-1-基于PLC的車間照明控制系統的設計目錄TOC\o"1-3"\h\u49051緒論 1210201.1研究背景及意義 1119341.2國內外研究現狀 1216231.2.1照明控制發展情況和趨勢 1231691.2.2PLC發展狀況 293661.3研究內容 3104762車間照明控制系統總體設計 4201252.1照明控制系統需求分析 4302362.2照明控制系統總體框架設計 4255593車間照明控制系統硬件設計 792653.1照明控制系統硬件設計需求分析 7255933.1.1照明控制系統硬件設計目標需求 725103.1.2照明控制系統硬件設計資源需求 7291103.2照明控制系統硬件結構 7212403.2.1PLC系統 8134943.2.2控制系統的地址配置及數據存儲 10198713.2.3光照傳感器 1372713.2.4溫濕度檢測模塊 14101653.2.5人體紅外感應傳感器模塊 1446813.3車間照明控制系統實物制作 1548033.3.1元器件的檢查 15244803.3.2焊接 1585374車間照明控制系統軟件設計 17270584.1照明控制系統軟件需求分析 1753254.1.1照明系統軟件設計目標 17166354.1.2照明系統軟件核心需求說明 17179564.2通信模塊設計 1889584.2.1上下位機通信的實現 18274234.2.2下位機與其他設備通信的實現 21193564.3Led節點軟件設計 22165704.3.1產生PWM 2266734.3.2調解LED燈亮度 24119415車間照明控制系統調試與結果 27284355.1照明控制系統硬件電路檢測 27213705.2光照強度傳感器數據測試 2752825.3人體紅外感應傳感器數據測試 29101796結論 3017795參考文獻 311緒論1.1研究背景及意義當今世界科學技術的更新和變革可謂是日新月異，科技的發展加速了城市化和現代化的進程，社會生產力得到極大的提高，但同樣對全球環境造成了非常嚴重的污染，全球可開采資源越來越少，開采難度越來越大，世界各國紛紛認識到了能源問題的嚴重性開始在世界范圍內倡導節能減排。眾所周知，能源是國家經濟發展和日常生活的重要保障，我國每天消耗的能源非常大，許多能源還要從國外進口，所以如何節約使用能源一直是我國科學家所關心的重點課題。電能作為一種清潔高效的可再生資源，不會對自然環境造成任何污染。而電力資源通過轉換以后可以變成工業生產和日常生活中所需的各種能源，為我國的生產生活做出了突出貢獻，但電力資源的浪費問題卻非常明顯，如何節約電力資源將是本次研究的主要課題。據國家電網數據顯示，我國大部分電力資源都用在了室內外照明上，當前國內工廠對照明設備的控制還是老舊的手動控制方式，這樣方式是最浪費電力資源的。如果工廠在日常管理中不能合理控制照明設備的時間，長期使用會損壞照明設備，更換設備的成本可比消耗電力的成本要高的多。這種控制照明裝置的方式不僅會浪費大量的電力資源，還會為工廠帶來不必要的經濟損失，這與當代社會節能減排的理念是相違背的。如今計算機和數字信息技術不斷發展，工業自動化生產的程度不斷提高，對于照明設備的控制系統來說也應該逐漸走向智能化的道路。隨著計算機技術和微電子通信技術的不斷發展，使得plc控制器可以在工業自動化生產控制領域大放異彩，能為各類型企業的發展節省很多資源成本。Plc控制器雖然出現的時間并不久，但在國內外受到的關注卻一點也不少。自首臺自動化裝置plc控制器誕生以來，經歷了40年的發展，已經逐漸成為了美日德等西方發達國家的重要產業支柱之一，世界范圍內的生產和銷售總額正在不斷攀升，控制器的種類也在不斷增加，世界各地的生產廠家紛紛加入到這一領域中。我國與西方發達國家相比，對plc技術的研究要落后許多，我國的工業自動化進程一直非常緩慢，但近年來，我國加大了對plc控制器的研究和生產，逐漸縮小了我國與西方發達國家在工業自動化技術上面的差距。而且我國市場龐大，對plc控制器的需求更大，這為plc產業帶來了新的發展機遇，在未來plc技術的不斷革新一定會為國家帶來更多的社會經濟效益，也會加快我國工業自動化的進程。1.2國內外研究現狀1.2.1照明控制發展情況和趨勢世界上首座智能化商業大樓于1984年在國外建成，歐洲地區和亞太地區紛紛在上世紀90年代前后具備了一定建設智能化住宅的能力。而在這些智能化住宅建筑中，照明設備控制智能化是其中獨居特色的一部分。未來照明設備的控制系統將逐漸從傳統手動式過渡到全自動式，最終實現智能化控制。而控制方式也會逐漸從電源開關過渡到智能傳感器、計時器開關，最終實現利用晶體管等進行智能化控制。這一系列的過渡和改變，不僅改變了傳統的控制照明設備的方式，還能提高照明設備的使用壽命以及節省大量的電力資源，這與世界范圍內倡導的節能減排的倡議是相符合的。