基于PLC的舞台灯光设计.docx
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基于PLC的舞台灯光设计
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
基于PLC的舞台灯光设计
学生姓名
学号
院系
电气工程系
专业
电气自动化技术
班级
指导教师
顾问教师
二〇一六年十月
摘要
舞台灯光控制也称为“舞台照明控制”,是设计舞台美术造型的重要手段之一。
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24只灯的控制,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。
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:
S7-200PLC舞台灯光控制系统
Abstract
Stagelightingcontrol,alsoknownas"stagelightingcontrol",isoneoftheimportantmeansforfineartsmodellingdesignstage.IsdiscussedindetailinthispaperthebasicknowledgeanddevelopmentofstagelightingandbasedonS7-200PLCcontroltechnology,thispaperintroducesthePLCcontrolsystemdesignschemeofstagelightinganditscontrolprinciple,usingavarietyofinstructionsto24lightsinstagelightingcontrol,throughthechangeoftimerelaycontrolcanberealizeddifferentlightingeffects.PLCiseasytolearnandhighreliability.Itnotonlyhastheswitchandanalogcontrolfunction,butalsohasstrongerdigitalcomputingpower,itscommunicationfunctionandanalogprocessingpowerismorepowerful.Itismoreabundantthanminicomputersinstructions,suitableforcomplicatedlogiccontrolsystemandthecontinuousproductionprocesscontrol.
Keywords:
S7-200PLCThestagelightingControlsystem
第一章绪论
1.1舞台灯的发展
随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高,在现代生活中,彩灯作为一种装饰,既可以增强人们的感观,起到广告宣传的作用,又可以增添节日气氛,为人们的生活增添亮丽,用在舞台上增强晚会灯光效果。
随着电子技术的发展,应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展PLC技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革。
语言作为可编程逻辑器件的标准语言描述能力强,覆盖面广,抽象能力强,在实际应用中越来越广泛。
在这个阶段,人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化,可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来,把精力集中在创造性的方案与概念构思上,从而可以提高设计效率,缩短产品的研制周期。
整个过程通过EDA工具自动完成,大大减轻了设计人员的工作强度,提高了设计质量,减少了出错的机会。
1.2舞台灯光的设计原则与工艺要求
1.2.1舞台灯光的设计原则
在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。
1.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。
1.2.2舞台灯光设计的工艺要求
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。
1.3国内外舞台灯光研究状况
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。
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。
尽管在现代的灯光装饰中有简单的彩灯,可是那是固定不变的,应用PLC技术控制的灯光更具艺术性。
1.4舞台灯光系统的前景分析
随着国民经济快速持续的发展,以及城镇居民收入水平的增加,人们对精神文化的需求更为强烈,可满足公共娱乐和文艺演出需求的场馆和广场,政府用、商用和民用的楼堂馆舍等场所的建设项目日趋增加。
得益于社会进步加速和公众文化消费水平提升的强有力带动,2008年北京成功举办奥运会,以及世界博览会、亚运动会分别将会在中国上海、广州召开,加上近年文艺歌舞成为一种潮流,大大小小的文艺演出与日俱增,KTV盛行于大江南北,这都在一定程度上极大的带动了我国舞台灯光行业的快速发展,舞台灯光产业已迎来了一个更为广阔的市场发展空间。
在国内文化娱乐事业空前发展的大好环境下,专业灯光产品的应用空间得到了较快的增长。
自2005年中国舞台灯光一扫本世纪初的市场阴霾,开始出现了迅速的反弹,2006、2007年中国舞台灯光市场销售额增长率均在10%以上,2008年虽受世界金融危机的冲击,但市场上仍然保持了9%以上的增长,至2008年中国舞台灯光市场规模达到了空前的25.6亿人民币。
近着国内经济的快速发展,在国内文化娱乐事业空前发展的大好环境下,舞台灯光行业迎来了更大的发展空间。
1.5课题设计意义
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。
灯光控制主要用于舞台,是舞台美术造型手段之一,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。
第二章可编程控制器(PLC)
2.1可编程控制器(PLC)的概述
