工業(yè)智能照明應用分析

楊巖敏

（東風設計研究院有限公司）

1 引言

工業(yè)照明數(shù)字化、信息化和智能化是工業(yè)4.0智慧工廠的主要特征。每個燈具配備數(shù)字接口和具有雙向傳輸特性是實現(xiàn)工業(yè)照明“三化”的基礎。智能照明系統(tǒng)集成到IBMS（智能建筑管理系統(tǒng)）系統(tǒng)，做到智能控制每一套燈具和采集每一套燈具信息供管理決策使用，達到安全可靠、節(jié)能環(huán)保、健康舒適、智能高效、個性需求的目的。

2 智能照明控制系統(tǒng)篩選概況

智能照明控制系統(tǒng)是利用計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術、傳感技術等現(xiàn)代科學技術，通過對環(huán)境信息和用戶需求進行分析和處理，實現(xiàn)對照明設備的整體控制和管理，以達到預期照明效果的控制系統(tǒng)[1]。

目前，國內廣泛使用的智能照明控制系統(tǒng)有zigbee、Wi-Fi、Bluetooh無線網絡技術和DMX、KNX、Dynet、DALI現(xiàn)場總線技術，各有特點，適用不同領域。為保證系統(tǒng)設備具有良好的兼容性和互操作性，應為標準通信協(xié)議，現(xiàn)分述如下。

①無線協(xié)議的技術比較簡單，不需要設計布線及安裝成本，但存在通信不穩(wěn)定的現(xiàn)象，且Wi-Fi的功耗大、安全性低等，Bluetooh傳輸范圍受限，這些問題制約了其在工業(yè)智能照明的應用。

②DMX協(xié)議是一種燈光控制器與燈具設備之間數(shù)字調光的協(xié)議標準。用于特效燈光控制，是舞臺燈光和景觀照明中燈光控制的主流技術。

③KNX協(xié)議是目前國內外大量使用的樓宇自動化和智能家居開放標準協(xié)議，系統(tǒng)規(guī)模較大。系統(tǒng)采用開關或調光器控制照明回路，不能單燈控制。

④Dynet協(xié)議是Dynalite公司的照明控制封閉協(xié)議，系統(tǒng)規(guī)模較大。協(xié)議封閉，不同廠家的產品不兼容。

⑤DALI(Digital Addressable lighting interface)數(shù)字化可尋址照明接口，是一種照明控制開放協(xié)議。DALI定義了照明裝置與控制器之間的通訊方式，數(shù)據(jù)結構簡單，雙向傳輸。其最大特點是單個燈具（DALI電子控制裝置）具有獨立地址，通過DALI總線可以對單燈或燈組進行調光和開關控制，并能上傳燈具狀態(tài)和能耗信息，做到對每套燈具精確控制和精準管理，實現(xiàn)了許多基于回路控制的智能照明控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。DALI智能照明控制系統(tǒng)滿足數(shù)字化、信息化和智能化的工業(yè)照明基本要求。

3 DALI智能照明控制系統(tǒng)簡介

國際標準IEC62386系列《Digital Addressable lighting interface》（與 國 家 標 準GB/T30104系列《數(shù)字可尋址照明接口》等同，版本滯后）制定了DALI從物理傳輸?shù)娇刂泼罴霸O備行為統(tǒng)一的標準。最早的DALI協(xié)議只定義了燈電子控制裝置的功能接口標準。從2014年起的DALI-2標準，對其進行了改進和增加，定義了控制設備的功能接口標準，增加了輸入設備與主控器的標準通信模式，并規(guī)定產品強制性認證。

DALI設備組成如下：

①控制裝置（Control Gear）一般指燈的控制裝置，如LED驅動器；

②控制設備（Control Device）包含應用控制器和輸入設備，如開關、傳感器等；

（2）橋臺面縱向位置設置坡度較大時，應該結合橋梁的具體方式來進行挖方施工，確保橋臺穩(wěn)定性達標，需要結合具體的施工情況，確定使用樁式臺或者是一字臺的方式[5]。

