基于 PLC 的舞台灯光控制系统设计

一、引言

随着文化演艺产业的快速发展，舞台灯光已从单纯的照明工具演变为塑造艺术氛围、增强演出感染力的核心元素。传统舞台灯光控制方式存在响应速度慢、精度低、操作复杂等问题，难以满足现代演出对灯光效果的多样化需求[1]。可编程逻辑控制器（PLC）凭借高可靠性、强抗干扰性和灵活的编程能力，在工业自动化领域得到广泛应用，为舞台灯光控制提供了新的解决方案 。

目前，国内外已出现基于PLC的舞台灯光控制系统，但多数系统存在功能单一、扩展性不足等问题。本文设计的系统通过优化硬件架构与软件逻辑，实现了手动独立控制与自动时序控制的有机结合，可根据演出需求灵活切换控制模式，支持复杂灯光效果的快速配置与运行。

二、系统总体设计方案

通过触摸屏或者按钮进行操控，PLC接收到信号，通过设定好的逻辑对舞台灯光、音响做出想要的控制。

系统有两种模式，手动模式与自动模式。手动模式下，该系统可以实现对每一台灯光以及音响的独立控制。在自动模式下，按下系统自动启动，音乐响，1 号舞台灯亮；3 秒后 2 号舞台灯、6 号舞台灯、7 号舞台灯、14号舞台灯亮；3 秒后3 号舞台灯、5 号舞台灯、8 号舞台灯、13 号舞台灯亮；3 秒后 4 号舞台灯、9 号舞台灯、12 号舞台灯亮；3 秒后 10 号舞台灯、11号舞台灯亮；4 秒后除1 号舞台灯外全灭；3 秒后2 号舞台灯、3 号舞台灯、4 号舞台灯、5 号舞台灯、6 号舞台灯亮；3 秒后7 号舞台灯、8 号舞台灯、9 号舞台灯、10 号舞台灯、11 号舞台灯、12 号舞台灯、13 号舞台灯、14号舞台灯亮；4 秒后除 1 号舞台灯外全灭；3 秒后除 1 号舞台灯外全闪烁10 秒，1 次/2 秒，闪烁5 次后以此循环。

三、硬件设计

（一）PLC选型

核心控制器选用西门子S7-1200 系列的 1214CAC/DC/RLY，其集成 14点数字量输入（DI）和10 点数字量输出（DO），支持 2 路模拟量输入和脉冲宽度调制（PWM）输出，满足系统基础控制需求[3]。由于系统需控制14路灯光及音响，额外配置SM1223 扩展模块（8DI/8DO），扩展后总I/O点数达 30DI/18DO，满足接口需求。

（二）人机交互设备

选用西门子TP900 触摸屏，其 9 英寸TFT显示屏支持多点触控，集成PROFINET等通信协议，可实时显示设备状态并接收用户指令[4]。物理按钮采用施耐德HarmonyXB4 系列，包括急停按钮和电源按钮，提升系统操作安全性。

（三）执行设备

灯光选用JC-QCP1 型DC24V灯具，支持开关量控制，满足舞台灯光的亮度与响应速度要求。音响设备采用带继电器控制的功率放大器，通过PLC输出信号控制其启停，实现音画同步。

四、软件设计

（一）编程软件

采用西门子TIAPortalV17 编程平台，支持梯形图（LD）、功能块图（FBD）等编程语言，集成PLC编程、触摸屏组态及系统仿真功能，简化开发流程[5]。

（二）程序设计

主程序是程序的主体，在MAIN主程序中调用了“IO映射”、“手动控制”、“自动控制”、“舞台灯光复位”四个子程序。“IO映射”是实时调用，“手动控[1]

制”是在手动模式下调用，“自动控制”是在自动模式下调用，“舞台灯光复位”是在自动模式下且系统未启动时方可调用。

IO映射程序是将CPU本体自带的DI、DO以及扩展模块中的DI、DO映射到DB1 与DB2 的寄存器存储区中，后续在做程序逻辑控制时调用DB1 与DB2 即可，方便后续即使更改了DI、DO也不影响逻辑控制，直接更改DI、DO即可。

手动控制程序在舞台灯光控制系统处于手动模式下，该以独立的对 1号舞台灯光、2 号舞台灯光、3 号舞台灯光、4 号舞台灯光、5 号舞台灯光、6 号舞台灯光、7 号舞台灯光、8 号舞台灯光、9 号舞台灯光、10 号舞台灯光、11 号舞台灯光、12 号舞台灯光、13 号舞台灯光、14 号舞台灯光、音响进行独立的控制。

自动控制程序在舞台灯光控制系统处于自动模式下，按下系统自动启动：音乐响，1 号舞台灯亮；3 秒后2 号舞台灯、6 号舞台灯、7 号舞台灯、14 号舞台灯亮；3 秒后 3 号舞台灯、5 号舞台灯、8 号舞台灯、13 号舞台灯亮；3 秒后 4 号舞台灯、9 号舞台灯、12 号舞台灯亮；3 秒后 10 号舞台灯、11 号舞台灯亮；4 秒后除1 号舞台灯外全灭；3 秒后2 号舞台灯、3 号舞台灯、4 号舞台灯、5 号舞台灯、6 号舞台灯亮；3 秒后 7 号舞台灯、8号舞台灯、9 号舞台灯、10 号舞台灯、11 号舞台灯、12 号舞台灯、13 号舞台灯、14 号舞台灯亮；4 秒后除 1 号舞台灯外全灭；3 秒后除 1 号舞台灯外全闪烁5 次，1 次/2 秒，以此循环。

五、系统仿真与测试

利用TIAPortal的PLCSIM工具搭建虚拟环境，模拟输入信号，监控输出信号状态。仿真结果显示，在自动模式下，各灯光按照预设时序亮灭，闪烁频率稳定，与设计预期一致。通过WinCC组态软件设计监控界面，包括系统状态显示、手动控制按钮及自动启停控件。仿真测试表明，触摸屏可实时反馈灯光运行状态，手动控制响应时间 ≤100ms ，满足操作需求。搭建实验平台，连接PLC、触摸屏、灯光及音响设备，进行连续72 小时运行测试。结果显示，系统运行稳定，无误动作，灯光切换响应时间 ≤50ms ，音响与灯光同步误差 ≤100ms ，满足舞台演出的实时性要求。

六、结论

本文设计的基于PLC的舞台灯光控制系统通过合理的硬件选型与软件编程，实现了灯光设备的精准控制与灵活调度。系统支持手动与自动两种模式，可满足不同演出场景的需求，具有以下优势：采用西门子PLC与触摸屏，提升系统可靠性与抗干扰能力；模块化程序设计，便于功能扩展与维护；仿真与测试验证了系统的稳定性与实时性，可直接应用于中小型剧院、演艺场馆等场所。未来可进一步引入无线通信模块，实现远程控制与多场景预设，提升系统智能化水平。

参考文献

[1]张宇.现代舞台灯光控制系统的设计与实现[J].自动化技术与应用,2020,39(5):145-148.

[2]李刚.PLC 在工业自动化控制中的应用研究[J].机械工程与自动化,2019(3):168-170.

[3]西门子(中国)有限公司.SIMATICS7-1200 系统手册[Z].2021.

[4]王健.基于 TP900 触摸屏的人机界面设计[J].电工技术,2022(8):78-80.

[5] 刘 辉 .TIAPortal 在 PLC 编 程 中 的 应 用 [J]. 自 动 化 仪表,2020,41(2):67-70