1、 TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業設計題目：舞臺燈光控制系統設計姓 名： 學 號： 專業班級： 指導教師： _ 日 期： 2021.6.14 電子信息工程學院太原科技大學畢業設計論文任務書學院直屬系：電子信息工程學院 時間：2021年3月1日學 生 姓 名指 導 教 師設計論文題目舞臺燈光控制系統設計主要研究內容 掌握PLC控制系統的設計方法，掌握PLC的編程方法，利用PLC實現舞臺燈光控制系統的設計。研究方法原理設計主要技術指標(或研究目標)1、掌握PLC控制系統的設計方法。2、完成控制系統硬件設計，給出控制系統原理圖。3、完成控制系

2、統軟件設計，編制控制程序。教研室意見教研室主任專業負責人簽字： 年 月 日 說明：一式兩份，一份裝訂入學生畢業設計論文內，一份交學院直屬系。目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc2213 摘要 PAGEREF _Toc2213 I HYPERLINK l _Toc5079 ABSTRACT PAGEREF _Toc5079 II HYPERLINK l _Toc25793 第1章 緒論 PAGEREF _Toc25793 1 HYPERLINK l _Toc6773 PAGEREF _Toc6773 1 HYPERLINK l _Toc16433 PAGEREF _

3、Toc16433 1 HYPERLINK l _Toc31201 PAGEREF _Toc31201 2 HYPERLINK l _Toc3539 PAGEREF _Toc3539 2 HYPERLINK l _Toc2535 第2章 系統功能需求分析和設計方案 PAGEREF _Toc2535 4 HYPERLINK l _Toc15645 PAGEREF _Toc15645 4 HYPERLINK l _Toc32663 PAGEREF _Toc32663 5 HYPERLINK l _Toc27786 PAGEREF _Toc27786 5 HYPERLINK l _Toc28286 2

4、.2.2 PLC控制的特點 PAGEREF _Toc28286 6 HYPERLINK l _Toc7273 PAGEREF _Toc7273 6 HYPERLINK l _Toc3267 PAGEREF _Toc3267 8 HYPERLINK l _Toc19730 PAGEREF _Toc19730 8 HYPERLINK l _Toc6401 2.4.2變頻調速的方式 PAGEREF _Toc6401 9 HYPERLINK l _Toc3020 2.5升降舞臺的控制方法 PAGEREF _Toc3020 11 HYPERLINK l _Toc30740 2.5.1兩種同步控制方式的比

5、較 PAGEREF _Toc30740 11 HYPERLINK l _Toc19439 2.6系統的輸入輸出分析 PAGEREF _Toc19439 12 HYPERLINK l _Toc4663 第3章 硬件設計 PAGEREF _Toc4663 14 HYPERLINK l _Toc5636 PAGEREF _Toc5636 14 HYPERLINK l _Toc29217 3.2 控制器的選擇 PAGEREF _Toc29217 15 HYPERLINK l _Toc9454 PAGEREF _Toc9454 16 HYPERLINK l _Toc32263 PAGEREF _Toc3

6、2263 17 HYPERLINK l _Toc2410 3.5舞臺燈光的 I/O 地址分配表 PAGEREF _Toc2410 17 HYPERLINK l _Toc8619 PAGEREF _Toc8619 19 HYPERLINK l _Toc28252 第4章 軟件設計 PAGEREF _Toc28252 24 HYPERLINK l _Toc14814 4.1 step7介紹 PAGEREF _Toc14814 24 HYPERLINK l _Toc11465 程序流程圖 PAGEREF _Toc11465 24 HYPERLINK l _Toc21794 PAGEREF _Toc2

7、1794 26 HYPERLINK l _Toc5237 4.4 PID控制的設計 PAGEREF _Toc5237 29 HYPERLINK l _Toc14929 PID參數整定 PAGEREF _Toc14929 31 HYPERLINK l _Toc13936 第5章 系統測試 PAGEREF _Toc13936 32 HYPERLINK l _Toc28011 PAGEREF _Toc28011 32 HYPERLINK l _Toc10527 PAGEREF _Toc10527 32 HYPERLINK l _Toc27652 PAGEREF _Toc27652 32 HYPERL

8、INK l _Toc14726 PAGEREF _Toc14726 32 HYPERLINK l _Toc26081 PAGEREF _Toc26081 35 HYPERLINK l _Toc23513 PAGEREF _Toc23513 36 HYPERLINK l _Toc7114 PAGEREF _Toc7114 36 HYPERLINK l _Toc32158 5.3.2 仿真結果 PAGEREF _Toc32158 36 HYPERLINK l _Toc7578 第6章 結論 PAGEREF _Toc7578 39 HYPERLINK l _Toc11758 致謝 PAGEREF _

9、Toc11758 40 HYPERLINK l _Toc10765 參考文獻 PAGEREF _Toc10765 41 HYPERLINK l _Toc29835 附錄 PAGEREF _Toc29835 42摘要為了解決解決過去簡單機械式的舞臺燈光控制方式的效率低和效果差的問題和升降舞臺無法同步升降而導致演出事故時有發生的問題。本文設計了一種基于西門子s7-200的舞臺燈光控制系統。本次設計中，針對舞臺燈數量較多，且閃爍效果多變的特點。結合PLC控制的優點，通過PLC的多種程序指令實現對舞臺上28盞燈亮滅的控制。通過對時間繼電器的控制來實現不同的閃爍效果。通過S7-200S仿真證明采用PLC

