智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
引言
隨著人民生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時(shí)對照明系統(tǒng)的要求也越來越高。照明領(lǐng)域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當(dāng)大的比例，節(jié)約能源和提高照明質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經(jīng)占到了電力消耗的10%左右，并且隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，照明用電還將不斷增加。下面就由廣州萊安智能化系統(tǒng)開發(fā)有限公司來介紹一下：
傳統(tǒng)照明技術(shù)受到了強(qiáng)烈沖擊。一方面，由于信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展對照明技術(shù)的變化提供了技術(shù)支撐；另一方面，由于能源的緊缺，國家對照明節(jié)能越來越重視，新型的照明技術(shù)得以迅速發(fā)展，以滿足使用者節(jié)約能源、舒適性、方便性的要求。
智能照明系統(tǒng)是最先進(jìn)的一種照明控制方式，它采用全數(shù)字、模塊化、分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過五類控制線將系統(tǒng)中的各種控制功能模塊及部件連接成一個(gè)照明控制網(wǎng)絡(luò)，它可以作為整個(gè)建筑物自動化管理系統(tǒng)（BA系統(tǒng)）[2]的，一個(gè)子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)軟件接入BA系統(tǒng)，也能作為獨(dú)立系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，在照明控制實(shí)現(xiàn)手段上更專業(yè)、更靈活，可實(shí)現(xiàn)對各種照明燈的調(diào)光控制或開關(guān)控制，是實(shí)現(xiàn)舒適照明的有效手段，也是節(jié)能的有效措施。
智能照明系統(tǒng)可對白熾燈、日光燈(專用鎮(zhèn)流器)、節(jié)能燈、石英燈等多種光源調(diào)光,滿足各種環(huán)境對照明的要求。適用范圍有:大型公共建筑,如會展中心、航站樓、客運(yùn)站、體育場館、大型商場等;博物館、美術(shù)館、圖書館等文化建筑和教學(xué)建筑;星級酒店和高檔寫字樓的宴會廳、多功能廳、會議室、大堂、走道等場所。
通過采用智能照明系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)以下控制功能:
(1)時(shí)鐘控制:通過時(shí)間設(shè)定實(shí)現(xiàn)各照明區(qū)域的不同控制。
(2)調(diào)光控制:通過照度探測器和調(diào)光模塊,達(dá)到各區(qū)域照度值始終在預(yù)先設(shè)定值范圍。
(3)區(qū)域場景控制:通過控制面板和調(diào)光模塊,實(shí)現(xiàn)各照明區(qū)域的場景切換控制。
(4)動靜探測控制:通過動靜探測器和調(diào)光/開關(guān)模塊,實(shí)現(xiàn)各照明區(qū)域的自動開關(guān)控制。
(5)手動遙控器控制;通過紅外線遙控器,實(shí)現(xiàn)在正常狀態(tài)下各區(qū)域內(nèi)的照明燈具的手動控制和區(qū)域場景控制。
(6)應(yīng)急照明控制:系統(tǒng)對特殊區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急照明所執(zhí)行的控制。
智能照明控制系統(tǒng)原理與組成
智能照明系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)控制平臺的全數(shù)字、模塊化、分布式總線型控制系統(tǒng)。中央處理器、模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)總線直接通信，利用總線使照明、調(diào)光、百葉窗、場景、控制等實(shí)現(xiàn)智能化，并成為一個(gè)完整的總線系統(tǒng)?？梢罁?jù)外部環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)總線中設(shè)備的狀態(tài)，達(dá)到安全、節(jié)能、人性化的效果，并能在今后的使用中根據(jù)用戶的要求通過計(jì)算機(jī)重新編程來增加或修改系統(tǒng)的功能，而無須重新敷設(shè)電纜，智能照明控制系統(tǒng)的可靠性高，控制靈活，是傳統(tǒng)的照明控制方式所無法做到的。
智能照明的系統(tǒng)通常主要由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、PC接口、時(shí)間管理模塊、手持式編程器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)（大型網(wǎng)絡(luò)需網(wǎng)橋連接）等部件組成。
