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      智能商業照明控制系統發展歷程及應用
        發布時間:2022-08-02 14:20:32   發布人: (人氣: )
      如今的光源和照明技術已不僅是新技術的簡單應用,技術進步使我們能最大限度地發揮我們的視覺功能,先進可靠的照明控制技術也正為這種視覺功能提供令人驚詫的控制手段。

             如今的光源和照明技術已不僅是新技術的簡單應用,技術進步使我們能最大限度地發揮我們的視覺功能,先進可靠的照明控制技術也正為這種視覺功能提供令人驚詫的控制手段。在這個新時代,人工照明已發展成為一個獨立的行業,而照明控制系統的地位也越來越得到足夠的重視。

              商業綜合體項目的成熟和普及,給電氣照明控制系統的應用提供了豐富多彩的舞臺和案例。不僅有照明設計師天馬行空的天才想象力,精準智慧的照明控制系統也是功不可沒。本文所要闡述的,正是這樣一項曾長期被人忽視的系統的發展沿革和技術特征。

      一、傳統的照明控制方式

      傳統的照明控制方式通常有以下幾種:

      1. 直接開關控制

      (1)安裝在現場的翹板式、拉線式、觸摸式、感應式或者其它操作形式的開關,進行就地分散或集中控制;

      ① 單點控制:最常用的控制方式,由一個開關控制一支或一組燈具電源的通斷;

      ② 多點控制:由設于不同地點的兩支或兩支以上的開關共同控制一支或一組燈具電源的通斷,常用于樓梯間、走廊等區域;

      圖1 直接開關控制中的單點控制和多點控制

      (2)配電箱中的微型斷路器直接做為控制照明開關,按配電支路控制現場或某特定區域的照明;

      直接開關控制方式的主要優點是成本低、維護方便,缺點是需要人工開啟關閉,如使用人責任心不強,易造成電能的浪費。

      2. 間接開關控制

              通過在照明回路中引入接觸器等控制器件(線路示意如圖2所示),達到照明控制的功能。其主要應用在下列場合:

      (1) 由于現場安裝的燈開關容量無法控制大容量照明燈具或整組燈具時,在現場安裝控制按鈕,通過控制接觸器的通斷來控制;

      (2) 設有燈光控制臺、控制柜等設備的大型照明控制系統;

      (3) 用于遠程控制的場所,比如停車場、廣場、庭院照明等;

      (4) 用于特殊用途的照明,如應急照明等;

      圖2 間接開關控制線路(上圖用于普通照明,下圖用于應急照明)

      3. 傳統的調光控制

              在夜景照明控制系統中,還有一類對照明效果的變化進行控制的方式,即采用調光裝置。調光控制方式可豐富照明效果,但傳統的調光裝置成本高、效率低、體積大、操作也不方便。固除了極特殊的場所,應用并不廣泛。

      4. 初步的自動控制

      (1) 光控:由光電轉換感應器、中間繼電器、時間繼電器、接觸器等組成。主要應用于路燈控制,也常用于夜景照明,其設定值通常只能手動調整。

      (2) 聲控:主要是功能性應用,在夜景照明中只作為動態效果的應用。

      在夜景照明、庭院、樓梯間以及非消防疏散用走道等某些有特殊照明控制要求的應用場所,引入光控、聲控方式,實現初步的自動控制。這類自動控制只是初級的、局部的應用。

      5. 改良的自動控制

              由光傳感器及其它傳感器、數模轉換、中央處理器、電動執行器等組成的較為完整的自控系統,除完成上述系統的功能外,還可通過編程,設定長期的運行狀態控制,如晚間模式與午夜模式等。

      對一個夜景照明控制系統而言,可按照普通模式、雙休日模式、節假日模式、重大慶典模式等預先分類來進行分區、分時的設定。在啟動時按環境亮度啟動,兼顧冬、夏季不同的系統運行時間。這種控制系統的設計已具備了BA系統的特征。 但這種系統運行依賴于中央處理器,設定值調整較為復雜,操作維護工作對人員要求較高。

      6. 傳統照明控制方式的局限

      如圖3所示,傳統的照明控制方式有以下幾點局限:

      (1) 控制功能簡單,一般只有開關功能。若要實現遙控與集中控制,系統布線會變得較為復雜,可靠性較差;

      (2) 大多依賴人工操作,特別在控制大區域、大空間的照明時操作煩瑣,失誤、遺漏難以避免;