10、控制能夠穩定控制舞臺燈光有規律的亮滅，到達了預期的設計目的。其次，針對升降舞臺同步控制系統大慣性、非線性、時變性等特點，結合常規PID控制的優點，提出了PID控制算法用于升降舞臺系統的同步控制。通過MATLAB仿真證明采用PID控制算法能到達系統同步性、快速性、穩定性的要求。 關鍵詞：舞臺燈光，PLC控制，同步升降ABSTRACTIn order to solve the issue that the way of simple mechanical stage lighting control mode is low efficiency and poor effect and platfo

11、rm lift cannot be synchronized lifting so that cause stage accident happened from time to tome. This graduation project is about a stage lighting control system based on Siemens s7-200. In this design, the number of stage lamps is large, and the characteristics of the flicker are varied. Combined wi

12、th the advantages of PLC control, the control of 28 lights on stage is realized through PLC. Different flicker effects are achieved by controlling the time relay. Through the s7-200sim2.0 simulation, it is proved that PLC control can control the lighting of stage stably, and achieve the desired desi

13、gn goal. Secondly, in view of the lifting stage synchronization control system of big inertia, nonlinear and time-varying characteristics, combined with the advantages of conventional PID control, PID control algorithm is proposed for elevator stage of synchronous control system. MATLAB simulation s

14、hows that the PID control algorithm can meet the requirements of system synchronization, speed and stability.Key words: stage lighting，PLC control，synchronous lift第1章 緒論 HYPERLINK l _Toc3442 隨著科學技術的不斷開展以及人們審美水平的不斷上升。在現代生活中，彩燈作為一種裝飾可以用在很多場合。它不但可以增強美感還可以通過選擇彩燈顏色以及控制彩燈的亮暗頻率來襯托出特定的氣氛。隨著科技的開展，PLC技術在國內外控制

15、領域中異軍突起，在實際生活中的應用越來越廣泛。在這個開展的過程中，人們不再僅僅滿足于系統功能的多樣性，而是更多的要實現系統的自動化與智能化。這樣不但可以提高效率，還可以使人類從繁冗的工作中得以解脫。使得人們把更多的精力放在產品研發上。同時也提高了產品的質量，減少了系統出錯的幾率。本論文設計了一個舞臺燈光控制系統，它多用于宴會廳，酒吧等場所。系統采用PLC控制的方法，最終實現了一定的控制效果。 HYPERLINK l _Toc4269 在工業自動化控制領域，PLC始終都占有一席之地，為許許多多的自動化系統提供了可靠穩定的控制。它可操作性強，不但可以使得很多復雜的控制變得簡易，而且還可以提供快捷的

16、控制。但是目前看來，PLC還必須要面對其他新的技術所帶來的挑戰與沖擊。所以PLC目前依然需要不斷的技術革新來滿足當下大的市場環境。 舞臺燈光是根據舞臺藝術演出的法那么和特定的表演需求而設計的。其目的在于配合各種表演藝術來營造襯托出相應的氣氛。隨著人們生活水平的提高，對于一些娛樂產業中類似宴會廳歌劇院的場所的要求越來越高。從運用方面來說，我國在舞臺燈光的美觀設計上的技術已經非常成熟，只是在舞臺燈光系統的實際控制方面稍有欠缺。 伴隨著科學技術的不斷進步，在研究人員的不斷努力下，一大批高效節能的照明燈陸續問世。從最初的白熾燈到現在的各式各樣的節能燈，無一不為我們展現出科技的進步。相比之下，新型的照明

17、燈具比以往的照明燈更加的環保、節能和高效。除此之外，照明效果也有了質的提升。在平安方面，這些燈大都配置了紅外反射膜，這樣可以減少大量的熱輻射從而延長了照明燈具的使用壽命也大大增加了演藝人員在演出時的平安系數。 在國際潮流和科技的推動下，舞臺燈光正朝著多元化的方向快速開展。在原有的的高效、節能、平安、便攜等優點的根底上，舞臺燈光正在朝著功能多樣性和種類多樣性的方向開展。同時隨著自動化技術的飛速開展，舞臺燈光系統的自動化程度也日益提高。 在升降舞臺的研發方面，我國也已經付出了很多年的努力，技術也日趨成熟。但是如何更大程度的提高系統的平安性依然是一個無法完全解決的難題。由于升降舞臺的控制的不嚴謹性，

18、演出事故也是時有發生。例如旋轉舞臺的失控，導致在演出結束時演員無法正面對觀眾。還有，由于多塊升降舞臺的的不同步性，導致在某一平面時多塊升降臺無法處于同一水平面，從而引發演員摔倒或者墜落的演出事故。因此，實現舞臺的同步控制就顯得尤為重要了。 HYPERLINK l _Toc13214本系統設計了一個自動化的舞臺燈光控制系統，可以用于酒吧或者宴會廳的閃爍燈。所謂自動化就是指不需要人過多的干預就能夠自動的配合舞臺氣氛或者場景的需要來到達控制一些燈的亮暗以及它們的閃爍頻率的目的。本次設計通過PLC的控制，使舞臺燈光的亮暗閃爍更加自動化和多樣化。我首先選擇了PLC的型號，我選取了西門子S7-200系列的

19、CPU226可編程控制器。然后進行了輸入和輸出的分析。在進行完這些準備工作后，我開始對舞臺燈進行一定的空間布置。我一共選取了28盞彩燈，其中有4盞彩燈為旋轉彩燈，由四臺電機帶動旋轉。剩余的24盞是固定彩燈。我將24盞彩燈均勻分布在3個橢圓形光道上，每個光道由大到小依次嵌套，并且每個光道上都安裝8盞彩燈。其中最外側和最內側的光道上的燈為閃爍燈，中間光道的燈為常亮燈，保證舞臺最根本的照明。最后就是繪制電氣原理圖和編程了。繪制原理圖我使用到了AUTO CAD2021這一軟件。在繪制系統的I/O表時，考慮到所選用的CPU輸出點不夠，所以我增加了三個拓展模塊來滿足我的設計要求。本系統還帶有舞臺升降的局部

