基于LonWorks总线的智能照明网络控制系统的设计.doc

基于LonWorks总线的智能照明网络控制系统的设计摘要学习了专业课照明技术，使我们对智能照明有了理论上的认识。为了进一步掌握使用的技术，根据教学要求我们组使用工科大楼414实验室的建筑电气与智能化教学模拟设备YL712作为课程设计对象，依照给定的要求设计并完成照明系统灯具的智能控制。本次设计主要采用了LONWORKS现场总线技术，首先将照明设备接线集成为完整系统，使用LONMaker+LNS DDE Server+组态王软件6.52开发监控系统。为了扩展系统我们的方案选用组态王6.52软件中WEB站点发布功能，利用C(Client)/S(Server)工作模式通过交换机组建楼宇局域网，同时此种方法也有利于连接外网以便业主随时随地能够WEB访问来监控楼宇照明状态。关键字LONWORKS总线，组太监控系统，智能照明，局域网WEB访问1绪论1.1引言现场总线控制技术是计算机控制系统中的最新技术，是一种开放式、全分布式的网络控制技术。控制过程直接面向现场，各现场智能节点相互独立，又可相互组态，构成一个开放式全分布式、可扩展的网络控制系统。1.2设计概述随着用户对居住和办公环境品质要求的不断提升，传统的照明内涵已不能满足现代建筑的要求。智能照明以智能能化的控制方式，灵活的布线方式，低廉的运行成本，成为了现代建筑电气照明技术的发展趋势，成为了现代智能建筑的首选。同时科技的发展、社会的进步，使智能照明的实现成为可能，许多高级建筑物（例如：商务大厦、会展中心、党政机关、企事业单位办公楼，高级宾馆，高级写字间）内包含的楼宇设备设备和不同功能的子系统越来越多，越来越复杂。在现代生活中，建筑物业主希望整个系统具有更高的性能、更高的效率和相对低的维护扩展费用。但由于不同厂商提供了不同功能的产品和子系统，采用了不同的通信协议，因此将造成各子系统有不同的通信速率、不同的编码格式和不同的通信规则，致使各子系统间实现互操作和系统互连将很困难，实现智能建筑的系统一体化集成更就无从谈起。如果各子系统孤立运行，不仅难以对整个系统进行统一的协调和管理，会有较高的运行和维护费用，而且不利于系统扩展和改造。现在，建筑物业主和管理者迫切需要一种开放的、可互操作的控制技术。通过这种技术建筑物内的各种自控设备都可方便地集成在一起，实现各个子系统和各个设备间的自由通信，以求取得最佳的经济利益。1.3智能照明照明作为现代智能建筑中主要的耗能，一个智能化得照明监控系统在环保和节能方面是非常重要的。照明监控系统对于公共区、景观区等地方的照明系统的监控，实现其智能化管理具有十分重要的作用。它是一个简便易行，功能齐全，适应性与经济性极强的控制系统。照明监控系统常用于各类大厦，高层公寓，智能住宅小区和公共场所等。本系统采用基于LonWorks总线技术的DDC（直接数字控制器）作为系统的下位器。LonWorks技术是一种通用的总线技术，它是由美国Echelon公司于1990年12月开发推出使用的。它采用神经元芯片（NeuronCHip）技术，在ISO（国际标准化组织）的OSI（开放系统互连）七层协议上实现的网络控制技术。在一个LonWorks控制网络中，智能控制设备(节点，包括DDC)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能芯片来完成协议的监控功能。一个LonWorks控制网络可以有3个到30000个或更多的节点，由于不需要象传统控制系统中的中央控制器，LonWorks分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费用。LonTalk协议LonWorks控制网络实现可互操作性提供了条件。神经元芯片和LonTalk协议是LonWorks技术的核心。直接数字控制器（DDC）是智能楼宇控制中常用的设备，它相对于其它下位器（比如PLC）的特点是集成化、专业化。本系统中的DDC通过采集各个探测器的输出信号以及时间控制模块的输出时间信号，对信号进行分析、处理后控制输出照明灯具以达到达到高效、节能的目的。系统原理简单，结构合理清晰。