當今國外在設計和研發室內照明控制系統領域取得了一定的成果。在上世紀90年代，國外就已經開始了對智能照明系統軟件的研發和設計并投入到實際應用生產生活中。在市場上可以看到各種類型的智能化照明管理控制系統，比如瑞士ABB的I-BUS總線、澳洲的C-BUS以及歐洲安裝總線等控制系統[7]。這些控制系統軟件都是利用通信技術將不同儀器設備連接在一個系統中共同操控，根據通信介質的種類可將其分為：總線類、電力線載波類和無線網絡類。國內關于照明系統在節能減排和環境保護等方面研究的起步時間比較晚，國外照明控制系統的普及率已經達到了70%，其中歐洲普及率達到了45%，亞洲普及率在10-15%之間，日韓的普及率在15-20%之間，我國僅有不到1%。國內為了彌補在照明控制系統研究領域的差距奮起直追并取得了可喜的成果，在國內也逐漸出現了IHCC房屋智能管理控制系統。1.2.2PLC發展狀況隨著計算機技術和微電子通信技術的不斷發展，讓plc控制器在網絡通信、控制反應以及控制穩定性方面得到顯著的提高，而且為檢測編程故障以及降低成本等方面提供了更多的可能性。為了滿足各類型企業在生產過程中對系統的控制需求，plc在工業自動化領域的研究還有很長的道路要走，plc在國內外的研究中不斷取得新的突破，其強大的控制能力必將成為今后智能化控制系統的首要選擇。（1）國外PLC發展狀況Plc控制器雖然出現的時間并不久，但在國內外受到的關注卻一點也不少。自首臺自動化裝置plc控制器誕生以來，經歷了40年的發展，已經逐漸成為了美日德等西方發達國家的重要產業支柱之一，世界范圍內的生產和銷售總額正在不斷攀升，控制器的種類也在不斷增加，世界各地的生產廠家紛紛加入到這一領域中。全球范圍內主要生產plc產品的地區有三處，分別是美國、歐洲和日本。而如今全球范圍內關于plc產品研究發展實力比較強大的公司主要有德國西門子、美國AB、法國施耐德以及日本的三菱、松下電氣和韓國的三星等公司。歐美的plc產品類型主要是中大型，而日韓的plc產品類型主要是小型，它們各自傾向的市場應用范圍有所差異。（2）國內PLC發展狀況與西方發達國家相比我國在plc技術的研究要明顯落后一些，這也是導致我國工業自動化進程進展緩慢的主要原因之一，當前國內的工業生產中使用的plc產品大多都是從國外進口的，向日本三菱和德國西門子公司研發的plc產品是國內工業生產領域上經常使用的產品。國內生產的plc產品在市場中所占的份額非常小，沒有形成自己的品牌效應，沒有自己完整的生產鏈，工業生產規模無法達到專業化和系統化，這些都嚴重制約了我國plc領域的發展。為了盡快達到我國工業生產全面自動化的目標，縮小plc技術與國外先進技術之間的差距，近年來我國在plc研發設計和生產領域紛紛加大了投入，與國外的差距正在逐步縮小，而且我國有著世界上最龐大的市場，對plc產品的需求量非常驚人，這也會plc領域的發展帶來了新的發展機遇。在實際應用領域國內工廠開始引進并使用了國產的plc產品用來控制工業生產系統。此外，還對那些老舊設備利用plc控制器進行升級改造，這也減輕了工廠在升級換代設備時的經濟壓力?？偠灾?，隨著我國plc技術的不斷發展一定會為我國盡快達成工業全面自動化的偉大目標做出自身積極的貢獻。1.3研究內容本次設計對象是某工廠生產車間，希望能設計出一套完善的工廠智能化照明控制系統，可以時間分時間段控制和明暗控制兩大目標。時間段控制主要是在白天和晚上自動條件照明時間和亮度。明暗控制主要是在天氣環境影響車間亮度時自動調整照明設備的亮度。希望本次設計的控制系統具備低能耗、低成本和高穩定性等優點，為車間設備管理者提供先進的管理方法，減輕他們控制設備的負擔。2車間照明控制系統總體設計2.1照明控制系統需求分析本次照明控制系統的設計時圍繞著新型工廠生產車間展開的，其主要滿足以下幾點需求，首先硬件設計要達到體積小、能耗低和經濟性等標準，其次對室內照明設備的調節效果要達到人眼部舒適亮度的要求，然后還要確保能對不同區域近獨立的控制，最后要能實時遠程監控和收集室內溫濕度信息以及電力能耗信息等。力求設計一套集智能化、多樣化和節能化為一體的經濟型室內照明控制系統。按照以上要求本次設計的車間照明控制系統的方案需要具備以下幾種特點：第一，淘汰傳統的照明設備更換成led節能燈。第二，該系統可以完成對不同區域的獨立控制。第三，根據天氣變化來自動調節室內照明設備的亮度達到人眼舒適的亮度，實現節能減排改善現場工作環境。第四，可以實現遠程控制收集車間內的相關信息。第五，該控制系統的功能模塊要預留升級的空間，為今后增添新的功能留夠系統空間。2.2照明控制系統總體框架設計本次設計的對象是一座新型的工廠生產車間，車間長寬是144*60m，占比面積為8640平方米，車間是單層結構，網架高度為13.1m。全廠的照明設備統一按照的是led平板燈，其照度設計值是標準的500lx。