20、以及還帶有風扇泡泡機和煙霧機。在升降舞臺局部包括兩塊獨立的升降臺，為了平安起見，在起降時應當到達同步起降的效果。在需要時，按下相應的開關即可。本文分為六章。第1章為文章的緒論，主要介紹課題研究的背景以及國內外的現狀。第2章為課題的設計方案，主要介紹了系統控制方案的選擇、舞臺燈光的工藝要求以及舞臺升降舞臺的同步控制方法，還有控制升降舞臺的電機的調速方法。第3章是系統整體的硬件設計，對PLC的型號選擇、CPU的型號的選擇、舞臺燈的選型進行了一定的概述。最后本章還給出了系統的電氣原理圖和I/O分配表。第4章是軟件設計局部，主要包括對step7軟件的介紹、程序流程圖和對局部模塊的程序的解釋說明還有系統

21、的建模和PID控制設計局部。第5章為系統測試，包括兩局部。第一局部介紹了介紹了仿真軟件。第二局部對仿真結果做了一定的解釋。第6章為本文的結論。第2章 系統功能需求分析和設計方案本章節主要介紹了舞臺燈光控制系統的設計方案。主要包括舞臺燈光的空間布局和其工藝要求。為了平安，還增加了擴聲系統的配電要求。最后介紹了升降舞臺局部的設計思路以及控制方法。2.1系統的功能需求分析舞臺燈光的設計宗旨是配合舞臺表演的需要來營造出一種藝術氣氛，給觀眾帶來美的享受。本文中，舞臺燈光的空間布置要科學實用。既要美觀，滿足演出需求，又要防止照明死區。各種燈光的亮滅可以根據需求靈活組合。在需要時還控制舞臺升降、開啟煙霧機和

22、風扇泡泡機來配合燈光營造表演氣氛。1.頂光系統設計配置需求 本研究方案一共控制24盞閃爍燈，24盞燈均勻分布在三個橢圓形光道上。每個光道由8 盞燈組成。中間光道的8盞燈依次為L1-L8，設定為常亮燈，作為舞臺的主要光源。內光道由L9-L16組成，外光道由L17-L24構成，設定為閃爍燈，閃爍頻率為0.5秒。投射方向多變，可根據需求刻畫人物和突出表演效果。如圖2.1為閃爍燈的空間布置圖。需求 舞臺正上方的前后左右四個位置分別安裝一個旋轉彩燈。每個旋轉彩燈分別由一臺電機帶動。由于旋轉彩燈的所需功率較小，所以這里選擇YS-7134型號的電機。通過對電機的轉速進行控制來控制旋轉彩燈的轉速。四個電機由一

23、臺變頻器拖動。這樣可以保證四個旋轉彩燈的同步性，以到達美觀的效果。3.燈光換色器設計配置需求 局部燈安裝換色器，根據表演的需要給燈換以不同的，襯托表演氣氛，增加舞臺表演的多樣性。需求升降舞臺的整個行程為舞臺平面下2m到舞臺平面上1m。整個升降舞臺由兩個單獨的平行升降臺構成，如圖2.2所示。兩塊升降臺分別通過兩臺電機來拖動。這里電機選擇Y180M-2型三相異步電機，該型號電機效率高、節能好、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行平安可靠。電機主軸通過減速器與柔性齒輪條的結合，把電機的旋轉運動變為舞臺的上升與下降。 升降臺2 升降臺1俯視圖系統供電配置需求燈光和音響是舞臺表演的兩大重要組成局部。對于舞臺

24、表演藝術來說，二者同等重要。所以為了平安和演出效果不受干擾，現對音響擴聲系統的配電提出以下要求： 音響擴聲系統的配電與舞臺燈光的配電完全分開，并且要有穩壓處理。在變壓器局部，音響擴聲系統和舞臺燈光系統也應當獨立使用。擴聲系統供電容量AC220V/10KVA，有條件的話，最好二路供電，主、備自動切換。為了防止電磁干擾，電力管線與音響管線應盡量交叉放置，假設平行那么必須保距離持50厘米以上的。2.2控制方案的選擇2.2.1繼電器控制的特點 如今繼電器已經應用到國內生產的方方面面，在一些小型系統的控制上，繼電器控制因為其控制方式單一，所以更加的容易實現。但是這也是隨之帶來的一些問題。繼電器控制是通過

25、硬件接線的方式來實現的。當控制系統較大或者系統的輸出較多時，繼電器控制的接線就會非常復雜，占用的資源也較多。當系統形成后，很難對系統的功能進行調整。系統的可擴展性受到很大的限制。同時，由于系統的觸點和連線較多，所以給后期對系統的維護和維修都帶來了極大的不便。2.2.2 PLC控制的特點PLC即為可編程邏輯控制器的簡稱。PLC控制具備以下優點1、功能強大，實用性高。2、穩定性好，抗干擾能力強。3、系統易于調試操作。4、編程方法簡單5、系統易于維護與維修。6、占用空間小，能耗低。PLC的弊端是PLC的體系較為閉塞與獨立，當用戶選擇了一種PLC后，必須選擇相應的控制規那么，學習相應的語言。 本控制系

