胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

【摘要】于現代照明對靈活性、舒適性、節能性和智能化的要求，提出KNX現場(chǎng)總線(xiàn)控制的智能照明系統的方案。在介紹KNX總線(xiàn)系統的組成及通信原理的基礎上，以報告廳為例，詳細介紹KNX總線(xiàn)系統的軟硬件實(shí)現方法。運行結果表明，系統運行穩定可靠，能夠實(shí)現開(kāi)關(guān)、調光、集中控制、場(chǎng)景控制等多種靈活控制功能，具有節能性、交互性和兼容性的優(yōu)點(diǎn)。系統的應用，充分展現了KNX現場(chǎng)總線(xiàn)的智能性、開(kāi)放性、便利性和靈活性，滿(mǎn)足了現代智能照明的要求，為類(lèi)似照明控制提出借鑒。 

【關(guān)鍵詞】KNX總線(xiàn)；智能照明；bus；報告廳；Winswitch3 

 

0 引 言

     隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(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，當前，照明不僅要滿(mǎn)足人們在視覺(jué)上豐富的感官效果，而且要滿(mǎn)足人們對照明舒適性、節能性、自動(dòng)化與信息化等方面的要求。傳統手動(dòng)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(wú)法滿(mǎn)足人們對現代照明的要求，更不能滿(mǎn)足人們對照明智能化和節能降耗的追求。依托計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等現代技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的智能照明技術(shù)可以很好解決上述問(wèn)題，為此得到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。 

     當前，智能照明技術(shù)一般可分為電力載波類(lèi)、無(wú)線(xiàn)控制類(lèi)和總線(xiàn)控制類(lèi)。張玉杰等研究了電力載波類(lèi)智能照明控制系統及應用，采用低壓電力線(xiàn)路作為智能照明系統的信號傳輸線(xiàn)路，避免重復布線(xiàn)，減少布線(xiàn)和施工成本，但是電力載波信號受負載變化、脈沖干擾影響衰減較為嚴重，由于無(wú)沖突避免機制，容易導致數據錯亂、丟失，不適合長(cháng)距離、多設備通信。孫海艷等研究了基于ZigBee的智能照明技術(shù)，王曦等研究了基于遠程紅外的智能照明技術(shù)，曹祥紅等研究了基于WiFi的智能照明技術(shù)，這些智能照明技術(shù)均屬于無(wú)線(xiàn)控制類(lèi)智能照明控制系統，應用時(shí)無(wú)需布線(xiàn)，操作靈活方便，適合于面積較小的智能家居，由于其無(wú)線(xiàn)信號受障礙物影響而衰減嚴重，無(wú)法應用于需要大面積、遠距 離通信的智能照明控制場(chǎng)合。對于總線(xiàn)控制類(lèi)的智能照明技術(shù)，郭鐵橋等研究了基于CAN的智能照明控制技術(shù)，于莉媛等研究了基于C—Bus總線(xiàn)的智能照明控制技術(shù)，這些總線(xiàn)類(lèi)的照明技術(shù)均滿(mǎn)足了現代照明要求，具有控制效果好，運行穩定，滿(mǎn)足大空問(wèn)、多設備、遠距離智能照明控制要求，但是總線(xiàn)協(xié)議的交互性、兼容性相對較差。KNX總線(xiàn)技術(shù)基于全球性的住宅與樓字控制標準，提供開(kāi)發(fā)式的標準協(xié)議，不僅具有電力載波類(lèi)、無(wú)線(xiàn)控制類(lèi)、總線(xiàn)控制類(lèi)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(xiàn)的智能照明控制系統方案，以報告廳為例，介紹系統的開(kāi)關(guān)控制、調光控制、感應控制 和場(chǎng)景控制等控制功能，從而實(shí)現照明系統的智能化、舒適性和節能性等效果。 

 

1 系統組成及通信原理 

     KNX硬件系統由系統元件、傳感器和執行器三部分元件構成，采用KNX總線(xiàn)通信，設備之間以雙絞線(xiàn)為傳輸介質(zhì)，以KNX報文實(shí)現信息傳遞，其中報文結構包括控制字段、地址段、長(cháng)度、實(shí)用數據等，控制字段控制報文是否重復、報文發(fā)送的優(yōu)先級等。 地址段由源地址與目標地址組成，源地址為總線(xiàn)元件的物理地址，按照域一線(xiàn)路一總線(xiàn)元件的方式配置，每個(gè)物理地址均W一的，為總線(xiàn)元件之間區別的W一地址，用于系統調試、檢測及維護。目標地址為總線(xiàn)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，執行器可以接收多個(gè)組地址的命令，其結構如表l所示。長(cháng)度字段記錄實(shí)用數據的字節長(cháng)度，實(shí)用數據段用于定義應用的不同功能，檢驗字節用于對報文執行奇偶校驗。

