【基于PLC的车间照明控制系统的设计15000字（论文）】

-1-基于PLC的车间照明控制系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u49051绪论 1210201.1研究背景及意义 1119341.2国内外研究现状 1216231.2.1照明控制发展情况和趋势 1231691.2.2PLC发展状况 293661.3研究内容 3104762车间照明控制系统总体设计 4201252.1照明控制系统需求分析 4302362.2照明控制系统总体框架设计 4255593车间照明控制系统硬件设计 792653.1照明控制系统硬件设计需求分析 7255933.1.1照明控制系统硬件设计目标需求 725103.1.2照明控制系统硬件设计资源需求 7291103.2照明控制系统硬件结构 7212403.2.1PLC系统 8134943.2.2控制系统的地址配置及数据存储 10198713.2.3光照传感器 1372713.2.4温湿度检测模块 14101653.2.5人体红外感应传感器模块 1446813.3车间照明控制系统实物制作 1548033.3.1元器件的检查 15244803.3.2焊接 1585374车间照明控制系统软件设计 17270584.1照明控制系统软件需求分析 1753254.1.1照明系统软件设计目标 17166354.1.2照明系统软件核心需求说明 17179564.2通信模块设计 1889584.2.1上下位机通信的实现 18274234.2.2下位机与其他设备通信的实现 21193564.3Led节点软件设计 22165704.3.1产生PWM 2266734.3.2调解LED灯亮度 24119415车间照明控制系统调试与结果 27284355.1照明控制系统硬件电路检测 27213705.2光照强度传感器数据测试 2752825.3人体红外感应传感器数据测试 29101796结论 3017795参考文献 311绪论1.1研究背景及意义当今世界科学技术的更新和变革可谓是日新月异，科技的发展加速了城市化和现代化的进程，社会生产力得到极大的提高，但同样对全球环境造成了非常严重的污染，全球可开采资源越来越少，开采难度越来越大，世界各国纷纷认识到了能源问题的严重性开始在世界范围内倡导节能减排。众所周知，能源是国家经济发展和日常生活的重要保障，我国每天消耗的能源非常大，许多能源还要从国外进口，所以如何节约使用能源一直是我国科学家所关心的重点课题。电能作为一种清洁高效的可再生资源，不会对自然环境造成任何污染。而电力资源通过转换以后可以变成工业生产和日常生活中所需的各种能源，为我国的生产生活做出了突出贡献，但电力资源的浪费问题却非常明显，如何节约电力资源将是本次研究的主要课题。据国家电网数据显示，我国大部分电力资源都用在了室内外照明上，当前国内工厂对照明设备的控制还是老旧的手动控制方式，这样方式是最浪费电力资源的。如果工厂在日常管理中不能合理控制照明设备的时间，长期使用会损坏照明设备，更换设备的成本可比消耗电力的成本要高的多。这种控制照明装置的方式不仅会浪费大量的电力资源，还会为工厂带来不必要的经济损失，这与当代社会节能减排的理念是相违背的。如今计算机和数字信息技术不断发展，工业自动化生产的程度不断提高，对于照明设备的控制系统来说也应该逐渐走向智能化的道路。随着计算机技术和微电子通信技术的不断发展，使得plc控制器可以在工业自动化生产控制领域大放异彩，能为各类型企业的发展节省很多资源成本。Plc控制器虽然出现的时间并不久，但在国内外受到的关注却一点也不少。自首台自动化装置plc控制器诞生以来，经历了40年的发展，已经逐渐成为了美日德等西方发达国家的重要产业支柱之一，世界范围内的生产和销售总额正在不断攀升，控制器的种类也在不断增加，世界各地的生产厂家纷纷加入到这一领域中。我国与西方发达国家相比，对plc技术的研究要落后许多，我国的工业自动化进程一直非常缓慢，但近年来，我国加大了对plc控制器的研究和生产，逐渐缩小了我国与西方发达国家在工业自动化技术上面的差距。而且我国市场庞大，对plc控制器的需求更大，这为plc产业带来了新的发展机遇，在未来plc技术的不断革新一定会为国家带来更多的社会经济效益，也会加快我国工业自动化的进程。1.2国内外研究现状1.2.1照明控制发展情况和趋势世界上首座智能化商业大楼于1984年在国外建成，欧洲地区和亚太地区纷纷在上世纪90年代前后具备了一定建设智能化住宅的能力。而在这些智能化住宅建筑中，照明设备控制智能化是其中独居特色的一部分。未来照明设备的控制系统将逐渐从传统手动式过渡到全自动式，最终实现智能化控制。而控制方式也会逐渐从电源开关过渡到智能传感器、计时器开关，最终实现利用晶体管等进行智能化控制。