綜合展館C-Bus 智能照明系統(tǒng)的設計及應用探究

田仁榮，陳麗麗

（1：長春潤德投資集團有限公司展館運營分公司，吉林 長春 130000；2：深圳市華納國際建筑設計有限公司長春分公司，吉林 長春 130000）

1 C-Bus 總線

現場總線是一種近年來得到快速發(fā)展的工業(yè)數據總線，在樓宇自動化、過程自動化、制造自動化的各類場景中得到了廣泛應用。它具有了智能化，高度適用分散系統(tǒng)結構和實用性的特點。目前全世界推廣應用的總線有ABB 公司研發(fā)的I-Bus 總線、澳大利亞奇勝公司研發(fā)的C-Bus 總線，以及Echelon 公司的LonWorks 總線等。

C-Bus 總 線 由 Qisheng Electric Company 于1994 年開發(fā)。其控制方式集中了開關控制，現場、應急控制，時間控制等。電源供電和信號傳輸采用雙絞線，總線電源（DC15-36 V）和總線控制信號傳輸共同使用一對雙絞線，總線設備之間形成鏈路實現直接通信，鏈路可設置為菊花鏈形、線形、星形、樹形拓撲的方式，但不支持環(huán)網結構[1]。各總線對比情況見表1。

表1 各總線對比

C-Bus 總線具有明顯的距離優(yōu)勢，應用靈活、安全可靠性，分布式控制場景和實時控制場均可使用，可以滿足大型綜合展館照明系統(tǒng)的控制要求。由C-Bus 總線控制的照明系統(tǒng)主要由計算機管理。每個節(jié)點分布在控制系統(tǒng)中。所有的復合協(xié)議都可以通過總線來完成系統(tǒng)的擴展。C-Bus 總線糾錯能力在應用中體現特別突出，可以保證智能照明系統(tǒng)安全使用，該系統(tǒng)具有良好的經濟性和實用性。

2 智能照明系統(tǒng)的控制方式選擇

2.1 直接數字控制系統(tǒng)

直接數字控制在工程項目建設和使用中又簡稱為DDC 系統(tǒng)，第一步設置最初原始值，利用計算機強大的數據處理能力，將設置的原始值與被控對象傳回數據進行對比，通過算法對被控對象進行直接有效的控制。直接數字控制系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 直接數字控制系統(tǒng)結構圖

在DDC 系統(tǒng)中，被控對象的過程參數通過檢測電力裝置實時采樣，并對采集數據進行全面的比較和分析，形成所需的控制信息，然后完成多個系統(tǒng)控制。DDC 系統(tǒng)采用計算機的數據處理能力完成閉環(huán)控制，可完全替代傳統(tǒng)的模擬調節(jié)器，實現采集數據的比例積分微分控制（PID），并通過程序化控制可實現各種復雜場景[2]。該系統(tǒng)具有實時控制、分時控制、靈活性和多功能的特點，應用非常廣泛。

2.2 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)也可稱為SCC 系統(tǒng)。它主要使用計算機預設信息和參數，并根據一定的數學模型或算法自動調整給定值，使整個設備功能始終處于控制系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)框如圖2 所示。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)可根據控制需求實時對給定值進行改變，達到設定值控制的目的。SCC 計算機直接收集和優(yōu)化DDC 計算機控制，從而構成只傳輸設定值的兩級，并且上下級之間沒有通信。如果計算機出現故障，可以直接控制模擬儀器。然而，SCC系統(tǒng)昂貴且低效。

2.3 分布式控制系統(tǒng)

圖2 SCC 系統(tǒng)基本框圖

分布式控制系統(tǒng)又可以稱之為DCS 系統(tǒng)。其主要基礎為C4 技術，即是指計算機、控制、通信及CRT 顯示技術，其系統(tǒng)框如圖3 所示。

2.4 總線式控制系統(tǒng)

現場總線控制系統(tǒng)也可稱為FCS 系統(tǒng)。它是一個完全分散的系統(tǒng)，基于MCU 和數字儀器，具有控制和通信功能[3]。散布在場景周圍的節(jié)點通過總線連接以形成現場總線控制系統(tǒng)。此外，設備的互操作性可以通過功能模塊和參數來實現?，F場總線控制系統(tǒng)如圖4 所示。

隨著我國的快速發(fā)展，現場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯。在不久的將來，它將取代分布式控制系統(tǒng)，成為系統(tǒng)的主流。正是根據上述優(yōu)點，選擇了現場總線控制。照明系統(tǒng)各控制方式對比見表2。

圖3 分布式照明控制系統(tǒng)

圖4 現場總線控制系統(tǒng)結構圖

表2 各控制方式對比

3 C-Bus 總線智能照明系統(tǒng)的具體分析

隨著建筑電氣智能化的快速發(fā)展，對大型綜合展館照明的智能化控制提出了新的要求，為了提升參觀體驗，提高工作效率，節(jié)約有限資源，必須實現實時控制和精準管理，不能只局限于照明系統(tǒng)簡單繁瑣的開關操作控制。此外，智能照明系統(tǒng)具有非常重要的優(yōu)勢，即它可以直接使用總線進行布線，不僅為后續(xù)維護提供了便利條件，而且使整體更加美觀。