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心,将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置,涉及到很多自动控制、电器方面的知识。
经过30多年的发展,在工业生产中获得极其广泛的应用。
目前,可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置,居工业生产自动化三大支柱(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。
其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
2.2PLC的起源与发展
虽然PLC问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步,PLC也迅速发展,其发展过程大致分为三大阶段:
早期的PLC(20世纪60年代末到70年代中期)。
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时控制等。
中期的PLC发展(20世纪70年代中期到80年代中、后期)。
在70年代,微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。
近期的PLC(20世纪80年代中、后期至今)。
进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
2.3PLC的定义及特点
2.3.1PLC的定义
可编程控制器,简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置”。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
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控制的智能型舞台灯比传统的舞台灯控制优越的多。
2.3.2PLC的特点
1、可靠性高。
PLC的MTBF一般在40000~50000h以上,有的在10-20万h,且均有完善的自诊断功能。
2、结构形式多样,模块化组合灵活。
有固定式适于小型系统或机床,组合式适于集控制系统。
最少的PLC只有6点,而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。
3、功能强大。
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。
4、编程方便。
控制具有极大灵活性。
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。
5、适应工业环境。
适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。
6、安装、维修简单。
与DCS相比,价格低。
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。
2.4PLC的构成及工作原理
2.4.1PLC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。
2.4.2PLC的工作原理
PLC的工作原理:
电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道,要实现可靠的电力线高速数据通信,必须解决低压配电网上各种因素如:
噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。
2.5PLC的选型
在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
熟悉可编程控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间。
因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
2.5.1PLC选型原则
1、输入输出(I/O)点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%-20%的扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。
实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。
2、存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来代替。
控制功能的选择:
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
3、运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能;普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算、数据传送等;大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高等级运算功能。
2.5.2PLC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。
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。
3、可靠性高,抗干扰能力强
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
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。
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1/2-1/10。
第三章舞台灯光的硬件设计
3.1系统的PLC及扩展模块设计
本次舞台灯设计用的是来自西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226可编程控制器,如图3-1所示。
所用的扩展模板为EM223(8I/8Q)。
图3-1西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226
产品规格:
西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226在编程环境等方面,它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能,尽可能使安装空间最小化,并实现了具有10点-100点输入输出点数的弹性构成。
而且还可连接可编程控制终端,创造了尚无前例的灵活运用。
它不仅可以替代继电器控制柜,就是作为小型控制器或在传感器应用中,亦能适应生产现场不同的需求,AC电源输入,继电器输出,能加扩展单元。
表3-1CPU22X(CPU226)主要技术指标表
型号
CPU226
程序/字
4096
用户数据/字
2560
用户储存器类型
EEFPROM
本机I/O
24入/16出
数字量I/O映像区大小/bit
256
最大模拟量输入/输出
32入/32出
I/O映像寄存器/bit
1281/和1280
顺序控制继电器/bit
256
根据本设计舞台灯的控制的需要,PLC控制系统的输入信号有2个按钮开关,输出信号有24个彩灯。
根据表3-1所示的CPU22XI/O点数表,可知CPU226有24个输入口和16个输出口,和扩展模板为EM223(8I/8Q),可以满足控制要求。
最后选定型号是S7-200系列CPU226AC/DC/RELAY,扩展模板为EM223(8I/8Q)。
3.2舞台灯光系统组件选择
设置于灯控室内的调光台是整个舞台照明系统的控制核心,必须满足各种综合性文艺演出和会议的使用要求。
即要与国际先进技术接轨,又要适合中国国情和灯光师的操作习惯。
调光台的操作要求达到快速、灵活控制设置,功能强大,现场编辑方便;既可集中控制,也可单独调光。
通过灯控台的编程来实现受控灯的自动运转。
所以想要是舞台出现绚丽多彩的场面就要很好地且熟练地操作灯控台,熟悉灯控台。
3.2.1设备选型
1、调光台DMX512
完善的编辑功能,现场修改十分方便、快捷、控制方便;能够编辑许多场景组合以及一些复杂的程序;如图3-2所示。
图3-2调光台DMX512
2、灯具
在灯具配置上要求合理,本着性能先进、节能、寿命长、价格适中,满足会议功能和综艺演出的需求为原则。
在灯具的选择上要求充分考虑歌剧院演出和会议功能,选用目前国际上较先进的节能型冷光束灯具,并且该灯具既可作为会议照明使用,也可作为演出使用。
3、电脑灯
作为动光使用,光束效果,起到调节气氛。
在电脑灯控制台的指挥下,电脑灯可以做出美妙绝伦且整齐一致的动作,一起向左、右或前后摇摆,一起旋转,一起改变图案花样,一起改变颜色。
场面极其绚丽壮观、令人陶醉。
它可以表现抒情、优雅的场景,也可以营造狂热、激奋的气氛。
图案可任意叠加组合,结合效果片,形成多层次、立体感及强的虚实变化和不同的艺术效果,自动双聚焦功能。
有许多种图案,是舞台变得更间的好看。
4、电源时序器
电源时序器能够按照由前级设备到后级设备逐个顺序启动电源,关闭供电电源时则由后级到前级的顺序关闭各类用电设备,这样就能有效的统一管理和控制各类用电设备,避免了人为的失误操作,同时又可减低用电设备在开关瞬间对供电电网的冲击,也避免了感生电流对设备的冲击,确保了整个用电系统的稳定。
如图3-3所示。
电源时序器是各类音响工程、电视广播系统、电脑网络系统及其它电气工程不可缺少的设备之一。
一般前面板设置总电源开关及两组的指示灯,一组是系统电源指示,一组是八路供电接口给电与否的状态指示,方便在现场使用。
背板配有八组受开关控制的AC电源插座,对受控的设备起保护作用,确保整个系统的稳定工作.每个独立的分组插座允许通过最大的电流。
图3-3电源时序器
3.2.2舞台灯光的常用光位
1、面光:
自观众顶部正面投向舞台的光,主要作用为人物正面照明及整台基本光铺染。
2、耳光:
位于台口外两侧,斜投于舞台的光,分为上下数层,主要辅助面光,加强面部照明,增加人物、景物的立体感。
3、柱光(又称侧光):
自台口内两侧投射的光,主要用于人物或景物的两侧面照明,增加立体感、轮廓感。
4、顶光:
自舞台上方投向舞台的光,主要用于舞台普遍照明,增强舞台照度,并且有很多景物、道具的定点照射,主要靠顶光去解决。
5、逆光:
自舞台逆方向投射的光(如顶光、桥光等反向照射),可勾画出人物、景称的轮廓,增强立体感和透明感,也可作为特定光源。
6、桥光:
在舞台两侧天桥处投向舞台的光,主要用于辅助柱光,增强立体感,也用于其他光位不便投射的方位,也可作为特定光源。
7、脚光:
自台口前的台板上向舞台投射的光,主要辅助面光照明和消除由于面光等高位照射的人物面部和下颚所形成的阴影。
8、天地排光:
自天幕上方和下方投向天幕的光,主要用于天幕的照明和色彩变化。
9、流动光:
位于舞台两侧的流动灯架上,主要辅助桥光,补充舞台两侧光线或其他特定光线。
10、追光:
自观众席或其他位置需用的光位主要用于跟踪演员表演或突出某一特定光线,又用于主持人,是舞台艺术的特写之笔,起到面龙点睛的作用。
3.2.3灯具选择
1、面光:
作为舞台前区的正面主光,LED帕灯为主,面光的作用主要是投向舞台前部,是人物造型以及台上景物的基本照明。
根据各种会议的需要.灯具横向打满舞台。
是有DMX512灯控台控制的。
2、顶光:
以LEDPAR灯为主,适应配一些会议三基色灯、摇头灯、频闪,以满足不同节目及会议的灯光需要。
3、追光灯:
一种高功率射灯,人物追光,定点光,室内一般采用2500电脑追光灯。
追光灯主要在舞台全场黑暗的情况下用光柱突出演员或其他特殊效果,或对演员进行补光。
追光灯可以变换各种不同的颜色,还有的可以打出不同的图案。
4、激光灯:
激光灯光具有颜色鲜艳、亮度高、指向性好、射程远、易控制等优点,看上去更具神奇梦幻的感觉。
将激光灯发出的激光射向水幕、建筑物或墙体等,激光在扫描系统的控制下快速移动,形成文字、图案等以供观赏。
5、天排灯及地排灯,天排灯:
用来由上向下照射天幕用,要求光亮而均衡,照射面积大,舞台背景光。
地排灯:
用来放在舞台上面,天幕下部朝上照射,与天排灯照射的光相接,上下均匀。
主要用于天幕照射和色彩变幻。
6、摇头灯:
电脑摇头灯可以自由控制灯光效果,通过图案轮里LOGO片的更换,营造出绚烂的舞台灯光效果,经常让舞台灯光效果更好地被表现出来。
电脑灯效果产生:
是通过不同的造型景片、不同的色彩变化,不同的视角、水平、垂直出光角度的变化及速度快慢、频闪快慢、光圈大小变化、焦距变化等综合表现。
3.3舞台灯光的PLC设计
3.3.1元器件使用说明序表
本系统需要的器件如表3-2所示:
表3-2舞台灯光需要的器件
器件名称
西门子PLC
彩灯
按钮
熔断器
导线
数量
1台
24个
3只
1只
若干
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