智能建筑中分布式照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

分布式智能照明系統(tǒng)是智能建筑系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)之一，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)[1]。智能照明系統(tǒng)提高了照明質(zhì)量，不同的場合通過設(shè)置不同的情景模式，使人們擁有舒適安逸的工作生活環(huán)境，提高了工作效率；延長了燈具的使用壽命，減少了燈具更換次數(shù)，降低了維修成本；通過調(diào)節(jié)LED燈的亮度，可以達(dá)到節(jié)能目的，更加符合現(xiàn)代綠色節(jié)能減排的理念[2]。

如今，LED在照明領(lǐng)域中廣泛使用，不同場合的需求不一樣，傳統(tǒng)的開關(guān)控制無法滿足人們對智能照明的需求，現(xiàn)已逐漸轉(zhuǎn)化到模擬控制和數(shù)字控制方式。分布式智能照明控制系統(tǒng)中，澳大利亞邦奇電子公司的Dynalite系統(tǒng)，法國施耐德電氣公司的C-BUS系統(tǒng)，瑞士ABB公司的基于EIB總線的I-BUS系統(tǒng)[3-4]，均采用有線數(shù)字方式控制，其信號穩(wěn)定、耐久、全面，價(jià)格成本低于無線方式。在居住建筑中，普遍應(yīng)用無線方式包括Zigbee，WiFi等，無線方式具有信號不穩(wěn)定、功耗大等缺點(diǎn)，且目前技術(shù)成本相對有線方式較高。由于工業(yè)建筑需要穩(wěn)定的照明系統(tǒng)，所以仍普遍采用有線方式進(jìn)行控制。

現(xiàn)代智能建筑照明控制系統(tǒng)，不僅是為了滿足人們的視覺照明，更加注重室內(nèi)環(huán)境的氛圍，營造舒適安逸的環(huán)境，因此會采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化；為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化，要求充分利用自然光，即根據(jù)季節(jié)轉(zhuǎn)變、日照時(shí)間的長短，采用合理的控制方式進(jìn)行LED調(diào)光，并在特定的時(shí)間、空間內(nèi)保持照度亮度、照度色溫，實(shí)現(xiàn)照明科學(xué)控制管理，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、環(huán)保的生活工作環(huán)境[5-7]。

在此，針對建筑智能照明系統(tǒng)分布廣泛，控制方式需求多樣化，燈具數(shù)量多等特點(diǎn)，采用了分布式系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)不僅要求本地控制，還要求遠(yuǎn)程控制，故上位機(jī)采用B/S結(jié)構(gòu)，只要通過瀏覽器就能訪問系統(tǒng)，進(jìn)行管理操作。

1 光照傳感器的布置方法

1.1 室內(nèi)照度比例模型

光照傳感器如果安裝在工作面上，容易受到辦公文件的遮擋，如果放置在墻面較低位置又容易受到走動人員的影響，勢必影響照明質(zhì)量，因此有必要對光照傳感器的安裝位置進(jìn)行探索。通過室內(nèi)房間建模，找出照度傳遞比的關(guān)系，通過DIALux工具仿真得到室內(nèi)照度傳遞比的系數(shù)。

分別位于平面Ai，Aj上點(diǎn)i，j的位置關(guān)系如圖1所示，ρ1，ρ2為各自的漫反射率。

圖1 均勻漫反射Ai，Aj的位置關(guān)系示意Fig.1 Location relation of homogeneous diffuse reflection Ai，Aj

點(diǎn)i所在的微元面Ai的最終照度Ei，由直射照度Edi和反射照度Eri兩部分組成：

而微元面Ai最終照度為Ei，反射的光通量φj為

各個(gè)表面反射在Ai的平均照度最終為

用矩陣FE=Aφ0形式表示，即為

通過矩陣變換，最終的表現(xiàn)形式為

其中，GF為光通量傳遞函數(shù)矩陣

Gij為光源i對j點(diǎn)的光通傳遞函數(shù)，當(dāng)光源位置確定不變時(shí)，其由室內(nèi)的各點(diǎn)相對位置確定，不受光源通量的影響，若已知各光通量的值 φ1，φ2，…，φn，空間兩點(diǎn)照度比K為