車間的主照明區域在生產機組附近，該區域的照明系統由8組條燈帶和576盞led平板燈帶組成，平板燈的功率參數為56W、5000lm、4000～6500k、Ra≥80。此外每個機臺的工作照明有兩組燈帶和16盞平板燈負責。按照每盞燈具的功率來計算電路負荷的總功率在32kw左右，總電流是145a。每一個機組為一個區域，占比面積大約是270㎡，該區域內有四組條燈帶，共有32盞等，計算得出該區域的電力負荷總功率是1.8kw，總電流是8a。圖2-3所示的是車間主照明區的供電設計圖，圖2-1所示的是車間主照明區域機組平面分布圖，圖2-2所示的是主照明區域設計分布圖。圖2-1車間主照明區域機組平面分布圖圖2-2車間主照明區域設計布局圖圖2-3車間主照明區域總供電電路設計圖3車間照明控制系統硬件設計3.1照明控制系統硬件設計需求分析3.1.1照明控制系統硬件設計目標需求按照上文分析的車間照明控制系統需要滿足的要求以及設計的特點來看，本次設計的控制系統的硬件設備需要滿足以下幾點要求，第一，硬件結構要簡單合理，要做到體積小重量輕便于挪動，在車間各區域內都能使用該控制系統調節照明設備。第二，在操作方法上要符合檢測和判斷車間工程環境的要求，設計功能時盡量要簡化不能過于復雜。第三，設計的控制系統各性能指標要達到車間照明的基本需求，還要能實時監控收集車間內的環境信息。第四，硬件部分要保留足夠的I/O端口，方便今后該控制系統的升級和優化，為今后增添新的控制功能留足系統空間。3.1.2照明控制系統硬件設計資源需求硬件設計資源需求要遵循微處理和信息采集處理器的一般規律，其要具備以下幾種特性：第一，本次設計的plc控制器選中的是omron，該系統的硬件組成主要包括CPU單元、電源和串行通信單元。第二，本系統的無線通信控制模塊選用的是zigbee，zigbee能滿足近距離實際控制的需求，還能減少硬件設施的能耗，與傳統的通信網絡技術相比，其具有節能、低成本、速度快、可靠性和安全性高一級能實現在線多點連接一級多樣拓撲等功能，而且其底層媒體訪問控制和物理層控制完成達到了IEEE802.15.4技術標準的要求，可以說是一種全新的無線通信技術。第三，溫濕度傳感器模塊選擇的是dht11，光照傳感器模塊選擇的是gy-30，人體紅外電子感應傳感器模塊選擇的是hc-sr501，這些傳感器模塊的性能都符合本次設計照明控制系統功能和性能的基本要求。第四，用功率為220v、60w的LED燈帶模擬車間的照明環境，來驗證本次設計的系統能否實現在環境光線變化和有人無人時自動調節LED燈亮度達到人眼部最舒適的亮度。3.2照明控制系統硬件結構本次設計控制系統的電路主要由五大電路組成，首先是plc核心電路和復位電路，其次是晶振振蕩電路和電源指示燈，最后是濾波電路。這些電路將程序接口、I/O接口和電源模塊、zigbee模塊以及傳感器模塊連接在一起。Led指示燈主要負責提示設備是否通電。各傳感器主要是負責收集車間信息轉換為數字信號傳送到plc處理器中，數據經處理后plc控制器向各連接設備下達控制指令。Zigbee將控制指令傳輸到各連接設備中，其微處理器和plc控制器在一個集成pcb板上，在主控電路板上還保留了多余的I/O接口和下載端口。圖3-2所示的是系統整體的結構圖。3.2.1PLC系統本次設計的系統選擇的plc產品是由omron公司生產的，該產品的硬件結構主要有cpu單元、電源和串行通信單元三部分組成、（1）PLC的CPU單元CPU單元是plc控制系統的核心，本次選擇的CPU型號是CJ2M-CPU31，圖3-1所示的是cpu單元實物圖和平面圖。該單元具備以下特點：存儲器內置容量非常大，處理數據的速度很快；該單元的內置端口是EtherNet/IP，其可以當做開放式網絡標準配置。這種接口用打印機電纜就能將plc和網絡連在一起。EtherNet/IP端口是本次系統硬件設備連接以太網實現在線傳輸的基礎。CPU單元還能管理標簽名稱和修改I/O地址等功能，使用標簽名稱就能直接繞過I/O地址訪問外部設備，這樣就能簡單快捷的增添硬件結構新的功能，減少了編程者的工作量。該cpu單元的編程環境可讀性性能比較高，能實現對dm/em區的位指定、數組變量等信息的讀取。該cpu單元調試的功能非常強大，在線編輯和數據追蹤的能力也非常優秀，在本次調試控制系統性能時將起到非常關鍵的作用。圖3-1CJ2MCPU單元實物圖及平面圖CPU單元主要有五部分組成，首先是電池倉和led指示燈，其次是usb端口和EtherNet/IP端口，最后是選件板等。CPU在通電以后，plc的內存系統就會自動運行處理數據，當斷電時，電池倉還能為其提供電源用來保存備份內存數據。DIP開關指的是協議控制開關，當開關模式變成on時系統就會啟動某種協議。通過觀察LED指示燈的信號來判斷plc的運行狀態，在cup的外部還存在兩個通信端口，一個是usb端口，另一個是EtherNet/IP端口。