建筑智能照明控制系統設計探討

林 捷

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著國民經濟與高新技術的不斷發展，人們對生活環境的要求越來越高。業主除了對建筑的傳統基本需求外，還在建筑的安全性、舒適性、節能、自動化與信息化等方面均提出更高的要求，其目的是創造舒適宜人，能充分提高工作效率而又具有極大靈活性的辦公與生活環境。其中，智能照明控制系統已開始廣泛應用于各種建筑物中。

根據不同的品牌，在設計中常用的智能照明控制系統的品牌有i-bus系統、 c-bus系統、 Dynalite系統、 instabus系統等。其中，i-bus系統采用KNX總線協議，具有線路簡單、安裝方便、抗干擾強，可靠性高、易維護、較好的開放性和可擴展性以及兼容性等特點。

1 i-bus系統工作原理及組網構架

1.1 工作原理

系統中受控負載直接與控制系統驅動器連接，所有總線元件都通過i-bus總線相互連接在一起。當傳感器探測到照度、溫度等變化或某個面板的按鈕被按下時，通過i-bus總線向設定的驅動器以電信號的形式發出指令，驅動器接收到電信號后經過內置微處理器CPU進行信息處理后再驅動負載，實現相應的控制功能。

1.2 系統構成

該系統主要由中央控制主機、總線元件、系統元件、通信網絡和通信協議構成。

中央控制主機：中央控制主機(PC機)通過USB接口模塊并使用ETS調試軟件編程，實現中控主機與i-bus系統的通信。

總線元件主要分為3大類：驅動器、傳感器、系統元件。

驅動器：負責接收和處理傳感器傳送的信號，并執行相應的操作，如開/關燈、調節燈的亮度、升降窗簾、啟停風機盤管或調節溫度等。

傳感器：負責根據現場手動操作或探測照度、溫度、人體移動等的信號，向驅動器發出相應的控制命令進行操作。

系統元件：為系統運行提供必要的基礎條件，如電源供應器、線路耦合器等各類接口。

1.3 i-bus系統形式分類

i-bus系統形式主要分為3大類：a.支線系統如圖1所示；b.中央控制主機+主干線+干線+支線系統，如圖2所示；c.中央控制主機+交換機+IP路由器+主干線+干線+支線系統，如圖3所示。

圖1 支線系統

圖2 中央控制主機+主干線+干線+支線系統

圖3 中央控制主機+交換機+IP路由器+主干線+干線+支線系統

(1)支線系統：i-bus系統最小的結構單元為支線，每條支線上最多支持64個總線元件運行，各支線實際所能連接的設備數取決于電源供應器的容量和支線元件的總耗電量。支線系統適用于總線元件小于64個的小型工程和智能家居系統。設計時宜預留20%的余量，一般宜不大于50個總線元件。根據產品樣本，每個系統元件耗電量一般不大于10 mA，電源供應器容量一般不大于640mA。

i-bus系統支線的形式有線型結構(圖1a)、星型結構(圖1b)、樹型結構(圖1c)，需要注意的是該系統不支持環型結構。線型、星型、樹型結構之間也可以組合成支線系統，系統設計靈活、簡單、可靠。多個不同形式的支線系統可同時存在，因此只要將按使用要求編好的程序輸入到系統各元件中，就能正常運行。而且，即使電源供應器停電或故障，由于系統內置有微處理器CPU，預設的程序命令也不會丟失。所以，即使某個支線系統出現故障，也不會影響其他支線系統的正常運行。

(2)中央控制主機+主干線+干線+支線系統：每條干線通過線路耦合器最多可連接15條支線。由支線、干線組成如圖2所述的系統結構稱為區域。一個區域中最多可連接15×64個總線元件。系統可通過主干線進行擴展，使用線路耦合器將每個區域連接到主干線上。主干線上可連接15個區域，故整個系統最多可連接15×15×64=14 400個總線元件(電源供應器和線路耦合器除外)。支線、干線、主干線數據傳輸速率均為9600bit/s，此傳輸速率滿足一般項目智能照明系統的要求。