由此可知，室內(nèi)兩點(diǎn)照度比K由光通傳遞函數(shù)和各光源唯一確定。

1.2 照度傳遞比唯一性和確定

安裝燈具后，光源的位置固定不變，所以只需要確定光通量的大小即可。由于直接測量光通量大小不易實(shí)現(xiàn)，采用檢測墻面照度變化量的辦法來計(jì)算工作面的照度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源的空間模型大小為10 m×8 m×4.5 m，工作面距地1.0 m，頂棚灰淺（ρ=0.2），四周墻壁為大白粉刷（ρ=0.7），地面為油漆（ρ=0.1），均為漫反射材料。選用的LED燈具為600 mm×300 mm，光通量7200 lm，功率60 W，安裝高度為3.5 m。根據(jù)國標(biāo)GB50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，室內(nèi)平均照明要求為350 lx，根據(jù)上述參數(shù)，通過DIALux軟件工具，計(jì)算出室內(nèi)應(yīng)安裝的燈具數(shù)量，DIALux 3D建模效果如圖2所示，仿真平均照度分布如圖3所示。

圖2 DIALux 3D建模效果圖Fig.2 3D modeling renderings of DIALux

圖3 DIALux仿真平均照度分布Fig.3 Simulation average illuminance distribution of DIALux

影響照度傳遞比的因素有：①觸發(fā)調(diào)光指令的墻面?zhèn)鞲衅髯兓孔銐虼螅虎谡斩茸兓茸銐虼?。為了保障墻面照度變化量，工作面上的照度變化量不能過小，圖4為工作面照度分別為10 lx和50 lx時(shí)K值的波動情況。

圖4 工作面照度變化時(shí)K值的波動范圍Fig.4 Fluctuation range of K value during illuminance change of working face

由圖可見，工作面照度的變化量控制在30～50 lx，可以滿足照明要求。變化量小，K值波動大；變化量大，工作面一次照度變化梯度大，會使人產(chǎn)生視覺疲勞。

選擇室內(nèi)的一面墻為研究對象，確定安裝光照傳感器的位置，墻面的位置記為B點(diǎn)，工作面上位置記為A點(diǎn)。通過改變均勻A點(diǎn)的照度變化量，記錄B點(diǎn)的照度變化量，

墻面選擇的觀測點(diǎn)如圖5所示，墻面選擇觀測點(diǎn)的照度傳遞比等值線如圖6所示。

圖5 墻面觀測點(diǎn)Fig.5 Wall observation points

圖6 照度傳遞比等值線Fig.6 Illuminance transfer ratio isoline

由圖6及上述K值的選擇，光照傳感器的最佳安裝高度確定為1.8～2.2 m，且光源光中心在墻面垂直投影點(diǎn)兩側(cè)至少1.2 m范圍內(nèi)。

房間光照傳感器的具體安裝數(shù)量和安裝位置受不同房間空間的影響，光照傳感器的安裝僅針對需要自動調(diào)節(jié)亮度的房間。

2 照明控制策略

照明控制耗能在整棟樓宇的20%～25%，因此采取最優(yōu)策略進(jìn)行節(jié)能是必需的。

2.1 正常照明控制策略

分時(shí)段控制根據(jù)上下班時(shí)間調(diào)整某些場合的燈的開關(guān)和亮度，避免下班之后工作人員忘記關(guān)燈。

動靜探測利用紅外傳感器等對公眾走廊、樓梯等場合的燈進(jìn)行控制，做到人來燈亮、人走燈滅。

恒照度控制某些場合需要恒照度，在白天的時(shí)候，自然光照射到室內(nèi)，可以適當(dāng)降低燈的亮度。使用光照傳感器檢測室內(nèi)的照度，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

