基于IEC61499分布式智能照明控制系統的設計

譚寶　劉建群

摘 要： 針對智能樓宇中重要的照明子系統，設計基于IEC 61499分布式智能照明控制系統。采用固高科技的ideabox3 PLC作為硬件，將一棟樓宇分層、分區域進行控制。利用網頁技術實現操作友好的人機交互界面，通過Internet可以實現遠程操作管理，通過不同的情景模式和充分利用自然光，節約了能源。智能照明控制系統不僅提供安逸舒適的工作環境，而且可以遠程操作，便于管理，實現了“集中管理、分布控制”，也達到了理想的節能效果。

關鍵詞： IEC 61499； 分布式控制系統； 智能照明； LED

中圖分類號： TN915.5?34； TU113.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0182?05

Abstract： The distributed intelligent lighting control system based on IEC 61499 was designed for the important lighting subsystem in intelligent building. The ideabox3 PLC of Googol Tech is taken in the intelligent lighting system as its hardware to control each floor and each region of the whole building. The webpage technology is utilized to realize human?machine interface friendly operation. It is easy to realize remote operation and management via Internet. The system can save electricity by adopting the different scene modes and utilizing natural lighting. The intelligent lighting control system can provide a comfortable work environment， and can be operated remotely via Internet. The goal of "centralized management and distributed control"， and the ideal energy?saving effect were achieved.

Keywords： IEC 61499； distributed control system； smart lighting； LED

分布式控制系統中IEC 61499[1]功能塊標準的應用研究現已擴展到很多領域，例如：機場行李處理系統、鞋制造、機電一體化、智能樓宇[2]和智能電網[3]。這些案例的研究證實了IEC 61499相對于目前主流IEC61131?3標準的優勢，其具有封裝性、便捷性、配置性以及互操作性。智能照明系統[4]是智能樓宇系統中重要的一個子系統。智能照明控制技術包括計算機技術、智能控制技術、傳感器技術和通信技術，通過智能照明系統不僅提高了照明質量，延長了燈具的使用壽命，更加符合了現代的綠色節能減排理念[5]。如今LED在照明領域中使用廣泛，不同場合具有不同的要求，傳統的開關控制不能滿足現代人對智能照明的要求，逐漸地轉化到模擬控制和數字控制。分布式照明控制系統比較著名的有澳大利亞邦奇電子公司的Dynalite智能照明系統，法國施耐德電氣公司的C?BUS智能照明系統，瑞士ABB公司的基于EIB總線的I?BUS照明系統等[6?7]。現代智能樓宇照明控制系統的要求簡單概括為：根據季節轉變、日照時間的長短，采用合理的控制方式，充分利用自然光，并且在特定的時間、空間保持照度亮度、照度色溫，實現照明控制科學管理，節約成本，降低損耗、實現綠色、低碳、環保的生活工作環境。本文主要是針對樓宇智能照明系統涵蓋區域比較復雜，覆蓋分布范圍比較廣，控制方式要求多樣化、燈光數量多，既要滿足不同辦公區域的照度控制，又要做到節能要求，從而設計了智能照明控制系統。

1 IEC 61499

IEC 61499是IEC 61131的繼承者，是一個用于工業過程控制系統的國際標準。國際電工技術委員會（IEC）在2005年第一次提出了IEC 61499標準，在2012年進行第二次修訂。這個標準是隨著分布式工業控制系統功能分散化、設備智能化的要求出現的，它精確地定義了分布式工業控制系統的功能塊描述和應用程序的體系結構、模型和文本語法。

1.1 IEC 61499標準

IEC 61499 標準分為體系結構、軟件工具需求、應用指南和一致性行規指南四個部分[8]。它定義了一個通用體系結構，并指出了功能塊在分布式過程測量與控制系統中的應用規則。IEC 61499標準內容包括各種參考模型，如系統模型、設備模型、資源模型、功能塊模型等，其中功能塊是支撐IEC 61499標準體系結構的核心內容，資源是功能塊的容器，設備包含單個或者多個資源，而設備相互之間的連接形成分布式控制系統。

1.2 功能塊

IEC 61499中，軟件封裝和重用的基本單元是功能塊，IEC 61499功能塊能實現這種完全的分布式工業過程測量控制系統，其關鍵在于采用軟件組件設計功能塊。按照功能分為基本功能塊、復合功能塊、服務接口功能塊和適配器。基本功能塊由事件輸入/輸出、數據輸入/輸出、執行控制表ECC、內部數據和算法組成。其最大的特征在于封裝性，對于外部來講，算法、ECC內部數據是隱藏的，使用功能塊只需要外部接口。執行控制表是一個事件驅動的狀態機，滿足事件驅動或者邏輯條件，在兩個狀態之間進行轉化。復合功能塊是將多個基本功能塊再進行封裝成一個功能塊，基本功能塊模型如圖1所示。endprint

