工業智能照明應用分析

楊巖敏

（東風設計研究院有限公司）

1 引言

工業照明數字化、信息化和智能化是工業4.0智慧工廠的主要特征。每個燈具配備數字接口和具有雙向傳輸特性是實現工業照明“三化”的基礎。智能照明系統集成到IBMS（智能建筑管理系統）系統，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、節能環保、健康舒適、智能高效、個性需求的目的。

2 智能照明控制系統篩選概況

智能照明控制系統是利用計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術、傳感技術等現代科學技術，通過對環境信息和用戶需求進行分析和處理，實現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[1]。

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

①無線協議的技術比較簡單，不需要設計布線及安裝成本，但存在通信不穩定的現象，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智能照明的應用。

②DMX協議是一種燈光控制器與燈具設備之間數字調光的協議標準。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議，系統規模較大。系統采用開關或調光器控制照明回路，不能單燈控制。

④Dynet協議是Dynalite公司的照明控制封閉協議，系統規模較大。協議封閉，不同廠家的產品不兼容。

⑤DALI(Digital Addressable lighting interface)數字化可尋址照明接口，是一種照明控制開放協議。DALI定義了照明裝置與控制器之間的通訊方式，數據結構簡單，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，并能上傳燈具狀態和能耗信息，做到對每套燈具精確控制和精準管理，實現了許多基于回路控制的智能照明控制系統無法實現的功能。DALI智能照明控制系統滿足數字化、信息化和智能化的工業照明基本要求。

3 DALI智能照明控制系統簡介

國際標準IEC62386系列《Digital Addressable lighting interface》（與 國 家 標 準GB/T30104系列《數字可尋址照明接口》等同，版本滯后）制定了DALI從物理傳輸到控制命令及設備行為統一的標準。最早的DALI協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協議為主從結構，具有數字通信和數字控制的能力。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設備進行數字通信、傳遞指令和狀態信息，可以獨立操作DALI總線上的任何一個燈光設備，實現燈的開關、控制調光和系統設置等功能。

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

DALI協議基本技術參數見表1。

4 DALI智能照明控制系統在工業照明的應用

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動機工廠電氣部分。該工廠的數字化、信息化和智能化程度高，要求照明也如此。權衡諸系統利弊，選用DALI智能照明控制系統進行設計。

4.1 智能照明控制系統網絡架構

智能照明控制系統采用二層分布式結構，分為現場控制層和監控管理層，詳見圖1。采用DALI總線作為燈具末端信息傳輸節點，負責執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模塊接入到現場PLC。現場PLC通過工廠TCP/IP網絡集成到IBMS系統中，實現遠程控制和管理。

表1 DALI協議基本技術參數

4.2 現場控制層

PLC主要由CPU模塊、DALI模塊、數字量輸入模塊、數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），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），之后控制系統自動根據工作時間逐漸提高，保持照度需求值不變，從而抵消光衰產生的影響。

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

5 智能照明控制系統應用分析

該工廠采用DALI智能照明控制系統正式運行6年多，系統運行穩定、安全可靠、操作管理方便、控制靈活、節能高效，基本實現了工廠照明的數字化、信息化和智能化。

5.1 DALI系統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系統可以進行預防性維護管理

該工廠數十萬平方米廠房，燈具數萬套，多安裝在高處。DALI智能照明控制系統的每套燈具信息均可上傳，在中控室可以監視每套燈具的故障、開關等狀態。當燈具、驅動器等出現故障時系統能及時發出報警信號，提醒運維人員及時更換。燈具運行到壽命期，發出維護報警，提醒處理。與傳統照明相比，減少了運維人員，降低了維修費用。

5.4 DALI系統可以單燈監控，節能高效

系統采用單燈能耗監控，確保企業掌握照明能耗數據及實際節能效果，為照明維護及節能方式提供調整依據，并為企業管理提供信息。經測算，應用該系統照明，節能達到30%以上。

5.5 DALI系統可以對照明資產進行數字化管控

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。系統可以對照明資產進行數字化管控，最終實現照明系統與其他工業系統之間的有效聯動、實現工廠數據交融整合、實現工廠生產的大數據管理。

5.6 充分發揮智能照明控制系統功能的四個環節

設計者必須貫徹執行國家相關政策、標準和規范，要不懈地再學習，適應信息化、智能化時代。承擔設計任務時，應根據工廠建設規模和需求及發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。重視與系統承包方的溝通和技術交底，認真審查承包方的深化設計圖。現場服務人員應參與安裝、調試和驗收的各個環節。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，企業維保等有關人員應提前介入，了解系統功能、熟悉安裝狀況等，有利于后期運行維修。

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

職業教育應加強培養施工、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4.0時代的企業需求。

5.7 事實證明選用DALI系統正確

由于DALI智能照明控制系統在該工廠成功應用6年多，2019年在設計該公司另一新工廠時，繼續采用DALI系統。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控之中。采用高光效、高性能、低功耗的LED天棚燈更加節能。

智能照明應用效果良好，但至今沒有數字接口防爆燈具等，呼吁加快研發，補上短板。智能照明制造業和系統集成商應開發、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展。