26、統輸出點較多，如果使用繼電器控制那么浪費本錢并且在多個輸出同時工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會產生大量的熱量造成平安隱患。并且在改變燈光的控制規律時PLC控制更加方便。所以我選擇PLC控制。2.3系統建模異步電機數學模型的建立：異步電機的電磁轉矩為： (2.1)式中：m相數，一般取m=3；p電機極對數；s轉差率；U1、w1定子的相電壓、定子的角頻率；R1、R2定子每相電阻、轉子每相電阻； L1、L2定子每相漏感、轉子每相漏感； 異步電機在正常工作的情況下，其臨界滑差率一般較大，即轉差率S小。所以有 ，即為： 將帶入式得 式中：、同步轉速、實際轉速r/min；電機在調速過程中，與的比例關系根

27、本恒定，得到，為變頻調速增益，那么 其中,那么： 2.5)根據電動機銘牌上標明的各個額定參數：功率，電壓，轉速，可計算出 ; 將結果帶入式，可推導出未知數: ()進而可得的值。由電機機械運動方程： 式中：工作機械負載轉矩，N.m；電動機及負載轉動慣量，kg.；轉動慣量，kg.將式帶入得： 式2.16經拉式變換得： 2.9得到電機傳遞函數近似為： 2.10 2.4控制升降舞臺的電機的調速方式2.4.1變頻調速的控制方法在本文中，升降舞臺通過電機來帶動，所以要想控制舞臺的同步升降，只要控制了電機轉速的同步性就可以控制升降舞臺的同步性。控制電機的轉速就涉及到電機的調速。變頻調速是常用的電機調速的方式

28、。概括來說，變頻調速是通過改變電源頻率來調整電動機轉速的連續平滑調速方法，改變電機電源來改變其轉速。 在變頻調速領域，異步電機在調速時保持恒定的轉差功率，其效率高、動態性能好的優點使其占有不可替代的地位，更有著不可比較的優勢。該方式能夠從根本上入手，對電機施行控制，其控制思想是根據系統的穩態方程的變換研究得來的，由電機學理論知識得知： 首先定義轉差率 s 為： 2.11 由式(2.11)經代數變換得： 2.12由于 2.13將式(2.13)帶入式(2.14)，那么有異步電機轉速公式： 2.14式中：同步轉速，r/min；n機械轉速；定子電源頻率，Hz；P電機的極對數；S轉差率。由公式(2.14

29、)可知，要使電機的轉速發生改變，可通過以下三種參數的調整來實現：電源頻率、極對數、轉差率。通常情況下，極對數和轉差率會保持不變，因此只能靠改變供電電源的頻率，來使發生相應變化，進而實現電機轉速的調整。 2.4.2變頻調速的方式由電機學可知： 式中： 定子每相繞組感應電動勢； 定子繞組的每相串聯匝數； 基波繞組的系數； 每極氣隙的磁通量； 忽略定子阻抗壓降，得到： 2.16由(2.6)看出，如果電壓保持不變，那么隨著與氣隙的磁通量 成反比關系，即 增大那么變小，假設變小那么增大。 異步電動機的轉矩表達式如下： 2.17式中： 異步電機轉矩系數；轉子繞組電流；轉子繞組功率角； 可見，如果減小，那么

30、電機的輸出轉矩M也會減小，最終使電機的效率變低，同時，電動機的最大轉矩也受到影響，嚴重時會導致電機堵轉；所以在大多數情況下會選擇恒壓頻比控制。在電機調速的時候，一般情況下應盡量將每極磁通量控制在系統規定的數值上下。假設磁通量很低，那么意味著電機鐵心存在很大的浪費，沒有資源的合理有效應用；但假假設一味提高磁通量，那么鐵心會飽和，甚至電時機因為繞組過熱而被燒壞。直流電動機有獨立的勵磁系統，所以要保持磁通恒定主要以補償電樞反響的方式來實現。不同的是，異步電機中的磁通是由定子和轉子磁動勢共同合成，所以要想保持磁通恒定就沒那么容易了。 由公式(2.5)可知，想要保證氣隙磁通量恒定，就要使電源頻率 從額定

31、值慢慢降低的過程中，調節感應電動勢的大小： 2.18但是，由于感應電動勢的調節比較困難，所以當電動勢處于較大的值時，定子壓降可以忽略，此時，故： 2.19 以上即為恒壓頻比控制。2.5升降舞臺的控制方法升降舞臺通過電機來帶動。一般的升降舞臺的升降速度大約為1m/S.對電機啟動加速時間進行設置，來控制電機的加速時間，進而控制舞臺的上升時的加速時間。在舞臺停止時，還應當設置減速點，當舞臺上升到減速點位置時，舞臺開始減速，到達停止點時即限位開關，舞臺停止上升。這里加速時間設置為電機啟動后，速度在0.5s內到達1000r/min然后保持勻速轉動，到達減速點，速度時在0.5s內轉速變為0。按下下降按鈕時

32、，舞臺開始下降，電機的轉速在0.5s內到達1000r/min，到達減速點時，舞臺開始減速，到達停止點時，舞臺停止下降。這里的電機以及旋轉彩燈所用到的電機啟動方式均為變頻啟動，這樣可以節約能源，減少大電流對繞組的沖擊，延長電機的壽命。為了平安起見，升降舞臺的兩塊升降臺應當到達同步控制的效果。這里我選擇同步控制誤差小于30mm的標準，這樣在平安和視覺兩方面均可以有很好地保證。2.5.1兩種同步控制方式的比較升降舞臺的同步控制的思路分為兩種。第一種稱為并行控制。這是一種最簡單的控制方式。顧名思義，并行控制就是將多臺電機采取并聯的方式，各個升降臺的調速系統都接受相同的信號來控制電機的轉速。這種方式容易

