基于現(xiàn)場總線分布式總線控制技術的智能照明控制系統(tǒng)設計分析

秦 超

（江蘇省無錫技師學院，江蘇 無錫 214000）

智能照明技術，整合了通信、電力和總線等多種技術，表現(xiàn)出較強的樓宇智控功能。KNX總線技術，表現(xiàn)出較強的國際規(guī)范性，能夠進行信息有效交互，適用于多種建筑環(huán)境，確保照明系統(tǒng)連接質量。為此，以會議室為視角，梳理KNX智控方法，具有較高的技術通用性，結合圖書館實例項目，驗證KNX總線科技的控制效果。

1 系統(tǒng)概述

總線設備大致有3種類型：傳感設備、執(zhí)行設備和控制程序。開關指令、控制指令等信息，傳輸至各系統(tǒng)之間，形成信息交互體系。KNX報文的信息組成包括總線專項、任務資料和核準資料。報文資料的初期地址，主要表現(xiàn)為物理地址，精準顯示報文設施的具體方位。目標方位，含有物理地址、組合地址信息等，以此明確接收報文資料的主體。用于接收報文的主體，包括設備、線路等。調試系統(tǒng)期間，物理地址表現(xiàn)出唯一性，結合初期設定的系統(tǒng)功能，會自動劃分相關設備，設為同組設備，配置設備地址。如果一組地址給出報文傳送指令，同組設備均可傳送報文，執(zhí)行報文指令[1]。

2 辦公建筑引入KNX總線的應用表現(xiàn)

2.1 辦公區(qū)的照明控制需求

辦公項目內部，結合各區(qū)域的照明需求，給出分區(qū)設計方案。會議室具有建筑場所的代表性，使用較多的電氣設備，以KNX總線系統(tǒng)，開展設備智控設計，能夠有效監(jiān)控多媒體設備、室內照明和電動窗簾，形成聯(lián)動智控體系。在光效不充足的地下停車區(qū)，車道兩邊的照明燈具，主要使用場景控制設備和移動感應設備進行聯(lián)合控制。如果有人、車輛經過感應區(qū)，區(qū)域內的燈具會開啟，照明一段時間。如果照明期間，未獲得人員、車輛的感應結果，會調整燈具照明亮度至最小值。建筑景觀照明，作為商務建筑的燈光特點，大區(qū)域的燈光照明，可采取定時控制方法，表現(xiàn)出各類燈光色彩，滿足人們的亮化景觀需求。

2.2 硬件設計方法

會議室的照明燈具，具體包括日光燈、照明帶和電動窗等，控制回路具有數(shù)量大、功能差異性及空間跨度長等特點。設計初期，在會議室開門處添加一組四聯(lián)開關。系統(tǒng)控制項目有：開關、卷簾和光照強度等。設計選用各類設備，接入組態(tài)軟件，確保各處通信的高效性。軟件連接后，各項執(zhí)行設備、總線元件，有效裝設于DIN導軌位置，使用KNX總線進行設備連接，保證執(zhí)行設備、總線元件的連接質量。

2.3 軟件控制方法

硬件設計完成，依據(jù)會議室的具體照明控制思路，使用ETS5軟件開展控制程序的編輯。創(chuàng)建智控房間，導入會議室內的各項待控設備，逐一添加設備物理名稱。載入各項設備地址，使用必要邏輯規(guī)則，關聯(lián)通信主體。當通信主體需劃分至若干個地址時，可形成多個信息鏈路。會議室中添加了四聯(lián)開關，對線路進行控制。

場景一的燈光效果是“會議型”，保障各處設備開啟、光線充足。場景二的照明調控是無人靜默狀態(tài)，此時光線強度最小，各設備處于循環(huán)運行狀態(tài)。在實際照明智控系統(tǒng)規(guī)劃期間，智控線路的規(guī)劃、照明需求，會結合項目實際需求發(fā)生轉變。KNX總線程序，無須給出重新布線方案，僅需采取總線設備參數(shù)的合理修正，保證邏輯連接規(guī)范[2]。

2.4 系統(tǒng)功能

此種系統(tǒng)智控設計方法，經系統(tǒng)開發(fā)后，可利用監(jiān)控界面，開展照明控制，確保照明控制的有效性，增強系統(tǒng)操作的便捷性。系統(tǒng)控制實踐中，可使用現(xiàn)場控制面板，確保執(zhí)行器的動態(tài)聯(lián)動效果，以此增加照明控制的便利性。如果設備存在故障問題，可運行總線控制程序，有效查看IP路由設備回傳的故障資料，以此給出快速響應，有效控制運維成本。此系統(tǒng)功能較為全面，具有系統(tǒng)操作的便利性，能夠高度集中監(jiān)管設備，與排水、暖通和消防等各類系統(tǒng)組成聯(lián)動體系。