其中usb端口將上位機和控制系統連在一起，而EtherNet/IP端口則負責將控制數據傳輸給其他連接設備。這兩種端口和RS-232C/422/485接口接口共同負責cpu與外部設備的連接（2）電源模塊為了滿足plc系統的用電需求，本次設計的電源模塊選擇的是CJ1W-PA205R。該模塊的板面上安裝了連接外部的段子比如電源輸入等，還安裝了電源指示燈用來判斷電源模塊的運行狀態。圖3-2所示的是該模塊的實物圖和平面圖。圖3-2CJ1W-PA205R單元實物圖及平面圖電源模塊一共有兩個輸入電流，一個是交流輸入電流即AC，另一個是直流輸入電流即DC。交流輸入提供100-240v的電壓或者是85-264v的電壓。直流輸入則提供24v的電壓。為了確保本次設計的控制系統能在日常生活中的交流220v電壓中運行，在電接線中，將電源模塊最上端的交流輸入端和接地端分別連接在三相插頭的火線零線和接地線中，這樣使用時將插頭插入供電插座中就能通電。（3）串行通信單元通過串行通信單元將CPU單元和外部i/o模塊連接起來可以實現數據交流。本次設計選擇的串行通信單元模塊是CJ1W-SCU31-V1。該模塊安裝了兩個指示燈，用來判斷該模塊的運行狀態，該模塊的數據傳輸周期和頻率可以通過指示燈的閃爍頻率來判斷，該模塊的電阻開關是term，為減少外部通信的干擾就將電阻開關設置在on的狀態。串口的工作模式分別用wire的撥碼開關2和4的位置來表示。該模塊上存在兩個串口，每個串口可以設置一種通信協議，串口“2”表示端口1或2與485輸出串口正相連，串口“4”表示422輸出串口，unitno表示的是該模塊的單元編號以此來區分同機架上的單元類別。圖3-3所示的是該模塊的實物圖和平面圖。圖3-3CJ1W-SCU31-V1單元實物圖及平面圖本系統設計的串行通信模塊連接回路和控制器選擇的方式是485引腳方式，所以wire要設置在2線端口。該模塊的1/2/6/8引腳可以傳輸數據，其他引腳不使用是可以屏蔽掉。在485引腳方式中，將引腳1和2或引腳6和8用雙線連在一起，為了方便設計，本次將引腳6和8焊接在一起。該模塊的通信協議時宏通信，串口傳輸數據的工作模式是半雙工模式，數據傳輸方式是啟停一致的方式，根據實際需要自行設置通信速度。該模塊的485引腳的波特率必須要和燈具數據傳輸速度相同，由于燈具在出廠設置的波特率時2400bps，所以485引腳的波特率也應該是2400bps。3.2.2控制系統的地址配置及數據存儲（1）控制系統的地址配置車間照明控制系統在實現通信之前，要先設置通信系統個模型的地址配置，這樣才能確保通信模塊輸出的信息傳送到制定的地址中。圖3-4所示的是控制系統地址配置示意圖。圖3-4控制系統地址配置的結構圖在設置plc網絡地址配置之前，要先知道各設備在網絡中的ip地址，同時各設備的網段要設置在一個網段中。上位計算機的ip地址是192.168.0.3，網關地址是255.255.255.0.如果電腦的ip地址不是這個，就要在網絡設置中更改ip地址。設置完以上ip地址后開始測試plc的聯網情況，聯網設備ip地址的前三段必須是一樣的，第四段設置成該plc的節點之地。區分上位機時，可把plc末尾節點地址更改為1，那么該plc的ip地址就會變成192.168.0.1，網關設置不變。工程樹CX-Programmer中plc的ip地址是192.168.0.1，網關設置不變，將網絡配置信息導入plc。Plc中CPU單元的撥碼盤地址要和ip地址保持一直，在設置ip地址是，如果CPU單元的撥碼盤地址和plc的ip地址不一樣，那么就不能完成設置。CPU單元的ip地址有兩個對應的節點撥碼盤，節點的計算公式是N=碼盤1撥號*161+碼盤2撥號*160。由于碼盤1的撥碼=1，碼盤2的地址=1，因此N=1*160+0*161=1。完成設置后對ip地址進行測試，在dos界面輸入cmd，采用ping+plc的網絡地址來測試plc是否連入網絡中。連接成功時，cpu指示燈上會顯示出“01”的數字，這就代表了該模塊已經連入以太網中，且地址為01.該模塊連接在Enternet時，plc指示燈中的run燈和100m燈會顯示成綠色，lnk燈會顯示成黃色，sd和rd燈會處于黃燈閃爍狀態。當該模塊連接在FINS/TCP時，tcp燈會變成黃色。圖3-5所示的是設置地址流程圖。圖3-5PLC的網絡地址配置在同一機架上分別安裝電源、cpu和串行通信模塊，為了方便區分各模塊在變成軟件中的型號，cpu單元撥號ip地址尾號設定為1，串行通信模型撥號ip地址尾號設定為2.當suc單元的串行通信串口和控制器通信串口連接正常時，該單元的run、rdy燈會變成綠色，ter1、ter2燈會變成黃色。當串口1和2進行通信，sd1和2以及rd1和2模塊會根據設置的時間間隔分別發送和接收通信指令。通過協議宏進行交互，需要通過PMCR指令開啟CX-Programmer上的程序。