（控制科学与工程专业论文）大矩阵灯光景观控制系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展，城市化进程的进一步加快，城市灯光景观愈来愈受 到重视。越来越多的城市建设了标志性建筑，而灯光景观工程更成为其增加魅 力的重要手段。不少工程要求通过巨量多点实时控制以取得大规模的动态灯光 景观效果。 国内外现有的照明控制系统一般只能作开关群控，通信速率较低，控制同 步性能也不高，不能满足巨量多点实时的大规模动态控制要求；或是价格高昂， 难以普遍采用。因此，研究出经济实用，能满足巨量、多点、实时的大规模动 态控制要求的大矩阵灯光景观控制系统有较高的实用价值。 本文分析了现有控制网络的优缺点及发展趋势；设计了基于e t h e m e t 和 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的混合控制网络；分析了系统的时延、可靠性、 网络负载。主要工作包括以下几个方面： 1 ，设计了支持c a n 网络的现场控制器，提出了保证多个控制器同步动作 的控制信息传送方式。 2 ，设计了用于实现c a n 和e t h e m e t 协议相互转换的区域控制器，提出了 通过u d p ( u s e r d a t a p r o t o c 0 1 ) 协议传送控制信息，提高控制系统实时性的措旋。 3 ，设计了控制主机的控制软件，提出了基于i n t e m e t l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k ) 进行远程控制的方法，并分别设计了客户端和服务器端的软件；讨论 了软件模块化设计的思想；对基于n t e m e t i _ a n 的远程控制的安全性问题进行 了探讨；提出了基于g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 网络的无线 远程故障报警解决方案。 4 ，将上述现场控制器、区域控制器和控制软件构成的控制网络，应用于 实际工程，取得了较好的效果。 关键词：灯光控制现场总线e t h e m e tc a n 实时性安全性同步性 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n da c e e l e r a t i n gp r o c e s so fu r b a n i z a t i o n ， m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i di n t oc i t yl i g h t i n gs c e n e m o r ea n dm o r ec i t i e sh a v e b u i l tt h e i rs y m b o l b u i l d i n g s c i t yl i g h t i n gs c e n ei st h em a i n m e t h o do fi m p r o v i n gt h e a t t r a c t i o no ft h e s ec i t i e s i no r d e rt oa c h i e v el a r g e s c a l ed y n a m i cl i g h t i n gs c e n e ， m a n yp r o j e c t sr e q u i r eu t i l i z i n gc o l o s s a l ，m u l t i p o i n ta n d r e a l - t i m ec o n t r 0 1 a st h el o wc o m m u n i c a t i o nr a t ea n dl o w r e q u i r e m e n t o nc o n t r o ls y n c h r o n i z a t i o n ， e x i s t i n gl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mh o m ea n da b r o a d c a no l i - o f fg r o u pc o n t r o lo n l y , w h i c hc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to i lc o l o s s a l ，m u l t i p o i n t , r e a l t i m e ，l a r g e - s c a l e d y n a m i cc o n t r 0 1 s oal a r g e - s c a l ea r r a yc o n t r o ls y s t e mo fl i g h t i n gs c e n e ，w h i c hi s e c o n o m i c a l ，p r a c t i c a la n da d e q u a t e t ot h er e q u i r e m e n to nc o l o s s a l ，m u l t i p o i n t ，r e a l - t i m ea n d d y n a m i cc o n t r o l ，i sh i g h l yv a l u a b l e a i m e dt h ei