3 圖書館項目KNX的總線智控設計實例分析

3.1 工程概述

H圖書館項目，預計用地規(guī)格約為8.32萬m2，項目建筑面積約為10.31萬m2，此項目層數(shù)規(guī)劃為：地上4層、地下1層。建筑項目高度約為22 m，東西走向長度約為335 m，南北長度約為250 m。依據(jù)最新的GB 50034—2004《建筑照明設計標準》規(guī)定，開展照明系統(tǒng)規(guī)劃。

3.2 照明燈具選擇

燈具選擇以光源性能為出發(fā)點，從性能、成本2個方面，作出燈具對比。一般情況下，選用節(jié)能性較強、照明時間長的燈具，以此保障照明質量。開敞類、透明罩2種直管熒光燈的照明能效較高。熒光燈內部設有電子鎮(zhèn)流裝置，能夠自主進行補償，補償操作后功率因素不小于0.90，可達到電磁兼容目標。圖書館項目，設計的照明燈具，應較少光照輻射，防止圖書發(fā)生質量變化，以熒光燈具為首選。選擇T8管熒光燈具，以此保障照明效果。使用較高的照明效率燈具，可優(yōu)化照明成本。

燈具控制的主要理念：引入先進照明控制方法，形成動態(tài)調整與遠程控制的聯(lián)合機制，在圖書存儲區(qū)、辦公區(qū)和設備房等位置，添加面板開關，分區(qū)控制照明設備，以此保證照明節(jié)能的有效性[3]。

3.3 以KNX為視角的智能照明方案

3.3.1 系統(tǒng)結構

H圖書館項目，文刊庫房高度設計為5 m，燈具類型選用T8 TL-D/840，此種熒光燈具有高效性，采取吸頂安裝形式。

圖書庫的照明設計，采取15豎排燈具設計方法，每豎排添加直管熒光燈12個。

（1）燈具個數(shù)的計算方法。假設書庫照明規(guī)范的平均值為100 lm，書庫區(qū)域A（照明區(qū)域面積）約有1 576 m2，書庫運維系數(shù)約為0.8，利用直管熒光燈獲取燈具系數(shù)u為0.40，光通量o為2 975 lm。照明強度平均值Eav的計算方式為

式中：k是一種修正系數(shù)，可獲得燈具個數(shù)N為166個。結合案例項目的實際照明需求，適當增加燈具數(shù)量，最終確定N為173個。N確定后，獲取照明度Eav，結果約為104.5 lm。經計算驗證：設計值與真實值的偏差約為4.5%，建筑照明要求燈具照度的設計值與真實值出入比不可大于10%，認定此種照明方案符合設計規(guī)范。

3.3.2 節(jié)能分析

結合各類項目的照明需求，合理選用高效節(jié)能燈具。參照建筑照明各項規(guī)范，能夠達到功率密度值的照明標準，給出有效的照明設計方案。積極利用現(xiàn)有光源，提升電能節(jié)約效果。增設燈具開關節(jié)點，提升燈具開關調節(jié)的便利性。照明控制程序，主要利用集中式、分布式等網(wǎng)絡體系，引入新型照明控制方法，保證照明智控的有效性，達到節(jié)能設計目標。

3.3.3 I-BUS系統(tǒng)的使用優(yōu)勢

I-BUS系統(tǒng)結構，是以KNX系統(tǒng)為基礎，擁有獨立運行的CPU，可保證系統(tǒng)內部傳感設備、驅動程序的運行質量。各類系統(tǒng)元件處于獨立運行狀態(tài)，可回避傳感設備、驅動程序形成的質量干擾。有效組建元件運維、元件更換和元件更新等程序。軟件系統(tǒng)進行各部分運維與升級時，其他模塊運行不受干擾，可保證運維質量。系統(tǒng)表現(xiàn)出較強的功能延展性，可添加必要組件，無須變動原有組件的設計方式，可豐富系統(tǒng)功能，順應線路的控制要求[4]。

系統(tǒng)結構較為單一，以總線規(guī)則確?；芈返目刂菩Ч?，尚未給出錯綜設計，無須使用較高數(shù)量的電纜。驅動程序、系統(tǒng)組件，主要裝設于強電箱?，F(xiàn)場傳感設備，能夠與強電箱組成一個總線體系。總線供電的電壓參數(shù)為24 V，以此保障供電的安全性，減少供電斷開問題。無須重新規(guī)劃現(xiàn)場線路，僅需少量編程處理，可增加控制方案調整的靈活性。