这一系列的过渡和改变，不仅改变了传统的控制照明设备的方式，还能提高照明设备的使用寿命以及节省大量的电力资源，这与世界范围内倡导的节能减排的倡议是相符合的。当今国外在设计和研发室内照明控制系统领域取得了一定的成果。在上世纪90年代，国外就已经开始了对智能照明系统软件的研发和设计并投入到实际应用生产生活中。在市场上可以看到各种类型的智能化照明管理控制系统，比如瑞士ABB的I-BUS总线、澳洲的C-BUS以及欧洲安装总线等控制系统[7]。这些控制系统软件都是利用通信技术将不同仪器设备连接在一个系统中共同操控，根据通信介质的种类可将其分为：总线类、电力线载波类和无线网络类。国内关于照明系统在节能减排和环境保护等方面研究的起步时间比较晚，国外照明控制系统的普及率已经达到了70%，其中欧洲普及率达到了45%，亚洲普及率在10-15%之间，日韩的普及率在15-20%之间，我国仅有不到1%。国内为了弥补在照明控制系统研究领域的差距奋起直追并取得了可喜的成果，在国内也逐渐出现了IHCC房屋智能管理控制系统。1.2.2PLC发展状况随着计算机技术和微电子通信技术的不断发展，让plc控制器在网络通信、控制反应以及控制稳定性方面得到显著的提高，而且为检测编程故障以及降低成本等方面提供了更多的可能性。为了满足各类型企业在生产过程中对系统的控制需求，plc在工业自动化领域的研究还有很长的道路要走，plc在国内外的研究中不断取得新的突破，其强大的控制能力必将成为今后智能化控制系统的首要选择。（1）国外PLC发展状况Plc控制器虽然出现的时间并不久，但在国内外受到的关注却一点也不少。自首台自动化装置plc控制器诞生以来，经历了40年的发展，已经逐渐成为了美日德等西方发达国家的重要产业支柱之一，世界范围内的生产和销售总额正在不断攀升，控制器的种类也在不断增加，世界各地的生产厂家纷纷加入到这一领域中。全球范围内主要生产plc产品的地区有三处，分别是美国、欧洲和日本。而如今全球范围内关于plc产品研究发展实力比较强大的公司主要有德国西门子、美国AB、法国施耐德以及日本的三菱、松下电气和韩国的三星等公司。欧美的plc产品类型主要是中大型，而日韩的plc产品类型主要是小型，它们各自倾向的市场应用范围有所差异。（2）国内PLC发展状况与西方发达国家相比我国在plc技术的研究要明显落后一些，这也是导致我国工业自动化进程进展缓慢的主要原因之一，当前国内的工业生产中使用的plc产品大多都是从国外进口的，向日本三菱和德国西门子公司研发的plc产品是国内工业生产领域上经常使用的产品。国内生产的plc产品在市场中所占的份额非常小，没有形成自己的品牌效应，没有自己完整的生产链，工业生产规模无法达到专业化和系统化，这些都严重制约了我国plc领域的发展。为了尽快达到我国工业生产全面自动化的目标，缩小plc技术与国外先进技术之间的差距，近年来我国在plc研发设计和生产领域纷纷加大了投入，与国外的差距正在逐步缩小，而且我国有着世界上最庞大的市场，对plc产品的需求量非常惊人，这也会plc领域的发展带来了新的发展机遇。在实际应用领域国内工厂开始引进并使用了国产的plc产品用来控制工业生产系统。此外，还对那些老旧设备利用plc控制器进行升级改造，这也减轻了工厂在升级换代设备时的经济压力。总而言之，随着我国plc技术的不断发展一定会为我国尽快达成工业全面自动化的伟大目标做出自身积极的贡献。1.3研究内容本次设计对象是某工厂生产车间，希望能设计出一套完善的工厂智能化照明控制系统，可以时间分时间段控制和明暗控制两大目标。时间段控制主要是在白天和晚上自动条件照明时间和亮度。明暗控制主要是在天气环境影响车间亮度时自动调整照明设备的亮度。希望本次设计的控制系统具备低能耗、低成本和高稳定性等优点，为车间设备管理者提供先进的管理方法，减轻他们控制设备的负担。2车间照明控制系统总体设计2.1照明控制系统需求分析本次照明控制系统的设计时围绕着新型工厂生产车间展开的，其主要满足以下几点需求，首先硬件设计要达到体积小、能耗低和经济性等标准，其次对室内照明设备的调节效果要达到人眼部舒适亮度的要求，然后还要确保能对不同区域近独立的控制，最后要能实时远程监控和收集室内温湿度信息以及电力能耗信息等。力求设计一套集智能化、多样化和节能化为一体的经济型室内照明控制系统。按照以上要求本次设计的车间照明控制系统的方案需要具备以下几种特点：第一，淘汰传统的照明设备更换成led节能灯。第二，该系统可以完成对不同区域的独立控制。第三，根据天气变化来自动调节室内照明设备的亮度达到人眼舒适的亮度，实现节能减排改善现场工作环境。第四，可以实现远程控制收集车间内的相关信息。第五，该控制系统的功能模块要预留升级的空间，为今后增添新的功能留够系统空间。2.2照明控制系统总体框架设计本次设计的对象是一座新型的工厂生产车间，车间长宽是144*60m，占比面积为8640平方米，车间是单层结构，网架高度为13.1m。