系统原理图如下所示：1.4 LonWork技术LonWorks技术是1991年由美国埃施朗（Echelon）公司推出的，LonWorks技术所使用的通讯协议叫LonTalk协议，该协议遵循国际标准化组织（ISO）1984年公布的开放系统互连（OSI）参考模型的定义，它提供了（OSI）参考模型定义的全部七层协议的全部服务，网络协议开放，可以实现强大的互操作。LonWorks技术的主要性能特点包括：1) 全分散的网络结构，LonWorks技术与各种传感器和执行机构结合，构成现场监控单元。2) 工业控制级的芯片设计，如：芯片内有软件狗、通讯报文的确认传送、纠错，优先级别可以进行灵活的管理等，芯片工作时可靠性极高。3) 系统采用无中心控制的真正分式控制模式，神经元CPU为核心的控制节点能够独立完成控制和通信功能，使用方便,功能强大,质量稳定可靠。4) LonWorks技术的通讯协议-LonTalk协议完全遵守ISO/OSI模型的全部七层通讯协议, 提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。5) LonWorks技术的网络拓扑结构不受总线网络拓扑单一形式的限制，可以是总线型、星型、环型、甚至是自由拓扑结构。6) LonWorks技术支持多种通讯介质，包括双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线电波和红外电波，并且多种媒质通过路由器连接，能够在同一个网络中混合使用这些通讯介质。7) 控制节点间可以用普通双绞线和普通电源线连接,增加或减少控制节点，不需改变网络的物理结构。节点具有联网协同工作功能，不依赖中央控制室，节点具有独立的工作能力。系统组态非常灵活,组网简单，安装成本低，升级改造费用低。8) lonworks是点对点的网络系统，它可以通过总线与其它节点交换数据共享信息资源。系统整体可靠性高,控制节点故障只影响与其相连的设备，不会造成系统瘫痪，系统稳定性大大提高，维护容易。9) 网络通信协议已固化在控制节点内部，不需用户开发，使得系统开发容易，应用编程简单，开发周期大大缩短。系统布局改变不必对原有应用程序作重大改动，从而保护了应用开发资源。 10) 本系统可以与非LonWorks的其它系统相兼容，具有良好的互操作性、开放性。Lonworks是国际楼宇控制的标准，对将来的设备维修、升级改造非常有利。节点程序可通过控制室操作站编写后下载，也可通过现场便携式操作终端或笔记本电脑下载，而不会改变网络属性，方便简化系统的维护、调试工作。1.5 DDC系统直接数字控制系统(Direct Digital Control简称DDC)，计算机通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在楼宇智能控制中最普遍的一种应用方式。DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。本系统采用中国海湾公司的HW-BA5201DDC控制模块作为控制主机。HW-BA5201DDC控制模块是智能楼宇控制系统的一部分，它采用LONWORKS现场总线技术与外界进行通讯，具有网络布线简单、易于维护等特点。它可完成对楼控系统及各种工业现场标准开关量信号与模拟量信号的采集，并且对各种模拟量以及开关量设备进行控制。特点DDC 控制器监视、控制、管理原则DDC 控制器是建筑设备自动化最重要的组成部分，它能编制存储程序，使 设备按程序运行，可采集设备各种准备、运行、故障状态传输到工作站，并接受 工作站的各种命令及时传输给设备及执行机构去完成命令，由此可以看到 DDC 控制器在系统中的重要作用。1.6组态王 组态王与现场的I/O设备直接进行通讯。I/0设备的输入提供现场的信息,例如产品的位置、机器的转速、炉温等等。I/O设备的输出通常用于对现场的控制,例如启动电动机、改变转速、控制阀门和指示灯等等。有些I/O设备(例如PLC),其本身的程序完成对现场的控制,程序根据输入决定各输出的值。输入输出的数值存放在I/O设备的寄存器中,寄存器通过其地址进行引用。大多数I/O设备提供与其他设备或计算机进行通一讯的通讯端口或数据通道,组态王通过这些通讯通道读写I/0设备的寄存器,采集到的数据可用于进一步的监控。