合理給出照明控制方案，能夠有效提升照明節(jié)能性，切實提升照明控制的有效性。借助時間設計、照明控制等方式，提升控制程序的運行質量，以此保障運維質量，減少能耗量。模塊產品逐步引用至驅動程序中，使用35 mm導軌裝設形式，符合照明配電箱的運行需求。IBUS系統(tǒng)結構主要表現(xiàn)出分層性，含有多個支線、分區(qū)。多數(shù)情況下，使用線路耦合器，能夠連接15條支線與干線，形成總線區(qū)域。

借助耦合設備可有效濾除無用的支線信號，以此保障主干線信息的通行效率。支線可建立IP設備的連接方式，使用局域網(wǎng)保證干線信息傳輸?shù)挠行?，切實增強系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)交互速度。局域網(wǎng)范圍內的信息傳輸速度，主要取決于網(wǎng)絡設備的運行能力。I-BUS的總線體系，無須進行接地處理，系統(tǒng)自身具有一定信號屏蔽功能。開關驅動設備，可通電進行系統(tǒng)檢測，以此有效檢測回路連接的各類電氣設備，檢查設備性能，如有設備故障問題，及時給出警報。

I-BUS KNX建立的控制程序，可使用編程方式加以調整，有別于其他控制程序。使用24 V電源，保證總線供電的平穩(wěn)性。以系統(tǒng)安全性為出發(fā)點，低電壓是保證模塊設計的關鍵因素。I-BUS KNX系統(tǒng)，可高效檢測各類接口性能，形成聯(lián)動控制體系。I-BUS KNX具有功能擴展的特點，有效擴增系統(tǒng)容量，豐富系統(tǒng)功能。

3.3.4 設計要點

（1）強電回路類別的設計。有效區(qū)別照明回路屬性，給出應急、一般2種供電的判斷。各照明線路中的負載功率最高值，需達到調光控制設備、開關控制設備的一般負載要求，不可超出額定負荷。針對照明回路類型，開展回路審核，保證照明回路順應照明場景的變動需求，形成層次性照明方案，增強空間照明的整體效果。

（2）依據(jù)照明回路的特點，配置相應的開關控制設備。光源屬性，直接確定了開關控制設備的類型，多數(shù)調光效果欠佳，源于開關控制設備選用不當。各類開關控制設備與燈具，初期生產時的配電規(guī)范，表現(xiàn)出差異性。為此，在開關控制器選用時，需開展必要的技術咨詢工作，保證控制器的設計合理性。

3.3.5 照明體系

（1）項目整體規(guī)劃。圖書館照明控制項目，含有7 000個讀書座席，1 000萬本書冊，圖書項目可接納大于1萬人次的閱讀需求，信息傳輸節(jié)點設有4 000個，網(wǎng)速1 000 M。項目分區(qū)包括藏書區(qū)、借書區(qū)、閱覽室、借卡辦理服務區(qū)和書目檢索區(qū)等。原有的照明管理形式，難以順應智能照明調控的各項需求。圖書館要求光線的適宜性、燈具的節(jié)能性，光線強度調整的個性化。為此，引入I-BUS KNX系統(tǒng)，有效開展照明智控。針對H圖書館一層公共流動區(qū)域，側重開展照明智控研究。

（2）公共流動區(qū)。H圖書館一層公共步行區(qū)，區(qū)域寬度約為2.2 m，線路長度約為40 m。依據(jù)建筑照明規(guī)劃的規(guī)范可知：案例項目公共步行區(qū)可引入100 lx的照明規(guī)劃標準，顯色參數(shù)Ra不小于80。燈具以筒燈為主要類型，配置13個燈具，間隔長度為3 m。KNX系統(tǒng)中添加了人體感應裝置，感應探測區(qū)域約為5 m。傳感器添加在步行區(qū)內，每個傳感器的控制范圍約為12 m。在步行區(qū)內添加照明開關驅動設備，以此保障一層公共步行區(qū)照明智控的有效性。

在圖書館一層添加中心控制設備，安放于消防控制中心，結合需求設計控制方案。比如，控制程序的運行時間起始時間為上午8點，結束時間為下午7點，其余時間人體傳感設備調整為“休眠”，可循環(huán)開啟部分燈具，保證基礎照明需求。如果公共步行區(qū)的燈具全部處于關閉狀態(tài)，需開啟人體感應設備的運行狀態(tài)。由于圖書館公共步行區(qū)具體人流行走的公用性，電梯運行條件下，樓梯使用頻率較低，需采取聲光延時控制方式，減少樓梯照明量，確保照明控制的有效性[5]。

