基于PLC的舞台灯光控制系统设计

陈长生，李存永

（河南经贸职业学院 河南 郑州 450053）

1 引言

生活中的灯光除了照明部分只需提供开关即可，用在其它各个领域的灯光因功能而异，都需要采用控制系统进行精细控制。或者是亮度的明暗，或者是色彩的绚烂，或者是造型的丰富变化，而所有这些变化都离不开一个强大的控制系统，该系统能够通过精确控制舞台灯光，用来塑造舞台场景，营造舞台气氛。舞台灯光控制系统在很大程度上会对舞台视觉效果产生影响，所以对灯光控制系统的要求较高。但是控制系统里面广泛应用的继电器也有明显缺点，已经很难有效应对日益提高的灯光需求，而PLC技术则刚好能够发挥其强大的控制能力，在灯光控制系统中大展身手。

2 PLC简介

PLC的全称是可编程逻辑控制器，是基于MCU（微控制器）的通用型工业控制设备。早期主要用来替代继电器和接触器的功能，主要用于顺序控制，但是只能进行逻辑控制。随着集成电路技术的发展，16位和32位微处理器也逐渐应用其中，是的PLC得到了迅速发展。PLC不仅具有超强的控制功能，还具有高可靠性，低功耗，小体积等特点，所以很快成为当代工业自动化的支柱芯片之一。

2.1 PLC的组成

PLC的结构非常多，但是它的组成原理基本相同，都是以微处理器为中心，辅以电源、存储器和I/O接口等模块，组成其硬件结构，在此基础上安装系统控制软件。从本质上来讲，PLC就是一种新型的工业控制微型计算机。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作模式主要分为运行模式和停止模式。

（1）运行模式。该模式主要有内部处理、通信、输入、执行、输出五个阶段。（2）停止模式。当PLC处于该模式时，PLC主要完成内部处理和通信服务等工作。

PLC在运行模式下的主要工作过程要完成以下事物：

（1）内部处理阶段。在本阶段，PLC的主要任务是检查中央处理器模块的硬件结构是否正常，对监事定时器进行复位。（2）通信阶段。在此阶段，PLC主要工作是同智能模块进行通信，执行编程器的输入的指令，更新编程器的显示数据等。而一旦PLC进入停止模式，则只能完成内容处理和通信操作等任务。（3）输入阶段。本阶段也可以成为是采样阶段，顾名思义，是对输入数据进行采样的。在本阶段，PLC要顺序读取输入端的通断状态，并且将读取到的信息存入寄存器中，并刷新输入映象寄存器。（4）处理阶段。在本阶段，PLC处理器将会按先上后下，先左后右的顺序，逐句读取梯形图中的程序，并且根据输入映象寄存器中的数据进行逻辑运算，再把运算结果存储到相关寄存器中。（5）刷新阶段。在处理完梯形图程序后，PLC会将所有输出映象寄存器中的各点状态，转存到输出锁存器中，继而通过输出端来驱动外部负载。在运行模式下，可编程逻辑控制器将按照以上五个阶段循环工作。

3 PLC的性能分析

3.1 传统继电器

在科技迅速发展的今天，继电器已经在生活和工业领域得到了广泛应用，由于其可靠性高的特点，成为了很多设计中的必需品。然而，数量的激增也带来了一些隐患，尤其是长期超负荷的疲劳运行导致的损坏，甚至会产生电弧，造成严重后果。而且继电器的安装、接线和调试都需要人工进行，因此对损坏或疲劳的继电器进行更换和维修也就变得十分繁琐，需要耗费大量的人力物力，这也从侧面反映出在实际应用中亟需替代品。

3.2 PLC的优势

相对来讲，优势主要体现在以下几个方面：

（1）功能强。以小型PLC为例，西门子S7-200内包含了大量的可编程原件，可以实现复杂的编程功能，是继电器不能相比的。（2）软硬件配套齐全。经过多年的发展和市场考验，PLC已经形成标准化、模块化、系列化的产品系列，有多重硬件配置供各类用户选择，用户使用非常方便。（3）可靠性高，抗干扰能力强。可编程控制器为了对抗干扰，从硬件和软件上都进行了再设计，使系统具有非常强的抗干扰能力，可以长时间连续工作，适用于各种有严重干扰的应用场合。（4）易于安装调试。PLC吸取了继电器的经验教训，使用软件来实现原有的硬件功能，从而减少了设计和安装的复杂度，也方便了用户的使用。（5）易于编程。PLC编程主要采用梯形图语言。该语言采用图形化的方式来表达程序，易于理解，便于编程，其中的电路符号几乎和电路原理图相似，易学易懂，降低了编程人员的负担。

4 舞台灯光控制系统设计

4.1 设计原则

舞台灯光主要是为了营造优美的视觉盛宴，烘托现场气氛，对实时性要求较高，而舞台灯光控制系统在设计时要遵循舞台艺术的需要和各种特殊要求，对灯光进行精准控制，从而达到为舞台艺术服务的初衷。在设计该系统时，主要考虑以下原则：

（1）美观。舞台灯光首先要美观。该设计原则主要是为了更好的吸引观众。在设计控制系统时，在完成灯光基本功能的前提下，要充分考虑美观度，对烘托现场气氛、美化舞台空间都有巨大帮助。（2）功能性。本原则是必须严格遵守的。舞台灯光控制系统设计的目的就是为了通过适时的改变灯光的色彩和亮度，以及舞台灯具的点亮顺序和频率，从而达到设计目标。（3）经济性。由于舞台灯光的使用频率非常高，因此在设计时要充分考虑到成本。在设计时不仅要考虑到灯光系统的建造成本，更要考虑到运营成本。舞台灯光实际上还包括演艺厅的观众区的灯光，这些灯光主要是为了满足人们的生理需要，配合舞台上的诸多功能性灯光，从而极大地提高舞台效果。这数量众多的灯具势必会造成巨大的电能损耗，因此在设计时要尽可能地用最少的投入和功率，获得最佳的灯光效果。（4）安全性。这是整个系统设计中的重中之重。演艺厅往往聚集了大量的人员，而灯光系统本身也会发热，并且往往悬挂于房顶，因此要充分考虑整个灯光系统的安全性。灯光控制系统要首先满足安全性原则，其次才是功能的保证。

4.2 设计工艺

本设计的舞台灯光控制系统要求满足综合剧场的功能，能够使灯光系统适时地变换不同的照度和色彩，而且控制系统要足够友好，方便工作人员及时操控。要充分考虑到灯光系统的维修和容量，保证灯光系统在进行系统诊断检查时可以不中断主要电力供应。

4.3 本系统的PLC和扩展模块的选择

本次舞台灯光控制系统设计用的是来自西门子(SIEMENS)S7-200系列PLC设备。它是一款小型PLC设备，但是具有PLC设备的主要功能，而且安装空间小，完全能够实现对继电器的替代。根据设计需求，对照S7-200系列PLC设备的特点，本设计选用CPU226处理器，它有24个输入口、16个输出口和扩展模板为EM223（8I/8Q），可以满足控制要求。

4.4 舞台灯光控制系统流程图

舞台灯光的点亮顺序和花色根据实际需求可以灵活调整。图1是一种简单的点亮顺序。

图1 舞台灯光控制系统流程图

5 结语

舞台灯光控制系统实现了使用功能强大的PLC控制器完成舞台灯光控制，技术可靠，安全性好，能耗低，编程简单，与科技发展接轨，也体现了科技进步对生活的巨大影响。