(3)中央控制主機+交換機+IP路由器+主干線+干線+支線系統：對于大型項目，為提高通訊速率，在干線之間或支線之間采用IP路由器(IPR/S)，作為高速線路耦合器使用。IP路由器的最大數量為225,系統最多可連接64×225=14 400個總線元件(電源供應器和線路耦合器除外)。系統示意如圖3所示。

根據i-bus廠家提供的數據：

①所有i-bus總線電纜總和不超過1000m。

②任何兩個元件之間的i-bus總線電纜長度均不超過700m。

③電源到任何元件的i-bus總線電纜長度均不超過350m。

④若有兩個電源供應器，電源之間的i-bus總線電纜長度不得小于200m。

2 i-bus系統的控制要求

做好智能照明控制系統，其供電控制回路的劃分很關鍵，一般應根據建筑的功能分區進行控制。各功能分區可按下列原則進行劃分：

(1)按防火分區劃分，即每個供電控制回路不應跨越防火分區。

(2)按使用功能劃分，①走道照明不應與辦公室、會議室、教室等功能房間共用供電控制回路；②醫療建筑的潔凈走道和污物走道、醫生通道和病人通道、不應共用供電控制回路。③室內走道和室外連廊通道等不應共用供電控制回路。

①體育場館常用的場景有訓練場景、比賽場景、演出場景、轉播場景、清掃場景等，各場景之間可隨時相互切換。系統檢測照明回路開關次數、時間累計、電流、電壓等，并能監測回路故障、負載電流量、回路跳閘等故障，并自動報警。

②會議室、多功能廳、報告廳常用的場景有開會場景、討論場景、演出場景、投影場景、休息場景、離開場景等。當大會議室被分割為各獨立小間時，安裝在各不同分區的智能面板能獨立對該區域的照明、空調等進行控制，互不干擾。智能面板有防誤按功能，可通過按鍵或操作密碼實現面板解鎖，避免給重要會議造成不良影響。

③商店建筑常用的場景有備貨場景、白天場景、夜間場景、清掃場景、離開場景等。在準備時段、營業時段、盤貨時段、清場時段及清掃時段分別開啟不同數量的照明燈具及空調。

(4)對于斷電后將造成重大影響或重大損失的場所，其電源供應器的電源設計時宜按建筑的最高負荷等級供電，以保證系統的供電可靠性。

3 工程項目的應用設計探討

3.1 i-bus系統在辦公走道中的應用設計

若設計時考慮不充分，智能照明控制系統在辦公走道投入使用后會存在以下問題：

(1)未按工作日、節假日，上下班時段合理設置開關燈的時間、數量，不節能。

(2)智能面板通常設置在走道的出入口附近，遠離控制面板的辦公室工作人員晚上加班結束離開時，有可能走道燈被關閉。此時通常要摸黑到走道控制面板處開啟走道燈，使用起來很不方便。

（2）邊坡系數為1∶1的表層無覆土無植草邊坡60min內的土壤流失質量1.31kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土組的底部土壤流失量分別為0.0792，0.1089，0.1584kg；植生混凝土對底部土壤的反濾攔截率達86.92%。

(3)設置1/3燈開，2/3燈開時，由于編程時沒有設置分回路輪換開燈，導致每次均開同一回路的燈具，縮短了燈具使用壽命，增加燈具的維護成本。

針對上述問題，可采取相應的解決措施：

(1)設計時可按圖中所標相同序號劃分同一回路，通過軟件編程和時鐘模塊將走道上的燈定時設為1/3燈開，2/3燈開，全開，全關等模式。例如工作日上班時間8點～12點，下午14點～17點30分設置全開；12點～14點，17點30分～21點30分可設為1/3或2/3燈開，21點30分以后至次日8點前設為1/3燈開或全關。同時，通過編程系統自動將節假日期間的樓內轉換為移動感應模式，真正做到有人開燈、無人關燈，并提供安保基本照明，辦公走道一般照明如圖4所示。

(2)在走道上每隔12m(根據不同產品設置的距離不同)設置人體感應傳感器，人體感應傳感器感應到人員移動，自動開啟相關區域的燈具，人員離開后延時關燈，使用方便并且節能。