場景控制可以對某些場合預(yù)設(shè)多個(gè)場景，根據(jù)實(shí)際需要，在多個(gè)設(shè)置的場景中進(jìn)行切換，達(dá)到營造適宜的室內(nèi)氛圍，也做到了節(jié)能。

手動控制能夠隨時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)需求，對燈進(jìn)行開、關(guān)和無級調(diào)光等操作。控制不僅要求在本地進(jìn)行，而且也能夠遠(yuǎn)程控制，這樣更方便管理。

2.2 應(yīng)急照明控制策略

應(yīng)急照明通常包含在消防系統(tǒng)中，但是照明系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)與消防系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，當(dāng)出現(xiàn)消防緊急情況的時(shí)候，正常照明也應(yīng)配合工作。如當(dāng)某樓出現(xiàn)緊急情況，及時(shí)進(jìn)行燈光的閃爍，示意需要緊急疏散，并指明安全通道方向，以及通知其他樓層的人員。

3 照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 照明系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

鑒于整棟樓宇分布范圍廣，控制燈的數(shù)量眾多，所以采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到“集中管理、分布控制”標(biāo)準(zhǔn)，分布式照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

采用的IDEABOX3作為現(xiàn)場級的PLC控制器，可以通過gLink總線進(jìn)行本地I/O擴(kuò)展，EthenCAT總線進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O的擴(kuò)展。數(shù)字量I/O模塊用于控制繼電器的閉合，進(jìn)而控制LED燈強(qiáng)電，達(dá)到開關(guān)的目的，模擬量I/O輸出的0～10 V的電壓對LED進(jìn)行調(diào)光控制。光照傳感器將現(xiàn)場的光照度采集反饋給控制器，與設(shè)定進(jìn)行比較，采用PID控制算法進(jìn)行自動調(diào)光。

3.2 照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)在硬件上采用分布式控制結(jié)構(gòu)。為了在軟件上也符合分布式架構(gòu)，選擇基于IEC 61499[8]標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。IEC 61499是用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，精確地定義了分布式工業(yè)控制系統(tǒng)的功能塊描述和應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)、模型和文本語法。

系統(tǒng)主要采取模塊化的設(shè)計(jì)理念，將物理模型劃分為區(qū)域，然后在軟件上進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，這樣便于管理。分布式照明系統(tǒng)的IEC 61499設(shè)計(jì)框架如圖8所示。

圖8 分布式照明系統(tǒng)的IEC 61499設(shè)計(jì)框架Fig.8 IEC 61499 design framework of distributed lighting system

由圖8可見，將物理樓宇抽象為一個(gè)復(fù)合的樓宇功能塊（Building_CFB），將物理樓層抽象為一個(gè)復(fù)合的樓層功能塊（Floor_CFB），房間模型抽象為房間功能塊（Room_CFB），房間功能塊由眾多基礎(chǔ)功能塊構(gòu)成，如基本功能塊、服務(wù)功能塊以及由它們構(gòu)成小的復(fù)合功能塊等。

基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，主要是圖形化編程，將事先設(shè)計(jì)仿真正確的各種功能塊進(jìn)行事件和數(shù)據(jù)的連接，組合成系統(tǒng)控制程序，具體的功能塊可以運(yùn)用ST（結(jié)構(gòu)化文本）、C++語言進(jìn)行編程，其優(yōu)點(diǎn)在于事件驅(qū)動模型，即當(dāng)某一具體事件被外界觸發(fā)后，與事件綁定的數(shù)據(jù)才參與算法，其他的數(shù)據(jù)不參與，這樣加快了程序的運(yùn)行周期。

3.2.2 系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

選擇Web技術(shù)設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，采取B/S架構(gòu)，采用JavaScript，HTML，CSS編程，可以遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，有良好的人機(jī)交互界面，可以在界面上清楚地觀測實(shí)際物理模型，并加以控制。上位機(jī)軟件主要功能如圖9所示。