表1 物理地址與組地址

 

2 KNX總線(xiàn)在報告廳照明系統中的應用

 

2.1 報告廳照明控制要求 

     報告廳作為各類(lèi)會(huì )議、新聞發(fā)布、報告、演講等活動(dòng)的重要場(chǎng)所，對照明要求較高。本文以一般報告廳為例，介紹基于KNX總 線(xiàn)的報告廳智能照明設計與應用。一般報告廳包含大會(huì )議廳、貴賓室等房間，要求照明系統具有開(kāi)關(guān)、調光、分區、遙控、集中控制等多種控制方式，對不同應用模式具備不同的場(chǎng)景控制。比如在報告模式，要關(guān)閉報告廳聽(tīng)眾席的燈光，逐漸調暗投影儀周?chē)臒艄?，在保證基本照明的情況下，更大限度地觀(guān)看投影內容；在討論交流模式，要求打開(kāi)并調亮主席臺與聽(tīng)眾席位上所有的燈光等，作為公共大空間環(huán)境，要求系統運行穩定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，并具備一定的節能效果。 

2.2系統硬件設計 

     根據報告廳照明控制要求，系統采用符合KNX現場(chǎng)總線(xiàn)標準的bus智能建筑控制系統。依據報告廳的建筑平面圖，設計bus控制平面圖，如圖l所示。

圖1 bus控制平面圖

     報告廳由貴賓室、大會(huì )議室和設備控制室組成，考慮bus需要對貴賓室和大會(huì )議室燈光設備的控制，貴賓室照明由筒燈、射燈和燈帶等燈具構成，控制回路多，且貴賓廳使用較少，因此，設計時(shí)在貴賓室配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)和6131移動(dòng)感應器一個(gè)。大會(huì )議室由筒燈、壁燈等燈具構成，控制回路多，空間跨度大，設計時(shí)在報告廳入口處配置一個(gè)6324五聯(lián)智能面板。設備控制室控制設備較少，配置6324五聯(lián)智能面板一個(gè)。對于系 統執行器的選擇，由于系統需要開(kāi)關(guān)控制、調光控制等控制方式，設計時(shí)選用SA/S12.16.1開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器、6197+6593+6594調光控制器、UD/S 2．230．1通用調光器等為執行器，配置系統元件SV/S30.640.5，所有執行器和總線(xiàn)元件均安裝在配電箱的DIN 導軌上，執行器和總線(xiàn)元件設備之間用bus總線(xiàn)J—Y(st)YH相連，并連接至現場(chǎng)傳感器。

 

 

2.3 軟件設計 

     在硬件設計完成的基礎上，根據報告廳智能照明控制要求， 需要對智能照明系統進(jìn)行軟件設計，基于KNX總線(xiàn)的智能照明控制系統的軟件編程采用ETS3編程軟件實(shí)現，編程時(shí)首先在ETS3中創(chuàng )建房間，在房間中添加傳感器、執行器和總線(xiàn)元件，設置傳感器和執行器的物理地址，分別下載物理地址。之后根據功能的不同設置組地址，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，執行器組地址根據控制功能的不同可以劃分多個(gè)組地址?？紤]到整個(gè)應用系統程序較長(cháng)，選取貴賓廳燈光控制來(lái)介紹軟件編程設計，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(kāi)關(guān)控制，長(cháng)按為對回路進(jìn)行調光控制，基本功能與編程如圖2所示。

圖2 貴賓廳基本功能與編程

 

3 運行結果分析

     系統經(jīng)過(guò)編程調試，測試運行結果如圖3所示。圖3為貴賓廳組態(tài)軟件Wimwitch3的監控界面圖，監控界面上設置總開(kāi)關(guān)和各組燈光分開(kāi)關(guān)，可分別對現場(chǎng)燈光進(jìn)行集中控制。當前，左邊筒燈和右邊筒燈處于打開(kāi)狀態(tài)，其余燈光處于關(guān)閉狀態(tài)，滿(mǎn)足控制要求。應用過(guò)程中，系統現場(chǎng)面板和感應器的控制狀態(tài)可實(shí)時(shí)反饋到監控界面，監控界面的控制命令也通過(guò)KNX總線(xiàn)傳輸到驅動(dòng)器，進(jìn)行相應的動(dòng)作，具有很好的交互性。當出現開(kāi)關(guān)面板或監控界面開(kāi)關(guān)打開(kāi)而燈光不亮時(shí)，可檢查總線(xiàn)是否工作正常、驅動(dòng)器是否正常及回路斷路器是否處于打開(kāi)的狀態(tài)，判斷故障原因，便于查找故障。系統采用6324面板具有遙控控制功能，通過(guò)相應的遙控開(kāi)關(guān)，可實(shí)現系統的遙控控制。