全厂的照明设备统一按照的是led平板灯，其照度设计值是标准的500lx。车间的主照明区域在生产机组附近，该区域的照明系统由8组条灯带和576盏led平板灯带组成，平板灯的功率参数为56W、5000lm、4000～6500k、Ra≥80。此外每个机台的工作照明有两组灯带和16盏平板灯负责。按照每盏灯具的功率来计算电路负荷的总功率在32kw左右，总电流是145a。每一个机组为一个区域，占比面积大约是270㎡，该区域内有四组条灯带，共有32盏等，计算得出该区域的电力负荷总功率是1.8kw，总电流是8a。图2-3所示的是车间主照明区的供电设计图，图2-1所示的是车间主照明区域机组平面分布图，图2-2所示的是主照明区域设计分布图。图2-1车间主照明区域机组平面分布图图2-2车间主照明区域设计布局图图2-3车间主照明区域总供电电路设计图3车间照明控制系统硬件设计3.1照明控制系统硬件设计需求分析3.1.1照明控制系统硬件设计目标需求按照上文分析的车间照明控制系统需要满足的要求以及设计的特点来看，本次设计的控制系统的硬件设备需要满足以下几点要求，第一，硬件结构要简单合理，要做到体积小重量轻便于挪动，在车间各区域内都能使用该控制系统调节照明设备。第二，在操作方法上要符合检测和判断车间工程环境的要求，设计功能时尽量要简化不能过于复杂。第三，设计的控制系统各性能指标要达到车间照明的基本需求，还要能实时监控收集车间内的环境信息。第四，硬件部分要保留足够的I/O端口，方便今后该控制系统的升级和优化，为今后增添新的控制功能留足系统空间。3.1.2照明控制系统硬件设计资源需求硬件设计资源需求要遵循微处理和信息采集处理器的一般规律，其要具备以下几种特性：第一，本次设计的plc控制器选中的是omron，该系统的硬件组成主要包括CPU单元、电源和串行通信单元。第二，本系统的无线通信控制模块选用的是zigbee，zigbee能满足近距离实际控制的需求，还能减少硬件设施的能耗，与传统的通信网络技术相比，其具有节能、低成本、速度快、可靠性和安全性高一级能实现在线多点连接一级多样拓扑等功能，而且其底层媒体访问控制和物理层控制完成达到了IEEE802.15.4技术标准的要求，可以说是一种全新的无线通信技术。第三，温湿度传感器模块选择的是dht11，光照传感器模块选择的是gy-30，人体红外电子感应传感器模块选择的是hc-sr501，这些传感器模块的性能都符合本次设计照明控制系统功能和性能的基本要求。第四，用功率为220v、60w的LED灯带模拟车间的照明环境，来验证本次设计的系统能否实现在环境光线变化和有人无人时自动调节LED灯亮度达到人眼部最舒适的亮度。3.2照明控制系统硬件结构本次设计控制系统的电路主要由五大电路组成，首先是plc核心电路和复位电路，其次是晶振振荡电路和电源指示灯，最后是滤波电路。这些电路将程序接口、I/O接口和电源模块、zigbee模块以及传感器模块连接在一起。Led指示灯主要负责提示设备是否通电。各传感器主要是负责收集车间信息转换为数字信号传送到plc处理器中，数据经处理后plc控制器向各连接设备下达控制指令。Zigbee将控制指令传输到各连接设备中，其微处理器和plc控制器在一个集成pcb板上，在主控电路板上还保留了多余的I/O接口和下载端口。图3-2所示的是系统整体的结构图。3.2.1PLC系统本次设计的系统选择的plc产品是由omron公司生产的，该产品的硬件结构主要有cpu单元、电源和串行通信单元三部分组成、（1）PLC的CPU单元CPU单元是plc控制系统的核心，本次选择的CPU型号是CJ2M-CPU31，图3-1所示的是cpu单元实物图和平面图。该单元具备以下特点：存储器内置容量非常大，处理数据的速度很快；该单元的内置端口是EtherNet/IP，其可以当做开放式网络标准配置。这种接口用打印机电缆就能将plc和网络连在一起。EtherNet/IP端口是本次系统硬件设备连接以太网实现在线传输的基础。CPU单元还能管理标签名称和修改I/O地址等功能，使用标签名称就能直接绕过I/O地址访问外部设备，这样就能简单快捷的增添硬件结构新的功能，减少了编程者的工作量。该cpu单元的编程环境可读性性能比较高，能实现对dm/em区的位指定、数组变量等信息的读取。该cpu单元调试的功能非常强大，在线编辑和数据追踪的能力也非常优秀，在本次调试控制系统性能时将起到非常关键的作用。图3-1CJ2MCPU单元实物图及平面图CPU单元主要有五部分组成，首先是电池仓和led指示灯，其次是usb端口和EtherNet/IP端口，最后是选件板等。CPU在通电以后，plc的内存系统就会自动运行处理数据，当断电时，电池仓还能为其提供电源用来保存备份内存数据。DIP开关指的是协议控制开关，当开关模式变成on时系统就会启动某种协议。通过观察LED指示灯的信号来判断plc的运行状态，在cup的外部还存在两个通信端口，一个是usb端口，另一个是EtherNet/IP端口。