33、實現，但是抗干擾能力較弱。如圖2.3就是并行控制的示意圖。另一種是主從控制，它是將兩臺電機分為主電機和從電機。主電機的輸出值就是從電機的輸入值。也就是說從電機的輸出可以跟隨主電機的輸出來進行調整。而從電機的輸出不會影響主電機，這樣平安性和整體性都大大提高。如圖2.4就是主從控制的示意圖。所以選擇主從控制的方式更加能夠保證系統的整體性和同步性，從而提高平安性。現代升降舞臺系統中，由于舞臺運動過程中存在負載不均勻 ，摩擦阻力大小不一等因素，因此舞臺同步控制是一個復雜、時變動態過程，存在非線性、大慣性的特征。傳統 PID 控制算法簡單，可靠性較高，應用設計簡便，應用廣泛，對于確定數學模型的系統可以獲

34、得最好的控制效果。所以PID控制在舞臺同步控制方面仍然占有一席之地。在本次設計中采用PID控制來實現兩塊升降臺的同步升降。2.6系統的輸入輸出分析針對上述中的對控制方案的描述，現總結得出系統的輸入輸出。系統共有8個輸入，29個輸出。輸入分別為啟動按鈕，停止按鈕，舞臺上升按鈕，舞臺上減速按鈕，舞臺上停止按鈕，舞臺下降按鈕，舞臺下停止按鈕，舞臺下減速按鈕。輸出為各個舞臺燈的亮暗和帶動升降舞臺，旋轉彩燈和風扇泡泡機的各個電機的變頻啟動和工頻運行。 綜上所述本章總體介紹了舞臺燈光控制系統的設計思路。分別對燈光控制系統局部以及升降舞臺局部的設計思路以及設計需求做了介紹。在舞臺燈的空間布局完成后，我初步選

35、擇了一套閃爍燈的閃爍方案。在升降舞臺局部，我選擇了主從控制的控制思路，運用PID來到達兩塊升降臺同步控制的效果。在升降舞臺的調速上，為了提高電機的輸出效率，我選擇了恒壓頻比的調速方式。最后對系統整體的輸入輸出做了分析，第3章 硬件設計 本章節討論了硬件的選型。主要包括PLC的選型，CPU的選型，舞臺燈光的選擇以及變頻器的選擇。本章節還給出了舞臺燈光的I/O表和電氣原理圖，并分別對其做出了一定的解釋。 系統總體分為輸入單元、輸出單元、和CPU。輸入單元由輸入按鈕，輸出按鈕組成。輸出單元由28盞燈和升降舞臺、煙霧機和風扇泡泡機組成。編寫的程序存放在存儲器中。 如圖3.1，當按下啟動按鈕時，PLC開

36、始工作，CPU開始執行相應的程序來控制某些繼電器的觸點的閉合或者斷開。此時控制旋轉彩燈的繼電器觸電閉合，控制燈L1-L7的繼電器觸電也閉合，所以常亮燈的8盞燈變亮。且會持續到停止按鈕按下。同時，如果演出需要，那么可以開啟煙霧機制造煙霧，也可以開啟風扇泡泡機，共同配合燈光營造出特定的演出氣氛。最后還設置了急停按鈕。萬一出現意外情況，那么可以按下急停按鈕，所有的繼電器觸電全部斷開，防止造成不必要的損失。3.2 控制器的選擇目前市面上市場占有率較高的PLC品牌有三種，分別是西門子PLC，三菱PLC和歐姆龍PLC。三菱的優勢在于離散控制和運動控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令，控制伺服和步進容易實

37、現，要實現某些復雜的動作控制也是三菱的強項，但是三菱PLC模擬量模塊價格較為昂貴，程序也較為復雜。歐姆龍PLC使用較為方便，價格較低。適合小型系統的控制，但是其穩定性欠佳。西門子PLC價格適中抗干擾能力比較強，也比較耐用，維護率，損壞率比較低。最重要的是西門子的模擬量模塊價格廉價，程序簡單。而本文中對大量彩燈的控制均為模擬量。所以綜合考慮后，我選擇了西門子品牌的PLC。而S7系列的PLC又是西門子PLC中最為經典的，所以我選擇西門子S7系列的PLC。1、S7-300S7-300針對適用于低性能且結構模塊化的中小型控制系統，其優點是結構高度模塊化，很容易就可以實現配置分布化，不管從電磁兼容性還是

38、抗震沖擊性能上其性價比都非常高，這也是它被廣泛應用于眾多的工業控制領域的原因。另外它也可在很多不同的CPU模塊中選擇使用，擴展模塊更是多達32個模塊。這使得它變的很強大。2、SIMATIC S7-400(產于德國西門子公司S7-400 PLC的性能偏中、高檔，廣泛應用于機械行業，它較S7-200和S7-300而言處理速度快，通訊能力更強，采用免風扇的模塊化形式，保證了其平安可靠性，多種CPU、通用功能模塊使得S7-400 PLC可以根據不同的需求組合成不同的系統。還有一個特出的優點是其只需要增加少許的模塊即可在控制系統的范圍變大的時候使系統滿足其需求。3、S7-200S7-200 PLC是小型

39、化的PLC種類，它適用性強，與自動化檢測和控制有關的工業領域都將S7-200 PLC廣泛的應用其中，性價比高，在各種行業、場合中都能自動檢驗、監測并控制，它的功能很強大，不管是單機運行還是以網絡形式運行都能夠將復雜的控制完成，平安性、可靠性都很高，另外它的內容簡單，很容易掌握并操作，豐富的指令集、內置集成功能、擴展模塊以及超強的通訊能力更是讓這個產品實用無比。對三種不同的PLC進行比較，S7-300PLC和S7-400PLC的CPU模塊、通信模塊等等都適用于本系統。但結合實驗室以及設備的型號特點，需要昂貴的經費支持。因此其設備控制的需求不高，性價比反而較低。而S7-200不僅完全符合應用要求，