不需要读写I/O设备的寄存器,组态王提供了一种数据定义方法,定义了I/O变量后,可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。2系统设计 该智能照明系统设计主要包含两个方面的内容：其一、硬件的布置接线；其二、软件的设计及运行调试。其中硬件中要求设计时对个照明系统部件熟悉并且理解其原理主要包含：光照度传感器、光照度开关、空间红外探测器、紧急按钮、三维场景按钮、调光驱动器、HW5201DDC、继电器、日光灯、日光管、卤钨灯、开关电源等等。其中软件部分设计时首先要安装LONMSKER等相关管理软件，首先保证电脑的操作系统为windows 2000（sp4）及以上或windows xp（sp1）以上版本，同时检查目标机器的系统中是否安装了“Internet 信息服务（IIS）”Windows 组件，如没有安装需自行安装IIS组件。然后依次安装Visio、LonMaker3.1、LonMaker3.1 sp2补丁程序、LNS3.0的sp8补丁程序、VB6.0。然后导入资源文件、安装NodeBuilder31、添加资源文件。最后进行软硬件的链接：EcheLon_USB接口网络卡驱动程序的安装与通讯测试，通讯成功此时LonMaker软件安装完毕。2.1硬件系统2.1.1硬件介绍及设置1、紧急求助按钮图1：紧急按钮原理图正常状态下的紧急求助开关NO-C为常开状态，压下锁定时NO-C接通。复位时需使用专用复位钥匙。使用万用表通断档进行测量。系统中装有一个紧急求助按钮，安装在房间的墙壁上，用于遇到紧急情况时，按下向DDC主机发出紧急情况信号。2、被动红外空间探测器图2：被动红外原理图 被动红外空间探测器防拆模拟开关压下时亮灯，表示正常状态；弹起时灭灯，表示被拆状态。被动红外空间探测器在通电加温后12分钟内，不会有任何反应。可利用人体活动进行实验，首先在探测器前方保持身体不动，等探测器上红色指示灯熄灭后开始晃动身体，灯亮，表示探测器已经探测到自动探测区域内的人体动态移动现象，进入触发状态。正常和通电状态下的被动红外空间探测器C-NC为常闭状态，触发状态或断电状态或被拆状态，都将使C-NC断开，进入报警状态。使用万用表通断档进行测量。更详尽资料请参阅被动红外空间探测器使用手册。3、声光控延时开关声光控延时开关在大于一定光照度的情况下（如白天），该产品不会动作，所控制的照明灯不会点亮；在小于一定光照度的情况下（如黑夜）,大于一定强度的声音（如脚步声，说话声等），将会使该产品动作并持续一段时间，所控制的照明灯也会点亮并持续一段时间。该产品不但能给人们带来方便，而且实用，可节约电能，是环保“绿色”产品。4、光照度开关和光照度传感器光照度开关和光照度传感器是两种不同的传感器。光照度开关是开关量，而光照度传感器是模拟量，但是其硬件接线电路示意图相同。他们均采用DC24V开关电源供电，均为NO-C常开输出端子。图3：光开关、光传感器端子图2.1.2硬件系统图图4：照明系统图图5 硬件运行2.1.3硬件接线图图6：照明接线图2.2软件设计2.2.1软件介绍1 LonMaker集成工具（版本3.1）是一个软件包，它可以用于设计、安装、操作和维护多厂商的、开放的、可互操作的LonWorks网络。它以Echelon公司的LNS网络操作系统为基础，把强大的客户-服务器体系结构和很容易使用的Microsoft Visio用户接口综合起来，这使得LonMaker成为一个完善的，并足以用于设计和启动一个分布式的控制网络的工具。它还向用户提供用于设计控制系统的、大家较为熟悉的、类似于CAD的环境。Visio（LonMaker软件中的绘图工具）灵巧的图形绘画功能为创造节点（一个节点为一个DDC）提供了直接的、简单的方法。LonMaker工具包括许多LonWorks网络用的灵巧的图形，并且用户可以创建新的自定义图形可以像单个节点、功能模块和连接线一样简单，也可以像带有嵌套子系统和预定义节点、功能模块以及它们之间的连接的完整的系统一样复杂。 本系统采用已创建的自定义图形进行编程，因此用户只需拷贝相应的节点程序和注册相应的Plug_in程序（包括多个功能模块）即可编程，编程过程简单易懂。