啟動開關的過程中，需要先確定PMCR指令，該指令上有ON和OFF選項，OFF代表關，ON代表開。協議宏上面有具體的開關標志，開關2上面有N+19.15，和N=1500+25兩個模塊選項。依此類推，端口1上的標志位為1559.15，端口2的標志位為1569.15。PMCR開關項上有1-16個選項扣，前7個通信單元號為10+，8-11顯示的區間表示的是端口地址，后4位區間則表示的是邏輯端口。（2）控制系統的數據存儲Plc的數據存儲有兩部分組成，分別是內置閃存和內置ram，內置閃存主要是備份數據。而系統中的用戶程序參數以及i/o模塊都保存在內置ram中，其內部按照有備用電池，其電量可以維持dm區和h區數據五年的保存時間。當電量耗盡，plc內部的CPU單元可以給電池充電，這樣可以保證各區內數據繼續保存40個小時，給出充足的更換電池的時間。Dm區的地址范圍在d0-d32767之間，該區內數據形式只能是字或位。Cpu總線單元地址在d30000-d31599之間，每個CPU總線單元包含100個字符CPU總線單元進行初始化之前要先用編程設備在CPU單元參數區進行登記備份。i/o單元的地址在d20000-d29599之間，每個i/o單元存在100個字符。綜上所述，本系統的初始參數和系統下達的指令要分別保存在不同的dm模塊中。3.2.3光照傳感器光照傳感器收集的數據傳輸到plc處理器中，plc獲得一個高位數據和一個低位數據，將兩個數據進行10進制轉換再除以1.2就可以計算出光照強度。本系統選擇的光照傳感器是gy-30，由于該型號的傳感器內部存在一個芯片，該芯片內有一個ad轉換器，該轉換器不用計算和校對數字就能直接傳輸出去，該傳感器的功耗很小，在3-5v電壓內也能使用，而且其光照范圍很廣，可以刺激到人體視覺靈敏度的最小值，這些優點注意滿足本次設計的需要。圖3-6所示的是其封裝和尺寸大小。圖3-6光照傳感器尺寸和封裝3.2.4溫濕度檢測模塊由于本次系統應用的車間主要是負責香煙的包裝和卷接，每一支煙的生產對溫濕度控制的要求都非常高，因此要實時監控和記錄車間內的溫濕度。本次設計選中的溫濕度傳感器是dht11.該傳感器使用單線串行通信與控制系統連接在一起，數據采集和傳輸效率非常高，而且直接輸出實際的溫濕度值比較方便觀察。該傳感器的電路要求很簡單，抗通信干擾能力很強，測量的誤差值很小，工作性能非常穩定，而且能景區校準室內的溫濕度，校準數據會保存在otp存儲器內供傳感器內部檢測數據信號時使用。此外，該傳感器的體積小重量輕能耗低，在20米外也能實現數據信號傳輸，所以本次設計選擇該型號的溫濕度傳感器。傳感器上有四處單排引腳用于連接控制系統。該傳感器的測量溫濕度的精密濕度值是±5％RH，溫度值是±2℃，測量濕度范圍在20-90%rh之間，測量溫度范圍在0-50℃之間。其電源額定電壓在3-5.5vdc。傳感器通電后，需要1秒的時間來達到穩定的狀態，在期間不能有任何操作?？梢园惭b一個100nf的電容器來防止去耦濾波的通信干擾。3.2.5人體紅外感應傳感器模塊本次設計選的人體紅外感應傳感器是hc-sr501。其要完成車間機組在有無人狀態下對區域照明亮度的調節達到人眼部最舒適的亮度，實現節約能耗的目標。該傳感器的紅外感應模塊使用的是德國幾口的探頭lhi778.該探頭的靈敏度很高，在低電壓模式下也能維持正常工作，所以符合本次設計的要求。圖3-1所示的是該傳感器部門功能描述。本次設計將該模塊和光照模塊焊接在一塊模板中，提高了實驗的測試效率。要想增加傳感器的感應距離只需順時針調節和電位器之間的距離即可，要想增加傳感器的感應時間只需順時針調節延時電位器即可。3.3車間照明控制系統實物制作3.3.1元器件的檢查首先核對各元器件的型號和數量，其次檢查主要元件的參數設定是否符合標準，最后檢查主要元件和pcb板封裝是否一致，是否能夠滿足本次設計的要求。其他元器件各項參數型號對照附錄一一進行核對。3.3.2焊接各元器件的焊接遵循從低到高的原則依次焊接，各焊點要盡量保持整齊平滑，尤其在焊接c8t6芯片時速度一定要快手一定要穩，否則會損壞芯片，芯片的性能也會受到影響。圖3-7車間照明控制系統模塊實物圖4車間照明控制系統軟件設計4.1照明控制系統軟件需求分析4.1.1照明系統軟件設計目標根據通信方式和通信協議來設計照明系統的軟件，確保系統軟件的靈活性，系統軟件可以自由添加和刪除led終端的節點，zigbee網絡的延展性能要更強。（1）嚴格按照zigbee協議棧z-stack協議來設計led的終端節點，盡可能的縮短無線傳輸的時間，確保任務中斷時的優先級。（2）嚴格按照802.11協議和zigbee協議棧z-stack協議來設計協調器節點，要確保每一節點都有足夠傳輸數據的能力。（3）軟件網絡系統具有靈活性。用戶可以自由添加刪除LED終端節點的設置，新增節點可與網絡快速連接進行數據采集傳輸和控制照明設備等工作。（4）軟件系統設計標準化，具備擴展性。