線路系統(tǒng)：總線式智能照明簡單的開關(guān)特點(diǎn)：負(fù)載回路連線接到輸出單元的輸出端，控制開關(guān)用五類線與輸出單元相連。負(fù)載容量較大時(shí)僅考慮加大輸出單元容量，控制開關(guān)不受影響；開關(guān)距離較遠(yuǎn)時(shí)，只須加長控制總線的長度，節(jié)省大截面電纜用量；可通過軟件設(shè)置多種功能（開/ 關(guān)、調(diào)光、定時(shí)等）?？偩€式智能照明系統(tǒng)雙控電路特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)雙控時(shí)只需簡單地在控制總線上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)即可；進(jìn)行多點(diǎn)控制時(shí)，依次并聯(lián)多個(gè)開關(guān)即可，開關(guān)之間僅用一條五類線連接，線路安裝簡單省事。
控制方式：智能照明控制，采用低壓二次小信號控制，控制功能強(qiáng)、方式多、范圍廣、自動化程度高，通過實(shí)現(xiàn)場景的預(yù)設(shè)置和記憶功能，操作時(shí)只須按一下控制面板上某一個(gè)鍵即可啟動一個(gè)燈光場景（各照明回路不同的亮暗搭配組成一種燈光效果），各照明回路隨即自動變換到相應(yīng)的狀態(tài)。上述功能也可以通過其他界面如遙控器等實(shí)現(xiàn)。
照明方式：智能照明控制系統(tǒng)采用“調(diào)光模塊”，通過燈光的調(diào)光在不同使用場合產(chǎn)生不同燈光效果，營造出不同的舒適的氛圍。
圖1 總線制智能照明控制系統(tǒng)
管理方式：傳統(tǒng)控制對照明的管理是人為化的管理；智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能源管理自動化，通過分布式網(wǎng)絡(luò)，只需一臺計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對整幢大樓的管理。
智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
所謂智能照明控制系統(tǒng)，其實(shí)根據(jù)某一區(qū)域的功能，每天不同的時(shí)間、室外光亮度或該區(qū)域的用途來自動控制照明。其中最重要的一點(diǎn)就是可進(jìn)行預(yù)設(shè)，即具有將照明亮度轉(zhuǎn)換為一系列設(shè)置的功能。這些設(shè)置也成為場景，可有調(diào)光器或中央建筑空股指系統(tǒng)自動調(diào)用。[8]
4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)。通訊方式以無線方式為主,輔助以電力載波。
整個(gè)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī),嵌入式控制器,電力線載波中繼,前端區(qū)域。如圖2所示。其中,前端包括主控制器,若干單元調(diào)光控制器,電力線載波中繼,以及遙控器。如圖3所示。
圖2 智能照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3 前端區(qū)域組成示意圖
一個(gè)主控制器控制多個(gè)單元調(diào)光控制器,各單元調(diào)光控制器也可自主控制。主控制器控制與多個(gè)單元調(diào)光控制器通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,輔助以電力線載波中繼。其中,遙控器的控制方式靈活多樣,既可遙控主控制器,也可對某單元調(diào)光控制器直接控制。
單元控制器與主控制器都具有遙控器學(xué)習(xí)功能。用戶可根據(jù)自己的需要,自己設(shè)定遙控器上每一個(gè)按鍵的功能,甚至可以一鍵多控。主控制器通過無線發(fā)射模塊對各單元調(diào)光控制器。主控制器可以對每一個(gè)單元調(diào)光控制器進(jìn)行照度、情景模式等設(shè)定,并記錄和顯示設(shè)定值。各單元調(diào)光控制器通過光敏元件感知照度,可直接控制燈具的照度或亮度。其調(diào)光方式為前端斬波。如圖4所示。
圖4
如圖4所示,控制器中的MCU通過調(diào)節(jié)圖中的“可調(diào)時(shí)間t”,來控制一個(gè)周期內(nèi)燈的得電時(shí)間,從而調(diào)節(jié)燈的亮度。單元調(diào)光控制器可以通過無線接收模塊接受主控制器的控制,通過對遙控器的學(xué)習(xí)后,也可以直接接受手持遙控器的控制。
傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)是控火線。為了安裝方便,并可以直接替代傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān),而無須修改室內(nèi)線路,單元控制器要設(shè)計(jì)為“單線制”取電模式。即只要接上火線與燈就可以正常工作,不用接零線。
4.2電氣節(jié)能設(shè)計(jì)
（1）光源選擇
