基于PLC控制的舞台艺术灯设计.docx

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基于PLC控制的舞台艺术灯设计

基于PLC控制的舞台艺术灯设计

摘要：

本文介绍了使用三菱GX-Developer软件写出了系统梯形图，并完成了舞台艺术灯的设计模型。

本设计使用三菱GT-Designer3软件仿真模拟舞台灯系统的运行效果。

使用三菱GT-Simulator进行模拟组态仿真，提高了系统的准确性，并达到了预期的效果。

使用学校实验室提供的三菱FX2N-MR48可编程控制器，完成了舞台灯系统的调试。

关键词：

FX2N；三菱PLC；舞台灯

TheDesignofStageLightsControlledbyPLC

Abstract:

ThispaperintroducestheuseofmitsubishiGX-softwareDevelopertowriteladderdiagram,thesystemandcompletethestageartdesignmodeloflamp.ThisdesignUSESmitsubishiGT-Designer3softwaresimulationofstagelightingsystemrunningeffect.ThisdesignUSESmitsubishiGT-Simulatortosimulatetheconfigurationsimulation,improvetheaccuracyofthesystem,andachievetheexpectedeffect.ThisdesignusetheschoollabmitsubishiFX2N-MR48programmablecontroller,andcompletedthedebuggingstagelightsystem.

Keywords：

FX2N；MitsubishiPLC；Stagelight

1绪论

1.1设计背景

随着时间的推移与社会的发展，在日常生活中，作为装饰的彩灯，既可以吸引人们的眼球，起到美化市容的效果，又可以提高人们的视觉感受，替代单色光在舞台上给人们一种新的、特别的欣赏效果。

舞台灯由最初的用浸过树脂的绳子制成的篝灯到用点燃的蜡烛作为灯光再到煤气灯、石灰灯、钨丝灯，而现在，舞台灯光大多使用LED灯。

由继电器控制的舞台灯已经发展到由单片机、PLC来控制。

随着科技的飞速发展，使用继电器控制舞台灯的方式已经远远更不上时代的潮流。

使用继电器控制，会导致接线复杂，成本过高，维护不方便，缺乏扩展性等各种各样的缺点，实施起来非常的困难。

然而，PLC不但能实现传统继电器控制系统的各种功能，还比传统继电器控制系统更加容易、便利、稳定，弥补了传统继电器的各种缺点，深受广大使用者的欢迎。

所以本次设计就在于从日常情况考虑，利用PLC的优点来做出传统继电器系统所不能做到的地方。

利用PLC来实现控制系统的续航能力，保证了舞台灯能够持久运行。

1.2PLC简介及其发展趋势

1.2.1PLC的含义

PLC即可编程逻辑控制器，它是一种电子系统，可以在干扰很大的环境下运行，是一种新型的有很大发展前景的工业控制装置装置。

它集多项操作指令于一身，并可以通过数子或模仿的输入输出接口，来控制其他各种类型的装置[1]。

1.2.2PLC的发展趋势

（1）向运行速度快、存储空间大的方向发展

为了提高PLC面对不同困难而做出及时的对策及其加工的能力，现在PLC向着运行速度更快和存储空间更大的方向发展。

PLC的扫描速度已成为非常关键的一个达标方向。

目前，有的PLC的扫描速度可达到一秒钟一万步的速度。

在存储空间方面，几十兆字节的PLC已经问世。

为了使存储空间扩大，部分公司已直接使用了硬盘作为PCL内部的硬件。

（2）向大体积、超小体积两个方向发展

当前中小型PLC比较多，然而实际情况千变万化，仅用这些PLC已经不足以满足客户的需求。

为了结合实际，满足更多的客户使用，今后PLC的样式会变的更多，尤其是向大体积和超小体积两个方向的发展。

在大体积方向上，现已有I/O点数达一万四百多点的超大型PLC，其使用了三十二位微处理器，多个CPU并行工作和大空间存储器，规模浩大，功能多样。

小型PLC为了更加的融合到各种不同的设备中，已经将不同的功能分离出来，组成各式各样的小器件，满足了各种实际中的配置。

为了使广大用户更加便利的使用，在超小体积方向上，现在已经开发了各种便利的、实惠的超小体积PLC，最小配置的I/O点数为八到十六点，以适应各种小型设备的需要，非常的实用且实惠。