圖3系統監控界面圖

     考慮到貴賓廳使用較少，系統在貴賓廳采用了6131移動(dòng)感應器，做到有人開(kāi)燈、無(wú)人延時(shí)關(guān)燈，即節約能量，又實(shí)現人性化的管理。大會(huì )議室采用報告會(huì )場(chǎng)景、演講會(huì )場(chǎng)景、清掃場(chǎng)景、離開(kāi) 場(chǎng)景等多種場(chǎng)景，合理控制開(kāi)燈時(shí)間和調節燈光亮度，提供光源利用率，實(shí)現了節能效果。

系統應用過(guò)程中，KNX總線(xiàn)系統在保證獨立運行的同時(shí)，可通過(guò)標準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，或上層管理平臺BMS服務(wù)器和其他系統進(jìn)行數據交換和共享；通過(guò)系統輸入元件，接受其他系統或工作人員發(fā)出的干結點(diǎn)信號和交直流信號，實(shí)現消防系統、安保系統、音響系統和會(huì )議系統的聯(lián)動(dòng)，使控制的燈光或設備進(jìn)行及時(shí)變化。因此，采用KNX總線(xiàn)的智能照明系統具有控制靈活和兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。

 

4 安科瑞智能照明控制系統

4.1系統簡(jiǎn)介

     Acrel-BUS智能照明控制系統，是基于KNX總線(xiàn)技術(shù)設計的控制系統。KNX總線(xiàn)技術(shù)起源于歐洲，是在EIB，Batibus和EHS這三種住宅和樓宇的總線(xiàn)控制技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的，其中EIB（EuropeanInstallationBus,歐洲安裝總線(xiàn)）是該總線(xiàn)技術(shù)的主體。

     Acrel-BUS智能照明控制系統采用標準的2*2*0.8EIBBUS總線(xiàn)（即KNX總線(xiàn)）作為總線(xiàn)線(xiàn)纜，將所有的智能照明控制模塊連接到一起并組成一套完整的控制系統，既可實(shí)現照明燈具的遠程集中控制，又可實(shí)現就近控制功能。該系統理論可連接控制模塊數量達580000多個(gè)。

安科瑞智能照明產(chǎn)品種類(lèi)齊全，方案完善。用戶(hù)可通過(guò)控制面板、人體感應、照度感應、微波感應、上位機系統、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實(shí)現靈活多樣的智能控制，特別適合于各類(lèi)智能小區、醫院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機場(chǎng)、隧道、車(chē)站等大型公建項目的照明系統。

4.2系統工作原理示意圖

4.3產(chǎn)品選型

 

4.3.1開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器

     用于對設備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的驅動(dòng)器，具有延時(shí)、預設、邏輯控制、場(chǎng)景、閾值開(kāi)關(guān)等功能，電氣參數如下：

4.3.2調光驅動(dòng)器

     2路0-10V調光器，可對每路進(jìn)行回路開(kāi)關(guān)控制并輸出0-10V調光信號對具有0-10V調光接口的燈具進(jìn)行調光,具有開(kāi)關(guān)、場(chǎng)景、狀態(tài)反饋等功能，電氣參數如下：

 

4.3.3傳感器

     傳感器是一種能感受外界信號、物理條件（如光、移動(dòng)）的設備裝置，并將感應的信息傳遞給其它設備裝置（如調光器、開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器），電氣參數如下：

 

4.3.4總線(xiàn)電源

KNX/EIB系統標準供電電源，為總線(xiàn)提供電壓640mA輸出電流，至多可以為64個(gè)設備供電，帶總線(xiàn)復位、過(guò)流指示和短路保護。標準導軌安裝，電氣參數如下：

4.3.5智能面板

     用于接受按鍵觸動(dòng)信號，可通過(guò)區分短按與長(cháng)按并結合不同參數配置實(shí)現開(kāi)關(guān)、調光、場(chǎng)景、窗簾控制、調溫、報警等功能，電氣參數如下：

4.3.6干接點(diǎn)輸入模塊

     用于接受外部干接點(diǎn)信號輸入，可通過(guò)不同參數配置實(shí)現開(kāi)關(guān)、調光、場(chǎng)景、窗簾控制、調溫、報警等功能，電氣參數如下：