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各种功能。力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的第一工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的。力控监控组态软件的基本程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心。2 DDE与LNS DDE Server 所谓DDEDynamic Data Exchange，即动态数据交换，是WINDOWS平台上的一个完整的通讯协议，它使应用程序能够彼此交换数据和发送指令。两个同时运行的程序之间通过DDE方式交换数据时建立Client/Server关系。 LNS DDE Server是一个基于LNS操纵系统的软件包，是与DDE兼容的到LonWorks网络的接口，且和很多HMI及SCADA软件包兼容。通过LNS DDE Server，Windows应用程序可方便地与LonWorks网络上设备交换信息，也就是说，利用LNS DDE Server，任何承担DDE Client的应用程序能监视和控制一个或多个LonWorks网络。 DDE Client与LNS DDE Server之间的通讯需要三个约定标识：Application、Topic及 Item，即当Client发出开始与DDE对话的请求时，只有当Application、Topic标识与LNS DDE Server内部设定的标识一致时，系统才将DDE Client的请求传达给LNS DDE Server。3 组态王6.52（注意，安装时不能安装加密狗）监控组态软件是面向监控与数据采集（supervisory control and data acquisition, SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，HMI或MMI（man machine interface）是其主要内涵，即主要解决人机图形界面题目。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。目前国内常用的组态软件有：Intouch、iFIX、组态王、力控等等。2.2.2监控原理 此种监控系统的基本结构如图1所示。其基本组件为：上位机（装有监控组态软件）、LNS DDE Server、LonMaker for windows、LonWorks网络等。在此系统中，上位机可监视LonWorks网络，读取网络中节点采集的实时数据，显示各节点的工作状况及历史图表，实现对数据的判别、分析及贮存等。同样，上位机也可控制LonWorks网络，能直接向被控设备发送命令，控制某一节点的状态。图7：监控系统的基本结构2.3网络设计2.3.1 LM for windows工程设计注册HW-BA5201通用控制程序1后运行LonMaker for windows，如图13所示，开始新建名为照明课设（ZMKS）为名字的网络工程。图8：LM新建工程窗口图9：LM编程环境开始添加设备，将左侧模块栏里的Device拖入网络窗口，即出现如下图：图10：添加设备截图图11：按下DDC面板图12：LonMaker软件界面图13： LonMaker软件模块设计输入模块的创建系统中输入模块共11个分别为：光照度开关，光照度传感器，空间被动红外，上班、午休、下班三位场景按钮，紧急按钮，卤钨灯反馈，日光灯反馈，日光管1反馈，日光管1反馈。其中只有光照度传感器为模拟量，其余均为开关量配置方法均基本一样依次创建完成，在此只作示例如下：图14：UI0输入模块创建图15：UI0端子创建为光照度开关输入模块图16：光照度开关输入模块开关量的配置图17：光照度开关输入模块信号处理方式的配置图18：光照度传感器输入模块变量模拟类型的配置图19：光照度传感器输入模块信号处理方式的配置图20：光照度传感器输入模块信号输出的配置输出模块的创建系统中输出模块共5个分别为：卤钨灯，日光灯，日光管1，日光管2，LED灯。其创建配置方法均基本一样依次创建完成，在此只作示例如下：图21：UO1输出模块创建卤钨灯输