（3）发展智能化模块，加强联网通信能力

由于现阶段的自动化控制系统要求繁多，PLC也在做出相应的发展。

近年来各式各样的模块被研究人员不断的开发出来，让人们更加方便的去控制温度、更加准确的去及时计数等各种智能化方向发展。

PLC的技术要跟上时代的脚步，就必须与互联网打交道。

首先要完成PLC与PLC的互通；其次是PLC与电脑之间的联系，一般PLC都有专用通道与电脑联系。

为了加强PLC的这个能力，不同的PLC生产场家之间要讨论规定好通用的联系标准，以组建成更大的互联网系统。

（4）降低意外事件触发几率及及时应对能力

大量的实际情况表明：

在PLC控制系统的意外事件中，CPU占总数额的十分之一都不到，I/O接口占总数额的十分之一多一点，输入设备将近占了总数额的一半，输出设备占总数额的三分之一左右，线路则是剩下的那一点点。

前二项共百分之二十的意外事件属于PLC的内部问题，它可通过PLC本身的软、硬件进行其意外的触发几率；而其余百分之八十的意外事件属于PLC的外部问题。

因此，PLC生产厂家都致力于开发用于降低外部意外事件的专用道具，有利于增强PLC装置的可靠性。

（5）编程语言多样化

在PLC不断开发的时候，PLC的编程语言也变的越来越多。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种实际情况的要求，相继出现了其他的各种语言，满足了各界人士的操作手法，符合现代化科技的飞速发展。

多种编程语言一同存在于PLC系统中，不断的融合、冲突、进步是PLC成长的必经过程[2]。

1.2.3PLC的特点

（1）简明易懂好操作

PLC的接口容易，门槛低，不需要你有多好的其他知识基础，编程语言让技术人员一眼明了，与传统的继电器电路图非常的相似，深受不熟悉电子电路、不懂计算机原理的人员欢迎。

（2）功能强，性价比高

一台小型PLC可以完成传统继电器所有能够完成的任务，体积和成本却远比传统继电器要小的多。

从经济和效益两方面来讲，PLC要比传统继电器好很多。

（3）完整的硬件设备，适应性强

目前的PLC产品已经发展的比较全面了，各式各样的产品都有研发，各种不同的PLC都拥有各自完整的设备，操作人员都能够很好的使用，并轻松的实现任务需求。

所以，PLC可以适应现阶段不同用户的各种需求。

（4）强大的抗干扰能力，值得信赖

传统的继电器控制系统使用了大量的硬件设备，以及各种的线头，由于设备较多，实际情况相对异常复杂，某个不起眼的小地方出现接触不良的问题，而导致意外经常发生。

相对这点而言，PLC则采用软件代替大量的硬件设备和导线连接，仅剩下必不可少的两个重要部件，这样可以使得意外事故发生率降低到一个很低的区域，使得意外事件发生的概率大为减少。

（5）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的过渡设备，使操作人员的工作效率得到进一步的提高。

PLC的梯形图程序一般采用等效转换法和顺序控制法来设计。

这种编程方法简单明了，使用方便。

对于困难的控制系统来说，操作人员用梯形图来设计要比用传统的方式设计所需要的时间要少很多。

PLC的用户程序可以在室内进行模拟调试，不需要去现场去完成。

可以通过PLC上的显示灯来观察实际信号的含义。

完成了系统的任务以及调试后，在实际操作的过程中一般就可以通过修改PLC的原程序达到解决遇到的那些难题的目的，系统的调试工作负担要比传统的继电器少得多。

（6）维护工作量小，修理方便

PLC发生意外事件的概率已经降到了非常低的一个点，当意外发生时且有完善的及时应对能力。

PLC外部设备发生意外时，可以根据PLC上的显示灯或源原程序提供的信息迅速地查明意外事件发生的原因，用更换部分设备的方法可以迅速地解决困难。

1.2.4PLC梯形图程序编写原则

（1）梯形图左右两边都有线，一般情况下右边的线会省略不画，梯形图都是从左边的线开始画的，所以，左边的线被称为左母线，梯形图都是在右边的线前结束的，所以，右边的线被称为右母线，PLC表示输出结果的内部继电器都连接到左母线上。