40、性價比還很高。最終選取S7-200PLC作為核心控制處理器。文章中所使用的是來自西門子(SIEMENS)S7-200系列CPU226可編程控制器。在本次設計中，一個輸出點控制一盞燈，CPU226只有16個輸出，所以需要增加擴展模塊。西門子(SIEMENS)S7-200系列CPU226在編程環境等方面，它不僅具備了以往的小型PLC所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實現了具有10點-100點輸入輸出點數的彈性構成。而且還可連接可編程控制終端。表3.1 CPU22X(CPU226)主要技術指標表型號CPU226程序/字4096用戶數據/字2560用戶儲存器類型EEFPROM本機I/O24入/1

41、6出數字量I/O映像區大小/bit256最大模擬量輸入輸出32入/32出I/O映像存放器/bit1281/和1280順序控制繼電器/bit256 舞臺的燈光排布分為3個橢圓形的光道。其中為舞臺提供根本照明功能的是作為舞臺主燈光的中間光道的8盞燈L1-L8。主燈光的作用除了提供根本的照明外還要能夠正面勾勒演員輪廓和突出演員的表情。所以L1-L8我選取4臺2KW的聚光燈和4臺2KW的回光燈。聚光燈投射距離遠，可以突出演員的輪廓，回光燈投射角度大，可以形成大的舞臺光斑，提高舞臺亮度并且增加美感。 在三條光道最里側的光道上的8盞燈，主要負責對演員上方的區域和其他的一些舞臺場景進行照亮，所以我選擇4臺2

42、KW的聚光燈和4臺2KW的柔光燈，并且交錯放置。柔光燈光照強度較弱，可以凸顯出演員衣著和其他場景的顏色。 在環形光道最外側的8盞燈因為位置靠近外圍，所以為側光燈。用于制造一些影音區域來襯托一定的氣氛。這里我選用2KW散光燈4臺和2KW回光燈4臺。 旋轉彩燈那么在舞臺正上方的前后左右四個方位各安裝一個。旋轉彩燈使用工作電壓為220V，功率為10W的LED旋轉彩燈。在本文中，升降舞臺以及旋轉彩燈局部均需要電機來帶動。而電機的調速局部那么由變頻器來完成。我選擇PLC同屬西門子公司的MICROMASTER 440變頻器。該變頻器具有平安系數高。穩定性能好的特點。可以實現多種參數設定的自由切換。并且自身

43、保護功能完善，可進行電壓及欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護和PTC/KTY電動機過載保護等。圖3.2是MICROMASTER 440變頻器的示意圖MM440變頻器示意圖3.5舞臺燈光的 I/O 地址分配表1輸入序號名稱輸入點1啟動按鈕2停止按鈕3舞臺上停止4舞臺上減速5舞臺下停止6舞臺下減速7舞臺上升8舞臺下降2輸出序號名稱輸出點1L1燈2L2燈3L3燈4L4燈5L5燈6L6燈7L7燈8L8燈9L9燈10L10燈11L11燈12L12燈13L13燈14L14燈15L15燈16L16燈17L17燈18L18燈19L19燈20L20燈21L21燈22L22燈23L23燈23L24

44、燈23L25燈24L26燈25L27燈26L28燈27M1變頻啟動28M1工頻運行29M2變頻啟動30M2工頻運行31M3變頻啟動32M3工頻運行33M4變頻啟動34M4工頻運行35M5變頻啟動36M5工頻運行37煙霧機38風扇泡泡機39舞臺停止本控制系統的輸出分配如表3.4所示，我設計的舞臺燈具共28盞，CPU226的輸出點共有十六個，一個輸出點控制一盞燈的亮滅明顯是不夠用的。于是我就想到了添加擴展模塊。這樣可以使得每一個彩燈都可以獨立工作，使煙霧機與風扇泡泡機也可以獨立工作互不影響，提高系統的平安性。圖3.3所示是變頻一個變頻器帶動四個電機在一定轉速下運行，這四個電機均為變頻啟動。M1-M

45、4控制驅動旋轉彩燈L24-L28的旋轉。圖3.4所示的是一個變頻器帶動舞臺升降的電機轉動以及帶動風扇泡泡機和煙霧機工作的電機。其中M5驅動升降舞臺的運行，M6帶動風扇泡泡機的運行，M7帶動煙霧機的運行圖3.5顯示的是彩燈與西門子PLC的連接方式。PLC電源使用直流24V電源。輸出點Q0.0-Q0.7連接常亮燈L1-L8，Q1.0-Q1.7連接閃爍燈L9-L16。輸入點SB1是啟動按鈕，SB2是停止按鈕，SB8控制舞臺上升，SB9控制舞臺下降，SB10控制舞臺停止。LS1是控制舞臺上升停止的點，LS2是控制舞臺下降停止的點，LS3是控制舞臺上升時的減速點，LS4是控制舞臺下降時的減速點。圖3.6