Led終端節點可以連接不同廠家生產的各類型傳感器，所以在終端節點處一定要保留足夠的終端接口，以方面為了增添新的功能，方面其他功能模塊能快速融入軟件系統中，確保軟件系統具有擴展性。預留端口的設置是廠家生產時統一設定好的，所以在設計軟件系統中可以實現標準化設計。4.1.2照明系統軟件核心需求說明本系統中的軟件部分要完成以下工作，主要包括精細畫管理各終端節點收集的數據信息，采集傳輸周圍環境信息，自動調節照明亮度等。（1）Zigbee節點在出廠時就會按照64位全球唯一標識的物理地址進行標記，當該節點用作協調器時，需要重新創建一個節點網絡并獲得新的網絡理智0x0000.當該節點用作終端或路由器時，zigbee網絡會先給它提供一個16位的網絡地址，輸入地址就可連入該網絡。在zigbee網絡中，每一個網絡地址分別對應一個物理地址，來分辨對應的設備，使用這種地址相互對應的方式系統就能準確快速的識別出每個節點對應控制的設備是什么。（2）Led周圍環境信息采集節點利用傳感器實現對周圍環境信息比如光照強度和溫濕度等信息的收集和傳輸。（3）根據廠區內自然光照亮度和廠區有無人情況下實現對LED等亮度的智能化調節，并劃分為若干個亮度等級。例如在車間內，可以按照規定LED燈亮度等級來調節廠區內的照明亮度。當廠區內主要照明區域沒有工作人員時，LED燈的亮度設置應該調節為30%，當人體紅外感應器感應到工作人員時，led燈的亮度會調節為100%，鄰近的LED燈亮度應該調節為70%，如果近鄰led燈亮度已經是100%時就不需要再調回70%，表4-1在不同情況下燈光亮度的設置有人無人最近燈臨近燈燈亮度100%70%30%（4）照明設備管理者可手動完成在特殊情況下對led燈亮度的調節，可以自行設定任意led燈的亮度等級，進行手動設置時，LED燈的控制節點以收到的實際指令進行調節，當轉為自動調節時，LED燈的控制節點根據各傳感器采集傳輸的信息來決定LED燈的亮度等級。（5）LED終端節點可以根據不同的環境需求進行組合調節，讓控制節點的調節性能具備一定的靈活性，不同的終端節點組合到一起可以實現不同區域內LED燈的組合式照明，這種方式可以實現區域化照明和網格化照明。4.2通信模塊設計4.2.1上下位機通信的實現上下位機的信息傳遞方式可以采用接口或者串口的方式。在網絡連通的狀態下，在系統中可以使用CJ2M-CPU31單元的方式連接網絡。根據上位機能夠獲取到IP的方式和單元接口IP之間進行數據傳輸，基于PLC中可以采用下發FINS指令進行通信。FINS指令主要的作用是在網絡分配IP的情況下完成端口數據的交換，也可適用與系統操作，同時FINS指令可以將不在同一網絡下的CPU模塊進行連接。FINS指令和網絡之間連接方式如下圖4-1所展示。圖4-1使用FINS指令通訊的網絡連接示意圖（1）FINS指令架構FINS指令架構格式主要有架構格式和應答指令的架構格式。FINS指令發出的指令中攜帶協議頭、控制命令或者應答命令。使用的設備在支持FINS指令時，控制指令和應答指令都會有數據交互。FINS指令發出的控制指令或者應答指令都有對應的代表意義，通過傳輸不同的字段代表不同的功能實現，控制信息命令包含命令頭和存儲命令參數信息。FINS控制指令的格式區分三個部分和13個字段。三個部分分別是FINS頭數據、FINS命令控制、FINS元素數據。FINS頭數據是由ICF信息控制，其中在接收到信息時其中一個字段為二進制，第8位的數值一般都為1，第7位反饋出收到的命令是控制命令或者應答命令，其中“0”代表控制，“1”代表應答，第2位一直到第6位都是0，第1位代表是否需要返回，當數值為“0”時代表需要返回應答數據，當數值為“1”時代表不需要返回應答數據；RSV的數據一般為0x00；GCT的數據一般為0x02；DNA地址一般在0x00到0x7F范圍內變化；DA1的地址在DNA范圍中選擇；DA2地址一般在0x00、0x10到0x1F、0xE1、0xFE范圍內變化；SNA地址一般在0x00到0x7F范圍內變化；SA1地址一般在0x00到0xFF范圍內變化；SA2地址一般在0x00、0x10到0x1F、0xE1、0xFE范圍內變化。FINS命令發出后由MRC和SRC獲取后改變格式在執行操作。FINS元素數據和MRC和SRC的自帶功能有一定的關系，同時需要處于接收到的數據。FINS指令應答信息反饋方式：FINS應答指令和信息發布都是由FINS源發出信息，然后通過FINS進行控制。應答指令主要是由MRES與SRES給出應答數據，DATA對應答數據執行返回操作。通過不同型號的設備信息，反饋的應答數據給出的格式也會不同，只需要保證正確返回應答信息即可。FINS的應答命令格式如表4-2所展示。表4-2FINS的應答命令格式區域節點意義FINS頭10與FINS控制命令一致命令2與FINS控制命令一致MRES1主應答碼SRES1副應答碼數據區1應答信息（2）FINS的傳輸模式端口獲取網絡IP的方式一般是UDP或者TCP，這種模式簡稱為FINS/UDP或者FINS/TCP模式。