（2）绘制梯形图时和其他画图一样的，遵循人们的日常习惯，用习惯于常人的画法，更利于初学者的学习。

梯形图的触点如果画在垂直分支上那就是错误的，这样会让人产生误解，认为那不包含触点，而导致程序的错误，使得程序不能正常的运行。

（3）当有多个电路块相并联时，需要将触点最多的那个电路块放在梯形图的顶部面（上重下轻原则），当有多个电路块相串联时，需要将触点最多的那个串联电路放在梯形图的最左边（左重右轻原则）。

（4）双重线圈输出要特别留心，在出现双重线圈输出时，其后面的动作优先，也就是指只有最后一次的线圈才是有效的，前面的线圈都是无效的。

（5）梯形图都要以END收尾。

1.2.5PLC的功能与应用

（1）顺序控制：

这是可编程控制器应用的最多的地方，取代了传统的不科学的控制方法。

在多个方面都有涉及，简化了日常的操作工作负担，是一个很大的进步。

（2）程控：

在实际使用过程中，会出现许多随着时间变化而变化的量被称为模拟量。

可编程控制器有模数转换和数模转换，可以把模拟信号转换成数字信号，也可以把离散的数字量换换为连续随时间变化而变化的模拟量。

（3）数据处理：

一般可编程控制器都做相应的加减乘除运算，可以很方便地对实际使用过程中的材料数据进行整理合并。

级别更高的PLC可以对更加困难的数据进行处理。

（4）通信联网：

在实际生存中，会有一些系统需要多台PLC连接起来使用，必要时还需要与计算机连接一起使用。

这样PLC就需要与互联网打交道，更好的连接起来，做出更多的控制系统，满足各界人士的需求。

（5）显示打印：

可编程控制器还可以连接外围设备，让人们可以清楚的了解到其内部的程序操作，实现显示和打印的功能。

2舞台灯设计方案确定及其控制要求

2.1方案对比与选择

2.1.1使用单片机完成设计的缺点

（1）单片机实现方案所需求的工作量大；

（2）单片机可靠性不高；

（3）单片机抗干扰能力不强；

（4）单片机中断优先级复杂；

（5）单片机的配置设施和功能不完善。

2.1.2使用可编程控制器PLC完成设计的优点

（1）PLC实现方案所需求的工作量小，便于改造和维修；

（2）PLC安全性高，可以被用在不同的场合；

（3）PLC抗干扰能力强；

（4）PLC中断优先级明确：

（5）PLC的体积较小，成本较低，更加的环保，可以做到更多的要求。

2.2控制要求

设计使用PLC实现对舞台灯系统的控制，具体要求如下：

（1）该灯饰系统当X0为ON时进行工作，当X1为ON时停止工作。

（2）模式一：

中间两组彩灯L4和L5每隔1s亮1次，彩灯组L1~L3每隔1s，以彩灯组L1，彩灯组L2，彩灯组L3，彩灯组L1和L2，彩灯组L1和L3，彩灯组L2和L3，彩灯组L1L2和L3的顺序依次点亮，再全部熄灭，彩灯组L8~L6每隔1s以彩灯组L8，彩灯组L7，彩灯组L6，彩灯组L8和L7，彩灯组L8和L6，彩灯组L7和L6，彩灯组L8L7和L6顺序依次点亮，再全部熄灭，上述过程循环（也就是每隔8s一个循环）。

（3）模式二：

彩灯组先以L1~L8顺序每隔1s轮流点亮，当亮到彩灯组L8后，再从彩灯组L8开始，以彩灯组L8~L1的顺序每隔1s轮流点亮，当彩灯组L1点亮后，为一个循环，上述过程循环（也就是每隔16s一个循环）。

舞台灯系统模型如下图所示：

图2.1舞台灯系统模型图

3设计与分析过程

3.1PLC型号的选择

PLC的选择应该从PLC的各个方面综合考虑，在前一章节进到的各个特点都需要考虑在内。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及确保安全和便捷的修理的前提下，力争最佳的实用价值和实惠[3]。