其中usb端口将上位机和控制系统连在一起，而EtherNet/IP端口则负责将控制数据传输给其他连接设备。这两种端口和RS-232C/422/485接口接口共同负责cpu与外部设备的连接（2）电源模块为了满足plc系统的用电需求，本次设计的电源模块选择的是CJ1W-PA205R。该模块的板面上安装了连接外部的段子比如电源输入等，还安装了电源指示灯用来判断电源模块的运行状态。图3-2所示的是该模块的实物图和平面图。图3-2CJ1W-PA205R单元实物图及平面图电源模块一共有两个输入电流，一个是交流输入电流即AC，另一个是直流输入电流即DC。交流输入提供100-240v的电压或者是85-264v的电压。直流输入则提供24v的电压。为了确保本次设计的控制系统能在日常生活中的交流220v电压中运行，在电接线中，将电源模块最上端的交流输入端和接地端分别连接在三相插头的火线零线和接地线中，这样使用时将插头插入供电插座中就能通电。（3）串行通信单元通过串行通信单元将CPU单元和外部i/o模块连接起来可以实现数据交流。本次设计选择的串行通信单元模块是CJ1W-SCU31-V1。该模块安装了两个指示灯，用来判断该模块的运行状态，该模块的数据传输周期和频率可以通过指示灯的闪烁频率来判断，该模块的电阻开关是term，为减少外部通信的干扰就将电阻开关设置在on的状态。串口的工作模式分别用wire的拨码开关2和4的位置来表示。该模块上存在两个串口，每个串口可以设置一种通信协议，串口“2”表示端口1或2与485输出串口正相连，串口“4”表示422输出串口，unitno表示的是该模块的单元编号以此来区分同机架上的单元类别。图3-3所示的是该模块的实物图和平面图。图3-3CJ1W-SCU31-V1单元实物图及平面图本系统设计的串行通信模块连接回路和控制器选择的方式是485引脚方式，所以wire要设置在2线端口。该模块的1/2/6/8引脚可以传输数据，其他引脚不使用是可以屏蔽掉。在485引脚方式中，将引脚1和2或引脚6和8用双线连在一起，为了方便设计，本次将引脚6和8焊接在一起。该模块的通信协议时宏通信，串口传输数据的工作模式是半双工模式，数据传输方式是启停一致的方式，根据实际需要自行设置通信速度。该模块的485引脚的波特率必须要和灯具数据传输速度相同，由于灯具在出厂设置的波特率时2400bps，所以485引脚的波特率也应该是2400bps。3.2.2控制系统的地址配置及数据存储（1）控制系统的地址配置车间照明控制系统在实现通信之前，要先设置通信系统个模型的地址配置，这样才能确保通信模块输出的信息传送到制定的地址中。图3-4所示的是控制系统地址配置示意图。图3-4控制系统地址配置的结构图在设置plc网络地址配置之前，要先知道各设备在网络中的ip地址，同时各设备的网段要设置在一个网段中。上位计算机的ip地址是192.168.0.3，网关地址是255.255.255.0.如果电脑的ip地址不是这个，就要在网络设置中更改ip地址。设置完以上ip地址后开始测试plc的联网情况，联网设备ip地址的前三段必须是一样的，第四段设置成该plc的节点之地。区分上位机时，可把plc末尾节点地址更改为1，那么该plc的ip地址就会变成192.168.0.1，网关设置不变。工程树CX-Programmer中plc的ip地址是192.168.0.1，网关设置不变，将网络配置信息导入plc。Plc中CPU单元的拨码盘地址要和ip地址保持一直，在设置ip地址是，如果CPU单元的拨码盘地址和plc的ip地址不一样，那么就不能完成设置。CPU单元的ip地址有两个对应的节点拨码盘，节点的计算公式是N=码盘1拨号*161+码盘2拨号*160。由于码盘1的拨码=1，码盘2的地址=1，因此N=1*160+0*161=1。完成设置后对ip地址进行测试，在dos界面输入cmd，采用ping+plc的网络地址来测试plc是否连入网络中。连接成功时，cpu指示灯上会显示出“01”的数字，这就代表了该模块已经连入以太网中，且地址为01.该模块连接在Enternet时，plc指示灯中的run灯和100m灯会显示成绿色，lnk灯会显示成黄色，sd和rd灯会处于黄灯闪烁状态。当该模块连接在FINS/TCP时，tcp灯会变成黄色。图3-5所示的是设置地址流程图。图3-5PLC的网络地址配置在同一机架上分别安装电源、cpu和串行通信模块，为了方便区分各模块在变成软件中的型号，cpu单元拨号ip地址尾号设定为1，串行通信模型拨号ip地址尾号设定为2.当suc单元的串行通信串口和控制器通信串口连接正常时，该单元的run、rdy灯会变成绿色，ter1、ter2灯会变成黄色。当串口1和2进行通信，sd1和2以及rd1和2模块会根据设置的时间间隔分别发送和接收通信指令。通过协议宏进行交互，需要通过PMCR指令开启CX-Programmer上的程序。