③總線電源（Bus Power Supply），這些設備掛接在DALI總線上。

DALI協(xié)議為主從結構，具有數(shù)字通信和數(shù)字控制的能力。DALI設備的存儲器存儲模塊地址和燈光場景等信息，通過DALI總線、DALI控制器與其他DALI設備進行數(shù)字通信、傳遞指令和狀態(tài)信息，可以獨立操作DALI總線上的任何一個燈光設備，實現(xiàn)燈的開關、控制調光和系統(tǒng)設置等功能。

DALI總線是面向終端的單一系統(tǒng)，容量小，可通過DALI主機擴展容量，也可將DALI作為子系統(tǒng)，集成到BMS系統(tǒng)中進行控制和管理。

DALI協(xié)議基本技術參數(shù)見表1。

4 DALI智能照明控制系統(tǒng)在工業(yè)照明的應用

筆者2013年負責設計了一家全球知名汽車公司設在我國的發(fā)動機工廠電氣部分。該工廠的數(shù)字化、信息化和智能化程度高，要求照明也如此。權衡諸系統(tǒng)利弊，選用DALI智能照明控制系統(tǒng)進行設計。

4.1 智能照明控制系統(tǒng)網絡架構

智能照明控制系統(tǒng)采用二層分布式結構，分為現(xiàn)場控制層和監(jiān)控管理層，詳見圖1。采用DALI總線作為燈具末端信息傳輸節(jié)點，負責執(zhí)行每套燈具的控制和信息采集工作。通信線采用ZR-IIB-RⅤⅤ-2x1.5mm2導線。每條DALI總線通過DALI模塊接入到現(xiàn)場PLC?，F(xiàn)場PLC通過工廠TCP/IP網絡集成到IBMS系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠程控制和管理。

表1 DALI協(xié)議基本技術參數(shù)

4.2 現(xiàn)場控制層

PLC主要由CPU模塊、DALI模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊和終端模塊組成。其中CPU模塊支持多任務功能，支持各種通信協(xié)議，具有網絡通信的功能。每個DALI模塊提供一條DALI線，每條DALI線最多接50個左右DALI驅動器（燈具），預留了20%容量。這些燈具可以接不同的配電回路。現(xiàn)場按鈕開關和人體紅外探測器接入輸入模塊。安裝高度8m以上的金鹵工礦燈及爆炸危險場所的防爆燈具為非DALI燈具，其配電回路與DALI燈具分開，由輸出模塊控制安裝在斷路器下端的電子繼電器開關燈具，即回路控制。

PLC和電子繼電器等硬件與配電系統(tǒng)元器件一同安裝在照明控制柜內。柜內還設計了多種安全回路，可以在CPU“失控”的情況下，將DALI燈具和非DALI燈具回路控制的燈具全部打開。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)網絡架構圖

4.3 智能照明控制方式

照度計算考慮了光衰以及燈具和房間表面污染的影響（即維護系數(shù)），在燈具壽命期內，存在照明場所的實際照度值超過需求值的問題，縮短了其壽命。本設計采用光衰補償控制，通過軟件調整調光值。先降低燈具的起始調光值（一般在60%到80%之間），之后控制系統(tǒng)自動根據(jù)工作時間逐漸提高，保持照度需求值不變，從而抵消光衰產生的影響。

生產區(qū)、倉儲區(qū)、維修區(qū)、辦公場所等，針對不同功能區(qū)域設計不同燈具和控制方式，滿足不同需要，達到節(jié)能、舒適的目的。如功能改變，只需在軟件中修改參數(shù)即可。不同應用場所智能照明控制方式見表2。

5 智能照明控制系統(tǒng)應用分析

該工廠采用DALI智能照明控制系統(tǒng)正式運行6年多，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠、操作管理方便、控制靈活、節(jié)能高效，基本實現(xiàn)了工廠照明的數(shù)字化、信息化和智能化。

5.1 DALI系統(tǒng)可以適應建安設計與工藝設計同步進行

DALI智能照明控制系統(tǒng)控制靈活，可以快速調整照明方案，能夠適應建安設計與工藝設計同步進行。設計階段存在工藝方案不斷調整，甚至施工階段還有修改的問題，若采用以往的回路控制，會反復修改設計，影響設計進度。