2 智能照明硬件系統

智能照明系統的硬件采用的是固高科技的ideabox3控制器、數字I/O模塊和模擬I/O模塊、繼電器、光照度傳感器、紅外傳感器、LED驅動以及LED調光燈具、射燈。通過光照度傳感器監測當前的室內光照度值，將光照數值傳遞給控制器進行算法比較，控制器再發出指令，控制數字或者模擬I/O模塊，從而控制LED燈的開關或調光。數字量I/O輸出的是高低電平，通過繼電器的通斷控制LED燈的亮滅狀態，模擬量I/O輸出的是0～10 V控制信號，從而控制LED驅動調節燈的明亮程度。紅外傳感器能檢測到空間是否有人，從而控制燈的開關，做到人來燈亮，人走燈滅。整個系統通過Internet能夠實現遠程控制。智能照明控制系統的硬件組成拓撲圖所圖2所示。

3 照明系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

對于分散控制系統而言，IEC 61499標準是內部軟件組件的一個焦點。這個標準衍生功能塊模型和概念，這使得用模塊化、分層化和可重用的軟件組件設計獨立于硬件的分布式控制程序成為可能。有了IEC 61499，控制應用程序可以在不知硬件平臺細節的情況下而被開發。

PLC軟件設計采用的是基于IEC 61499標準分布式控制系統，依據樓宇智能照明控制系統所控燈具分布廣、數量多的特點，充分利用分布式思想，將樓宇燈具分區域進行控制，把一個房間封裝成一個小的功能塊，樓層封裝成一個功能塊，一棟建筑樓封裝成一個功能塊，樓層功能塊包含了多個房間功能塊，樓宇功能塊包含了多個樓層功能塊。根據實際需要和系統以后升級需求，便于擴展或者刪除其中的一部分而不用影響其他的部分。分布式智能照明系統的IEC 61499設計框架圖如圖3所示。

由于IEC 61499標準，樓宇管理系統控制應用程序容易實現在不同的硬件上進行分散和部署配置。如圖4所示，樓宇功能塊部署在專用的PLC上用于處理樓宇級命令。另一方面，每層功能塊和它協調的眾多房間功能塊是部署在相應樓層處理本地HMI命令和接收遠程樓宇功能塊命令的PLC中。

3.2 智能照明控制案例

針對該項目案例的具體設計：將一棟樓封裝成一個復合功能塊，里面包含著7層樓的子功能塊，每層樓根據房間布置分成多個功能塊。整個智能照明系統分為1個樓宇功能塊（BuildingFB）、7個樓層功能塊（FloorFB），每層樓又分為若干房間功能塊（RoomFB）。因每層樓的設計大同小異，下面著重介紹二樓的設計。

二樓分為6個房間，每個房間安置一個控制器控制該房間的若干調光面板燈和射燈、筒燈。該層所有的控制器都掛載在層控制器上，可由層控制器監控該層所有房間的燈，房間與房間之間的信息通信是通過對應的功能塊接口連接進行的。在PLC程序中，每個房間設計了一個或者兩個功能塊（對應的是硬件模擬I/O模塊），當房間控制的燈具多，需要更多的I/O模塊硬件時，在硬件上加I/O模塊，軟件中插入一個I/O功能塊，將相應的接口用線連接起來即可，方便擴展。分布式控制程序物理部署圖如圖4所示。

當功能塊上的輸入事件觸發后，與該事件相關聯的數據才會更新參與算法的執行。當層控制功能塊輸入事件所有燈全開（AllSwitchON）觸發后，該層的所有燈亮；當房間功能塊輸入事件初始化（INIT）觸發后，與之相關聯的工作模式（WorkModeValue）數據會更新，房間的燈根據用戶給定的值處于不同的情景模式中。

4 實際案例的效果

4.1 人機交互界面

智能照明系統不僅需要操作友好的人機界面，而且也需要方便管理整個系統。針對智能樓宇系統中的智能照明系統，覆蓋的范圍廣，控制的燈具多，在中央控制室，用一臺PC機作為終端，監控整棟大樓的照明狀態，也可以使用移動終端聯網訪問照明控制系統。為了方便遠程操作和管理系統，采用B/S結構，通過瀏覽網頁的形式進行人機交互。采用在HTML基礎上，使用JavaScript開發交互式Web網頁。JavaScript的出現使得網頁和用戶之間實現了一種實時性的、動態的、交互性的關系，使得網頁包含更多活躍的元素和更加精彩的內容。在JavaScript中綁定PLC程序中的事件和數據接口，這樣就可以在網頁界面上操作，觸發功能塊的事件。人機交互界面采用3D動畫顯示燈具實體模型，采用SketchUp軟件進行實體三維建模。在網頁上輸入網址http：//10.0.0.2：8080訪問服務器，輸入用戶名googol和密碼，進入智能照明控制系統主界面。用戶登錄系統流程如圖5所示。

在人機交互主界面上點擊相應的三維模型圖對應的樓層，就會進入到對應樓層的實際模型中，樓層三維模型人機交互界面如圖6所示。樓層三維模型中亮的控制器代表該區域有燈是亮的狀態，灰色代表該控制器控制的燈為全滅狀態。可以用鼠標拖動或者旋轉3D模型圖。發貨區的人機交互界面圖如圖7所示。鼠標雙擊該控制器模型進入到相應控制的房間，該房間采用的燈具是 LED面板燈，可以進行調光控制，采用0～10 V模擬調光，3個燈具一組，同時控制。在3D模型上用鼠標單擊燈模型，可以對燈進行開關控制。右邊的圓環，可以在0～100%區間拖動，用于調節燈的亮暗程度。