启动开关的过程中，需要先确定PMCR指令，该指令上有ON和OFF选项，OFF代表关，ON代表开。协议宏上面有具体的开关标志，开关2上面有N+19.15，和N=1500+25两个模块选项。依此类推，端口1上的标志位为1559.15，端口2的标志位为1569.15。PMCR开关项上有1-16个选项扣，前7个通信单元号为10+，8-11显示的区间表示的是端口地址，后4位区间则表示的是逻辑端口。（2）控制系统的数据存储Plc的数据存储有两部分组成，分别是内置闪存和内置ram，内置闪存主要是备份数据。而系统中的用户程序参数以及i/o模块都保存在内置ram中，其内部按照有备用电池，其电量可以维持dm区和h区数据五年的保存时间。当电量耗尽，plc内部的CPU单元可以给电池充电，这样可以保证各区内数据继续保存40个小时，给出充足的更换电池的时间。Dm区的地址范围在d0-d32767之间，该区内数据形式只能是字或位。Cpu总线单元地址在d30000-d31599之间，每个CPU总线单元包含100个字符CPU总线单元进行初始化之前要先用编程设备在CPU单元参数区进行登记备份。i/o单元的地址在d20000-d29599之间，每个i/o单元存在100个字符。综上所述，本系统的初始参数和系统下达的指令要分别保存在不同的dm模块中。3.2.3光照传感器光照传感器收集的数据传输到plc处理器中，plc获得一个高位数据和一个低位数据，将两个数据进行10进制转换再除以1.2就可以计算出光照强度。本系统选择的光照传感器是gy-30，由于该型号的传感器内部存在一个芯片，该芯片内有一个ad转换器，该转换器不用计算和校对数字就能直接传输出去，该传感器的功耗很小，在3-5v电压内也能使用，而且其光照范围很广，可以刺激到人体视觉灵敏度的最小值，这些优点注意满足本次设计的需要。图3-6所示的是其封装和尺寸大小。图3-6光照传感器尺寸和封装3.2.4温湿度检测模块由于本次系统应用的车间主要是负责香烟的包装和卷接，每一支烟的生产对温湿度控制的要求都非常高，因此要实时监控和记录车间内的温湿度。本次设计选中的温湿度传感器是dht11.该传感器使用单线串行通信与控制系统连接在一起，数据采集和传输效率非常高，而且直接输出实际的温湿度值比较方便观察。该传感器的电路要求很简单，抗通信干扰能力很强，测量的误差值很小，工作性能非常稳定，而且能景区校准室内的温湿度，校准数据会保存在otp存储器内供传感器内部检测数据信号时使用。此外，该传感器的体积小重量轻能耗低，在20米外也能实现数据信号传输，所以本次设计选择该型号的温湿度传感器。传感器上有四处单排引脚用于连接控制系统。该传感器的测量温湿度的精密湿度值是±5％RH，温度值是±2℃，测量湿度范围在20-90%rh之间，测量温度范围在0-50℃之间。其电源额定电压在3-5.5vdc。传感器通电后，需要1秒的时间来达到稳定的状态，在期间不能有任何操作。可以安装一个100nf的电容器来防止去耦滤波的通信干扰。3.2.5人体红外感应传感器模块本次设计选的人体红外感应传感器是hc-sr501。其要完成车间机组在有无人状态下对区域照明亮度的调节达到人眼部最舒适的亮度，实现节约能耗的目标。该传感器的红外感应模块使用的是德国几口的探头lhi778.该探头的灵敏度很高，在低电压模式下也能维持正常工作，所以符合本次设计的要求。图3-1所示的是该传感器部门功能描述。本次设计将该模块和光照模块焊接在一块模板中，提高了实验的测试效率。要想增加传感器的感应距离只需顺时针调节和电位器之间的距离即可，要想增加传感器的感应时间只需顺时针调节延时电位器即可。3.3车间照明控制系统实物制作3.3.1元器件的检查首先核对各元器件的型号和数量，其次检查主要元件的参数设定是否符合标准，最后检查主要元件和pcb板封装是否一致，是否能够满足本次设计的要求。其他元器件各项参数型号对照附录一一进行核对。3.3.2焊接各元器件的焊接遵循从低到高的原则依次焊接，各焊点要尽量保持整齐平滑，尤其在焊接c8t6芯片时速度一定要快手一定要稳，否则会损坏芯片，芯片的性能也会受到影响。图3-7车间照明控制系统模块实物图4车间照明控制系统软件设计4.1照明控制系统软件需求分析4.1.1照明系统软件设计目标根据通信方式和通信协议来设计照明系统的软件，确保系统软件的灵活性，系统软件可以自由添加和删除led终端的节点，zigbee网络的延展性能要更强。（1）严格按照zigbee协议栈z-stack协议来设计led的终端节点，尽可能的缩短无线传输的时间，确保任务中断时的优先级。（2）严格按照802.11协议和zigbee协议栈z-stack协议来设计协调器节点，要确保每一节点都有足够传输数据的能力。（3）软件网络系统具有灵活性。用户可以自由添加删除LED终端节点的设置，新增节点可与网络快速连接进行数据采集传输和控制照明设备等工作。