s s u e sa b o v e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n d d e v e l o p m e n tt r e n do fe x i s t i n gc o n t r o ls y s t e m i tp r e s e n t sac o m p o u n d c o n t r o ls y s t e m b a s e do ne t h c r u e ta n dc a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) t h em a j o rc o n t r i b u t i o n s p r o v i d e db y t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ，d e s i g nat e r m i n a lc o n t r o l l e rs u p p o s e dc a n t h ep a p e rp r e s e n t sp a c k i n ga l o to fc o n t r o l l e r sc o n t r o li n f o r m a t i o ni n t oad a t ap a c k e ts e n t b y b r o a d c a s tm e t h o d ，i n o r d e rt ok e e p s y n c h r o n i z a t i o no fd i f f e r e n tc o n t r o l l e r s 2 ，d e s i g na na r e ac o n t r o l l e ru s e dt oa c c o m p l i s hp r o t o c o lt r a n s i t i o nb e t w e e n e t h e m e ta n dc a n i no r d e rt oe n h a n c er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o ls y s t e m , t h ep a p e r p r e s e n t st r a n s p o r tm e t h o d o fc o n t r o li n f o r m a t i o nt h r o u g hu d p 御s e rd a t a p r o t o c 0 1 ) i p ( i n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 3 ，d e s i g nt h ec o n t r o ls o f t w a r eo fc o n t r o lc o m p u t e r i tp r e s e n t sr e m o t ec o n t r o t m e t h o db a s e do ni n t e r n e t i a na n d d e s i g n ss o f t w a r eo fb o t hc h e n ta n ds e r v e li ta l s o d i s c u s s e st h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o do fs o f t w a r ea n dt h e s e c u r i t y o ft h e r e m o t ec o n t r o ls y s t e mt h r o u g hi n t e r a c t t a n a tl a s ti tp r e s e n t sw a r n i n gs o l u t i o no f f a i l u r eb a s e do ng s m ( g l o b a l s y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) a b s t r a c t 4 ，m a k eu po fc o n t r o ln e t w o r ku s i n gt e r m i n a lc o n t r o l l e r , a r e ac o n t r o l l e ra n d c o n t r o ls o f t w a r ew h i c hh a v eb e e nm e n t i o n e da b o v e ，a p p t i et or e a l i t i e sa n dh a sh a d e 恐c t k e yw o r d s ：l i g h t i n gc o n t r o l ；f i e l d b u s ；e t h e m e t ；c a n ；r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ； s y n c h r o n i z a t i o n i t i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为e l 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：珈f 臻 僻；月j 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：为锈 w 竹j 月。 ) 日 第1 章引言 第1 章引言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经 历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的 c c s ( 计算机集中控制系统) ，到第二代的d c s ( 分散控制系统) ，发展到现在流行 的f c s ( 现场总线控制系统) 【1 1 。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输 的要求，又催生了控制网络与以太网的结合。这股工业控制系统网络化浪潮融 合了嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术。 拓展了工业控制领域的发展空间，带来了新的发展机遇。 1 1 控制系统的发展与现状 2 0 世纪5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发 展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的 基地式气动仪表，其信号仅在仪表内部起作用，一般不能传送给别的仪表或系 统，即各测控点处于封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过巡视 生产现场，了解生产过程的状况。 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需 要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式 仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0 0 2 0 1 m p a 的气压信号，0 1 0 m a 、4 2 0 m a 韵直流电流信号，l 5 v 直流电压信 号等，送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程的各处状况， 也可以按需要将各单元仪表的信号组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速 度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也比较差，人们开始寻 求用数字信号取代模拟信号，出现了直接数字控制。由于当时的数字计算机技 术尚不发达，价格较贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有的仪表 盘，出现了集中式数字控制系统。但当时可靠性还较差的计算机一旦出现某种 故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危险集中的系 第1 章引言 统结构很难为生产过程所接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编 程控制器以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。这 就是今天许多企业正在采用的d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统。d c s 系 统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种 系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大的进步，可在 此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在d c s 系统形成的过程中， 由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂商的产品自成系 统，不同厂商的设备不能互连，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共 享的网络系统存在很多困难。h 捌 新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统 来实现造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化 的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过 现场总线网络连接成系统，实现控制自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分 散相结合的集散控制系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制系统功能彻 底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 9 - 1 9 8 4 年，美国仪表协会下属的标准与实施工作组中的i s a ，s p 5 0 ( i n s t r u m e n t s o d i e t yo fa m e r i c a ，s t a n d a r da n dp r a c t i c e ) 开始制定现场总线标准；1 9 8 5 年， 国际电工委员会决定由p r o w a yw o r k i n gc r o u p 负责现场总线体系结构与标准的 研究制定工作；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准， 简称为p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。 