5.2 DALI系統(tǒng)可以滿足工藝不斷變化的需要

該工廠自投入運行后曾多次進行工藝改造，生產布局調整，通過調整軟件的設置，進行燈具重新分組，滿足新工藝布局的照明需求，既縮短了工藝改造時間，又沒增加費用。

5.3 DALI系統(tǒng)可以進行預防性維護管理

該工廠數(shù)十萬平方米廠房，燈具數(shù)萬套，多安裝在高處。DALI智能照明控制系統(tǒng)的每套燈具信息均可上傳，在中控室可以監(jiān)視每套燈具的故障、開關等狀態(tài)。當燈具、驅動器等出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能及時發(fā)出報警信號，提醒運維人員及時更換。燈具運行到壽命期，發(fā)出維護報警，提醒處理。與傳統(tǒng)照明相比，減少了運維人員，降低了維修費用。

5.4 DALI系統(tǒng)可以單燈監(jiān)控，節(jié)能高效

系統(tǒng)采用單燈能耗監(jiān)控，確保企業(yè)掌握照明能耗數(shù)據(jù)及實際節(jié)能效果，為照明維護及節(jié)能方式提供調整依據(jù)，并為企業(yè)管理提供信息。經測算，應用該系統(tǒng)照明，節(jié)能達到30%以上。

5.5 DALI系統(tǒng)可以對照明資產進行數(shù)字化管控

該工廠有一套建筑、設施等資產的編碼體系，每個資產有唯一的編碼。系統(tǒng)可以對照明資產進行數(shù)字化管控，最終實現(xiàn)照明系統(tǒng)與其他工業(yè)系統(tǒng)之間的有效聯(lián)動、實現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)交融整合、實現(xiàn)工廠生產的大數(shù)據(jù)管理。

5.6 充分發(fā)揮智能照明控制系統(tǒng)功能的四個環(huán)節(jié)

設計者必須貫徹執(zhí)行國家相關政策、標準和規(guī)范，要不懈地再學習，適應信息化、智能化時代。承擔設計任務時，應根據(jù)工廠建設規(guī)模和需求及發(fā)展遠景等提出智能照明設計設想，同建設方、用戶等反復酌商，確定設計方案。重視與系統(tǒng)承包方的溝通和技術交底，認真審查承包方的深化設計圖?，F(xiàn)場服務人員應參與安裝、調試和驗收的各個環(huán)節(jié)。重視投產后的設計回訪，檢驗設計成果，總結經驗教訓。

表2 不同應用場所智能照明控制方式

在施工階段，企業(yè)維保等有關人員應提前介入，了解系統(tǒng)功能、熟悉安裝狀況等，有利于后期運行維修。

企業(yè)應重視竣工驗收前的培訓。企業(yè)應配齊運行維修、操作人員，由承包方等單位負責培訓，達到熟悉系統(tǒng)、熟練操作和維修，具備正確處理突發(fā)事故的能力。

職業(yè)教育應加強培養(yǎng)施工、維護、調控人員，使其具備通信、計算機網絡、自動化和建筑電氣等相關知識，以適應工業(yè)4.0時代的企業(yè)需求。

5.7 事實證明選用DALI系統(tǒng)正確

由于DALI智能照明控制系統(tǒng)在該工廠成功應用6年多，2019年在設計該公司另一新工廠時，繼續(xù)采用DALI系統(tǒng)。此時已是DALI-2時代，DALI-2的開關和傳感器直接接入DALI總線，接線更加簡單，控制更加便捷。市場已有200W大功率LED天棚燈取代400W金鹵工礦燈，采用DALI-2的LED驅動器直接接入DALI總線，控制更加靈活，每一套燈具都處于監(jiān)控之中。采用高光效、高性能、低功耗的LED天棚燈更加節(jié)能。

智能照明應用效果良好，但至今沒有數(shù)字接口防爆燈具等，呼吁加快研發(fā)，補上短板。智能照明制造業(yè)和系統(tǒng)集成商應開發(fā)、生產實用、質量可靠、價格合理的新產品，以便設計人員和用戶選用，多方共同推動智能照明發(fā)展。