民用及工業(yè)建筑的智能照明控制系統(tǒng)應用越來越普遍，根據照明開啟時間、照明安全等級要求，需設置不同的照度級別。根據使用要求完全達到自動打開和自動調節(jié)的智能控制形式。當照度不滿足工作生活需要時，通過感光元件、定時模塊自動實現照明系統(tǒng)的照度調節(jié)或自動啟閉，從而達到環(huán)保節(jié)能、安全高效、控制合理的使用效果。

照明上的光強度用dΦ 來表示。它表達的具體參數是該區(qū)域中光通量的面密度數值，照度E 定義為表面上一點的入射光通量（dΦ）與該單元面積（dA）的比值，其表達式如下：

照度的單位為勒克斯（lx），數量上，1 lx=1 lm/m2。

智能照明系統(tǒng)主要通過計算機照亮每個照明電路，可以自動調節(jié)開關，電路電流，完善照明電路中不必要的浪費。真正的智能照明管理系統(tǒng)不只是控制照明燈具的啟閉時間、亮度的自動調節(jié)，在復雜的建筑格局中實現符合相應要求的場景，還要考慮智能管理和簡化操作的要求，以滿足后續(xù)使用需求照明系統(tǒng)的擴展性和控制模式的可變性。高效的智能照明系統(tǒng)可以提高建筑物中工作和生活群體的質量并確保其舒適性和健康性。

通過比較傳統(tǒng)的照明控制模式、數字照明和智能照明控制模式，我們可以得出結論，智能照明具有以下特點。

1）軟啟動方式及軟關斷方式：通過電流連續(xù)的線性變化實現控制功能，可以實現照明燈具從暗到亮及從亮到暗連續(xù)的線性平滑漸變過程，避免照明燈具突然點亮及突然熄滅對人眼造成強烈的刺激，對照明系統(tǒng)使用的舒適性提升明顯[4]。電流的平穩(wěn)線性變化大大減少了瞬時大電流對照明燈具、照明供電線路、照明開關的沖擊，從而提高整個照明系統(tǒng)使用的安全性，延長物理和經濟壽命。

2）時間控制：結合實際情況，燈具和不同的照明在不同時間運行，不同的燈具按照一定的時間規(guī)則使用。

3）遙控：為達到智能照明系統(tǒng)的遙控控制，通過接入以太網，利用計算機控制終端，智能手機、平板等智能設備APP 進行遙控控制，實現照明燈具的遠程遙控和照明場景遙控切換的功能，并可以了解每個電路的工作狀態(tài)、設備的在線狀態(tài)、使用壽命等，以便及時排除故障。

如果要實現上述自動控制效果，必須仔細分析控制模式和通信模式，然后選擇合適的控制模式。只有這樣，整個系統(tǒng)才能長時間穩(wěn)定運行。本文研究案例設計了一種以C-Bus 現場總線為脈絡，計算機網絡控制為核心的控制模式，通過C-Bus 現場控制和遠程計算網絡控制系統(tǒng)的完美兼容。這種控制方法既具備網絡控制的優(yōu)點，又能體現現場總線集中管理的特點，可節(jié)約有限資源，維護方便快捷。結合這2 種方法，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經濟性得到改善。

3.1 系統(tǒng)組成及其原理介紹

C-Bus 系統(tǒng)硬件由通訊路由、輸出模塊單元、輸入模塊單元、程序控制單元、數據采集處理單元組成。照明智能化傳輸系統(tǒng)由C-Bus 總線搭建。功能單元負責外部控制信號的采集和轉換，通過C-Bus總線實現信號的傳輸[5]。主要功能根據輸出單向總線上的信號，控制相應回路的輸出，并控制負載。它由微型繼電器，模擬調光器和模擬信號輸出單元組成?；贑-Bus 總線的智能照明系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 基于C-Bus 總線的智能照明系統(tǒng)原理圖

智能照明控制系統(tǒng)信號處理器、存儲模塊單元、供電模塊單元、控制模塊單元的所有組件，由一對雙絞線形成菊花型鏈路連接。通過計算機網絡控制系統(tǒng)對每個模塊單元按照鏈路方向按順序設置獨立的單元地址編號，并通過軟件編輯其具體功能?？刂茊卧ㄟ^帶地址編碼的輸入單元與輸出組件建立通訊。當接收到輸入信號時，通過信號處理器將輸入信號轉換為C-Bus 信號，通過C-Bus 系統(tǒng)總線進行傳輸。輸出模塊單元對接收到的控制信號進行處理，根據信號指令控制輸出。系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)方案設計流程圖