（4）软件系统设计标准化，具备扩展性。Led终端节点可以连接不同厂家生产的各类型传感器，所以在终端节点处一定要保留足够的终端接口，以方面为了增添新的功能，方面其他功能模块能快速融入软件系统中，确保软件系统具有扩展性。预留端口的设置是厂家生产时统一设定好的，所以在设计软件系统中可以实现标准化设计。4.1.2照明系统软件核心需求说明本系统中的软件部分要完成以下工作，主要包括精细画管理各终端节点收集的数据信息，采集传输周围环境信息，自动调节照明亮度等。（1）Zigbee节点在出厂时就会按照64位全球唯一标识的物理地址进行标记，当该节点用作协调器时，需要重新创建一个节点网络并获得新的网络理智0x0000.当该节点用作终端或路由器时，zigbee网络会先给它提供一个16位的网络地址，输入地址就可连入该网络。在zigbee网络中，每一个网络地址分别对应一个物理地址，来分辨对应的设备，使用这种地址相互对应的方式系统就能准确快速的识别出每个节点对应控制的设备是什么。（2）Led周围环境信息采集节点利用传感器实现对周围环境信息比如光照强度和温湿度等信息的收集和传输。（3）根据厂区内自然光照亮度和厂区有无人情况下实现对LED等亮度的智能化调节，并划分为若干个亮度等级。例如在车间内，可以按照规定LED灯亮度等级来调节厂区内的照明亮度。当厂区内主要照明区域没有工作人员时，LED灯的亮度设置应该调节为30%，当人体红外感应器感应到工作人员时，led灯的亮度会调节为100%，邻近的LED灯亮度应该调节为70%，如果近邻led灯亮度已经是100%时就不需要再调回70%，表4-1在不同情况下灯光亮度的设置有人无人最近灯临近灯灯亮度100%70%30%（4）照明设备管理者可手动完成在特殊情况下对led灯亮度的调节，可以自行设定任意led灯的亮度等级，进行手动设置时，LED灯的控制节点以收到的实际指令进行调节，当转为自动调节时，LED灯的控制节点根据各传感器采集传输的信息来决定LED灯的亮度等级。（5）LED终端节点可以根据不同的环境需求进行组合调节，让控制节点的调节性能具备一定的灵活性，不同的终端节点组合到一起可以实现不同区域内LED灯的组合式照明，这种方式可以实现区域化照明和网格化照明。4.2通信模块设计4.2.1上下位机通信的实现上下位机的信息传递方式可以采用接口或者串口的方式。在网络连通的状态下，在系统中可以使用CJ2M-CPU31单元的方式连接网络。根据上位机能够获取到IP的方式和单元接口IP之间进行数据传输，基于PLC中可以采用下发FINS指令进行通信。FINS指令主要的作用是在网络分配IP的情况下完成端口数据的交换，也可适用与系统操作，同时FINS指令可以将不在同一网络下的CPU模块进行连接。FINS指令和网络之间连接方式如下图4-1所展示。图4-1使用FINS指令通讯的网络连接示意图（1）FINS指令架构FINS指令架构格式主要有架构格式和应答指令的架构格式。FINS指令发出的指令中携带协议头、控制命令或者应答命令。使用的设备在支持FINS指令时，控制指令和应答指令都会有数据交互。FINS指令发出的控制指令或者应答指令都有对应的代表意义，通过传输不同的字段代表不同的功能实现，控制信息命令包含命令头和存储命令参数信息。FINS控制指令的格式区分三个部分和13个字段。三个部分分别是FINS头数据、FINS命令控制、FINS元素数据。FINS头数据是由ICF信息控制，其中在接收到信息时其中一个字段为二进制，第8位的数值一般都为1，第7位反馈出收到的命令是控制命令或者应答命令，其中“0”代表控制，“1”代表应答，第2位一直到第6位都是0，第1位代表是否需要返回，当数值为“0”时代表需要返回应答数据，当数值为“1”时代表不需要返回应答数据；RSV的数据一般为0x00；GCT的数据一般为0x02；DNA地址一般在0x00到0x7F范围内变化；DA1的地址在DNA范围中选择；DA2地址一般在0x00、0x10到0x1F、0xE1、0xFE范围内变化；SNA地址一般在0x00到0x7F范围内变化；SA1地址一般在0x00到0xFF范围内变化；SA2地址一般在0x00、0x10到0x1F、0xE1、0xFE范围内变化。FINS命令发出后由MRC和SRC获取后改变格式在执行操作。FINS元素数据和MRC和SRC的自带功能有一定的关系，同时需要处于接收到的数据。FINS指令应答信息反馈方式：FINS应答指令和信息发布都是由FINS源发出信息，然后通过FINS进行控制。应答指令主要是由MRES与SRES给出应答数据，DATA对应答数据执行返回操作。通过不同型号的设备信息，反馈的应答数据给出的格式也会不同，只需要保证正确返回应答信息即可。FINS的应答命令格式如表4-2所展示。