。

自动控制，自动控制，要求分别用顺序控制方式和用移位、传送指令方式实现控制。

●启动时，灯管和流水灯同时启动，关闭时，既可以同时关闭也可以分别关闭。

2.2 任务分解及设计思路
在该课题中，所要控制的舞台灯共有32盏，即8盏镭射灯管和24只各色的流水灯。

对程序设计时将镭射灯和流水灯分为两组进行分别编程，然后将所编程序按照一定关系组合成完整的程序。

按照要求，将会使用顺序和指令两种方法进行编程。

在顺序编程中，将用到多个定时器加入程序，所以需要了解s7-200中定时器的使用方法和时间控制范围。

在指令编程中，也会用到很多的定时器，而其更多的是要接触到移位指令和传送指令，所以得先了解那些指令并且学会如何使用它们，然后再一步一步的将程序编出。

2.3 设计工具介绍
（1） PLC的产生及意义
PLC产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务。

这样的控制系统，需要大量的导线，大量的电器柜，占据大量的空间，消耗大量电能。

为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护，尤其是在生产工艺发生变化时，甚至可能需要重新安装控制系统。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号
不断更新，就必然要求生产线的控制亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。

为此要寻求一种比继电器更可靠、响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。

1969年，美国数据设备公司根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，取得显著地经济效益。

当时人们把它称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）。

20世纪70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程逻辑控制器更多的具备计算机功能，不仅用逻辑编程代替硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理功能。

从此PLC真正的成为一种计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。

这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程控制器，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机混淆，故人们乃习惯的用PLC作为可编程控制器的英文缩写。

进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以及16位和32位微处理器构成的微机化PLC的到了惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展。

所有这些已经使PLC应用于连续生产的过程控制系统，使之成为今天自动化技术的四大支柱之一。

PLC一直在飞速发展中，到现在为止，还未能对其下一个确切的定义。

1982年11月国际电工委员会（IEC）曾颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械生产过程。

而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

定义强调了PLC以直接应用于工业环境。

它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。

这也是区别与一般的微机控制系统的一个重要特征。

（2） PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，工作过程如图2.1所示，一般包括5个阶段：内部处理、与编程器等通信处理、输入扫描、执行用户程序和输出处理。

图2.1中，当PLC方式开关置于RUN时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如PLC联机或离线编程。

PLC的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2.2所示。

PLC 执行的5个阶段称为一个扫描周期；PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。

简而言之，PLC采用了周期循环扫描、集中输入与输出的工作方式。

这种工作方式的显著特点是可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度较慢。

也就是说PLC以降低速度求的高可靠性。

图2.1 PLC工作原理图
图2.2 程序执行原理图
(3) 现代PLC的发展趋势
今年来，随着技术的发展和市场的需求的增加，PLC的结构和功能正在不断改进，各个上产厂家不断推进PLC新产品，平均3-5年更新换代一次，有些新型中小型PLC的功能甚至达到或超过了大型PLC的功能。

现代PLC有两个方面的发展趋势。

1）发展微小型PLC，时期体积更小，速度更快，功能更强，价格更低，配置更灵活。

由于自动控制系统的规模不同，小型化、低成本的PLC将广泛应用于各个行业，其组成由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性。

2）发展大型PLC，使其具有大型网络化、高可靠、多功能、兼容性好等特点。

网络化和强化通信能力是PLC发展的重要方向，向上与以太网、MAP网等相连，向下通过现场总线将多个PLC或远程I/O等相连，构成整个工厂的自动化控制系统。

今年来各公司陆续推出各种智能模块，大大增强了PLC的控制功能。

智能模块式以微处理器为基础的功能部件，其CPU与PLC的CPU并行工作，能够独立完成某些控制功能，如通信控制、高速计数、模拟量输入输出等，使系统设计和调试时间减少，控制精度提高。

第三章控制系统硬件设计
3.1 PLC选型
PLC发展到今天，已经有很多种类型，而且功能也不尽相同，所以分类的方法有很多，根据控制规模分类就是其中一种。

PLC的控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的，PLC的I/O点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个信号。

实际上也就是PLC的输入、输出端子数。

根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机。

一般来说，点数多的PLC功能也相应较强。

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。

进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。

对开关量控制系统，当控制速度要求不高时，一般的小型PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

当控制速度要求较高、输出有高速度脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。

对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的模块、配接相应的传感器、变送器和驱动装置等。

在此要特别的介绍一下S7-200，在该课题的程序设计中，所用的编程软件就是S7-200。

西门子S7-200系列PLC适用于各种行业、各种场合的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中还是相连成网络，皆能实现控制功能。

3.2 CPU和扩展模块选择
S7-200主机的CPU共有两个系列：CPU21X及CPU22X。

CPU21X系列包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216；CPU222X包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226MX。

S7-200系列目前可以提供三大类数字量输入输出扩展模板，即EM221、EM222和EM223。

在本课题中所用到得CPU为CPU226MX，所用的扩展模板为EM222，其输出类型为DC24V输出8点。

3.3 I/O分配表
表3-1 I/O分配表
3.4 硬件接线图
图3.1 硬件接线图
第四章控制系统程序设计4.1 程序设计流程
图4.1程序流程图
4.2 主程序设计
主程序用顺序和指令两种方法编写（1）顺序法编写程序（如图4.2）
图4.2
（2）运用指令编写程序（如图4.3）
图4.3
4.3程序模拟与调试
对编好的程序进行调试运行，可以分为以下几个步骤：
1 在S7-200的界面里选择合适的CPU型号为CPU226XM，如图4-4
图4-4。