 

 

4.4系統功能

（1）光照度（需要配照度傳感器）監測，對利用自然光照明區域，根據自然光照度變化，進(jìn)行照明控制和調節，滿(mǎn)足照明和節能要求；

（2）公共區域、走廊、通道、門(mén)廳、電梯廳等的照明，應設置紅外或微波類(lèi)人體感應器，并結合智能控制面板，實(shí)現各種場(chǎng)景照明控制，盡可能較少燈具點(diǎn)亮時(shí)間；

（3）樓梯間照明采用人體感應探測控制；

（4）設備房、設備房走道采用分組就地控制；

（5）室外路燈、景觀(guān)等照明采用光照度控制結合時(shí)控的集中控制方式；

（6）監控系統界面友好，畫(huà)面美觀(guān),實(shí)時(shí)顯示各區照明工作狀態(tài)；

（7）應具有完善的用戶(hù)權限管理功能，避免越權操作；

 

4.5系統應用領(lǐng)域

4.6系統的控制優(yōu)勢

（1）系統可通過(guò)、觸摸屏、電腦對現場(chǎng)的燈光、空調及窗簾等進(jìn)行遠程集中控制，使得控制更加方便智能，用戶(hù)體驗更好；

（2）系統中控制模塊均工作在直流30V安全電壓下，用戶(hù)操作更加安全、舒適；

（3）系統在實(shí)施過(guò)程中，充分結合自然光及人員的活動(dòng)規律來(lái)自動(dòng)控制燈光，減少能源消耗，達到很好的節能效果；

（4）系統采用分布分布式KNX總線(xiàn)結構，搭建簡(jiǎn)單靈活，系統內各模塊互不影響，可獨立工作，可靠性更高；

（5）多種控制方式可供選擇，如本地控制，自動(dòng)感應控制，定時(shí)控制，場(chǎng)景控制和集中控制等，控制方式更靈活；

（6）系統的自動(dòng)控制、遠程集中控制等功能，在實(shí)現自動(dòng)化的同時(shí)，大量減少了值班人員，提高了管理水平和工作效果；

（7）升級系統內控制模塊或更改系統功能時(shí)，無(wú)需增加連接線(xiàn)，不需關(guān)閉整個(gè)系統，只需更改設備參數即可實(shí)現，維護方便，操作簡(jiǎn)單；

（8）系統可與消防系統聯(lián)動(dòng)，在出現消防報警時(shí)，強制打開(kāi)應急回路，方便人員疏散，從而降低了人員傷亡的風(fēng)險，提高了建筑的安全性。

 

4.7安科瑞組網(wǎng)方案

 

     智能照明控制系統組網(wǎng)方式靈活，擴展方便，當系統模塊數量較少、距離較近、范圍較小時(shí)，各設備以樹(shù)形枝狀延伸，構成支路系統智能照明控制系統；當系統模塊數量較多、距離較遠、范圍較大時(shí)，用支線(xiàn)耦合器組成多條支路，構成區域智能照明控制系統；當系統模塊數量很多、距離很遠、范圍很大時(shí)，用支線(xiàn)耦合器、區域耦合器等構成樓群智能照明控制系統。

 

5  結 語(yǔ)

     KNX總線(xiàn)智能照明系統采用KNX總線(xiàn)電纜連接傳感器、驅動(dòng)器和總線(xiàn)元件，通過(guò)編程實(shí)現了系統的開(kāi)關(guān)控制、調光控制和遙控等多種靈活控制功能，滿(mǎn)足了系統控制要求。采用組態(tài)軟件Winswiteh3實(shí)現系統集中控制，減少了管理人員的工作量，采用移動(dòng)感應器、場(chǎng)景控制等控制方法，合理利用能量，延長(cháng)了燈具的使用壽命，通過(guò)以太網(wǎng)接1：3、輸入元件等可實(shí)現與其他系統的數據共享和任務(wù)聯(lián)動(dòng)控制，不僅滿(mǎn)足了現代化建筑復雜多變的環(huán)境需要，還能夠滿(mǎn)足人們對安全性、舒適性、節能性和智能化等方面的要求，有很大的發(fā)展前景。 

 

【參考文獻】

［1］張玉杰，李棟，郭向陽(yáng)．基于互聯(lián)網(wǎng)+的電力載波路燈照明系統設計[J]．電子器件，2017，40(3)：651—655． 

［2] 胡兵.KNX現場(chǎng)總線(xiàn)控制在智能照明系統的應用.

［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版.