（3）報告廳。H圖書館內設有報告廳，建筑面積總數(shù)約為810 m2，照明量可設成300 lm。照明燈具選用筒燈、投射燈，回路設計共有19條。報告廳內設有的燈具，均使用開關驅動設備進行照明控制，以單線回路設計為主要形式，不進行光線強度調整。投影幕布的添加，可結合業(yè)主的需求，調整幕布個數(shù)。開關驅動設備，需配置相應的控制回路，以此保障各組幕布線路的控制效果。報告廳增設了會議場景，采取間隔亮燈、燈具全亮2種形式。投影節(jié)目開始播放前，會關閉影廳各處的照明設施，開啟幕布后側的照明燈具。在頂棚位置，裝設照度感應設施。報告廳內，依據(jù)各類照度規(guī)范，可設計多種照明場景。

（4）室外照明。園區(qū)內、亮化項目等均融入智控平臺，形成多種照明效果，發(fā)揮照明智控的積極作用。

3.4 使用模糊算法，建立照明控制體系

3.4.1 照明控制方案

（1）面板開關智控。使用一般面板開關，作為當前圖書館照明使用較為廣泛的智控措施。一般開關可有效控制照明體系的一個回路。此種控制方案的不足為：如果需進行多個點位的照明控制，會增加開關連接線，形成復雜的線路結構，提升工程困難性；手動開關形式，需有效控制單回路，具有控制形式的簡單性，無法順應較多回路的控制需求，應配置一定數(shù)量的面板，會降低室內線路規(guī)劃的視覺效果。

（2）模糊算法照明調控法。室內外各處的光照強度、人員活動狀態(tài)及燈具照明光效等各類因素，在燈具運行時間增加時發(fā)生變動。此類因素具有較大的隨機性，難以進行定量精確性分析。為此，引入模糊算法，以此提升照明調控的有效性。

（3）模糊法的照明調控模型。依據(jù)模糊算法理論，梳理照明變量。設定語言變量。此層為輸入A層，變量有：人員流動性、各處光照亮度。屬性B層可對A層變量進行模糊處理。C層為模糊處理規(guī)則，D層為處理結果，E層用于輸出模糊計算結果。

3.4.2 控制設計

有效控制學習次數(shù)，獲取模糊算法的最小值。模糊算法的控制方案，使用VC編程方式，可能會獲取最小值。神經網(wǎng)絡學習期間，輸出結果發(fā)生的偏差，會形成誤差傳遞。為此，有效控制誤差傳遞，成為系統(tǒng)控制程序開發(fā)的關鍵。神經網(wǎng)絡的添加值，主要參考圖書館項目各處的照明亮度、人員數(shù)量2個變量，E層給出的結果，作為照明控制的主要依據(jù)。依據(jù)系統(tǒng)經驗可知：節(jié)點參數(shù)為15，學習速比參數(shù)為0.45，設計與真實值的誤差為0.01。

3.4.3 仿真運行

依據(jù)建筑照明要求可知，H圖書館室內各處的照明亮度應達到300 lx。圖書館內照明強度，需參照室外管線、館中人員的數(shù)量2個因素，給出綜合判斷結果。整合圖書館的實際資料可知，館內上午10點，館內光線照度約為200 lx；下午2點，館內光線照度最大值為340 lx；下午4點，館內光線照度為150 lx。使用KNX總線系統(tǒng)開展照明調控，結合室外光線強度、館中人員數(shù)量，給出動態(tài)的照明控制方案。光線強度的調整范圍取值介于0~350 lx之間。室外光線、館中人數(shù)2個變量參數(shù)的變動，相應調整照明控制方案。上午8點至11點，館內光線強度不高于150 lx，正午至下午4點，光線強度介于250~350 lx之間。經實踐發(fā)現(xiàn)：KNX聯(lián)合模糊算法的照明調控方法，具有一定節(jié)能性[6]。

4 結論

綜上所述，KNX系統(tǒng)具有向上兼容、操作性靈活和技術創(chuàng)新等特點，在國內多種樓宇項目中具有較強的適用性。KNX主線布設時以使用TP雙絞線、RF射頻和紅外線等科技作為信息傳輸媒介。在實踐中結合項目照明實際需求，積極融合軟件控制功能。引入模糊算法，提升智能控制的精確性，切實減少照明耗能量，有效發(fā)揮KNX系統(tǒng)的技術優(yōu)勢，使其服務于建筑，順應節(jié)能降本的項目管理需求。