1 9 9 2 年，由s i e m e n s ，r o c e m o u n t ，a b b ，f o x b o r o ，y o k o g a w a 等8 0 家公司联 合成立了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 组织，着手在p r o f i b u s 的基础 上制定现场总线的标准。1 9 9 3 年，以h o n e y w e l l ，b a i l e y 等公司为首，成立了 w o r l df i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 组织，有1 2 0 多个公司加盟该组织， 并以法国标准f i p 为基础制定现场总线标准。此时各大公司均已清醒地认识到， 现场总线应该有一个统一的国际标准，现场总线技术势在必行。但总线标准的 制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展历史等原因，加之各公司和企业 集团受自身商业利益的驱使，致使总线的标准化工作进展缓慢。 1 9 9 4 年，i s p 和w o r l df i i 北美部分合并，成立了现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ，简称f f ) ，推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1 9 9 6 年第 2 第1 章引言 一季度颁布了低速总线h 1 的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合f f 规 范的仪表互连为控制系统和通信网络，使h 1 低速总线开始步入实用阶段。 与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在 公司标准的基础上逐渐形成，并得到其它公司、厂商、用户以及国际组织的支 持。如德国b o s c h 公司推出c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) ，美国e c h e l o n 公司推 出的l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 等。2 0 0 0 年1 月，国际电工委员会 正式表决通过了包含8 种现场总线在内的i e c6 1 1 5 8 国际标准。即f f 的h 1 ， c o n t r o ln c t ，p r o f i b u s ，i n t e r b u s ，p n e t , w o r l d 皿s w i f tn e t ，f f 之高速e t h c r n c t 即 h s e ，这些标准还在不断增加。此外，i e c ( 国际电工委员会) 和i s o f 国际标 准委员会) 还制定一些特殊行业的现场总线国际标准。大千世界，众多行业，需 求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，预计 在今后一段时间内，仍然是几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构 网络互连通信的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连 系统，是大势所趋。 现场总线的标准的不统一，各个厂商的产品难以实现互操作，在很大程度 上影响了现场总线的进一步推广应用。为了加快新一代系统的发展，人们开始 寻求新的出路，一个新的动向是从现场总线转向e t h e m e t ，用以太网作为高速现 场总线框架的主体。以太网是计算枫应用最广泛的网络技术，在n 领域已被使用 多年，已有广泛的硬、软件开发技术支持，更重要的是启用以太网作为高速现 场总线框架，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起 来。为了促进e t h c r n c t 在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会，开展 工业以太网关键技术的研究。此外，开发设备供应商协会( o d v a ) 已经发布了在 工厂现场使用以太网的全球性标准e t h e m e t i p 标准。该标准使用户在采用开 放的工业应用层网络的同时，能利用现有的以太网物理介质和组件，也即由多 个供应商所提供的可互操作的以太网产品。随着网络技术的发展，以太网应用 于工业领域所要面对的网络可确定性问题、环境适应性问题、包括总线供电和 本征安全问题都会迅速得到解决。【3 ，4 1 5 l 目前，工业以太网发展很快，国际上有4 个主要竞争者，它们是 m o d b u s t c p 、e t h e m c t i p 、f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e 和p r o f i n c t 。 