KNX現(xiàn)場總線控制在智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用

胡兵

(新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對照明的要求也不斷提高，當(dāng)前，照明不僅要滿足人們在視覺上豐富的感官效果，而且要滿足人們對照明舒適性、節(jié)能性、自動化與信息化等方面的要求。傳統(tǒng)手動控制、BAS控制的照明控制方式控制模式固定，控制效果單一，已無法滿足人們對現(xiàn)代照明的要求，更不能滿足人們對照明智能化和節(jié)能降耗的追求。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)而發(fā)展起來的智能照明技術(shù)可以很好解決上述問題，為此得到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。

當(dāng)前，智能照明技術(shù)一般可分為電力載波類、無線控制類和總線控制類。張玉杰等[1]研究了電力載波類智能照明控制系統(tǒng)及應(yīng)用，采用低壓電力線路作為智能照明系統(tǒng)的信號傳輸線路，避免重復(fù)布線，減少布線和施工成本，但是電力載波信號受負(fù)載變化、脈沖干擾影響衰減較為嚴(yán)重，由于無沖突避免機(jī)制，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、丟失，不適合長距離、多設(shè)備通信。孫海艷等[2]研究了基于ZigBee的智能照明技術(shù)，王曦等[3]研究了基于遠(yuǎn)程紅外的智能照明技術(shù)，曹祥紅等[4]研究了基于WiFi的智能照明技術(shù)，這些智能照明技術(shù)均屬于無線控制類智能照明控制系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)無需布線，操作靈活方便，適合于面積較小的智能家居，由于其無線信號受障礙物影響而衰減嚴(yán)重，無法應(yīng)用于需要大面積、遠(yuǎn)距離通信的智能照明控制場合。對于總線控制類的智能照明技術(shù)，郭鐵橋等[5]研究了基于CAN的智能照明控制技術(shù)，于莉媛等[6]研究了基于C-Bus總線的智能照明控制技術(shù)，這些總線類的照明技術(shù)均滿足了現(xiàn)代照明要求，具有控制效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足大空間、多設(shè)備、遠(yuǎn)距離智能照明控制要求，但是總線協(xié)議的交互性、兼容性相對較差。KNX總線技術(shù)基于全球性的住宅與樓宇控制標(biāo)準(zhǔn)，提供開發(fā)式的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，不僅具有電力載波類、無線控制類、總線控制類智能照明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很好的交互性和兼容性。因此，本文提出基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)方案，以報(bào)告廳為例，介紹系統(tǒng)的開關(guān)控制、調(diào)光控制、感應(yīng)控制和場景控制等控制功能，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化、舒適性和節(jié)能性等效果。

1 系統(tǒng)組成及通信原理

KNX硬件系統(tǒng)由系統(tǒng)元件、傳感器和執(zhí)行器三部分元件構(gòu)成，采用KNX總線通信，設(shè)備之間以雙絞線為傳輸介質(zhì)，以KNX報(bào)文實(shí)現(xiàn)信息傳遞，其中報(bào)文結(jié)構(gòu)包括控制字段、地址段、長度、實(shí)用數(shù)據(jù)等，控制字段控制報(bào)文是否重復(fù)、報(bào)文發(fā)送的優(yōu)先級等。地址段由源地址與目標(biāo)地址組成，源地址為總線元件的物理地址，按照域-線路-總線元件的方式配置，每個(gè)物理地址均獨(dú)一無二，為總線元件之間區(qū)別的唯一地址， 用于系統(tǒng)調(diào)試、檢測及維護(hù)。目標(biāo)地址為總線元件的組地址，按照主組/中間組/子組方式配置，用于連接傳感器與執(zhí)行器的功能。編程時(shí)傳感器只能發(fā)送一個(gè)組地址命令，執(zhí)行器可以接收多個(gè)組地址的命令，其結(jié)構(gòu)如表1所示。長度字段記錄實(shí)用數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，實(shí)用數(shù)據(jù)段用于定義應(yīng)用的不同功能，檢驗(yàn)字節(jié)用于對報(bào)文執(zhí)行奇偶校驗(yàn)。

表1 物理地址與組地址

2 KNX總線在報(bào)告廳照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 報(bào)告廳照明控制要求

報(bào)告廳作為各類會議、新聞發(fā)布、報(bào)告、演講等活動的重要場所，對照明要求較高。本文以一般報(bào)告廳為例，介紹基于KNX總線的報(bào)告廳智能照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用。一般報(bào)告廳包含大會議廳、貴賓室等房間，要求照明系統(tǒng)具有開關(guān)、調(diào)光、分區(qū)、遙控、集中控制等多種控制方式，對不同應(yīng)用模式具備不同的場景控制。比如在報(bào)告模式，要關(guān)閉報(bào)告廳聽眾席的燈光，逐漸調(diào)暗投影儀周圍的燈光，在保證基本照明的情況下，最大限度地觀看投影內(nèi)容;在討論交流模式，要求打開并調(diào)亮主席臺與聽眾席位上所有的燈光等，作為公共大空間環(huán)境，要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，并具備一定的節(jié)能效果。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)報(bào)告廳照明控制要求，系統(tǒng)采用符合KNX現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的 ABB i-bus?智能建筑控制系統(tǒng)。依據(jù)報(bào)告廳的建筑平面圖，設(shè)計(jì)i-bus控制平面圖,如圖1所示。