一般情況下波特率選擇為9600bps。波特率也可以根據PLC單元或者上位機進行適配。如圖4-2所展示為每一個IP所獲得的示意圖。圖4-2網絡中各種地址的分布層示意圖在PLC和上位機進行通信過程中，上位機通過系統先發送FINS命令給到PLC，上位機發出的命令格式需要適配PLC所需要的格式，PLC在接收到符合要求的信息時會傳遞數據返回到上位機系統。FINS/UDP模式也可以采用UDP/IP的方式進行網絡通信。UDP/IP協議連接過程便可以實現數據傳輸，數據傳輸的前提是端口兩端屬于平級關系，兩個節點之間數據能夠互相傳輸，在端口等級不同的情況下數據無法交互。FINS/UDP模式應用較為廣泛，主要是因為數據傳輸快、發送數據較為廣泛、安全性較高。FINS/UDP對其他層次結構傳輸數據時，系統的安全性將會降低。FINS/TCP模式也是屬于FINS通信模式，都需要在TCP/IP協議下完成，TCP/IP協議主要的作用是用于傳輸數據，傳輸的過程必須保持網絡通暢，能夠ping的情況下才能進行傳輸數據。雖然UDP對于數據處理的速度非?？欤窃跀祿鬏敺矫孢€是TCP使用較為廣泛。因此，本系統中采用FINS/TCP，在上位機和PLC進行組裝，構建服務器模式。系統能夠簡單識別FINS指令的格式，在使用的過程中FINS/TCP還需要對FINS/TCP的格式頭數據進行處理，如下表4-3所展示。表4-3FINS/TCP數據頭功能介紹字節意義數據頭46494E534代表FINS指令發出長度4獲取命令碼數據長度命令碼4視具體情況設定錯誤碼4視具體情況設定FINS頭數據中包含ICF，本系統在使用過程中命令都是由系統發出，并且需要收到返回消息，所以，ICF為10000000B，即0x80，RSV和GCT也是由系統控制，分別為00、02。系統的操作端設置在本地，所以DNA的數值為00，PLC的節點為01，因此便可以得到DA1為01，由于PLC使用主要針對其他設備，所以DA2為00，根據以上結論可得知，系統在本地使用過程時，SNA的數值為00，可得到上位機的節點為03，因此SA1數值為03，SA2數值為00，SID數值為00，根據系統的對于的不同功能，MRC和SRC的數值選擇也會不同，本系統的PLC數據主要存儲在DM區中，系統采用的PLC型號只能使用節點表現，I/O存儲區域的編碼主要以字為單位，因此得到的命令為0x82，在操作該系統時需要注意地址的獲取和內容。例如：46494E53（FINS）0000001C（數據長度28）00000002（命令代碼）00000000（錯誤代碼）8000020001000003000001028200000000011234，獲取的地址中0102的意思是寫入命令，將命令發送到PLC的存儲區域中——DM0001。FINS/TCP是否處于網絡通路下，需要查看N+24通道中是否產生TCP的連接標識，N代表1500+25*U，U為單元，系統中CPU的單元數值為1，所以可得到CIO區域的1549通道在使用過程中產生16位數值，其中1位發生變化，這個就是TCP協議的標識。4.2.2下位機與其他設備通信的實現下位機和燈具之間需要使用RS485串口連接，兩者之間通過交互協議完成ModeBus-RTU模式。協議部分的數據接收和分析采用CX-Protocol軟件，CX-Protocol軟件主要作用是對接收到的命令幀發送至通信板或者通信單元，PMCR接收到指令后會對比提前設定好的數值，在和對應數值一致時按照數值的功能操作。協議宏通信功能是用來控制PLC與第三方設備進行數據交換的另一種通信方式。對于數據串很長的回送響應，也可以在協議宏中添加交量數據頭、尾、校驗等數據，可以通過交量數據進行區分，只將儀表的當前數值(溫度、壓力等)編碼并寫入到PLC指定的內存中，PLC在處理儀表當前數值時，只需要通讀取自身的奇存器就可以完成。報頭承載著數據傳輸的重要的屬性、方向性的作用。報頭規定了傳輸需要的網絡IP協議、通信流的類型、有效承載長度，跳數限制，包含了源地址和目標地址的信息。沒有報頭的數據，或者殘缺信息的報頭數據，都不能傳輸或者完整的進行數據傳輸。報頭長度是報頭數據的長度，以4字節表示，也就是以32字節為單位。報頭長度是可變的。必需的字段使用20字節（報頭長度為5，IP選項字段最多有40個附加字節（報頭長度為15）。該字端使數據報的接收方只需要檢驗IP報頭中的錯誤，而不校驗數據區的內容或報文。校驗和由報頭中的數值計算而得，報頭校驗和假設為0，以太網幀和TCP報文段以及UDP數據報中的可選項都需要進行報文檢錯。本系統中使用CRC-16校驗，即根據接收到的數據長度經過分析過后得到2個字節的校驗碼數據。每一個環節都會有對應的結構模式，如下圖4-3所展示。