照明器的控制要根據(jù)各房間使用的不同特點(diǎn)和要求區(qū)別對待，盡可能做到使用方便，又為節(jié)電創(chuàng)造條件。智能照明控制系統(tǒng)能對大多數(shù)燈具(包括白熾燈、日光燈、配以特殊鎮(zhèn)流器的鈉燈、水銀燈、霓虹燈等)進(jìn)行智能調(diào)光，給需要的地方、在需要的時(shí)間以充分的照明。及時(shí)關(guān)掉不需要的燈具，充分利用自然光，其運(yùn)行節(jié)能效果充分。實(shí)現(xiàn)智能照明控制一般可以節(jié)約20—40%的電能，不但降低了用戶電費(fèi)支出，也減輕了供電壓力。[9]
（2）改善照明器的控制器
照明器的控制，要根據(jù)各房間使用的不同特點(diǎn)和要求區(qū)別對待，盡可能做到使用方便，又為節(jié)電創(chuàng)造條件。燈具損壞的一個(gè)主要原因是電網(wǎng)的電壓，過高的工作會使燈具的壽命大大降低。因此，有效地抑制電網(wǎng)電壓的波動可以延長光源的壽命。智能照明控制系統(tǒng)可以成功地抑制電網(wǎng)的沖擊電壓和浪涌電壓，使燈具不會因上述原因損壞。同時(shí)系統(tǒng)采用軟啟動和軟關(guān)斷技術(shù)，避免了開啟燈具時(shí)電流對燈絲的熱沖擊，使得燈具壽命進(jìn)一步延長。從而減少更換燈具的工作量，降低照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。通過上述方法，光源的壽命通?？裳娱L2—4倍。
（3）充分利用自然光
建筑物內(nèi)盡量利用自然采光，靠近室外部分的建筑面積，應(yīng)將門窗開大，采用透光率較好的玻璃門窗，以達(dá)到充分利用自然光的目的。凡是可以利用自然光的這部分的照明，可采用按照度標(biāo)準(zhǔn)檢測現(xiàn)場照度進(jìn)行燈光自動調(diào)節(jié)。
照明節(jié)能中，在滿足照度、光色、顯色指數(shù)要求下，應(yīng)采用高效光源及高效燈具，對能利用自然光部分的燈具或可變照度的照明采用成組分片的自動控制開停方式，可達(dá)到照明節(jié)能的效果。
可調(diào)節(jié)有控光功能的建筑設(shè)備(如百頁窗簾)來調(diào)節(jié)控制天然光，還可以和燈光系統(tǒng)連動。當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)，無論在什么場所或天氣如何變化，系統(tǒng)均能保證室內(nèi)的照度維持在預(yù)先設(shè)定的水平。智能照明控制系統(tǒng)可采用全自動狀態(tài)工作。系統(tǒng)有若干個(gè)基本狀態(tài)，這些狀態(tài)會按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間相互自動切換，并將照度自動調(diào)整到最適宜的水平。
（4）照明配電選擇照明配電
1）穩(wěn)定電壓；當(dāng)光源端電壓升高時(shí)，電耗增加；設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮穩(wěn)定電壓措施，如采用照明專用變壓器，并且必要時(shí)自動穩(wěn)壓；和電力負(fù)荷共用變壓器時(shí)，應(yīng)避開沖擊性負(fù)荷對照明的影響。
2）提高COSΦ；
3）降低線路阻抗，適當(dāng)加大截面；
4）合理的控制方式，如微機(jī)自動開關(guān)燈，調(diào)壓、調(diào)光方控，還有對道路燈（鈉燈）采用恒功率輸入，恒光通輸出，采用后半夜降低燈端電壓或燈功率，以降低光輸出，節(jié)約輸入電能等。
（5）利用可再生能源。
太陽能是一種取之不竭、用之不盡的綠色光源。但對其只能進(jìn)行即時(shí)利用卻不能用于儲存。我們可通過對各種集光裝置的運(yùn)用來完成對太陽能的采光。通過對照明的空調(diào)一體化技術(shù)(實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過空調(diào)型照明裝置與建筑構(gòu)造的整合,達(dá)到提高照明質(zhì)量、節(jié)約電力能源和優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境的一種建筑化照明技術(shù))的實(shí)施來完成對太陽能的儲存,從而達(dá)到對可再生資源的很好利用。
4.3 設(shè)計(jì)步驟
（1）選用適當(dāng)技術(shù)規(guī)格的控制器
①按電光源性質(zhì)和場地照明效果設(shè)計(jì)的燈光布置進(jìn)行回路的分類或分組，形成邏輯上可獨(dú)立控制的燈路。
②計(jì)算每條回路的實(shí)際視在功率并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)總回路數(shù)。
③按計(jì)算出的功率和回路數(shù)選擇相應(yīng)型號、規(guī)格和數(shù)量的控制器。
④將確定的控制器繪入圖紙。
（2）選擇用戶要求使用的控制面板
用戶控制面板的操作方式與常規(guī)使用的開關(guān)面板相似。不同的是控制面板上的每個(gè)按鈕能完成各種不同的智能任務(wù)，并不受控制區(qū)域范圍限制。
（3）形成分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
用一條五類通信線將區(qū)域內(nèi)的所有控制面板，輔件和開關(guān)控制器等連接起來構(gòu)成一個(gè)分布式控制網(wǎng)絡(luò)。
①選配系統(tǒng)其它控制輔件。