表4-2FINS的应答命令格式区域节点意义FINS头10与FINS控制命令一致命令2与FINS控制命令一致MRES1主应答码SRES1副应答码数据区1应答信息（2）FINS的传输模式端口获取网络IP的方式一般是UDP或者TCP，这种模式简称为FINS/UDP或者FINS/TCP模式。一般情况下波特率选择为9600bps。波特率也可以根据PLC单元或者上位机进行适配。如图4-2所展示为每一个IP所获得的示意图。图4-2网络中各种地址的分布层示意图在PLC和上位机进行通信过程中，上位机通过系统先发送FINS命令给到PLC，上位机发出的命令格式需要适配PLC所需要的格式，PLC在接收到符合要求的信息时会传递数据返回到上位机系统。FINS/UDP模式也可以采用UDP/IP的方式进行网络通信。UDP/IP协议连接过程便可以实现数据传输，数据传输的前提是端口两端属于平级关系，两个节点之间数据能够互相传输，在端口等级不同的情况下数据无法交互。FINS/UDP模式应用较为广泛，主要是因为数据传输快、发送数据较为广泛、安全性较高。FINS/UDP对其他层次结构传输数据时，系统的安全性将会降低。FINS/TCP模式也是属于FINS通信模式，都需要在TCP/IP协议下完成，TCP/IP协议主要的作用是用于传输数据，传输的过程必须保持网络通畅，能够ping的情况下才能进行传输数据。虽然UDP对于数据处理的速度非常快，但是在数据传输方面还是TCP使用较为广泛。因此，本系统中采用FINS/TCP，在上位机和PLC进行组装，构建服务器模式。系统能够简单识别FINS指令的格式，在使用的过程中FINS/TCP还需要对FINS/TCP的格式头数据进行处理，如下表4-3所展示。表4-3FINS/TCP数据头功能介绍字节意义数据头46494E534代表FINS指令发出长度4获取命令码数据长度命令码4视具体情况设定错误码4视具体情况设定FINS头数据中包含ICF，本系统在使用过程中命令都是由系统发出，并且需要收到返回消息，所以，ICF为10000000B，即0x80，RSV和GCT也是由系统控制，分别为00、02。系统的操作端设置在本地，所以DNA的数值为00，PLC的节点为01，因此便可以得到DA1为01，由于PLC使用主要针对其他设备，所以DA2为00，根据以上结论可得知，系统在本地使用过程时，SNA的数值为00，可得到上位机的节点为03，因此SA1数值为03，SA2数值为00，SID数值为00，根据系统的对于的不同功能，MRC和SRC的数值选择也会不同，本系统的PLC数据主要存储在DM区中，系统采用的PLC型号只能使用节点表现，I/O存储区域的编码主要以字为单位，因此得到的命令为0x82，在操作该系统时需要注意地址的获取和内容。例如：46494E53（FINS）0000001C（数据长度28）00000002（命令代码）00000000（错误代码）8000020001000003000001028200000000011234，获取的地址中0102的意思是写入命令，将命令发送到PLC的存储区域中——DM0001。FINS/TCP是否处于网络通路下，需要查看N+24通道中是否产生TCP的连接标识，N代表1500+25*U，U为单元，系统中CPU的单元数值为1，所以可得到CIO区域的1549通道在使用过程中产生16位数值，其中1位发生变化，这个就是TCP协议的标识。4.2.2下位机与其他设备通信的实现下位机和灯具之间需要使用RS485串口连接，两者之间通过交互协议完成ModeBus-RTU模式。协议部分的数据接收和分析采用CX-Protocol软件，CX-Protocol软件主要作用是对接收到的命令帧发送至通信板或者通信单元，PMCR接收到指令后会对比提前设定好的数值，在和对应数值一致时按照数值的功能操作。协议宏通信功能是用来控制PLC与第三方设备进行数据交换的另一种通信方式。对于数据串很长的回送响应，也可以在协议宏中添加交量数据头、尾、校验等数据，可以通过交量数据进行区分，只将仪表的当前数值(温度、压力等)编码并写入到PLC指定的内存中，PLC在处理仪表当前数值时，只需要通读取自身的奇存器就可以完成。报头承载着数据传输的重要的属性、方向性的作用。报头规定了传输需要的网络IP协议、通信流的类型、有效承载长度，跳数限制，包含了源地址和目标地址的信息。没有报头的数据，或者残缺信息的报头数据，都不能传输或者完整的进行数据传输。报头长度是报头数据的长度，以4字节表示，也就是以32字节为单位。报头长度是可变的。必需的字段使用20字节（报头长度为5，IP选项字段最多有40个附加字节（报头长度为15）。该字端使数据报的接收方只需要检验IP报头中的错误，而不校验数据区的内容或报文。校验和由报头中的数值计算而得，报头校验和假设为0，以太网帧和TCP报文段以及UDP数据报中的可选项都需要进行报文检错。本系统中使用CRC-16校验，即根据接收到的数据长度经过分析过后得到2个字节的校验码数据。每一个环节都会有对应的结构模式，如下图4-3所展示。