根據房間的不同需求，如倉庫區和加工區，需要的光照度不一樣，即使是同一個房間，根據不同時間段，需要的光照度也是不一樣的。所以不同房間根據實際的需求選擇不同的情景模式，包含自動模式、午休模式、關燈模式、工作模式、投影模式、夜間模式。自動模式是保持房間為一定的照度值，當白天的時候，有自然光的條件下，光傳感器檢測到某一照度值，反饋到控制器，減弱燈的亮度；當夜晚的時候，無自然光時，增強燈的亮度，從而保持房間的照度為恒定值，這樣可以充分利用自然光，以達到節能效果；工作模式是根據員工上下班時間設定燈的工作時間段；午休模式設置柔和的燈光效果，保證員工有一個安逸舒適的午休環境；關燈模式可以一鍵關燈。當發生火災等緊急情況，一鍵疏散可以完成燈的緊急閃爍，指向安全出口方向，便于員工容易找到安全出口。endprint

經過現場測試，智能照明控制系統能夠有效運行，能夠實現燈的開關、無級調光以及各種情景模式。圖8是燈不同亮度對比圖。

4.2 節能效果分析

現代智能照明不僅要給人營造舒適安全的工作環境，更加注重環保節能、綠色低碳。

以項目案例為例，整棟樓宇采用LED燈有800盞，每盞功率80 W，按照夏季日光規律，白天時段（10 h計算）完全不需要燈處于全亮狀態，分別按照燈處于75%，50%亮度計算節約能量，每盞燈每天可以節約電能（單位：kW·h）：

4.3 智能照明系統的優點

經測試，本文采用的智能照明控制系統有效克服了可傳統照明控制方法的不足，其主要的優點在于：

（1） 減少能源的浪費。本系統采用可紅外探測功能，自動關閉無人房間照明燈，減少人為能源浪費，達到節能目的。

（2） 自動調光，充分利用自然光。光照度傳感器通過測定工作環境的照度，與預先設定好的光照值比較控制燈具調節亮度。室外光較強時，室內自動調暗，室外光較弱時，室內照度自動調亮，使室內的照度始終保持在恒定值附近，充分利用自然光實現節能目的。

（3） 創造舒適的工作環境，提高工作效率。可以根據不同場景自動調整室內多種燈光強度，使環境光線舒適，有利于提高生活工作品質和工作效率。

（4） 提高了管理水平，減少維護費用。本系統采用了網頁瀏覽方式，只要是能連接Internet網的終端，都可以登錄系統，遠程進行燈具的開關及調光。減少了工作人員的工作量，減少了管理成本。

（5） 延長了燈具壽命。本系統采用軟啟動的方式，能控制電網沖擊和浪涌電壓，使燈絲免受熱沖擊，燈具壽命得到了延長，不僅節省了大量燈具，而且大大減少了更換燈具的工作量，有效地降低了照明系統的運行費用。

5 結 語

本文完成了基于IEC 61499分布式智能照明控制系統設計和實際運用，將樓層進行分區域控制，做到“集中管理、分散控制”。本系統具有很強的擴展性，可以隨意刪減和增添樓宇中的控制區域，不僅實現了本地的管理操作，也可通過Internet聯網進行遠程管理操作，并且分析了智能照明系統節能效果。與傳統照明控制相比，優勢在于：照明控制智能化，確保照度一致性，場景模式變換靈活，產生可觀的節能效果，延長燈具壽命，提高管理水平，減少維護費用，改善環境舒適度，有利于提高員工的工作效率等。

參考文獻

[1] VYATKIN V. IEC 61499 as enabler of distributed and intelligent automation： state?of?the?art review [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2011， 23（5）： 34?38.

[2] ZHABELOVA G， VYATKIN V. Multiagent smart grid automation architecture based on IEC61850/61499 intelligent logical nodes [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2012， 59（23）： 51?62.

[3] MARTIRANO L. A smart lighting control to save energy [J]. Intelligent data acquisition and advanced computing systems （IDAACS）， 2011， 14（16）： 32?38.

[4] 王靚，煮瑞華.教學樓宇智能照明控制管理系統的設計[J].現代電子技術，2015，38（24）：102?103.

[5] 王寧，陳磊.基于ZigBee的校園路燈智能照明系統設計[J].電子技術與應用，2016，7（2）：14?17.

[6] 田靜.照明系統節能改造在引黃工程的應用[J].中國科技信息，2016，12（15）：37?40.

[7] DIBOWSKI H， PLOENNIGS J， KABITZSCH K. Automated design of building automation systems [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2012， 57（36）： 6?13.

[8] VYATKIN V. Function blocks for industrial process measurement and control systems： Part 1： Architecture， IEC 61499?1 standard [J]. International Electrotechnical Commission， 2012， 24（9）： 24?57.endprint