②將每一個(gè)實(shí)際控制區(qū)域或系統(tǒng)設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)選用的控制面板，控制輔件和控制器等用五類通信線全部按菊花鏈方式互連起來，構(gòu)成整體的控制系統(tǒng)。
4.4結(jié)果和分析
主控制器與各單元調(diào)光控制器之間通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,可以用主控制器對各單元實(shí)施控制,也可以通過遙控器對各單元實(shí)施控制。應(yīng)用無線智能照明系統(tǒng)不僅不需要考慮控制場景控制器的安裝位置，還不需要敷設(shè)傳統(tǒng)照明所需的控制線及預(yù)埋管。系統(tǒng)因此變得簡單化，只需要通過控制程序既能完成控制，不用拉過多的線去實(shí)現(xiàn)控制，系統(tǒng)簡化后，還方便了施工，節(jié)省了人工費(fèi)。
智能照明系統(tǒng)應(yīng)用潛力分析
（1)良好的節(jié)能效果
采用智能照明控制系統(tǒng)的主要目的是節(jié)約能源，智能照明控制系統(tǒng)借助各種不同的預(yù)設(shè)置控制方式和控制元件，對不同時(shí)間不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這種自動調(diào)節(jié)照度的方式，充分利用室外的自然光，只有當(dāng)必需時(shí)才把燈點(diǎn)亮或點(diǎn)到要求的亮度，利用最少的能源保證所要求的照度水平，節(jié)電效果十分明顯，一般可達(dá)30%以上。[10]此外，智能照明控制系統(tǒng)中對熒光燈等進(jìn)行調(diào)光控制，由于熒光燈采用了有源濾波技術(shù)的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，降低了諧波的含量，提高了功率因數(shù)，降低了低壓無功損耗。
（2)延長光源壽命。
不僅可以節(jié)省大量資金，而且大大減少更換燈管的工作量，降低了照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，管理維護(hù)也變得簡單了。無論是熱輻射光源，還是氣體放電光源，電網(wǎng)電壓的波動是光源損壞的一個(gè)主要原因。因此，有效地抑制電網(wǎng)電壓的波動可以延長光源的壽命。
智能照明控制系統(tǒng)能成功地抑制電網(wǎng)的浪涌電壓，同時(shí)還具備了電壓限定和軛流濾波等功能，避免過電壓和欠電壓對光源的損害。采用軟啟動和軟關(guān)斷技術(shù)，避免了沖擊電流對光源的損害。通過上述方法，光源的壽命通常可延長2～4倍。
（3）改善工作環(huán)境，提高工作效率
良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個(gè)必要條件。良好的設(shè)計(jì)，合理地選用光源、燈具及優(yōu)良的照明控制系統(tǒng)，都能提高照明質(zhì)量。
智能照控制系統(tǒng)以調(diào)光模塊控制面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平開關(guān)控制燈具，可以有效地控制各房間內(nèi)整體的照度值，從而提高照度均勻性。同時(shí)，這種控制方式內(nèi)所采用的電氣元件也解決了頻閃效應(yīng)，不會使人產(chǎn)生不舒適、頭昏腦脹、眼睛疲勞的感覺。
（4）實(shí)現(xiàn)多種照明效果
多種照明控制方式，可以使同一建筑物具備多種藝術(shù)效果，為建筑增色不少?，F(xiàn)代建筑物中，照明不單純地為滿足人們視覺上的明暗效果，更應(yīng)具備多種的控制方案，使建筑物更加生動，藝術(shù)性更強(qiáng)，給人豐富的視覺效果和美感。以某工程為例，建筑物內(nèi)的展廳、報(bào)告廳、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系統(tǒng)，按其不同時(shí)間、不同用途、不同的效果，采用相應(yīng)的預(yù)設(shè)置場景進(jìn)行控制，可以達(dá)到豐富的藝術(shù)效果。
（5）管理維護(hù)方便
智能照明控制系統(tǒng)對照明的控制是以模塊式的自動控制為主，手動控制為輔，照明預(yù)置場景的參數(shù)以數(shù)字式存儲在EPROM中，這些信息的設(shè)置和更換十分方便，使大樓的照明管理和設(shè)備維護(hù)變得更加簡單。
結(jié)論
智能照明已經(jīng)正式列入國家計(jì)劃,終端節(jié)能優(yōu)先的觀念已經(jīng)深入人心;智能照明控制是節(jié)約能耗及提高物業(yè)管理水平、體現(xiàn)現(xiàn)代化生活方式與優(yōu)化工作環(huán)境的有效手段。智能照明使得照明方案具備高度的靈活性，系統(tǒng)投入使用后，會帶來高質(zhì)量的照明環(huán)境，提高整個(gè)建筑物的智能化管理水平，也可以便捷地調(diào)整照明系統(tǒng)，既滿足美觀、實(shí)用的要求，同時(shí)又達(dá)到了綠色節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此，智能照明會有更廣闊的應(yīng)用前景。
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