1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于网络控制的分布式光敏调光系统设计与实现 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 本课题以工业以太网和 LabMap 软总线为运行平台，采用现场总线系统组建现场控制网络，布设光敏调光开关 硬件系统，实现现场网络与远程控制终端的网络互联。配置和运行 LabMap 平台，并进行开关量数据读取。利用 C#编程语言开发应用软件，进行远程分布式光敏调光，并根据采集光亮度进行相关智能操作，如当检测到自然光线很暗时能自动打开灯光。 文中主要分为六个部分进行阐述：第一章介绍了照明控制的现状及光源控制的实现，并明确本课
2、题的研究内容；第二章介绍了系统的设计方案，包括光敏调光原理，工业以太网技术， LabMap 软总线；第三章介绍了系统的实现， Wago 控制系统的搭建， C#编程语言界面的开发，实现光源控制的具体操作和实现 ，并介绍了主要功能实现的代码；第四章重点描述系统的实现，包括平台搭建，软总线平台 LabMap 的配置及应用测试；第五章列举了在课题设计、研究过程中遇到的一系列问题及其解决方法；最后是对本系统的总结及展望。 关键词： 光源控制； LabMap 软总线；分布式网络控制 - 2 - Abstract This topic is mainly depending on industry Ethe
3、rnet and LabMap software platform, adopting field-bus Control System to build control system to implement of network, installing the photosensitive dimmer switch hardware to achieve end-site network and Internet connectivity remote control. Configure and running LabMap platform to read the switch di
4、gital data, using C# programming language software applications to remote distributed photosensitive dimmer, and gathering brightness to operate related intelligence. When natural light is detected dark the lights will be lighted automatically. This article shows as six parts. The first chapter desc
5、ribes the status of lighting controls and lighting control to achieve, and clearly the research topic. The second chapter describes the system design, including the principle of photosensitive dimmer, industry Ethernet and LabMap soft bus. The third chapter presents the systems realization. It inclu
6、des industrial Ethernet technology, soft bus LabMap, Wago control system, the specific operation of realizing the light control and the use of this system. In addition, it uses C# programming language to explain the system. The fourth chapter mainly describes the systems settings. It contains the pl
7、atforms construction, the LabMaps configuration and application testing. The fifth chapter enumerates some problems and solutions in the researching process. The last section summarizes the whole system and some prospects for it. Key words: Light Control; LabMap; Network Control - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.
8、1 照明控制的现状 .1 1.2 课题研究内容 .1 2 基于工业网络的光源控制系统 .2 2.1 物理 级硬件设备 及其原理 .3 2.2 工业以太网及现场总线技术 .4 2.3 网络级：基于工业控制软总线 LABMAP的分布式平台 .7 3 基于网络控制的光源控制系统的实现 .10 3.1 系统硬件的实 现 .10 3.2 系统软件的实现 . 11 3.3 高层光源控制程序的设计与实现 .12 4 系统测试 .14 4.1 搭建系统平台 .14 4.2 软总线平台 LABMAP的配置 .15 4.3 功能 测试 .17 5 难点及解决 .20 6 总结 .22 致 谢 . 错误 !未定义书
9、签。 参考文献 .23 附录 1 部分程序代码 .24 附录 2 毕业设计作品说明书 .28 - 1 - 1 引言 随着电子信息技术的发展 ， 一些简单的手动开关 式的照明系统已经不能满足人们日益增长的物质文化水平了。随之产生了一系列智能照明系统，不仅 能为人们的工作、学习、生活提供良好的视觉条件，而且能够符合人们的需求，带给人们方便，满足人们的心理和生理需求 1。 当今这个提倡节能环保的时代，给这种基于网络控制的光敏调光系统的发展提供了良好的条件 。 不仅可以满足现代建筑中的照明需求，提升照明 的环境品质，还可以充分利用智能控制节约能源，使建筑物更加节能、环保 2。 1.1 照明控制的现状
10、目前在人们的生活工作中，一般使用的照明系统都是要通过开关，手动的进行开关的，这种方 式也是最传统的方式，通过电路的链接，让开关来控制灯开启和关闭。这种传统方式相对而言，比较麻烦。因而这里介绍一种通过光源控制的智能照明系统。 1.2 课题研究内容 在科技发展的同时，人们对生活品质也有了更高的追求。传统意义上的照明系统已逐渐被新型的照明系统所替代。这里介绍一种光源控制的照明系统。它是通过对光敏电阻阻值的设定来实现的，如光变暗，光敏电阻数值变大，当暗度到达一定程度时，小灯自动点亮或闭关。这种简单的调控，即是现在照明系统的发展方向。 本课题主要研究 工业网络控制技术和基于工业网络的应用系统开发，了解光
11、敏电阻工作原理、使用方法。 采用现场总线系统组建现场控制网络，布设光敏调光开关硬件系统，实现现场网络与远程控制终端的网络互联。配置和运行软总线平台，并进行开关量数据读取。开发应用软件，进行远程分布式光敏调光，并根据采集光亮度进行相关智能操作，如当检测到自然光线很暗时能自动打开灯光。开发光敏调光系统的多样功能，拓展其应用领域。 - 2 - 2 基于工业网络的光源控制系统 采用 Labmap 的软总线搭建基于网络控制的光敏调光系统，在双向通信中管理者进行实时数据采集及系统参数配置，图 2-1 为其结构框架图。 图 2-1 基于网络控制的分布式光敏调光系统 在基于网路控制的分布式光敏调光系统中，通过
12、软硬件结合的方式，在 PC机上配置分布式光敏调光软件，通过 LabMap 软总线平台在网络控制下，分别控制各个光敏调光子系统。其中，光敏调光子系统为其硬件系统，是由 WAGO I/O现场总线系统和光敏调光硬件系统组成的，其通过 TCP/IP 对硬件 WAGO 现场总线及光敏调光灯进行控制，使其实现光源控制的结果。 多个光敏调光子系统，通过互联网络互联起来，所有组成单元上都运行软总线单元，这些软总线单 元基于互联网络通信构成整个统一的软总线平台。光敏电阻测试周围环境的亮度，并将其传输给 WAGO I/O 现场总线。在网络的控制下，将该信号传送给软总线平台，软总线平台再将该数据传送给 PC 机，与