3.2FX系列PLC性能比较

FX系列中有很多的外形尺寸相差不多的PLC，但在使用功能上有相当大的差异。

其中最优质的的就是FX2N和FX2NC子系列的PLC了。

FX系列PLC主要产品的性能比较如下图3.1所示。

图3.1FX系列PLC主要产品的性能比较

3.3FX系列PLC的环境需求

FX系列的环境要求如图3.2所示[4]

图3.2FX系列PLC的环境需求

3.4FX系列PLC的输入要求

FX系列PLC对输入信号的要求如图3.3所示[5]

图3.3FX系列PLC的输入需求

3.5FX系列PLC输出需求

FX系列PLC对输出信号的要求如图3.4所示[6]

图3.4FX系列PLC的输出需求

3.6PLC的选用及FX2N的特点

通过上面一系列的分析和结合实际情况（即学校实验室提供的实验设备）下，我选则学校实验室为学生学习提供的三菱FX2N-48MR可编程控制器。

如图3.5所示。

图3.5实验室使用的三菱PLCFX2N-48MR

FX2N的PLC其体积虽小，但五脏俱全，包含了其他类型PLC内所能有的所有的装置。

所有其他类型的PLC能完成的任务它都能够完成，而且经济方面更加的实惠，实用方面更加的简单，让操作人员一眼明了，更加利于初学者的学习。

FX2N系列具备的特点：

（1）程序运行速度更快

（2）PLC之间、PLC和电脑之间的联系更加紧密

（3）适合实际情况各不相同的电源

（4）意外情况时需要的独特的处理能力

4I/O分配表

根据控制要求，PLC控制舞台灯的输入/输出端口（I/O）地址编排如表4.1所示。

其中SB1（X000）为开启开关，SB2（X001）为断开开关。

Y000~Y007控制彩灯组L1~L8，为了实验方便，用LED灯L1~L8来模拟彩灯组LI~L8。

表4.1I/O端口分配表

输入（INPUT）

X000开启开关SB1X001关闭开关SB2

输出端口（OUTPUT）

Y000灯L1输出指示Y001灯L2输出指示

Y002灯L3输出指示Y003灯L4输出指示

Y004灯L5输出指示Y005灯L6输出指示

Y006灯L7输出指示Y007灯L8输出指示

5程序设计与模拟仿真

5.1PC端接线图

根据控制要求，三菱FX2N型PLC外部接线图5.1所示。

此次设计共需2个输入端口，8个输出端口。

电源电压为AC100—240V，频率为50/60Hz。

图5.1PC端接线图

5.2控制流程图

本系统的控制流程图如下图5.2所示。

（1）当开启开关闭合时，系统时间系统开始运行。

（2）彩灯组以模式一预定方式运行亮灭；彩灯组以模式二预定方式运行亮灭。

（3）当关闭开关闭合时，系统停止运行。

图5.2控制流程图

5.3使用软件介绍

5.3.1编程软件GX-Developer

GX-Developer软件集成了程序编写、程序检测、程序调试和模拟仿真等功能为一体，其主要功能如下：

（1）可以利用GX-Developer来实现系统程序的编写，进行PLC的编程，并做出相关的数据解释以及程序含义。

（2）利用GX-Developer编写PLC程序可以通过另一种方式直接保存在计算机里，还可以将其拷贝并打印出来。

（3）该程序可以在其他的系统中实现与PLC之间的联系、转达、控测以及各种调试等功能。

[7]

GX-Developer有三种基础的编辑模式，这三种基础的编辑方法可以通过内部的编程软件进行相互转化。

其中梯形图编辑方式最为直观，并且容易掌握，所以一般使用梯形图编辑方式进行编程。

GX-Developer软件拥有更简洁的界面，更方便的操作，而且易懂易学，兼容性好，与学校实验室所使用的软件通用，所以，本人选用了最佳的方案，使用了与学校实验室提供的三菱PLC搭配的这款软件。

