基于现场总线的智能照明控制系统分析与应用

一、引言

计算机从它产生的那天就开始了在自动控制系统中的应用。早在20世纪60年代，为了提高控制精度和灵活性，人们提出了直接数字控制（DDC）；进入20世纪90年代后，随着计算机网络技术的迅速发展并迅速在控制系统中得到应用，即集散控制（）很快占领了工业控制领域的主导地位；在20世纪80年代末期，为了实现DCS系统与其低层控制器、传感器的通信，出现了现场总线技术（FiELDBus），它是把单个分散的控制或测量设备变成网络节点，以现场总线网络为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线适应了工业控制向分散化、网络化、智能化方向的发展，一经产生变成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。

二、照明控制

对照明设备而言，照明控制可分为开关控制和调光控制。在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。照明控制方式多种多样，按其实现方式大致可分为以下几种。

（一）传统照明控制方式

传统照明控制方式主要以手动控制为主，依靠供电回路中的手动开关来控制回路的通断，实现灯具的开关控制；利用供电回路中的手动调节元件来调节回路的电压实现调光控制。这种传统方式相对简单、有效、直观，但它过多依赖手工操作。整个系统相对分散，无法实现有效地管理，其适时性和自动化程度太低。

（二）自动照明控制方式

这种控制方式利用直接数字控制（DDC）技术来遥控灯具的开关，通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器来控制供电回路中接触器的分合，从而控制供电回路的通断，实现灯具开关控制。采用该种方式，解决了传统控制方式的相对分散和无法有效管理等问题，实现了照明控制的自动化，但却无法实现调光控制功能，有很大的局限性。

（三）智能照明控制方式

20世纪90年代初，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，办公自动化、楼宇自动化、家庭自动化的出现，人们对照明控制提出了更高的要求，从而产生了智能照明控制方式。所谓智能照明控制，就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室内外亮度或该区域的用途来自动控制照明设备，并能够实现集中统一管理与监控的功能，并结合现代照明技术、照明艺术，科学的管理照明设备，让人们在一个不仅在照明技术参数指标方面应达到标准的要求，而且舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境里工作和生活。智能照明控制是楼宇自动化系统的一个子系统，可以不再依赖于楼宇设备自动管理系统而独立运行。它不仅可以实现开关控制和调光控制，还可以预设许多灯光场景，根据时间、场所的功能、室内外照度自动调整场景。

从智能照明控制系统的组成方式看，主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。例如在市场中的i-bus总线、邦奇Dynet总线、Philips的DALI总线、日本松下的HBS总线、以及X-10的电力线载波协议等等。现把国外几家公司的产品比较如下，见表1。

三、基于现场总线的智能照明控制

传统照明控制方式和基于DDC的自动照明控制方式都是采用“点对点”的连线方式，即一个控制点连接一根控制线。这样浪费很多电缆，施工安装复杂，如果要更改控制方式，就必须重新改线路。如果把照明线路中的开关或控制箱作为现场总线中的一个网络节点，然后通过现场总线这个枢纽组成网络，所有的控制信号、开关灯的状态信号以及采集的电量信号都通过现场总线网络进行通信，这样，网络出现的澳大利亚奇胜C-BUS总线、美国ABB公司中的监控节点（如：智能主机）可以控制和检测网络中所有设备的运行状态。其网络拓扑见图1。

四、智能照明控制的几种现场总线介绍

（一）C-Bus总线

C-Bus即ClipsalBus的简称，是奇胜（Clipsal）公司的总线协议，采用两线制双绞线，即一对线上既提供总线设备工作电源（15 VDC～36VDC），又传输总线设备信息，总线设备之间直接通讯，无须通过中央控制器。C-Bus的传输协议为CSMA/CD，通信速率为916Kb/s，可设成线形、星形或树形拓扑结构，但不支持环网结构。子网为基本单位，每个子网最多容纳100个单元或者255个控制回路，最大传输距离为1000m。

（二）Dynet总线

Dynet是邦奇（Dynalite）公司面向照明系统的封闭控制总线协议。Dynalite系统采用4线制两对双绞线，即一对双绞线提供DC12V总线设备工作电源，另一对双绞线用于传输总线设备信息。安装时推荐使用五类线（四对双绞线）作为传输介质，没有用到的线可以作为备用。Dynet是一种基于RS485四线制的传输协议，只支持线形网络拓扑结构，主网可通过网桥连接64个子网，每个子网可连接64个总线设备单元，其子网传输速率为916KbPs，主网最高可达5716KbPs。Dynet相应的操作软件是Dlight。

（三）DALI数字化可寻址调光接口

数字化可寻址调光接口（Digital Addressable Lighting Interface），简称为（DALI），1994年列入IEC60929标准，得到国际主要芯片、灯具、镇流器和夹具制造商的支持，1999年Philips公司对DALI协议做了进一步的完善工作，并在汉诺威国际灯展上推出了基于DALI的系列产品。