13、光源控制软件中的阈值进行比较，若该值大于阈值，则光源控制软件发出信号给软总线平台，通过网络控制将信号传输给 WAGO I/O 现场总线系统，继而光敏调光灯接收信号点亮。同理，当检测到的数值比阈值小的话，光敏调光灯不亮。由下面具体介绍各层的原理及其应用。 分布式光敏调光软件 Labmap 软总线平台 光敏调光子系统 1 光敏调光子系统 2 光敏调光子系统 3 光敏调光子系统 4 - 3 - 2.1 物理级硬件设备及其原理 2.1.1 光敏电阻 光敏电阻器又叫光感电阻 ，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 。 入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用
14、于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）3 4。光敏电阻的材料包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等 5。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器 、 红外光敏电阻器 、可 光光敏电阻器 。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带 ，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子 空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子 空穴对将逐渐复合，
15、光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 2.1.2 光敏调光原理 调光控制器可以通过光元件（如光敏电阻）感知亮度，通过对设定值的比较，来决定灯的开关，如可根据外界的自然光的亮度值，当到达一定程度时，灯泡自动开关，不仅节约了不必要的能源浪费，还可以帮助使用者节省不必要的麻烦。 图 2-2 光控调光电路 - 4 - 图 2-2 是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻 RG 的阻值增加，使加在电容 C 上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则 RG 的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗
16、，从而实现对灯光照度的控制。 2.2 工业以太网及现场总线技术 2.2.1 工业控制网络技术 工业控制系统的结构从最初的 CCS（计算机集中控制系统），到第二代的 DCS（分散控制系统），发展到现在流行 的 FCS（现场总线控制系统），并进一步提出了基于工业以太网和直接面向 Internet 的智能工业控制系统的发展方向。 目前工业控制网络技术主要包括现场总线技术和工业以太网技术。 工业以太网 是 针对高质量高复杂性的过程控制，提供强有力的单层网络，它是专门为工业过程控制的要求而开发的通信技术，可以通过 TCP/IP 协议直接和 Internet 实现网络互联。 现场总线是应用在生产现场，实现
17、微机化测量控制设备之间双向、串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。如智能照明系统中，在各楼层房间安装的 不同的灯，通过现场总线技术作为底层网络，再通过计算机网络控制来实现智能化。 现场总线技术提供了访问现场设备的统一接口，简化了对同类型现场设备的控制，对单一生产线的控制系统建设起到了革命性的作用。工业以太网提供了更好的开放性、一致性和易于使用性。这两种技术的融合必然成为自动化控制领域的发展趋势和热点。 2.2.2 工业以太网技术 工业以太网是基于 IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。 随着交换网络通信技术的产生和发展，工业以太网
18、技术正在快速地进入工业应用场合。其目前最主要的应用是作为系 统级总线（例如控制器与控制器之间 ,或与操作员站、工程师站之间的通信总线；数据通信量大，实时确定性要求不高），这- 5 - 由这一层的通信总线所需的特性所决定。 以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来 ,随着网络技术的发展 ,以太网进入了控制领域 ,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展 ,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显： （一） Ethern
19、et 是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。 （二）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。 （三）软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。 （四）通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为 10M、 100M 的快速以太网开始广泛应用，千兆以 太网技术也逐渐成熟，10G 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。 （五）可持
20、续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。 工业以太网技术的普遍使用离不开计算机网络传输速度和抗干扰能力的增长 6， 嵌入式以太网是最近网络应用热点，就是通过 Internet 使所有连接网络的设备彼此互通，从计算机、 PDA、通信设备到仪器仪表、家用电器等。在企业内部，可以利用企 业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过 Web 浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。实现的最简单办法就是采用独立的
21、以太网控制器，连接具有 TCP/IP 界面的控制主机以及具有 RS-232 或 RS-485 接口的现场设备。以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和现场各类设备之间的一个桥梁 7。 - 6 - 2.2.3 现场总线技术 现场总线技术（ FieldBus）， 是一种 工业数据总线 ， 按照国际电工委员会IEC SC65C 的定义，是指安装在 生产 区域的现场装置之间、以及现场装置与控制 室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线 ， 也被称为现场底层设备控制网络 8。 现场总线是应用在生产现场，实现微机化测量控制设备之间双向、串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点
22、通信的底层控制网络 9。如智能照明系统中，在各楼层房间安装的不同的灯，通过现场总线技术作为底层网络，再通过计算机网络控制来实现智能化。上世纪 90 年代出现的照明控制系统均基于现场总线 (FCK)技术，使照明控制延伸到末端设备。目前，封闭协议有 C -Bus 和 Dynet；开放协议有 EIB、 DALI、 X-10、 HBS10。 现场总线在技术上主要具有以下特点： （ 1）系统的开放性 开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大
23、小随意的系统。 （ 2）互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 （ 3）现场设备的智能化与功能自 治性 现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 （ 4）系统结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
