基于PLC的舞台灯光控制系统的设计与应用

孟宪坤， 李明辉

(陕西科技大学机电工程学院, 陕西 西安 710021)

0 引 言

我国的环境灯光控制系统品种繁多,主要可分为调光控制系统、开关控制系统和特殊灯具的专用控制器,其中大多数调光控制系统是由舞台调光系统改造而成，该系统没有克服原中央集中式控制系统的弊病,不能广泛用于各种环境灯光系统.多数开关控制系统的适应性也不强，且它们的系统结构大相径庭，通信协议和制式标准也不同，无法兼容和互联；有的系统还无法与保安、火灾报警、中央空调等系统集成控制[1，2].因此，采用先进的控制技术、计算机技术和通讯技术构建能够广泛适用于各种环境灯光系统的智能化控制系统是照明控制领域的发展方向之一.为此，作者设计了普适性很强的基于PLC控制技术应用于舞台灯光控制的系统.

1 舞台灯光照明系统设计的控制要求

舞台灯光的照明系统在设计和安装时的主要要求如下[3，4]：

(1)舞台照明每一回路的可载容量(额定电流)≥20 A，使用容量(功率)一般按2～4 kW考虑.

(2)在舞台照明设备的供电系统中，演出过程中可能频繁启动交流电动机，当其启动冲击电流引起电源电压波动超过±3%时，宜采用与舞台照明负荷分开的变压器供电.

(3)灯光控制系统在电气设备运行中的安全设置:

图1 舞台灯的布置图

合理配置输出：每个调光、直通输出一般有1只32 A的插座，每个插座的3根导线长度应一致，通过绞合而输出；良好的接地：为消除可控硅干扰，使音、视频设备达到使用要求，在灯光系统设计中选择较合理、实用的接地系统.扩声系统和灯光系统都设有独立接地干线，采用共用地极，接地电阻≤1 Ω；触电保护：应采取PE线与相关回路相线一起配线的方式.以减小零序阻抗，保证在发生单相接地故障时保护装置可靠动作，保障人身安全；雷电防护：在变电所低压母线装设避雷器，调光灯光配电柜装设电涌保护器，防止舞台或附近建筑物遭受雷击时由于电磁感应、静电感应产生的过电流、过电压损坏调光柜及灯光控制计算机系统，保证调光柜及灯光控制计算系统安全.

(4)灯光系统电气线缆及线路敷设设置：

灯线和音、视频等信号线相互远离，相遇时须做90°交叉且留有0.5 m距离，平行时间距设置大于1 m；所有信号连接线缆均选用五芯屏蔽线，以防止干扰；电缆敷设时应将电磁干扰降低到最低程度，当采用电缆软管时，其长度不能超1 m；动力或控制线路所用的多芯和屏蔽电缆的芯线易于按编号识别，少于25芯的电缆使用颜色代码.

图2 CPU226接线图

2 舞台灯光系统的硬件设计

本文假设舞台灯使用24盏灯挂在舞台上方，24盏灯采用不同的变幻效果，如图1所示，根据舞台灯照明系统的要求及西门子S7-200PLC的设计选型[1，5]，该硬件使用CPU226的Q0.0～Q2.7控制灯的亮与灭，CPU226的接线如图2所示，K1为开始按钮，K2为停止按钮.

聚光灯使用两个电机M1和M2来控制其在两个垂直方向上的移动，如图3所示.M1控制聚光灯在X轴上移动，M2控制聚光灯在Y轴上移动.

聚光灯的移动采用手动操作，如图4操纵杆推向某一方向时，使相应开关闭合，控制信号输入PLC，经运算后输出控制电机拖动聚光灯向相应方向转动.图中“L”表示向左，“R”表示向右，“F”表示向前，“B”表示向后.

数字量输出模块EM222与继电器的接线如图5所示：Q3.0～Q3.3分别与KM1～KM4相连，控制电机的运转状态；Q3.4与聚光灯L0相连，控制聚光灯的亮与灭，当ON开关闭合时，聚光灯亮，OFF闭合时，聚光灯灭.电机控制均设为点动，电机M1控制聚光灯前后运动，电机M2控制电机左右运动，其接线图如图6所示，结合图4可得其工作过程如下：

图3 电机布置图 图4 方向开关布置图

当L闭合时，继电器KM1动作，触点KM1吸合，电机M1正转，聚光灯向左移动；

当R闭合时，继电器KM2动作，触点KM2吸合，电机M1反转，聚光灯向右移动；

当F闭合时，继电器KM3动作，触点KM3吸合，电机M2正转，聚光灯向前移动；

当B闭合时，继电器KM4动作，触点KM4吸合，电机M2反转，聚光灯向后移动.

图5 EM222接线图

3 舞台灯光系统的软件设计

根据舞台灯光的工作过程可得其控制指令符号表如图7所示.

图6 电场接线图

符号表中Left为聚光灯向左移动按钮，Right为聚光灯向右移动按钮，Forward为聚光灯向前移动按钮，Back为聚光灯向后移动按钮，Start_L为舞台灯启动按钮，Stop_L为舞台灯停止按钮，Light_ON为聚光灯启动按钮，Light_OFF为聚光灯停止按钮，Row_1为第一排灯启动按钮，Row_2为第二排灯启动按钮，Row_3为第三排灯启动按钮.

图7 控制指令符号表

舞台灯光系统的软件主程序如图8所示，SM0.1启动初始化自程序SBR_0，初始化舞台灯变幻数据.Start_L启动标志位M20.0.Stop_L停止标志位M20.0.Row_1启动第一排灯变幻程序SBR_1,Row_2启动第一排灯变幻程序SBR_2,Row_3启动第一排灯变幻程序SBR_3.SM0.0无条件启动电机控制程序MOTOR.Light_ON启动聚光灯，输出到Q3.4，并自锁,Light_OFF解除自锁，关闭聚光灯.

图8 舞台灯光系统的软件主程序

4 结束语

本文以西门子S7-200PLC作为控制主机控制灯光的变幻和进行管理，完成了舞台灯光控制系统硬件及软件的设计，该控制系统结构简单、控制性能稳定可靠、适应性强；有完善的故障判断功能，可为操作人员迅速排除故障提供方便；系统输出的数据及时准确、完整，极大地方便了操作与管理，可广泛应用于各种环境灯光系统的智能化控制，进一步推动了PLC控制技术在舞台灯光控制系统中的应用.

参考文献

[1] 西门子有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2] 吴剑波,倪 晓．武汉琴台大剧院灯光系统综述[J]．艺术科技，2009,(4)：16-27.

[3] 柳得安，金长烈．舞台灯光系统工艺设计导则[J]．艺术科技．2010,(1)：37-47.

[4] 毕 雄,林永福．西安广电世纪园广电剧场数字化舞台灯光系统工程[J]．演艺设备与科技，2009,(2)：16-21.

[5] 詹有根，任小蓉．PLC景观灯光控制系统[J]．艺术科技，2003,(3)：3-5.