照明控制系统的智能化发展趋势

摘要：随着照明的不断发展，照明控制系统已从传统控制方式发展到智能控制系统，本文对各个控制系统的控制原理都进行了分析，重点对智能照明控制系统进行了探讨，分析了集中式智能照明系统与分布式智能照明控制系统的特点，最后预测了智能照明必将取代普通照明。关键词：照明 控制系统 智能照明[align=center]The intelligentized trend of lighting control systemLiu Junhua Ye Feng（Southwest Jiaotong University ）[/align]Summary:With the development of illuminate, lighting control system have already developed to the intelligent control system from the tradition control system. This text analysed the principles of lighting control systems, especially introduced the intelligent control system .The characteristics of two intelligent lighting control systems are analyzed .Finally,it is predict that the intelligent lighting control system necessarily will replace the common lighting control systems.Keywords:Illuminate Control system Intelligent lighting 1引言 在当今世界经济全球化和区域经济一体化的形式下，随着信息行业和计算机产业的高速发展、人们物质与精神生活水平的迅速提高，人们对工作和生活环境的灵活性、高效性和舒适性要求越来越高，传统的工作、居住环境受到了强有力地挑战，智能建筑，智能小区，智能家居等应运而生，楼宇自动化（BA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、家庭自动化（HA）等各种自动化系统不断出现，人们对照明的要求也越来越高，传统的照明技术受到了时代的强烈冲击，现代照明技术发生了深刻的变化，“智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展，以致形成照明技术发展的一个重要趋势。2 传统照明控制方式 照明控制可分为开关控制和调光控制，调光控制又包括连续的调光控制（被控光源的光通量可连续的变化）和不连续的调光控制（被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化）。按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。热辐射光源，即利用电能使物体加热到白炽程度而发光的光源；气体放电光源，即利用气体或蒸气的放电而发光的光源。对于热辐射光源来说，既可以实现开关控制，也可以实现调光控制，只需要调节供给光源的供电电压即可调节光通量的输出。而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单的控制供给光源的供电电压，这类光源都有镇流器，220V工频电压经过整流器后再给光源供电，要实现调光控制，必须研制适应具体气体放电光源的匹配镇流器。通过控制镇流器的输出电压的频率和电压来调节光源的光通量输出。 自爱迪生发明第一个灯泡开始，传统照明控制方式就己经产生，这种控制方式多以手动控制为主。常见的有以下几种:其一，利用设置在灯具配电回路中的开关（配电回路中的保护开关或手动开关等）来控制配电回路的通断，从而实现灯具开关控制；其二，利用设置在灯具配电回路中的手动旋钮（传统调光控制柜和灯光控制台等）调节供电回路的电气参数（主要是电压、电流、频率等），从而实现灯光的明暗调节，即调光控制〔其原理如图1所示〕。 [align=center] 图1传统照明控制方式原理图[/align] 传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观。但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。3 自动照明控制方式 这种控制方式利用数字控制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（DDC）来控制配电回路中的交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。采用该种方式，解决了传统方式控制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。其控制原理如图2所示。 [align=center]图2 自动照明控制方式[/align] 自动照明控制方式与传统照明控制方式相比，主要解决的问题是集中控制的问题，自动化程度相对提高，但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得DDC在照明控制系统中表现出明显不足，不仅无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能。DDC系统的主要优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任务量增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 尽管集散控制系统（DCS ）逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说，仍然是传统的DDC技术，唯有把现场总线技术应用到现场设备级管理后，这个问题才能得到根本性解决。4 智能照明控制系统 二十一世纪是一个网络化时代，数字控制技术不断提高，网络化管理正逐渐渗透至各种传统控制系统中。进入二十世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对十照明的要求也发生了很大的改变。尤其在一些中高档的建筑中，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。 二十世纪90年代初，智能建筑己不再简单地等同于楼宇设备自动管理。在一些建筑物中的重要场所，简单地开关控制己无法满足要求。人们开始追求多样化的照明控制方式，使环境能体现出多种艺术效果。智能照明控制方式使照明自动控制不再依赖于楼宇设备自动管理系统，真正实现了照明控制的独立。