46、是拓展模塊，同樣接直流24v的電源。輸出點Q2.0-Q2.3接閃爍燈L17-L20，Q2.4-Q2.7接閃爍燈L21-L24.圖3.3旋轉彩燈電機局部原理圖圖3.4升降舞臺、煙霧機、風扇泡泡機局部原理圖圖3.7也是擴展模塊，其中輸出點Q3.0-Q3.3接旋轉彩燈L25-L28。開關K1是M1電機變頻啟動，K2是控制M1電機工頻運行。開關K3是M2電機變頻啟動，K4是控制M2電機工頻運行。圖3.8也為拓展模塊，開關K5是M3電機變頻啟動，K6是控制M3電機工頻運行。開關K7是M4電機變頻啟動，K8是控制M4電機工頻運行。開關K9是M5電機變頻啟動，K10是控制M5電機工頻運行。K11是控制煙霧機

47、的開關，K12是控制風扇泡泡機的開關。 綜上所述，本章節重點介紹了舞臺燈光控制系統硬件局部的的設計，主要介紹了各局部的主要工作原理和實現的功能以及電氣原理圖。有了硬件的根底，通過程序等軟件的制作才能更好地實現所需要的效果。第4章 軟件設計 本章節是舞臺燈光控制系統的軟件設計局部。首先對step7軟件的功能做了一定的介紹，然后給出了整體的程序流程圖和一些模塊的程序設計。4.1 step7介紹STEP7作為西門子的主要軟件局部，運用于可編程控制中。STEP7的作用不僅僅能實現硬件局部工作，更能使整個控制系統實現通信運行。STEP7軟件工具包括SIMATIC管理器、符號編輯器、硬件診斷、編程語言、硬

48、件配置、網絡配置。以下對這些工具進行詳細的描述。SIMATIC作用是管理控制系統中的數據以及程序。符號編輯器管理著控制系統中的文字符號，存儲器等的模塊符號就是它給標注并識別的。硬件診斷工具顧名思義管理著控制系統的整體運行的狀態，如果有些模塊出現了故障等情況，就可以翻開硬件診斷工具來清楚的看到到底是哪里出了問題，這樣才能解決掉故障使系統能繼續正常工作。編程語言是我們最熟悉的工具模塊，包括梯形圖、語言句以及功能模塊圖。其中，梯形圖最大的優點在于簡單易懂，在開關控制局部尤其加大對它的使用度。語言句作為編程語言的文本指示來編寫系統需要的一步步程序。而功能圖同梯形圖一樣也是系統的圖形表示方法。硬件配置工

49、具運用于對I/O口等參數的分配。網絡配置工具主要控制著系統數據的傳輸。程序流程圖如圖4.6為舞臺燈光控制系統的流程圖。本系統由28組燈組成，分別由PLC 的輸出端口 Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.控制。按下啟動按鈕SB1后，旋轉彩燈L25-L28開始亮起并且開始旋轉。由Q0.0-Q0.7控制的燈L1-L8 亮，作為舞臺的主光源，一直保持亮的狀態。0.5秒后，由Q控制的燈 L9、L10 亮0.5秒，然后由 Q和Q1.7 控制的燈L13-L16亮0.5秒；然后，由Q控制的燈L11、L12亮0.5 秒；然后由Q和Q控制的燈L15-L18亮0.5秒；然后，由 Q控制的燈L13、L14亮0.5秒；

50、然后由Q和Q控制的燈L17-L20亮 0.5 秒；然后，由Q控制的燈L15、L16亮0.5秒；然后由Q和Q控制的燈L19-L22 亮 0.5 秒；然后，由Q控制的燈L17、L18 亮燈0.5秒；然后由Q和 Q控制的燈L21-L24 亮燈0.5 秒；然后，由Q控制的燈L19、L20亮燈0.5秒；然后由Q和Q控制的燈L23、L24、L9、L10亮燈0.5秒；然后，由Q控制的燈L21、L22 亮燈0.5秒；然后由Q和Q控制的燈L9-L12亮燈0.5秒；然后，由Q控制的燈 L23、L24亮燈0.5秒；然后由Q和Q控制的燈L11-L14亮燈。然后從頭開始循環直到按下SB2停止按鈕后，所有燈都熄滅。該設計

51、的舞臺燈分為常亮燈和閃爍燈，給人們帶來了一場視覺盛宴也滿足了人們的審美心理的需要，使舞臺背景空間最大限度地利用了PLC的價值，并到達使用功能和審美功能的統一。舞臺燈光控制系統的控制流程圖如圖4.1。1主程序設計 圖4.7所示為主程序局部，分別初始化調用升降舞臺和的光控制局部的子程序。2旋轉彩燈啟動 按下開始按鈕，同時輸出點Q3.4為控制旋轉彩燈L25的電機M1開始變頻啟動，輸出點Q3.6為控制旋轉彩燈L26的電機M2開始變頻啟動，輸出點Q4.0為控制旋轉彩燈L27的電機M3開始變頻啟動，輸出點Q4.2為控制旋轉彩燈L28的電機M4開始變頻啟動這里啟動加速時間為3秒鐘。3旋轉彩燈的電機切換到工頻

52、運行 如圖4.9所示，當啟動結束后，M1-M4開始以工作頻率開始運行。輸出點為Q3.5,Q3.7，Q4.1，Q4.3。 如圖4.10所示，按下啟動按鈕，輸出點Q1.0和Q1.1控制的L9和L10開始點亮0.5秒。 如圖4.11所示，Q1.0和Q1.1控制的L9和L10熄滅，Q0.14-Q1.7控制的燈L13-L16開始點亮0.5秒。7舞臺升降局部 如圖4.12是舞臺升降局部。I0.7為舞臺上升的控制輸入，按下I0.7后，帶動舞臺上升的電機M5開始變頻啟動。在變頻啟動結束后，輸出Q4.5，即M5工頻運行。運行到減速點時，輸入I0.5，M5開始減速，直到到達停止點，舞臺停止，輸出Q5.1。8循環局