（四）X-10电力线载波总线

X-10采用电力线载波技术，在北美取得了巨大的商业成功。X-10信号根据电力线信号正负过零点处120kHz脉冲信号出现与否来进行传输。信号帧头标识符为1110，该标识符仅以真值形式传送，其余每个信号分别以真值和补码两种形式在交流电的零相位开始传送，为了和三相交流电的过零点相一致，这些数据帧必须连续传送三次。该协议产品无需布线，易用价廉是它的最大卖点。

（五）HBS总线

HBS的全称是家庭总线系统（Home Bus System），它是由日本一些知名企业，包括日立（Hitachi）、松下（Mutsushita）、三菱（Mitsubishi）、东芝（Toshiba）等联合提出的，并得到了日本政府和商会的支持。HBS协议规定了如何通过双绞线或同轴电缆实现家庭电器、电话、音频、视频装置的互连，着眼于家用电器的综合自动化。同时，HBS协议也考虑了如何在家庭内获得远程服务，如在家购物、远程医疗和远程教学等。协议主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制，采用专用总线，具有抗干扰强、响应速度快、开发成本及风险较低的特点。

（六）i-bus总线

i-bus总线是基于EIB（欧洲安装总线）标准的两线网络。EIB（European Installing Bus）在欧洲的楼宇/家庭自动化标准中占主导地位。截至2002年6月，全球有300余家制造厂商生产5000余种EIB兼容产品，占据欧洲楼宇，家庭自动化设备销售总额的80%。EIB协议由中立的、非盈利组织EIBA统一管理，任何愿意遵守EIB协议的制造厂商均可以申请并通过EIB认证后生产EIB产品。

五、C-BUS智能照明控制系统在仙桃体育馆中的应用实例

（一）项目概况

仙桃体育馆是兴建的新场馆，主馆为综合性的正式比赛用场馆，有活动看台，可容纳超过4500名观众。场馆的屋顶范围为70×70m；最大比赛区域为45m长，30m宽；活动看台伸出时，比赛区域为35m长，20m宽。湖北仙桃为“中国体操之乡”，在这里将举办国家级的体操比赛；而且还将进行篮球、排球、室内田径、室内足球、手球、羽毛球、乒乓球、网球、拳击、武术、柔道、举重等非转播比赛。除比赛外，这个综合馆还能够适应多种用途。

（二）照明设计简介

为满足该体育馆的功能，设计了六个照明模式，满足不同场合下的彩电转播、比赛、一般训练的要求，同时，也考虑到观众席照明，以及在停电或者供电线路故障情况下的应急照明模式。其所选灯具及照度计算分别见表2～表5。

（三）电气设计

该体育馆供配电系统为两路单独的双电源互投箱给正常照明和应急照明供电；主场馆照明为80套1000W灯具，设计每两套灯具为一个回路，共计40个回路（W1～W40）；观众席照明为36套400W灯具，每5～6套灯具为一个回路，共计7个回路（W41～W47）；应急照明为16套1500W卤钨灯，2～3套灯具为一个回路，共6个回路（W48～W53），由EPS智能应急电源供电，其配电系统框图见图2。

（四）C-BUS控制系统应用设计

按照以上供配电设计，回路的功率都在2kW以上，线路中工作电流大于10A，而比赛场地与观众席灯都为高强度气体放电灯（HID灯），不具备调光功能，应急灯则不需要调光的功能。因此，在每个回路中配置交流接触器，应用C-BUS现场总线系统控制接触器的吸合来开关灯，并通过开启不同的灯或者开灯的数量来满足比赛场地的各种模式（体操彩电转播模式、体操比赛模式、体操一般训练模式、篮球彩电转播模式、篮球比赛模式、篮球一般训练模式、应急照明模式、观众席照明模式、清扫模式等等）。

该工程选用C-BUS智能主机（型号：5000CU/2）一台，十二路继电器（型号：5512RVF）一台，按键开关Neo开关（型号：E5058NL）两个，按照不同回路在不同模式中的开灯情况进行归类，选用接触器，并设置控制按键与之对应，控制原理图见图3，各回路的控制对应关系见表6。

六、智能照明控制的前景展望

根据《2004年中国照明器具制造行业研究报告》表明，在不久的将来，智能照明将取代普通照明，成为照明行业的新锐主流产品；报告预计，到2008年，智能照明的市场容量将突破100亿元大关；2004年2月，在奥运科技前景论坛上，智能照明被提上议程，国家建设部要求2010年在全国大中城市中，60%的住宅实现智能化；种种迹象表明，智能照明市场前景将更加乐观。

国外智能照明控制发展很快，也比较成熟和日趋完善，在智能建筑、智能小区、智能家居中得到普遍应用，获得了良好的效果。目前我国智能照明控制的研究开发和应用正努力迎头赶上，通过引进国外的先进技术和产品，在上海、北京、广州等多个大城市的智能建筑中得到应用，取得了很好的社会效益和经济效益，有力的推动了我国智能照明控制技术的发展。