图4-3协议宏序列执行过程4.3Led节点软件设计LED灯节点的功能随着周围场景的变化而变化，在人通过时产生PWM信号，从而控制LED灯的亮度和开关。4.3.1产生PWM驱动电机的转速可以通过PWM控制，以此达到控制LED灯的亮度和开关，本系统中可以使用PWM的方式间接控制LED灯，还可以根据接收到的信号不同调节LED灯的亮度变化。使用PWM控制器的操作过程如下：（1）LED灯可使用STM32F103C8T6芯片，根据相关资料可得知，控制器一般使用PB5的功能完成定时3CH1的功能，通过配置端口进行输出数据。（2）定时器3可使用TIM3_PWM_Init(u16arr，u16psc)，其中arr的数值代表接收到下一个指令之前的间隔时间，psc代表TIM3时钟频率的数值。有关定时器代码如下图4-4所展示。图4-4配置定时器3主要代码（3）PWM的内存数据占比可以通过TIM_SetCompare2(TIM3，led0pwmval)设定，当led0pwmval的值变大时，PWM的占比数值也会越大，同时也会决定LED亮度。以上操作步骤属于一般使用PWM的方式，LED的变化具有多样性，但是都离不开LED节点的设置，所以LED灯的控制可以理解为控制LED灯的节点即可，通过设置节点可以完成任何矩阵或者任何想要的形状。（1）在连接方式上LED的每一个灯的负极都相互连接，以此方式命名分辨，Rank1、Rank2、Rank3和Rank4；依照这样的方式，LED的正极和负极一样的接法命名为Row1、Row2、Row3和Row4。原理如下图4-5所展示。图4-5LED阵列连接图（2）使通过设定TIM3的定时数值为TIM3_Int_Init(71，5)，定时器1us的数值设置为20。（3）Rank1、Rank2、Rank3和Rank4需要对应接入PA1~PA4，反正，Row1、Row2、Row3和Row4需要对应接入PB1~PB4。（4）操作过程中TIM3的IRQHandler(void)可以随时重新赋值。pwm_flage的存储过程可以设置在发生45次断开连接后重新归零计算。PWM占空比的预设值为rank，TIM3在每一次断开连接后都会和rank的数值发生一次对比，当pwm_flage<=rank时，PB1~PB4的数值将会提高，相反，PB1~PB4的数值将会降低。根据这一方式完成PWM的工作过程，只需要改变rank的数值可以可实现PWM的占空比。4.3.2调解LED灯亮度一般情况下LED灯都会有两种工作模式：自动模式和手动模式，自动模式是指在提前设置好数值后，不会在去人为操作，根据现场环境判断是否需要调节LED灯亮度；手动模式是指人为在系统中操作LED灯的亮度。（1）系统处于手动模式时，LED灯亮度变化也是通过调节节点的变化实现，不同的是灯变化的指令来源于人工，人在控制端发出命令，每一个节点在收到命令后给出回应。在LED灯接收到指令后，会判断指令属于哪一种模式，当前节点的模式，灯在关闭状态下收到消息会首先判断PWM控制的状态，然后在实现调整亮度的操作。手动模式的流程如下如4-6所展示。图4-6手动模式的程序流程图（2）自动模式系统处于手动模式时，LED灯亮度变化通过系统对现场环境进行调节。系统端发出命令，每一个节点在收到命令后给出回应。在LED灯接收到指令后，会判断当前节点的数值，当数值小于系统设定的数值后，LED灯会减少灯光的亮度，此时也会减少对应的PWM信号占空比，相反，增加灯光的亮度，此时也会增加对应的PWM信号占空比。自动模式的流程如下如4-7所展示。图4-7自动模式下的程序流程图5车间照明控制系统调试与结果5.1照明控制系统硬件电路检测上位机端的网络接口需要与PLC的网络接口连接，PLC由电源模块、CPU、通信端口组成。PLC的电源电压可使用220V的交流电，通信端口可以统一设置为485，PLC和其他的网络连接可通过网口接入网线。图5-1PLC控制系统运行过程中的实物图系统在运行之前需要检查电路是否有短路情况，检查电流可以使用万用表检测比较简单方面，可能出现在端口在焊接过程中虚焊的情况，这种情况电路也会不通。主要检测的部位是：（1）电源插头是否牢固；（2）电压是否满足系统需求；（3）I/O引脚是否短路。通过以上三部分检测后方可通电后再次检测。通电后需要检测每一个参数点的设置数值是否合理，同时需查看电压在降低的情况下其他电源接口是否正常工作。5.2光照强度传感器数据测试IIC通信工作过程还需要MCU设计和光传感器模块，其中MCU设计需要通信时采用I2C。通信网口之间需要完成数据交互，此时的端口必须选择支持输出端口（SDA）和输出端口（SCL）。选择这种交互后可以不在连接外设STM32IIC。光传感器模块的通信过程会产生数据，时钟频率也是根据数据的变化而变化。PB10端口的主要作用是输出端口（SCL），PB11端口的主要作用是输入端口（SDA），没有信号输入时如图5-2所