圖4 辦公走道一般照明平面示意圖

(3)在設置1/3燈開、2/3燈開時，可通過軟件編程設為分時段來交替開啟不同的照明回路。最大限度地保證每回路的燈具均有工作，避免總是開同一回路燈具，延長燈具使用壽命，節約燈具的維護成本。此外，人體感應傳感器可接入視頻安防監控系統，下班時間、節假日探測到有人移動時，通過攝像頭實時傳輸到安防監控室，并在監視墻顯示該區域的情況，提醒值班人員。

3.2 i-bus系統在地下車庫中的應用設計

車庫照明平面示意如圖5，車庫一般照明配電系統如圖6。

圖6 車庫一般照明配電系統示意圖

若未采用i-bus系統或BA控制的地下車庫照明，通常需在配電箱內控制車庫內照明，因此車庫內的燈具一般是常亮的，需專業電工持鑰匙進入到車庫配電間內打開車庫照明箱進行分、合閘操作，既不節能也不利于值班人員管理。而采用BA系統控制，往往以中央監控為主，缺乏現場調控手段，控制方式的靈活性不高，也不夠節能。此外BA系統所有的信息都在一條單一控制總線上傳輸，造成各控制器之間的干擾，影響整個系統的穩定性。

而車庫設置i-bus系統，當車輛或人員從上一個防火分區一進入到下一個防火分區二時，防火卷簾兩側的人體感應傳感器探測到車輛或人員經過，開啟該分區的車道照明，經過延時后再關閉上一分區的車道照明。由于是通過預先設計的程序自動控制，無需值班人員操作，也達到節能的目的。

3.3 i-bus系統在醫院病房樓護士站及走道中應用設計

護士站及走道照明平面示意如圖7，配電系統如圖8。

圖7 護士站及走道照明平面示意圖

圖8 護士站及走道照明配電系統示意圖

因醫院病房樓護士站是24h有人值班，故燈控智能面板應設置在護士站集中控制較為合理，走道出入口不設置燈控智能面板，防止病人或家屬、訪客誤操作。此外，病房樓的人流量大并且人員出入時間不固定，所以病房走道不宜設置人體感應傳感器，由護士站統一管理控制走道燈具。

護士站內燈具數量較少，光源一般不超過25個，按使用功能應劃分各自獨立回路控制從而達到節能目的。可以幾個照明回路共用一個斷路器，不僅節省箱內空間，減小箱體尺寸，節省造價。

3.4 i-bus系統在應急照明中的應用

i-bus系統的驅動器有應急開啟功能，能接收火災自動報警系統信號自動開啟，但是由于i-bus系統的中控電源常為非消防電源供電，線路及敷設均達不到防火要求。一旦發生火災，非消防電源被切除導致應急照明不能強制接通或線纜不具備耐火阻燃性能，存在重大安全隱患。因此，建議采用交流接觸器1km、2km，應急照明平時由 i-bus系統的驅動器控制，火災時強制接通，消防應急照明自成體系，從而保證供電可靠性,如圖9所示。

圖9 應急配電系統示意圖

4 結語

智能照明系統具有以下的優越性：

(1)運用先進的電力電子技術，不但可實現單點、多點、區域、群組控制、調光場景模式設置、定時控制、光照度自動感知、紅外線探測、無線遙控、集中監控等多種照明控制功能，而且可以優化能源的利用，降低運行費用。

(2)可通過wifi連接IPAD、手機等智能終端進行控制，具備良好的人機交互界面。

(3)如果需對建筑的功能房間進行改造或改變照明的場景模式，無須改變照明回路，只需簡單地進行程序上的變更，便可以調整照明場景模式并擴展功能，大大降低改造費用和縮短改造周期，適合不同使用要求。

(4)具有良好的開放性和可擴展性，可以和其他系統(如：BA樓宇系統、背景音樂及廣播系統、會議系統、火災自動報警系統、視頻監控等智能化系統)相互連接完成系統集成功能。

隨著世界經濟的發展以及全球環境的惡化，各國對節能減排也越發重視。我國作為世界第二大經濟體，有責任也有義務響應節能減排的政策并采取措施。而在建筑設計領域，國家和地方也不斷在發布和實施綠色建筑設計標準等，并且標準在不斷提高。所以在電氣設計時，針對各類建筑的特點，合理的設計智能控制系統顯得尤為重要。

參考文獻

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