圖 9 上位機(jī)軟件功能模塊Fig.9 Upper computer software function module

用戶管理模塊主要包括用戶信息、登陸以及系統(tǒng)日志等；

控制管理模塊對LED控制模式的選擇，如恒照度需要自動模式、走廊等地方需要定時(shí)模式等；

數(shù)據(jù)庫管理模塊包括歷史數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)等；

其他模塊有動態(tài)的3D模型人機(jī)交互界面，可以清楚地了解樓宇的實(shí)體模型。

4 照明系統(tǒng)運(yùn)行效果展示

4.1 照明系統(tǒng)運(yùn)行效果

照明系統(tǒng)達(dá)到了節(jié)能環(huán)保、遠(yuǎn)程控制的要求，實(shí)現(xiàn)了無物理開關(guān)，減少了布線工作量，通過Internet瀏覽器進(jìn)入系統(tǒng)人機(jī)界面，或通過移動終端如iPad等，安裝APP，進(jìn)入控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。輸入用戶登錄信息之后，進(jìn)入到主界面，點(diǎn)擊物理樓宇模型，即可分別進(jìn)入中試樓、研發(fā)樓的具體樓層。照明實(shí)際運(yùn)行效果如圖10所示。

圖10 運(yùn)動控制器成品存放區(qū)Fig.10 Motion controller finished product storage area

進(jìn)入到房間模型，照明控制系統(tǒng)調(diào)光面板如圖11所示。圖中左側(cè)的3D模型是可以旋轉(zhuǎn)的，模型中的小方塊為LED模型，可以單擊進(jìn)行燈的開關(guān)控制，模型上的亮、滅與實(shí)際燈的亮、滅是一致的。能夠進(jìn)行情景模式的選擇，如自動模式、午休模式、投影模式、一鍵關(guān)燈、緊急疏散等；顯示室內(nèi)的溫度、濕度、照度等；能夠進(jìn)行手動無級調(diào)光。

圖11 照明控制系統(tǒng)調(diào)光面板Fig.11 Dimmer panel of lighting control system

4.2 系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

試驗(yàn)仍以10 m×8 m×4.5 m空間內(nèi)的燈為例。房間內(nèi)有12盞60 W的LED燈，在墻上的適當(dāng)位置安裝2只光照度傳感器運(yùn)行24 h得出數(shù)據(jù)，以東莞的夏季晴朗天氣為標(biāo)準(zhǔn)。表1為不同場景的照明節(jié)能分析。

表1 不同場景的照明節(jié)能分析Tab.1 Lighting energy saving analysis of different scenes

由表可知，對LED燈進(jìn)行調(diào)光，可以實(shí)現(xiàn)很大程度的節(jié)能效果，恒照度可以充分地利用室外的自然光，自動降低燈的亮度，節(jié)能率可以高達(dá)32%。不同亮度LED燈的對比如圖12所示。

圖12 LED燈不同亮度對比Fig.12 Different brightness contrast of LED

5 結(jié)語

智能樓宇中分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)，遵循了“集中管理、分布控制”標(biāo)準(zhǔn)，基于分布式控制設(shè)計(jì)原則，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可以隨意刪減和增添控制節(jié)點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)了智能照明系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能、安逸舒適、操作簡便的目的。通過建立室內(nèi)光照度傳遞模型，確定了室內(nèi)光照度傳感器的適合安裝位置，用于構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對LED燈進(jìn)行調(diào)光控制。不僅實(shí)現(xiàn)本地的管理操作，也可通過Internet聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；系統(tǒng)具體良好的人機(jī)交互界面，可以清楚地了解樓宇建筑的物理模型和燈具的分布位置。分析了LED處于不同的亮度和場景時(shí)，系統(tǒng)的節(jié)能效果。

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