      (3) 用于非專業場合的調光裝置及相應控制裝置一般單獨設置,影響其效能的發揮。若要實現場景設置、亮度連續調節等復雜功能難度較大;

      (4) 在改良的間接開關控制方式中,如中央處理器出現故障,受它影響,照明控制系統也會隨即癱瘓。

      (5) 施工布線工作量很大。龐大的線纜數量不利于維護、改造。

      圖3 傳統的照明控制技術

      二、智能化的照明控制

      1、 引言

              長期以來,智能照明控制裝置一直受到忽視,絕大多數樓宇仍然沿用傳統的照明控制方式。就當代照明控制裝置而言,面臨著許多新的要求:

      (1) 不再是簡單的實現區域照明和定時照明開關功能。隨著人們對生活質量要求的提高,照明控制裝置還要能提供控制光源的發光時間、亮度來配合不同應用場合和氛圍,提供相應的燈光場景,即適宜的光環境,以及管理的智能化和操作的簡單化等功能,便于使用。

      圖4 BA系統中的控制總線和現場總線

      (2) 現代建筑電氣的安裝要求不斷提高,需要的導線數量愈來愈多。這不僅增加了火災的危險和設計的工作量,還會給日后的檢修、維護以及改裝工作帶來諸多不便與困難。因此,簡化系統布線的工作勢在必行。

      (3) 推廣“綠色照明”,為當代照明設計提供了新的評價標準。設計先進合理的照明控制方式是照明工程設計中的重要內容之一,是在保證視覺條件、滿足視覺需求的條件下,減少光源點亮時間、合理節能以及提高照明質量的重要手段。

              為了克服傳統照明控制方式的固有缺點,達到設計簡單、使用靈活、功能完善、節約能源、潛力巨大的要求,國外各廠商紛紛推出智能化的照明控制裝置--面向事件的控制總線系統。

      2、名詞

            (1)現場總線(Fieldbus):一種“全數字化、雙向、多變量、多點多線的通訊系統” 。它應用信息技術,微處理器技術及網絡技術,實現傳感器、控制器和執行器之間的數字連網,是通訊協議在現場控制系統中的應用。目前常見的現場總線有LonWorks、BACnet、Profibus等等。

            (2)控制總線(Controlbus):在BA系統的三層控制結構中,控制總線屬于自動化層,是連接中央站和各分站的樞紐、橋梁(詳圖4)。它要保證中央站與分站間數據傳輸的一致性,提高系統的可靠性、實時性和準確性??刂瓶偩€可直接連接中央站服務器,實時訪問數據庫。它的控制層次高于現場總線。常見的控制總線有Modbus等。

            (3)面向事件:在現場總線技術中被稱為“網絡變量” ,使網絡通信的設計簡化為參數設置。這樣,不但節省了大量的設計工作量,同時增加了通信的可靠性。在控制總線系統中主要指滿足某種或某類特定的功能要求。

      3、新特性

      (1) 控制總線技術:

              控制總線是在80年代,伴隨著集散控制BA系統的推出而出現。與90年代形成的現場總線技術不同,現場總線技術主要面向被控設備現場,更強調工作的獨立性和配置的靈活性。在當代的智能照明控制系統中,為了便于同上位機連接、保證系統的可維護性和可操作性,大多采用成熟可靠的控制總線做為系統總線。表1是目前國內市場常見的三種主要用于照明控制的面向事件的控制總線系統(以下簡稱控制總線系統)各特性的比較,供廣大設計師參考。

              由于智能建筑控制系統的技術發展很快,網絡的開放性、互操作性和可通過不同通信介質、不同網絡結構實現大容量節點的控制是當前網絡控制系統的發展趨勢。伴隨著新世紀因特網時代的到來,BA系統形成現場層-自動化層-管理層三層結構,分別對應著Infranet-Intranet-Internet/控制網-企業網-因特網三重網絡。新一代控制總線系統將更強調同各類、各層網絡的無縫集成,除便于由上位機通過網絡對控制總線系統進行運行、操作和維護,更能使控制總線系統直接進入上位機的數據庫系統,將管理功能和控制功能整合,以適應超高速的信息時代要求。

      有的控制總線系統為了便于推廣,特意將自己的系統通信協議做成開放式的,并成立專業協會負責組織、認證。

      (2)調光器的引入:

      圖5 前沿相控方式(上);后沿相控方式(中);觸發脈沖(下)

              將原本獨立的光控制裝置納入控制總線系統,不僅是為系統本身提供一個有用的功能,更為傳統的照明控制方式帶來翻天覆地的改變。在系統總線支持下,并同其它傳感器件和控制器件配合,它可提供如下功能:

      ① 隨時間、日照的變化,或預先的編程,動態的控制照度、提供人們所希望的光環境;

      ② 盡可能減小無謂的光通,實現良好的節能效果;

      ③ 通過調光器固有的軟啟動/軟關斷的功能,能保護并延長光源的壽命,取得經濟回報;可與專業燈光控制裝置或其它照明控制系統以及其它BA系統配合使用,實現系統集成;

              因此,各種調光技術愈來愈受到燈光設計師的青睞,它們的使用范圍也從劇院舞臺,擴大到各類建筑領域,進入千家萬戶。傳統調光器采用串聯電阻或自耦變壓器等笨重的設備,后來的調光器大多采用半導體器件對交流市電進行前沿相控觸發方式(適用于阻性和感性負載)和后沿相控觸發方式(適用于容性負載)的調控方式。最新的產品是一種稱為“正弦波電壓變換器”(SVC)的調光器(如圖6),它等效于一臺電壓輸出有效值可改變的變壓器,輸出電壓不再造成波形崎變,基本消除高次諧波的干擾,更適用于氣體放電光源的調光。隨著對照明控制裝置要求的提高,性能更好的調光器件一定會不斷涌現。

      圖6 SUV調光器原理框圖

              調光器的應用對推廣綠色照明工程有重大意義。在此領域,國外的設計界早已提出了自己的標準。如美國環境維護所(EPA)早在1990年就召集2000余照明設備生產廠家簽署并推廣綠色照明計劃;英國也規定,在整個樓宇中把白熾燈的安裝數量限制在10%以內,或白熾燈的安裝容量在每平方米12瓦以內,中國的新版《建筑照明設計標準》甚至規定了更嚴苛的要求。這場世界性的綠色照明革命使得像新型PL型熒光燈、陶瓷金屬鹵化物燈、LED燈等新型光源的應用領域越來越廣泛,而新型調光器件的使用無疑將使新型光源的光控操作更為得心應手,實現更廣范圍的照明調節控制。

      (1) 系統結構:

      ①供電與控制功能:

              控制總線系統都采用了將用電設備的交流220V電源同網絡控制總線相互分開的結構??偩€電源電壓均采用安全直流電壓。低壓供電方式無疑有利于消除使用中意外觸電的危險。詳圖7

              系統總線有的采用兩根一對雙絞線,即由一對線同時傳輸總線電源電壓和網絡信息而互不影響;有的系統采用兩對四根雙絞線,每對線分別傳輸總線電源電壓和網絡信息。這并不能說后者的系統就更費線。其實,各種控制總線系統都推薦采用五類線(四對雙絞線)做為傳輸介質,沒有用到的線對可做為備用。

              另外,系統的總線用戶都采用分布式地址化方式接入總線,便于系統的安裝調試和分步式管理。它可以使總線元件在網絡上任意分散設置,并且所有控制設備都能獨立自主的進行工作,它們之間的工作協調和響應通過網絡傳輸協議來完成。這種特性使得控制總線系統的安裝、修改、維護和擴展非常容易,是控制總線系統區別與傳統照明控制的主要特點之一。

      圖7 采用控制總線的照明控制系統 

      ② 傳輸協議:

              控制總線系統的數據傳輸都采用串行異步傳輸方式。網絡指令信號經總線傳輸給各總線用戶。其信息是對稱的疊加在一基礎小電平中。采用這種傳輸方式有以下優點:共模抑制比高;對外干擾小;暫態特性好;線路匹配阻抗低,抗外界干擾性能好;

              串行總線方式能減少傳輸線纜數量、便于施工、減少投資、提高總線信息傳輸的可靠性和效率,符合網絡技術發展的潮流。系統的傳輸協議大都遵從國際通訊協議標準,便于同其它系統互連?,F在市場上常見的用于智能照明控制系統的總線傳輸協議的具體情況參見表1。

      ④ 網絡布局:

      圖8 總線的結構方式

              常見的總線結構有線形結構、環形結構、星形結構或樹枝形結構(詳圖8)。各種控制總線系統中,有的支持的以上所有結構;有的只支持部分結構;有的只支持線形結構??偩€長度一般不少于1000米,可以通過網橋方便的進行系統擴展,每個系統都可提供一萬至數萬個總線元件的規模。網絡布局豐富,是因為其網絡傳輸協議更新、更成熟、適應力強;網絡系統規模大,是因為其網絡傳輸協議經過合理優化,數據傳輸效率高。其實,從某種意義上說,我們可以認為網絡傳輸協議制定的好壞就能決定整個控制總線系統的優劣??傮w而言,控制總線系統的系統規模和形式是由其擔負的功能所決定的,能夠滿足絕大部分控制要求。

       (2) 基本元件:

      為滿足客戶的各種需求,控制總線系統都提供了品種繁多的基本元件。按用途與結構方式可分為如下幾方面:

       ① 安裝方式:

              控制總線系統的基本元件主要分為五種安裝方式。小尺寸的元件如用于終端配電箱,可同微型斷路器并排安裝在標準導軌上(專用安裝導軌設有數據排,可將基本元件直接連通,見圖9)。這種安裝方式使得各元件在箱內的排列整齊統一,對傳統的照明配電系統設計影響較小,但輸出單元的容量不宜做得很大;另一種用于終端配電箱(柜)的安裝方式是直接安裝在配電箱(柜)底板或支架上,類似于傳統塑殼開關的安裝,這種安裝方式的元件體積較大,每路輸出容量可達3~4千瓦;符合標準86式外型或非標的嵌入式或明裝于墻壁、頂板或吊頂上的開關面板、遙控接收器、各種傳感器、接口;直接安裝于用電設備的內部或旁邊的基本元件(如某些調光器件等);最后一種方式是因產品形式特殊,需就地明裝于現場墻上。每種元件的安裝方式各有特點,設計師應根據現場具體情況和業主要求酌情選擇。

      圖9 某控制總線系統的單元安裝在標準導軌上

      基本單元電器:

              控制總線系統的基本單元電器通常包括電源裝置、網橋及各種耦合器;各種容量和路數的開關量I/O單元和調光器、場景記憶單元、各種接口、按鍵面板;紅外線遙控器、接收器、譯碼器;以及亮度/溫度/紅外/風力/雨量/位移等各種傳感器、火警/感煙報警器等等,有的控制總線系統還提供觸摸屏、手持式編程器等較特殊的單元器件。

      基本功能:

              如圖10所示,控制總線系統能提供開關量輸入輸出、遙控輸入、可提供各種傳感器閾值輸入、時間控制、預設場景記憶輸出、各種燈具調光、PC機編程控制、以及便于接收外界控制信號的干接點輸入單元等各種照明控制功能(詳表2)。此外,EIB系統還能提供多種諸如電動窗簾、空調和其它電動執行機構的輸出應用單元,進行能源、采光、保安、通訊和大廈管理。除照明控制外,這些豐富的功能還可以滿足業主的多種需求。

      圖10 基于控制總線系統的照明控制

      表2 應用控制總線系統實現照明控制的主要功能

      (3) 電磁兼容性(EMC):

              電磁兼容性指在干擾環境(若干設備處于同一區域內,每個設備皆向周圍發射電磁輻射的環境)中,一套電子設備正常運作的能力。隨著電進入人類生活的幾乎全部領域,現代建筑中各種電子設備的安裝密度越來越大。建筑中各電子設備之間,以及電子設備同周圍環境的相互影響、相互干擾也隨之加劇。因此,對于將要裝設在建筑物中的各種電子設備的電磁兼容性要求會越來越高。對于電磁兼容性的關注,也是我們在應用控制總線系統進行設計過程中,不同于傳統照明系統的區別之一。

              控制總線系統的控制部分和總線本身工作在低電壓和小電流范圍,對電磁干擾格外敏感。目前市場上的各種控制總線系統產品在設計時就采取各種措施,來滿足電磁兼容性方面的各種相關國際標準。比如說傳輸導線采用標準五類線;各基本單元設有特殊設計的屏蔽結構(采用鋁殼等)和安裝方式;系統電源設有濾波裝置;特別設計的總線連接端子;特殊的數據傳輸編碼/譯碼算法(奇偶校驗等);較低的數據傳輸速率等等。