国内关于工业以太网的研究也取得了一定的进展，浙大中控和有关单位合 作，联合攻关，在解决多项关键技术的基础上，起草了“用于工业测量与控制 3 第1 章引言 系统的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta l u t o m a 廿o n ) 系统结构和通信标准”，开发了基于 e p a 的分布式控制系统，并于2 0 0 3 年4 月在某化工厂的三套纯碱碳化生产装置 上进行了试用，至今运行良好，从而对 e p a 标准进行了验证。 1 2 现场总线和工业以太网的特点 1 2 1 现场总线的优点 ( 1 ) 结构简洁。即用一条传输线连接多台仪表，双向传输数字信号。这 种结构接线简单、安装费用低、容易维护。增加现场控制设备与仪表时，只需 要挂接到电缆上，无需架设新的电缆。 ( 2 ) 高可靠性。数字信号传输抗于扰能力强，精度高，无需采取其他抗 干扰措施。 ( 3 ) 可控性强。操作员在控制室既可以了解现场设备与现场仪表的工作 状态，又能对其进行调整，还可以预测或寻找故障，使其始终处于操作员的远 程监视与控制之下，提高了系统的可靠性、可控性和便于维护性。 ( 4 ) 可互操作性。用户可以将不同制造商的符合同一协议的不同品牌的 仪表集成在一起，构成所需要的控制系统。不必为集成不同品牌的产品而在硬 件或软件上花费力气或者增加额外投资。 ( 5 ) 功能综合。现场仪表不仅有检测、变换、补偿、控制和运算功能， 还可提供非测量管理信息。 ( 6 ) 分散控制。控制功能分散在现场仪表中，通过现场仪表本身可构成 控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自制性和灵活性。 并降低了布线成本。 ( 7 ) 系统开放。现场总线是开放式互连网络，所有的技术和标准都是公 开的，制造商必须共同遵守。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络， 既可同层网络互连，又可与不同层网络互连。另外，用户可以极其方便地共享 网络数据库。 1 1 总而言之，现场总线是高可靠、低成本、组态简单、可互操作性强、分散 控制、方便运行，数据库一致的开放式系统。 4 第1 章引言 1 2 2 工业以太网的特点 工业以太网主要有以下几个优点： ( 1 ) 以太网是当今最流行、应用最广泛的通信网络，具有价格低、多种传输 介质可选、高速度、易于组网应用等优点，而且其运行经验最为丰富、拥有大 量安装维护人员。 ( 2 ) 随着控制功能日趋强大，对控制系统通信速率的要求不断提高。以太网 比传统现场总线更能适应控制系统对通信速率的需求。 6 , 7 1 ( 3 ) 以太网可十分方便地与i n t e n e t 连接，使得对企业生产的实时监控可以走 出车间、工厂，只要在能够连接到i n t e n e t 的地方就可以实现对生产过程的控制。 以太网应用到控制领域存在的问题： ( 1 ) 通信的实时性问题：以太网采用的c s m a c d 的介质访问控制方式，其 本质上是非实时的。一条总线上挂多个节点平等竞争总线，等待总线空闲。这 种方式很难满足工业控制领域对实时性的要求。这也是以太网技术进入工控领 域的晟大障碍。 ( 2 ) 对环境的适应性与可靠性：以太网是按办公环境设计的，其鲁棒性和抗 干扰能力等都是值得特别关注的。在设计上还要考虑工业现场的要求。 ( 3 ) 总线供电：现场控制设备的位置分散，它们要求总线提供工作电源，但 工业以太网目前没有对网络节点供电做出规定。 ( 4 ) 本征安全：工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本 征安全问题。 ( 5 ) 以太网采用冲突检测协议共享信道，在网络上多点同时发送时将产生访 问冲突，当网络负载较大时网络性能将会受到显著影响。 ( 6 ) 控制网络传输的多为少量多频率数据，相对于信息包头而言，数据量太 小，整个信息包利用率太低。 1 3 本课题的研究背景与研究内容 1 3 1 课题研究背景 随着我国经济的发展，城市化进程的进一步加快，城市灯光景观愈来愈受 5 第1 章引言 到重视。越来越多的城市建设了标志性建筑，灯光景观工程更成为其增加魅力 的重要手段。不少工程要求通过巨量多点实时控制以取得大舰模的动态灯光景 观效果。 国内外现有的照明控制系统一般只能作开关群控，通信速率较低，控制的 同步要求也不高；不能满足巨量多点实时的大规模动态控制要求。因此，研究 经济实用的，能满足巨量、多点、实时的大靓模动态控制要求的大矩阵灯光景 观控制系统有较高的实用价值。 1 3 2 本课题的研究内容 从控制系统的发展来看，现场总线和工业以太网是未来发展的方向，但是 它们有各自的优缺点，现场总线具有较好的实时性、可靠性、本征安全特性， 但是由于标准不能统一，致使不同厂商产品之间不能够互操作。工业以太弼由 于协议开放，开发维护成本较低，便于与i n t e r a c t 接口，近年来发展迅速，但是 其在实时性、可靠性、本征安全方面难以达到工业控制要求。所有这些问题在 短期内难以彻底解决。这就要求能够按照实际应用的需要，选择合适的控制系 统。 本课题主要研究的是构建一个大矩阵灯光景观控制系统，设计出经济而实 用的、能满足巨量、多点、实时大规模动态控制要求的大矩阵灯光景观控制系 统方案，并且完成试验系统的硪剑。 