基于C-Bus 總線的智能照明控制系統(tǒng)完全可以滿足當今社會的照明效果，特別是在大型智能建筑中，尤為突出?；贑-Bus 總線的智能化不僅可以直接控制照明，還可以通過網絡遠程控制照明。我們通常使用智能控制系統(tǒng)來調節(jié)建筑物室內亮度。

3.2 系統(tǒng)的優(yōu)越性和應用范圍

與其他總線相比，C-Bus 系統(tǒng)的優(yōu)點如下。

1）生產線供貨快捷、易于安裝、維修保養(yǎng)容易、節(jié)省材料，有利于投資總成本的控制和后期運營維護管理成本，提高投資回報。

2）采用目前先進的電子控制技術，具備單回路單控、分區(qū)域控制、不同建筑主體群控、復雜場景的適應性控制，根據時間要求定時啟閉、亮度根據環(huán)境自動調節(jié)、手動調節(jié)等多種照明控制模式。達到優(yōu)化照明系統(tǒng)、節(jié)約能源消耗、降低運營成本的目的。

3）可根據用戶提供個性化需求，根據應用和需求制定切實可行的具體化方案，通過軟硬件的優(yōu)化組合，最終通過軟件設置的調整，照明場景實現多樣化，并具備完美的擴展功能，縮短調整轉換周期，適用于工業(yè)、民用、商業(yè)等不同場所的要求。

4）控制電路與負載分離，控制電路工作在36 V。即使切換電流意外，也可以確保人身安全。

C-Bus 系統(tǒng)具有廣泛的應用?？梢钥刂普彰鳎瑵M足各種照明環(huán)境的需要。在學校、辦公室、醫(yī)院、工廠等場所，C-Bus 時間控制功能用于進行自動照明控制，利用亮度傳感器自動照明，節(jié)約能源。C-Bus調光功能和場景切換可用于影院、會議室等場所轉換各種照明場景，實現多點控制，并可控制空調、風扇，它的群控功能可用于控制整個區(qū)域的照明。CBus 系統(tǒng)可應用于智能住宅區(qū)、路燈和景觀燈區(qū)域，用于多點、定時、遠程控制。

C-Bus 系統(tǒng)具有廣泛的應用。可以控制照明，滿足各種照明環(huán)境的需要。根據長春市規(guī)劃館、博物館及美術館不同功能區(qū)域對照明方式需求的差別，結合現場實際，對長春市規(guī)劃館、博物館及美術館不同功能區(qū)域照明系統(tǒng)采取不同的控制方式，總體思路為在長春市規(guī)劃館1F 層控制中心設置智能照明工作站，館內16 個照明配電間內控制模塊通過C-Bus 總線形成“手拉手”菊花鏈狀控制回路。由于控制模塊數量多，輻射線路長，為解決供電電壓不足問題，根據現場實際情況在回路中加入電源供電模塊，保證電路系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。該方式提高了該系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，線路出現斷點時不影響該系統(tǒng)正常工作，個別模塊故障時不影響整個系統(tǒng)的正常使用。C-Bus 智能照明工作站及模塊見圖7。

圖7 C-bus 智能照明工作站及模塊圖

通過工作站對長春市規(guī)劃館、美術館和博物館照明系統(tǒng)分別進行遠程控制，規(guī)劃館展廳、美術館展廳、博物館展廳、博物館庫區(qū)通過4 塊觸摸屏可進行分區(qū)域控制，地下功能房區(qū)域根據安防級別要求分2 個區(qū)域進行觸摸屏分控，每個配電間控制箱內安裝多回路控制模塊，可進行就地單回路操作。由于規(guī)劃館設置于3 層、4 層，植物墻對照度要求較高，使用率較高，植物墻補光照明燈通過C-Bus 時間控制功能用于進行自動照明控制，節(jié)省人力和能源。其他公共區(qū)域通過軟件對照明回路進行設定，共設置4 種開啟模式，包括全開啟模式、二分之一開啟模式（夜間）、四分之一開啟模式（白天）及自由組合模式（根據現場實際情況自由組合）。通過以上模式的合理利用，在日常運營中能夠達到良好的節(jié)能效果。

4 結語

本文以大型綜合展館的智能照明系統(tǒng)和C-Bus總線應用為實例，并與其他常用的現場總線技術進行對比分析，重點分析了大型展館C-Bus 總線智能照明系統(tǒng)的應用。同時，根據每種控制模式的優(yōu)缺點，進行了詳細比較。最后選擇了一種將總線模式與分布式控制模式相結合的新型控制模式，充分利用C-Bus 智能照明系統(tǒng)的靈活性、適應性和安全可靠性，實現了智能照明系統(tǒng)使用方便、節(jié)能環(huán)保的目標。此系統(tǒng)在大型綜合場館的實際應用，為今后類似大型綜合場館的照明系統(tǒng)智能控制積累了經驗，具有推廣實用的實際意義，也為大型場館照明系統(tǒng)節(jié)能方案提供了參考案例。