基于PLC的舞臺燈光控制系統設計

陳長生，李存永

（河南經貿職業學院 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即可，用在其它各個領域的燈光因功能而異，都需要采用控制系統進行精細控制。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強大的控制系統，該系統能夠通過精確控制舞臺燈光，用來塑造舞臺場景，營造舞臺氣氛。舞臺燈光控制系統在很大程度上會對舞臺視覺效果產生影響，所以對燈光控制系統的要求較高。但是控制系統里面廣泛應用的繼電器也有明顯缺點，已經很難有效應對日益提高的燈光需求，而PLC技術則剛好能夠發揮其強大的控制能力，在燈光控制系統中大展身手。

2 PLC簡介

PLC的全稱是可編程邏輯控制器，是基于MCU（微控制器）的通用型工業控制設備。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，但是只能進行邏輯控制。隨著集成電路技術的發展，16位和32位微處理器也逐漸應用其中，是的PLC得到了迅速發展。PLC不僅具有超強的控制功能，還具有高可靠性，低功耗，小體積等特點，所以很快成為當代工業自動化的支柱芯片之一。

2.1 PLC的組成

PLC的結構非常多，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、存儲器和I/O接口等模塊，組成其硬件結構，在此基礎上安裝系統控制軟件。從本質上來講，PLC就是一種新型的工業控制微型計算機。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作模式主要分為運行模式和停止模式。

（1）運行模式。該模式主要有內部處理、通信、輸入、執行、輸出五個階段。（2）停止模式。當PLC處于該模式時，PLC主要完成內部處理和通信服務等工作。

PLC在運行模式下的主要工作過程要完成以下事物：

（1）內部處理階段。在本階段，PLC的主要任務是檢查中央處理器模塊的硬件結構是否正常，對監事定時器進行復位。（2）通信階段。在此階段，PLC主要工作是同智能模塊進行通信，執行編程器的輸入的指令，更新編程器的顯示數據等。而一旦PLC進入停止模式，則只能完成內容處理和通信操作等任務。（3）輸入階段。本階段也可以成為是采樣階段，顧名思義，是對輸入數據進行采樣的。在本階段，PLC要順序讀取輸入端的通斷狀態，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，并且根據輸入映象寄存器中的數據進行邏輯運算，再把運算結果存儲到相關寄存器中。（5）刷新階段。在處理完梯形圖程序后，PLC會將所有輸出映象寄存器中的各點狀態，轉存到輸出鎖存器中，繼而通過輸出端來驅動外部負載。在運行模式下，可編程邏輯控制器將按照以上五個階段循環工作。

3 PLC的性能分析

3.1 傳統繼電器

在科技迅速發展的今天，繼電器已經在生活和工業領域得到了廣泛應用，由于其可靠性高的特點，成為了很多設計中的必需品。然而，數量的激增也帶來了一些隱患，尤其是長期超負荷的疲勞運行導致的損壞，甚至會產生電弧，造成嚴重后果。而且繼電器的安裝、接線和調試都需要人工進行，因此對損壞或疲勞的繼電器進行更換和維修也就變得十分繁瑣，需要耗費大量的人力物力，這也從側面反映出在實際應用中亟需替代品。

3.2 PLC的優勢

相對來講，優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）功能強。以小型PLC為例，西門子S7-200內包含了大量的可編程原件，可以實現復雜的編程功能，是繼電器不能相比的。（2）軟硬件配套齊全。經過多年的發展和市場考驗，PLC已經形成標準化、模塊化、系列化的產品系列，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。可編程控制器為了對抗干擾，從硬件和軟件上都進行了再設計，使系統具有非常強的抗干擾能力，可以長時間連續工作，適用于各種有嚴重干擾的應用場合。（4）易于安裝調試。PLC吸取了繼電器的經驗教訓，使用軟件來實現原有的硬件功能，從而減少了設計和安裝的復雜度，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程序，易于理解，便于編程，其中的電路符號幾乎和電路原理圖相似，易學易懂，降低了編程人員的負擔。

4 舞臺燈光控制系統設計

4.1 設計原則

舞臺燈光主要是為了營造優美的視覺盛宴，烘托現場氣氛，對實時性要求較高，而舞臺燈光控制系統在設計時要遵循舞臺藝術的需要和各種特殊要求，對燈光進行精準控制，從而達到為舞臺藝術服務的初衷。在設計該系統時，主要考慮以下原則：

（1）美觀。舞臺燈光首先要美觀。該設計原則主要是為了更好的吸引觀眾。在設計控制系統時，在完成燈光基本功能的前提下，要充分考慮美觀度，對烘托現場氣氛、美化舞臺空間都有巨大幫助。（2）功能性。本原則是必須嚴格遵守的。舞臺燈光控制系統設計的目的就是為了通過適時的改變燈光的色彩和亮度，以及舞臺燈具的點亮順序和頻率，從而達到設計目標。（3）經濟性。由于舞臺燈光的使用頻率非常高，因此在設計時要充分考慮到成本。在設計時不僅要考慮到燈光系統的建造成本，更要考慮到運營成本。舞臺燈光實際上還包括演藝廳的觀眾區的燈光，這些燈光主要是為了滿足人們的生理需要，配合舞臺上的諸多功能性燈光，從而極大地提高舞臺效果。這數量眾多的燈具勢必會造成巨大的電能損耗，因此在設計時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。這是整個系統設計中的重中之重。演藝廳往往聚集了大量的人員，而燈光系統本身也會發熱，并且往往懸掛于房頂，因此要充分考慮整個燈光系統的安全性。燈光控制系統要首先滿足安全性原則，其次才是功能的保證。

4.2 設計工藝

本設計的舞臺燈光控制系統要求滿足綜合劇場的功能，能夠使燈光系統適時地變換不同的照度和色彩，而且控制系統要足夠友好，方便工作人員及時操控。要充分考慮到燈光系統的維修和容量，保證燈光系統在進行系統診斷檢查時可以不中斷主要電力供應。

4.3 本系統的PLC和擴展模塊的選擇

本次舞臺燈光控制系統設計用的是來自西門子(SIEMENS)S7-200系列PLC設備。它是一款小型PLC設備，但是具有PLC設備的主要功能，而且安裝空間小，完全能夠實現對繼電器的替代。根據設計需求，對照S7-200系列PLC設備的特點，本設計選用CPU226處理器，它有24個輸入口、16個輸出口和擴展模板為EM223（8I/8Q），可以滿足控制要求。

4.4 舞臺燈光控制系統流程圖

舞臺燈光的點亮順序和花色根據實際需求可以靈活調整。圖1是一種簡單的點亮順序。

圖1 舞臺燈光控制系統流程圖

5 結語

舞臺燈光控制系統實現了使用功能強大的PLC控制器完成舞臺燈光控制，技術可靠，安全性好，能耗低，編程簡單，與科技發展接軌，也體現了科技進步對生活的巨大影響。