圖1 i-bus控制平面圖

報(bào)告廳由貴賓室、大會議室和設(shè)備控制室組成，考慮i-bus需要對貴賓室和大會議室燈光設(shè)備的控制，貴賓室照明由筒燈、射燈和燈帶等燈具構(gòu)成，控制回路多，且貴賓廳使用較少，因此，設(shè)計(jì)時(shí)在貴賓室配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)和6131移動感應(yīng)器一個(gè)。大會議室由筒燈、壁燈等燈具構(gòu)成，控制回路多，空間跨度大，設(shè)計(jì)時(shí)在報(bào)告廳入口處配置一個(gè)6324五聯(lián)智能面板。設(shè)備控制室控制設(shè)備較少，配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)。對于系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇，由于系統(tǒng)需要開關(guān)控制、調(diào)光控制等控制方式， 設(shè)計(jì)時(shí)選用SA/S12.16.1開關(guān)驅(qū)動器、6197+6593+6594調(diào)光控制器、UD/S 2.230.1通用調(diào)光器等為執(zhí)行器，配置系統(tǒng)元件SV/S30.640.5，所有執(zhí)行器和總線元件均安裝在配電箱的DIN導(dǎo)軌上，執(zhí)行器和總線元件設(shè)備之間用i-bus總線J-Y(st)YH相連，并連接至現(xiàn)場傳感器。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)報(bào)告廳智能照明控制要求，需要對智能照明系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，基于KNX總線的智能照明控制系統(tǒng)的軟件編程采用ETS3編程軟件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)首先在ETS3中創(chuàng)建房間，在房間中添加傳感器、執(zhí)行器和總線元件，設(shè)置傳感器和執(zhí)行器的物理地址，分別下載物理地址。之后根據(jù)功能的不同設(shè)置組地址，功能相同的對象組地址相同，傳感器同一功能只能有一個(gè)組地址，執(zhí)行器組地址根據(jù)控制功能的不同可以劃分多個(gè)組地址。考慮到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序較長，選取貴賓廳燈光控制來介紹軟件編程設(shè)計(jì)，貴賓廳五聯(lián)面板的第一、二、三聯(lián)分別控制WL3、WL4、WL5回路，每聯(lián)面板的短按為對回路進(jìn)行開關(guān)控制，長按為對回路進(jìn)行調(diào)光控制[7]，基本功能與編程如表2所示。

表2 貴賓廳基本功能與編程

上述編程只對開關(guān)控制、調(diào)光控制進(jìn)行編程，場景的編程類似上述方法，在應(yīng)用過程中，如果用戶需要重新更改控制要求，不需要更改線路，只需要重新編程下載即可。ETS3編程設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)可通過開關(guān)面板、感應(yīng)器等傳感器控制，為了便于集中控制，以圖形化的形式展現(xiàn)現(xiàn)場控制狀態(tài)，自動記錄與管理貴賓廳燈光控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用KNX燈光控制組態(tài)軟件Winswitch3實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

3 運(yùn)行結(jié)果分析

系統(tǒng)經(jīng)過編程調(diào)試，測試運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。圖2為貴賓廳組態(tài)軟件Winswitch3的監(jiān)控界面圖，監(jiān)控界面上設(shè)置總開關(guān)和各組燈光分開關(guān)，可分別對現(xiàn)場燈光進(jìn)行集中控制。當(dāng)前，左邊筒燈和右邊筒燈處于打開狀態(tài)，其余燈光處于關(guān)閉狀態(tài)，滿足控制要求。應(yīng)用過程中，系統(tǒng)現(xiàn)場面板和感應(yīng)器的控制狀態(tài)可實(shí)時(shí)反饋到監(jiān)控界面，監(jiān)控界面的控制命令也通過KNX總線傳輸?shù)津?qū)動器，進(jìn)行相應(yīng)的動作，具有很好的交互性。當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)面板或監(jiān)控界面開關(guān)打開而燈光不亮?xí)r，可檢查總線是否工作正常、驅(qū)動器是否正常及回路斷路器是否處于打開的狀態(tài)，判斷故障原因，便于查找故障。系統(tǒng)采用6324面板具有遙控控制功能，通過相應(yīng)的遙控開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控控制。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

考慮到貴賓廳使用較少，系統(tǒng)在貴賓廳采用了6131移動感應(yīng)器，做到有人開燈、無人延時(shí)關(guān)燈，即節(jié)約能量，又實(shí)現(xiàn)人性化的管理。大會議室采用報(bào)告會場景、演講會場景、清掃場景、離開場景等多種場景，合理控制開燈時(shí)間和調(diào)節(jié)燈光亮度，提供光源利用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。

系統(tǒng)應(yīng)用過程中，KNX總線系統(tǒng)在保證獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí),可通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)關(guān)接口或采用RS232接口就可以同整棟大樓的BA系統(tǒng)，或上層管理平臺BMS服務(wù)器和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享；通過系統(tǒng)輸入元件，接受其他系統(tǒng)或工作人員發(fā)出的干結(jié)點(diǎn)信號和交直流信號，實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和會議系統(tǒng)的聯(lián)動，使控制的燈光或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)變化。因此，采用KNX總線的智能照明系統(tǒng)具有控制靈活和兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

KNX總線智能照明系統(tǒng)采用KNX總線電纜連接傳感器、驅(qū)動器和總線元件，通過編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開關(guān)控制、調(diào)光控制和遙控等多種靈活控制功能，滿足了系統(tǒng)控制要求。采用組態(tài)軟件Winswitch3實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中控制，減少了管理人員的工作量，采用移動感應(yīng)器、場景控制等控制方法，合理利用能量，延長了燈具的使用壽命，通過以太網(wǎng)接口、輸入元件等可實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和任務(wù)聯(lián)動控制，不僅滿足了現(xiàn)代化建筑復(fù)雜多變的環(huán)境需要，還能夠滿足人們對安全性、舒適性、節(jié)能性和智能化等方面的要求，有很大的發(fā)展前景。