程序的检查：

按照介绍书的说明，打开已经编写完成的程序。

再点击工具栏中的“程序检测”选项，就可以检测程序是否有问题。

如果程序有问题，根据软件系统提示的哪里的错误，再次进入程序写入阶段，去改写错误的程序。

此外GX-Developer软件还可以利用GX-Simulator进行无PLC端口的仿真调试。

为配合GX-Simulator软件使用，本人还需要安装GT-Designer3软件，该软件是GX-Simulator软件的作图软件。

5.3.2三菱触摸屏编程软件GT-Designer3

本设计使用了GT-Designer3软件。

GTDesigner3软件使用方便，操作简单，初学者完全就可以根据介绍说明书，自己直接去完成绘图。

可以使组态仿真更加的形象，使得彩灯系统组态仿真更加的直观。

5.4GX-Developer程序编写

程序1

系统控制开关如下图5.4.1所示。

闭合启动开关X0，此时M20置一，系统进入运行状态。

当X1闭合时，M0~M20全部清零，系统关闭，停止运行。

图5.4.1系统启动

计时系统如下图5.4.2所示。

（1）系统开始运行后，计时器T0开始计时。

当计时满1s时，常闭开关T0断开，计时器T0清零，并且开始重新计时。

当计时器T0计时满1s时，继电器M1~M8以1位为1个单位向左移动。

当M8为1时，瞬间将M1~M8全部置零，所以M0时钟都显示为0，当M1~M7为0时，此时M0为1。

（2）当开关X1闭合后，M0~M20全部清零，T0被断开，不能继续计时，停止运行。

图5.4.2计时系统

输出如图5.4.3所示。

彩灯组Y3和Y4每隔1s亮一次；彩灯组Y2~Y0按照如下顺序点亮：

彩灯组Y0，彩灯组Y1，彩灯组Y2，彩灯组Y0和Y1，彩灯组Y0和Y2，彩灯组Y1和Y2，彩灯组Y0Y1和Y2，再全部熄灭。

彩灯组Y7~Y5按照如下顺序点亮：

彩灯组Y7，彩灯组Y6，彩灯组Y5，彩灯组Y7和Y6，彩灯组Y7和Y5，彩灯组Y6和Y5，彩灯组Y7Y6和Y5，在全部熄灭。

总计8s，1s一次变化，也就表示，每隔8s一次上述循环。

图5.4.3输出程序图

程序2

系统控制开关如下图5.4.4所示。

闭合启动开关X0，系统进入运行状态。

将常数1向K2Y0里移动。

图5.4.4系统启动

彩灯组L1~L8依次每隔1s被点亮，L8一共亮2s，如图5.4.5所示。

当程序运行时，M0接通，在M8013（一秒的时钟脉冲）作用下，K4Y0里的数据以1位为一个单位向左移动，移动结果（Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7）。

当Y7为1时，M1置1，此时计时2s，记为T0。

图5.4.5彩灯组L1~L8顺序点亮

彩灯组L8~L1每隔1s依次被点亮，L1一共亮2s，如图5.4.6所示，T0接通后，在M8013作用下，K4Y0以1位为一个单位向右移动（移动结果：

Y7，Y6，Y5，Y4，Y3，Y2，Y1，Y0）。

Y0为1后，计时2s，计为T1。

T1接通后，看图5.4.4，再次接通M0，程序循环运行。

即，总变化为彩灯组L1~L8每隔1s被点亮一个（彩灯组L1~L7每个亮1s，L8亮2s），在L8亮完后，L8~L1每隔1s被点亮（L8~L2每个亮1s，L1亮2s），总计16s一次循环。