控制与信息的融合是现代化重要趋势，以太网引入到控制领域则是现代控 制技术发展的一个重要方向。本系统的研究与应用，将对在低成本条件下，以 太网应用于大矩阵灯光景观控制系统的实时性、确定性、可靠性提出适用的解 决方案；对以太网技术在控制领域的推广应用，具有一定的理论意义。 1 4 小结 本章介绍了控制系统的发展历史、现状、现有控制系统的优缺点；概述了 本课题的研究背景、内容、目的与意义。 6 第2 章灯光景观控制系统方案分析 第2 章灯光景观控制系统方案分析 2 1 大矩阵灯光景观控制的特点 灯光景观工程一般要求通过巨量多点实时控制以取得大规模的动态灯光景 观效果。 这类系统的主要特点可以概括为： ( 1 ) 控制点多：例如在本设计应用的实际工程中，整个大楼内光外透部分 包含2 1 层楼，每层4 0 个窗，每个窗8 盏灯分为4 组，共3 3 6 0 个控制点。 ( 2 ) 动态控制：要求所有的控制点都能根据场景交化组合的需要控制开闭。 达到动态的显示效果。 ( 3 ) 同步性：场景的显示要求所有的控制点同时动作，否则将无法达到设 计要求。 ( 4 ) 实时性：系统要实现实时控制，网络传输的延迟，延迟抖动会使显示 出现不正常- 所以必须将网络的延迟限定在允许的范围之内，设计中必须考虑 系统的实时性。 2 2 现有灯光控制系统 现有的灯光控制系统主要包括：i n s t a b 勰，d m x 5 1 2 ，a c n ( a d v a n e 2c o n t r o l n e t w o r k ) ，a r t - n e t ，l o n w o r k s ，工业以太网等。 2 2 1i n s t a b u s i n s t a b u s 主要用于大楼管理系统，是随着电气安装的灵活方便和低能耗的需 要而发展起来的，它所使用的总线技术称为欧洲安装总线( e m ，e u r o p e a n i n s t a l l a t i o n b u s ) ，这个名称来源于欧洲统一的概念。许多相关的制造厂商联合 起来成立了一个组织，称为欧洲安装总线协会m m a ，e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s a s s o c i a t i o n ) 。e i b a 的成员保证他们的产品适用于总线而且不同厂家生产的装 7 第2 章灯光景观控制系统方案分析 置可相互兼容。使用方便和技术多用途需求导致电气安装越来越复杂。传统的 电气安装难于担此重任，而i n s t a b u se i b 欧洲安装总线可以简单、经济地满足 这些广泛的要求。 对传统的电气安装来说，每个功能单元需要单独布线，并且每个控制系统 需要单独的电源。而i n s t a b u se i b 却可以只通过一条关用的导线控制、监测和 报告所有的操作任务和过程，而且设备的电源也可以通过这条导线直接提供。 除了减少布线外，i n s t a b u se i b 还有更大的优点：大楼的初始电气安装非常容易 实现，以后也可以很容易修改和扩展。当房间布局和使用要求改变时，l n s t a b u s e i b 系统不需要重新布线，只要简单的修改总线装置的参数和逻辑连接就可实 现。这种修改是在一台p c 机上进行，这台p c 机连在总线上，并且运行e i b 工 具软件e t s ( e i bt o o ls o f t w a r e ) 。该软件专门用于项目设计和现场调试，也用于 初始安装。此外，i n s t a b u se i b 也可以通过相应的接i ( g a t e w a y ) 与其他智能大 楼管理系统和各种通讯网络相连接。因此，i n s t a b u se i b 适用于小如私人住宅， 大如宾馆、银行、办公大楼等各种复杂功能建筑。 i n s t a b u se i b 是一个基于事件控制的分布式总线系统。系统采用串行数据通 讯进行控制、监测和状态报告。所有总线装置均通过共享的串行传输连接f 即总 线1 。相互交换信息。数据传输按照总线协议所确定的规则进行。需发送的信息先 打包形成标准传输格式( 即报文) ，然后通过总线从某一个传感装置( 命令发送 者 传送到另一个或多个执行装置( 命令接收者) 。每个接收者校验所接收的报文 以确认传送成功，如果发送者接收不到确认信号，传送将重复最多三次。如果 最后还是得不到确认，发送者将中止传送过程并将错误信息记录在存储器中。 i n s t a b u se i b 的数据传输和总线装置的电源( d c 2 4 v ) 共用一条电缆。报文调制 在直流信号上。有脉冲表示逻辑“o ”，无脉冲表示逻辑“1 ”。一个报文中的单 个数据是异步传输的，而整个报文作为一个整体是通过增加起始位和停止位同 步传输的。 异步传输对作为共享通讯物理介质的总线的访问需要访问控制，i n s t a b u s e i b 采用c s m a c a ( 避免碰撞的载波侦听多路访问) 协议。c s m c a 协议保证对 总线的访问在不降低传送速率的同时不发生碰撞。 i n s t a b u se i b 系统的基本单位是一条线路( l i n e ) 。每条线路可连接最多6 4 个总 线装置，最多1 2 条线路各通过连在所谓主线路( m a i nl i n e ) 上的线路耦合器可形 成一个区域( z o n e ) ，而最多1 5 个区域各通过连在所谓区域线路上的接口( g a t e w a y ) 8 第2 章灯光景观控制系统方案分析 与另外的e i b 系统或其他外部系统相连。 