圖4-3協議宏序列執行過程4.3Led節點軟件設計LED燈節點的功能隨著周圍場景的變化而變化，在人通過時產生PWM信號，從而控制LED燈的亮度和開關。4.3.1產生PWM驅動電機的轉速可以通過PWM控制，以此達到控制LED燈的亮度和開關，本系統中可以使用PWM的方式間接控制LED燈，還可以根據接收到的信號不同調節LED燈的亮度變化。使用PWM控制器的操作過程如下：（1）LED燈可使用STM32F103C8T6芯片，根據相關資料可得知，控制器一般使用PB5的功能完成定時3CH1的功能，通過配置端口進行輸出數據。（2）定時器3可使用TIM3_PWM_Init(u16arr，u16psc)，其中arr的數值代表接收到下一個指令之前的間隔時間，psc代表TIM3時鐘頻率的數值。有關定時器代碼如下圖4-4所展示。圖4-4配置定時器3主要代碼（3）PWM的內存數據占比可以通過TIM_SetCompare2(TIM3，led0pwmval)設定，當led0pwmval的值變大時，PWM的占比數值也會越大，同時也會決定LED亮度。以上操作步驟屬于一般使用PWM的方式，LED的變化具有多樣性，但是都離不開LED節點的設置，所以LED燈的控制可以理解為控制LED燈的節點即可，通過設置節點可以完成任何矩陣或者任何想要的形狀。（1）在連接方式上LED的每一個燈的負極都相互連接，以此方式命名分辨，Rank1、Rank2、Rank3和Rank4；依照這樣的方式，LED的正極和負極一樣的接法命名為Row1、Row2、Row3和Row4。原理如下圖4-5所展示。圖4-5LED陣列連接圖（2）使通過設定TIM3的定時數值為TIM3_Int_Init(71，5)，定時器1us的數值設置為20。（3）Rank1、Rank2、Rank3和Rank4需要對應接入PA1~PA4，反正，Row1、Row2、Row3和Row4需要對應接入PB1~PB4。（4）操作過程中TIM3的IRQHandler(void)可以隨時重新賦值。pwm_flage的存儲過程可以設置在發生45次斷開連接后重新歸零計算。PWM占空比的預設值為rank，TIM3在每一次斷開連接后都會和rank的數值發生一次對比，當pwm_flage<=rank時，PB1~PB4的數值將會提高，相反，PB1~PB4的數值將會降低。根據這一方式完成PWM的工作過程，只需要改變rank的數值可以可實現PWM的占空比。4.3.2調解LED燈亮度一般情況下LED燈都會有兩種工作模式：自動模式和手動模式，自動模式是指在提前設置好數值后，不會在去人為操作，根據現場環境判斷是否需要調節LED燈亮度；手動模式是指人為在系統中操作LED燈的亮度。（1）系統處于手動模式時，LED燈亮度變化也是通過調節節點的變化實現，不同的是燈變化的指令來源于人工，人在控制端發出命令，每一個節點在收到命令后給出回應。在LED燈接收到指令后，會判斷指令屬于哪一種模式，當前節點的模式，燈在關閉狀態下收到消息會首先判斷PWM控制的狀態，然后在實現調整亮度的操作。手動模式的流程如下如4-6所展示。圖4-6手動模式的程序流程圖（2）自動模式系統處于手動模式時，LED燈亮度變化通過系統對現場環境進行調節。系統端發出命令，每一個節點在收到命令后給出回應。在LED燈接收到指令后，會判斷當前節點的數值，當數值小于系統設定的數值后，LED燈會減少燈光的亮度，此時也會減少對應的PWM信號占空比，相反，增加燈光的亮度，此時也會增加對應的PWM信號占空比。自動模式的流程如下如4-7所展示。圖4-7自動模式下的程序流程圖5車間照明控制系統調試與結果5.1照明控制系統硬件電路檢測上位機端的網絡接口需要與PLC的網絡接口連接，PLC由電源模塊、CPU、通信端口組成。PLC的電源電壓可使用220V的交流電，通信端口可以統一設置為485，PLC和其他的網絡連接可通過網口接入網線。圖5-1PLC控制系統運行過程中的實物圖系統在運行之前需要檢查電路是否有短路情況，檢查電流可以使用萬用表檢測比較簡單方面，可能出現在端口在焊接過程中虛焊的情況，這種情況電路也會不通。主要檢測的部位是：（1）電源插頭是否牢固；（2）電壓是否滿足系統需求；（3）I/O引腳是否短路。通過以上三部分檢測后方可通電后再次檢測。通電后需要檢測每一個參數點的設置數值是否合理，同時需查看電壓在降低的情況下其他電源接口是否正常工作。5.2光照強度傳感器數據測試IIC通信工作過程還需要MCU設計和光傳感器模塊，其中MCU設計需要通信時采用I2C。通信網口之間需要完成數據交互，此時的端口必須選擇支持輸出端口（SDA）和輸出端口（SCL）。選擇這種交互后可以不在連接外設STM32IIC。光傳感器模塊的通信過程會產生數據，時鐘頻率也是根據數據的變化而變化。PB10端口的主要作用是輸出端口（SCL），PB11端口的主要作用是輸入端口（SDA），沒有信號輸入時如圖5-2所