也就是从彩灯组L1亮到彩灯组L8，再从彩灯组L8亮到L1，16s一次循环。

当X1闭合时，停止运行。

图5.4.6彩灯组L8~L1顺序点亮

循环系统和关闭系统如图5.4.7所示，当时间T1为1时，M12被置零，此时看图5.4.4，系统实现了循环。

当闭合开关X1连接后，将常数0送到K2Y0中，系统停止运行。

图5.4.7循环系统和关闭系统

5.5GT-Designer仿真结果

本系统仿真使用的触摸屏为三菱公司的GT16系列，它可以同时显示256种不同的色彩。

根据知道说明书的步骤，一步一步的按照说明的来做，新建向导终于顺利完成，创建结果如图5.6.1所示：

图5.5.1工程新建向导图

GT-Designer3的新工程创建完成后，一个新的触摸区域的用于绘画的基本画面就会出现在电脑上，如图5.5.2所示：

图5.5.2画面设计界面

先画出舞台灯的模型，再根据彩灯的I/O分配表，机智的使用GTDesigner3画面设计软件，正确的将各个I/O地址成功地分配到各自元件上进行工程画面设计。

并编辑各个元件的文本信息，并做出一些简单的元件标注，让人可以清楚地了解到各个元件图画的意思。

完成系统仿真画面设计，如图5.5.3所示：

图5.5.3舞台灯仿真画面设计图

在绘画舞台灯设计图时，本人也遇见了一些初学者常遇的问题，其中最让我记忆犹新的就是在编辑各个原件的信息的时候，本人但是以为开关和指示灯的信号输入是一样指定的。

在仿真开始的时候，本人却发现，不管怎么去按开关，都没有作用，以为所有绘图都出错的时候。

此时，本人用了其他方式接通了X0的信号，彩灯组却是按照原有的指令闪烁了起来，当接通X1信号后，彩灯组也是很听话的全部熄灭了。

这样，就证明了彩灯元件的信号地址时正确的，仅仅是那两个开关的信号地址输入出错了。

后来，在网上不断的查阅资料，终于找到了问题的所在，成功的完成了舞台灯仿真画面的设计图。

打开GT-Simulator3软件，根据知道说明书指示，按照默认的选项，完成操作，如图5.5.4所示：

图5.5.4模拟器选择图

开始设置系统仿真，在“GX-Simulator设置”选项中的“GX-Simulator设置”中选择“GX-Developer工程”，在选择本人之前已经写好的程序。

如图5.5.5所示：

图5.5.5选项设置图

选择好已经建好的工程，进入仿真模拟状态。

舞台灯模式转换的过程，仿真演示结果如下所述。

为了方便本人观察，故设置灯灭状态，彩灯的颜色为灰色。

灯亮状态，第一组彩灯为红色，第二组彩灯为橙色，第三组彩灯为黄色，第四组彩灯为绿色，第五组彩灯为青色，第六组彩灯为蓝色，第七组彩灯为紫色，第八组彩灯为白色，这样以示区别。

模式一亮灭效果如图5.5.6～图5.5.13所示。

图5.5.6彩灯组L1，L4，L5点亮图

图5.5.7彩灯组L2，L7点亮图

图5.5.8彩灯组L3，L4，L5，L6点亮图

图5.5.9彩灯组L1，L2，L7，L8点亮图

图5.5.10彩灯组L1，L3，L4，L5，L6，L8点亮图

图5.5.11彩灯组L2，L3，L6，L7点亮图

图5.5.12全部点亮图

图5.5.13全部熄灭图

总计8s一次循环。

模式二亮灭效果如图5.5.14~图5.5.21所示。

L1~L8依次亮完后，再从L8~L1循环亮，总计16s一次循环，不再截图。

经过多次仿真模拟使用实验，这个彩灯控制系统设计是合格的，是可以实施的。

6实验室实验结果

在实验室里，刚好看见有舞台灯模拟控制模块，所以我直接拿来做实验。

输入端接线图如图6.1所示，其中置位开关SB1与输入端X0相连接，作为启动开关；置位开关SB2与输入端X1相连，作为停止开关使用。

图6.1输入端接线图

输出端接线图如图6.2所示。

图6.2输出端接线图

舞台灯模块接线图如图6.3所示。

+24V端口与对应的+24V端口相连，COM端口与对应的0V端口相连。

剩下的控制L1~L8灯亮灭的端口依次与输出端口相对应连接。

控制彩灯L1亮灭的端口L1与输出端L0相连，控制彩灯L2亮灭的端口与输出端L1相连，控制彩灯L3亮灭的端口与输出端L2相连，控制彩灯L4亮灭的端口与输出端L3相连，控制彩灯L5亮灭的端口与输出端L