尽管在一个e i b 系统中所使用的总线装置可多达1 2 ，0 0 0 个，系统的逻辑安排 仍要保持清晰。为了避免报文堵塞，只有当某个跨耦合器并具有相匹配组地址 的总线装置确实存在时，某报文才被允许通过耦合器转发。因此，每个耦合都 具有必不可少的过滤功能。 物理地址是根据系统的拓扑结构确定的，每个总线装置通过它所在的区域 号，线路号和线路内的装置顺序号可以唯一地确认。为了便于将每个总线装置 与相应的应用服务相关联，组地址按层次分为主群组和子群组。在项目设计时， 组地址最多可划分为1 4 个主群组。 2 2 2d m x 5 1 2 上世纪8 0 年代，数字化电脑技术的应用和普及，产生了新一代的灯光控制 技术，即所谓的d m x s l 2 数字信号控制技术。虽然这种控制技术最终仍采用可 控硅控制灯光，但是它采用的电脑控制台只用一条信号线就可以同时输出5 1 2 路串行的d m x 5 1 2 数字信号。它通过电脑系统来控制整个灯光控制系统，不需 要一个推杆对应一个调光器，可以任意设置推杆和调光器之间的对应关系，通 过推杆和按键随意调整调光台和回路之间的连接状态，任意选择可控硅调光曲 线的斜率等重要参数，随意设置集控杆，编辑几百个场。这种技术大大简化了 灯光的控制方式，为大规模控制灯光提供了可能。 然而，d m x 5 1 2 数字信号控制技术也有其缺点，这包括信号传输速度低， 传输信号错误率高，只能单向传输( d m x 5 1 2 a 标准可以双向传输) ，单个控 制口控制数量有限( 只有5 1 2 个) ，地址码设定烦琐等。 d m x 5 1 2 数据协议是美国舞台灯光协会( u s r r r ) 于1 9 9 0 年发布的一种灯 光控制器与灯具设备进行数据传输的标准。它包括电气特性、数据协议、数据 格式等方面的内容。 d m x s l 2 电气特性与e i a - 4 8 5 完全兼容，驱动器接收器的选择，线路负载 和多站配置等方面的要求都是一致的。 d m x 5 1 2 数据协议规定使用2 5 0 k b p s 的波特率。数据格式：每帧为1 1 位， 正逻辑电平表示。第1 位是起始位0 ，低电平有效：第2 - 9 位是数据位，由低位 到高位，高电平为1 ，低电平为o ；第1 0 位是信号位，为o 表示此帧是复位信 9 堕! 量堂墨堡堡塑墨塾互壅坌堑一 号，为1 表示此帧是数据信号；第1 1 位是停止位1 ，高电平有效a 在进行正常数据传输之靛，发送1 帧复位信号，其数据为0 ，第1 0 位信号 位为o ，声明数据传输的正常开始。随后紧接若干数据块，每个数据块的第1 帧数据称为起始帧，其数据的范围从0 - 2 5 5 ，第1 0 位信号位为1 ，表示接收此 数据块的设备类型，起始帧的后续数据表示对此接收设备的命令帧，其数据的 范围从0 - 2 5 5 ，第1 0 位信号位为1 。设备总数最多5 1 2 个。操作d m x 5 1 2 电脑 控制台时，点击其命令按钮，则相应的数据发送出去。依此发送完最后一个数 据块的最后一帧命令帧后，即完成一轮的数据传输，随即又开始新的一轮的数 据传输，一直循环进行。改变命令时，相对应的数据改变。 2 2 3 c n 随着对灯光控制提出越来越高的要求，传统的控制方法难以满足新的灯光 控制要求。在世界范围内出现了灯光网络化概念，为了统一各生产厂家的协议 标准，美国提出了自己的灯光网络协议，即a c n ( a d v a n c e c o n t r o ln e t w o r k ) 。 ：a c n 协议是为了建立下一代灯光控制网络数据传输的先进控制网络标准而 提出的。它将统一灯光领域的网络控制，允许单一网络传输很多不同种类的调 光控制及其他相关数据，可以连接来自不同生产厂商的灯光设备。并且，a c n 协议不单单局限于灯光领域，而且还可能应用于音哺控制和舞台机械控制。它 可以应用子任何支持t c p i 协议的网络中，通常最普遍的是应用于以太网。目 前，该协议标准的大部分已经编写完成，虽然这一标准还尚未获得美国国家标 准协会的通过，但是由于其先进性、实用性为业界广泛看好。世界上一些著名 的厂家已经设计出符合这一标准的灯光网络系统构架，制造出相应的灯光网络 产品，例如英国s t r a n d 公司的调光设备，美国m g h e d 公司的电脑灯系统， 还有我国i - i d l 企业的调光网络等。这些产品被称为“a c n r e a d y ”或“准a c n ”。 它们支持a c n 协议，有希望抢占市场先机。 a c n 是采用u d p 协议进行以太网通信，使用的端日是统一的0 x 1 9 3 6 。 2 2 4a r t - n e t a r t - n e t 是欧洲提出的标准，a r t - n e t 协议是一个1 0 0 b a s e t 基于t c p i p 协 议的以太网协议，其目的是用标准网络技术远程传输大量的d m x 5 1 2 数据。它 1 q 第2 章灯光景观控制系统方案分析 由a r t i s t i cl i c e n s e 制定且已公布出版，目前在欧洲已经有了许多成员单位，例 如意大利的a d b 公司，德国的m a 公司等等。 和a c n 一样，a r t n e t 采用u d p 协议作为网络的基础，使用端口号0 x 1 9 3 6 。 