      從已投入運行使用的系統來看,如在施工調試階段嚴格要求,控制總線系統基本上都能經受住現場環境的考驗,取得了較好的效果。

      圖11 C-BUS系統結構圖

      圖12 EIB系統結構圖

      圖13 Dynalite系統結構圖

      (4) 操作軟件:

              控制總線系統需要操作控制軟件的支持,提供對整個系統地測試、運行、診斷、維護和最終用戶的主控功能?,F在的操作軟件都是基于Windows系統,使用直觀的圖形界面,使用RS232或其它專用接口,將系統總線直接同中央站PC機相連。有的系統還可提供手持式編程器進行現場編程。此外,做為一項特色服務,通過Internet,各控制總線系統的維修中心的服務主機可直接進入客戶的操作軟件環境,進行遠程在線診斷維護。為適應因特網世紀的到來,控制總線系統的操作軟件開始逐步融合Web 功能,以網頁的工作模式,使操作軟件與Intranet/企業網成為一體化系統。從而克服原來各操作軟件的工作界面各不相同、互不通用的格局,使不同的控制總線系統的操作控制在BA系統的中央站層面上走向統一。

      圖14 悉尼城市燈光景觀控制系統簡圖

            圖14中所示是2000年奧運會悉尼城市燈光景觀控制系統圖,是照明的控制總線系統通過Modem和公共交換電話網(PSTN)遠程控制一個城市某重點區域照明系統的網絡簡況。從中我們能看到控制總線同公共電話網的構成關系。

      (5) 系統調試:

              控制總線系統的系統調試是另一項區別于傳統照明系統的項目。系統調試的內容應根據各系統安裝操作手冊的要求來完成。它通常經過以下幾步:

      ① 校線:類似于傳統照明安裝工程中的檢查工作,但過程較為復雜、煩瑣。首先應現場核查每個單元模塊的連線是否正確,因需傳輸電源,線對的極性絕對不能接反、短路。同時,還要同施工圖核對每一被控回路中負荷的種類、數量及功率并記錄,為系統編程等后續工作提供真實的第一手資料;

      ② 下載程序:使用PC機或手持編程機,通過RS232或其它專用接口,為每個單元模塊賦予物理地址、運行信息以及控制程序;

      ③ 單項功能調試:根據設計意圖和業主的具體要求,對每個單元模塊的每項功能進行反復現場測試和調整;

      ④ 統調:以先局部后全體、先基層后高層的順序,逐級逐區域的進行模擬測試,最后與BA系統主機連接統調,達到整個系統與BA系統集成統一,能夠配合工作的程度。

      三、照明控制系統的應用

              據統計,去年開業的26個萬達廣場所采用的智能照明控制系統,基本以C-BUS、EIB、Dynalite等成熟系統為主。令人可喜的是,除進口品牌外,一批本土品牌也強勢雄起,占據了相當的國內市場。這些國產品牌,不僅滿足了照明集中控制的要求,有的產品更能提供慧云接口,為最新的智能集控平臺提供有力的技術支撐。

      智能照明控制系統,主要應用于地下車庫、步行街、夜景、景觀和庭院等公共區域的照明控制,按照平時、一般節日和重大節日三種場景,預設各照明支路的通斷時間,必要時也可以直接手動控制。

       智能照明控制系統的元件選型,主要依據系統結構、功能要求并配合各區域的照明分路。設計時一般要進行以下步驟:

      ① 確定照明燈具的光源,即負荷性質;

      ② 統計、調整控制分路,計算每路負荷容量;

      ③ 選擇控制模塊合適的容量規格(調光模塊容量規格應以所帶負荷的70%~85%考慮);

      ④ 根據使用功能和考慮將來可能的改造,預留一定的回路,確定最終的回路總數;

      ⑤ 依據建筑功能分區和便于實際操作的要求,設置現場照明控制傳感器(就地手控或遙控)。

              智能照明控制系統的施工布線,應避免總線線路同接地部件形成一個大面積環線,這往往是造成電磁干擾的根本原因。因此,總線安裝時除遵守廠商提供的安裝規程外,還要注意以下幾點:

      ① 總線線路和電力線敷設時相互應盡可能靠近,避免感應電壓;

      ② 線路端頭離接地部件應留有盡可能大的間隔距離,減少耦合電容;

      ③ 同外部的避雷設備保持盡可能大的距離;

      ④ 應為總線系統加裝合適的過電壓保護電器(壓敏電阻等)。
      來源:第一LED網。

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