53、部 如圖4.13為循環局部程序，首先在此對彩燈局部程序初始化，然后開始循環。4.4 PID控制的設計由上文可知：三相異步電機的數學模型為 該升降舞臺同步控制系統的電機采用 Y180M-2 型三相異步電機，該型號電機效率高、節能好、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行平安可靠其參數為：額定功率；極對數p =1；額定轉速=2940r/min；額定電壓=380 V；額定電流=41.5 A；工頻=50Hz；額定轉矩=71.463 N /m；轉動慣量。將和P帶入公式2.3可得： 4.1將額定轉速和求出的同步轉速代入公式(2.11)可得： 4.2將額定電壓、電機極對數p、額定轉矩、工頻、轉差率s 代入公式(2

54、.23)可得： (4.3)將以上求出的額定電壓、電機極對數p、轉子每相電阻、工頻代入變頻調速增益公式可得： 將計算出的變頻調速增益以及電機銘牌的參數代入公式(2.27)，可得到電機的傳遞函數為： 4.5變頻器的輸入是控制電壓，得到相應的電源頻率和電機定子的相電壓,與與的關系為；因此： 4.6變頻器加速時間設置成0.5s，得到其傳遞函數為： 4.7PID參數整定在MATLAB SIMULINK仿真平臺下，如圖采用主從同步控制方式，建立二電機同步控制結構，首先采用常規PID控制算法。通過運用PID試湊法整定參數，該方法原那么為：對參數調整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。先整定的值，和為0，首

55、先由小逐漸增大，直到出現震蕩，然后減小，直到震蕩消失。確定好后，將比例系數減小為原來的50%80%，再設置一個較大的，然后逐漸減小直到出現震蕩，再增大，直到震蕩消失，記錄下此時的值，此時。的整定方法與相同，整定值記錄下此時的Td值，再計算。在圖 5.2 的根底上，反復仿真實驗，我們尋找到了能輸出較好響應曲線的 PID 參數配置：，。圖常規PID主從控制結構圖第5章 系統測試在前期做了大量的研究工作之后，最終那么需要通過系統仿真或者實物搭建來檢驗前期的工作是否正確以及本文的課題是否可行。針對本文所研究的內容，為了節省資源，降低本錢，我選擇系統仿真的方式來驗證本次課題的正確性與可行性。本文的仿真的

56、目的是兩個方面。1、驗證驗證舞臺燈光局部。這一局部主要為了驗證28盞閃爍燈的梯形圖程序是否正確，能否按照之前設定的流程圖來控制亮滅。2、驗證兩塊升降臺能否同步升降，也就是驗證控制升降臺的兩臺電機的轉速能否到達同步的效果。針對以上兩個方面。我選擇兩個不同的軟件來進行仿真。我們知道PLC的仿真軟件很多，但是由于S7-200Sim2.0使用方便、安裝簡單、仿真效果明顯，所以本設計選用的是S7-200Sim2.0仿真軟件，S7-200Sim2.0仿真軟件是在STEP-7環境下，不用連接任何S7系列的PLCCPU或 I0 模板，而是通過仿真的方法運行和測試用戶的應用程序。 S7_200Sim2.0提供了

57、簡單的界面，可以用編程的方法如改變輸入的通/斷狀態，輸入值的變化來監控和修改不同的參數，也可以使用變量表VAT進行監控和修改變量。1、在中新建一個工程。輸入程序，編譯正確后在文件菜單中導出為AWL文件。圖5.2編譯正確后導出AWL 文件翻開仿真軟件，點“Configuration-“CPU型號(或在已有的CPU圖案上雙擊)。圖5.3開啟仿真軟件選擇 CPU 型號在彈出的對話框中選擇CPU型號，要與你工程中的型號相同。4、點擊“程序-“載入程序(或工具條中的第2個按鈕)。5、 會有個對話框，選擇 Step 7 MicroWin V3.2 的版本，點擊“Accept。6將先前導出的AWL文件翻開。

58、7、點擊“查看E“內存監視M(或工具條中的第12個按鈕)輸入想要監視的地址。8、點“PLC-“RUN(或工具欄上的綠色三角按鈕)，程序已經開始模擬運行。仿真結果如下圖：其中從左到右，從上到下顯示的燈依次為L1-L28。從仿真系統的運行來看，測試結果如下：按下啟動按鈕后由，燈L1-L8 亮，且一直保持亮的狀態。0.5秒后， L9、L10 、L17亮 0.5 秒；然后 L13-L16 亮 0.5 秒；然后，燈 L11、L12 亮 0.5 秒；燈 L15-L18 亮 0.5 秒；然后，燈 L13、L14 亮0.5 秒；然后燈L17-L20亮0.5 秒；然后，燈L15、L16亮0.5 秒；燈L19-L

59、22亮0.5 秒；然后，燈 L17、L18 亮燈 0.5 秒；燈 L21-L24 亮燈 0.5 秒；然后，燈 L19、L20 亮燈 0.5秒；然后燈 L23、L24、L9、L10 亮燈 0.5 秒；燈 L21、L22 亮燈 0.5 秒；然后燈 L9-L12 亮燈 0.5 秒；燈L23、L24 亮燈 0.5 秒；然后由Q和Q控制的燈L11-L14亮燈。然后從頭開始循環如圖5.1所示的時刻為：此時L1-L7均為點亮狀態，旋轉彩燈L25-L28也同時點亮。L8、L9、L17也為點亮狀態，其余均為熄滅狀態。由以上結果知，程序可以正常運行，結果也和第4章的程序流程圖一致。所以本控制系統的設計是可靠的，能到