在，t c p i p 协议集中，u d p 为用户数据报协议，它是无连接的协议，不与对方 建立连接，而是直接把数据报发送过去，u d p 可以使用广播、多播、点对点的 传输方式，特别适合灯光亮度数据的传输，而t c p 仅仅有点对点的传输，一个 t c l i 连接必须要经过三次“握手”才能建立起来，其中的过程非常复杂。对于 接收端而言，u d p 接收简单，t c p 解包需要经过一个复杂的状态机后才能得到 真正的数据。但是u d p 并不能保证数据传输的正确性，所以a r t n e t 协议规定 在接收端点，对接收到的灯光数据和控制信息都进行了严格的校验，以保证数 据的准确性。 2 2 5l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布雨形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采 用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞 线) ；支持多种通信介质，并且开发了相应的本征安全防爆产品。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯 片中。集成芯片中有3 个c p u ，一个用于完成开放互连模型中第1 和第2 层的 功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完 成第3 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、 路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，i l 殳发数据包等。第三 个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲 区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 采用l o n w o r k s 技术的网络称之为l o n ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k s ) 网络， 其最大特点是挂接在l o n 总线上的控制节点都装有神经元控制芯片，而在每只 芯片内已固化有标准的网络通信协议一- - l o n t a l k 协议，这就使得接入l o n 总 线的各类设备可互通信，可实现楼宇自动化系统集成，它在短时间内得到了自 动控制领域的广泛关注和普遍接受，在楼宇自动控制领域更成为实际上的标准。 第2 章灯光录观控制系统方案分析 可以说l o n w o r k s 技术最大的应用领域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑物 监控系统的所有领域，即入口控制、电梯和能源管理、消防、救生、供暖通风、 测量、保安等。在建筑业中，l o n w o r k s 协议中的介质访问控制层，即i s o 0 s i 七层协议中的第1 、2 层，已经被接纳为建筑自动化控制网络( b a c n e t ) 的标 准，同时也被美国国家标准协会( a n s i ) 制定的有关标准所采纳。f 下图是 l o n w o r k s 典型应用图1 ” 2 2 6 工业以太网 图2 1l o n w o r k s 典型应用框图 美国s y n e r g e t i c 微系统公司和德国i - i i r s c h m a n n 公司专门开发和生产了导轨 式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标准d i n 导轨上，并有冗余电源 供电，接插件采用牢固的d b 9 结构。解决了在不间断的工业应用领域，在极 端条件下网络也能稳定工作的问题。h i r s c h m a n n 的工业以太网解决方案已经应 用到许多环境恶劣的场合。应用h i r s c h m a r m 工业以太网解决方案可以很方便地 构成灯光控制系统，如下图所示： 1 2 第2 章灯光景观控制系统方案分析 2 。3 系统方案 图2 2 工业以太网典型应用框图 出 l n l 1 l 2 l n 出 h 上述的控制网络都难以达到本系统的设计要求，i n s t a b u s 通信速率较低，只 有9 6 0 0 b p s ，不能实现动态控制。d m x 5 1 2 最多只能控制5 1 2 个点，一般只能 作群控，不能实现控制到每个点。a c n 和a r t - n e t 在网络方面比d m x 5 1 2 有很 大的提高，但目前还没有达到商用。l o n w o r k s 能够较好的满足可靠性、确定性 的要求，但对于本设计中的巨量多点，成本太高。工业以太网技术是目前工控 发展的热点，但成品不多，代价比较昂贵，因此有必要设计一个专门的控制网 络，能够满足本系统的巨量、多点、实时的大规模动态控制要求。 2 3 控制系统结构 根据控制对象的特点，设计了一个e t h e r n c t 和c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 网络的混合控制网络。以e t h e r n e t 作为控制系统的主干，保证具有较高的数据 传输带宽，现场级则选用c a n 网络，这样布线比较简单，节省成本，同时兼顾 可靠性和较高的传输速度，中间设置一个区域控制器，完成e t h c r n e t 和c a n 控 制网络之间的数据传输协议的转换。系统的结构图如下所示：