同时该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制。它是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。它的出现和发展，使照明控制和维护管理变得更为简单，并为建筑照明提供了多种艺术效果。 智能照明控制系统被越来越广泛地接受和使用，这类产品和生产商更是层出不穷。正确的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。绿色照明是指所用照明产品高效率、长寿命、节电、节能、低噪音、低谐波、低电磁干扰。在照明设计中，合理和正确地选用照明控制方式，不仅是经济性和实用性的良好统一，也是一个实现“绿色照明”的重要环节。 目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。‘ 集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器（CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包，其结构如图3所示。该系统的优点:照明的控制功能高，故障的诊断和排除简单，存取协议简单，传输速率较高。其缺点是: 因过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。虽然采用多种改进措施后，可提高中央控制器和系统的可靠性，但其价格上的劣势仍十分突出。 [align=center]图3 集中式智能照明控制系统[/align] 分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备，通过一种访问控制策略，决定设备与监控中心信息传输的顺序，其结构如图4所示。 [align=center]图4 分布式智能照明控制系统[/align] 为了组建分布式智能照明控制系统，一般是把照明控制器和面板之间通过现场总线相连接，组建现场总线子网。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，网络中的每个节点都可以接受网络中其他节点的信息，非常方便的实现节点间互相监测与控制。这样就可以脱离于中央监控主机而独立运行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点连接方式带来的种种弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的连线，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。现场总线网络系统具有优良的系统扩展性，可以非常方便增加网络节点，如增加声音检测、照度检测、图像采集、红外线信号采集等网络节点，通过这些传感器节点采集人们活动环境的变化参数，上传至中央监控主机分析、处理、计算，做出各种控制决策，实现智能化管理，能够更好的满足智能建筑的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，可以实现设备状态、故障、参数信息传送。采用现场总线网络取代传统的控制电缆，大大地减少了电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式控制系统，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，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测控系统｝。 因而研究基于现场总线技术的智能测控节点成了研究测控新技术和新发展的重点。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革、自控化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战，因而对智能测控节点的研究既是对先进技术应用的研究，也是开发市场的需要。 而在照明控制中应用最广泛的是LonWorks现场总线，LonWorks（Local Operating Networks，局部操作网络）网络，简称L0N网，它标志着控制系统网络化的新纪元。LonWorks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制网络技术，众多的制造厂和用户纷纷在其控制网络方案中采用LonWorks技术。基于LonWorks智能节点的照明控制系统主要是以Neuron芯片作为智能控制节点，控制下属的各类执行单元，控制系统总体结构框图如图5所示。[align=center] 图5 系统总体结构[/align] 智能节点Neuron芯片一方面可以进行现场数据的采集和处理，另一方面也可以通过传输线路与其他控制节点连接，与上位控制机进行通信，实现了规模的扩展。构成 LonWorks 控制网络的 Neuron 智能节点由神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等组成，系统结构框图如图6所示。各部分的主要作用如下： （1）神经元芯片：控制现场数据的输入和输出、信息处理，还可以实现与LonWorks网络的通信。 （2） I/0接口：测量电路主要负责采集现场数据，控制电路将控制命令传输给执行单元，当上端指令传到控制电路后，控制电路负责打开或关闭相应的灯对象。 （3）其它电路：控制系统还包括晶振电路为神经元芯片提供工作时钟。复位电路可以避免神经元芯片工作在低于最小工作电压的情况出现。 [align=center]图6系统结构框图[/align]5 结束语 绿色照明已经正式列入国家计划,终端节能优先的观念已经深入人心;智能照明控制是节约能耗及提高物业管理水平、体现现代化生活方式与优化工作环境的有效手段。在不久的将来,智能照明将取代普通照明,各种优越性必然会得到充分的体现。参考文献[1]陈涛,毛信伟.智能照明控制系统的工程应用[J].智能电气,2004（11）:69-71.[2]王文升.智能照明控制与节能[J].智能建筑与城市信息.2005,（4）:120-122.[3]丘吉平.基于现场总线的智能照明控制系统分析与探讨[J].低压电器,2005,（7）:19-26. 作者的详细联系方式姓名： 刘军华工作单位：西南交通大学电气学院通信地址：四川成都西南交通大学九里校区241信箱 邮政编码：610031电话传真：13880604672E-mail：liujunhua24@163.com 38065125@qq.com作者简历： 刘军华（1982－），男，湖南永州人，硕士研究生，主要研究方向：控制理论及其应用。叶锋（1982－），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：现场总线控制系统。