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照明控制系统的研究与应用 摘要 照明控制技术随着智能建筑的兴起而迅速发展，成为照明技术发展的又一个重要方 向。照明控制系统是高标准建筑不可缺少的重要组成部分，对于保证照明质量，改善照 明光环境，实现绿色照明的目标意义重大，随着人们生活水平的提高将会有广阔的应用 前景。 本文简要叙述了建筑照明设计的常用方法，结合人类的一般视觉特性，从照明的目 的、照度标准、照明方式的确定、光源的选择、灯具的选用、照明计算等方面分析了保 证照明质量的重要性，提出采用照明控制系统营造不同视觉需求的光环境，同时节约电 能，实现绿色照明。本文分析了现有的几种照明控制方式的控制原理、优缺点、适用场 合、以及在使用中应注意的事项；并提出照明控制系统的功能和结构，研究了该系统的 软、硬件设计方法。针对参与的体育馆电气设计工程，采用可编程序控制器( p l c ) 作 为控制器，并进行了软件设计和计算机监控系统设计。该系统已在体育馆的照明系统中 投入运行，收到了良好的预期效果。 本文的主要工作如下： 1 分析了照明设计对于建筑环境和功能的重要性，提出了建筑照明的设计方法。 2 综合比较了现有的几种照明控制方式的性能和特点，设计了经济实用的照明控 制系统方案。 3 完成了体育馆控制系统软硬件的总体功能设计。 本文设计的照明控制系统具有良好的经济效益和推广应用价值。 关键字：光环境，建筑照明，照明控制，p l c 东南火学工程硕士学位论文 a b s t r c t l i g h t i n gc o n t r o lt e c h n i q u eh a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n dh a sb e c o m eo n ei n l p o n a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f1 i 曲t i n gt e c h n i q u e a s i n t e l l l g e n t a r c h i t e c t u r e r i s e s i n t e l l i g e n t l i 曲t i n gc o n t m ls y s t e mi st h ei m p o n a i l tp a r t si ni n t e l l i g e n ta r c h i t e c t u r e ，a n di si m p o r t 孤t d e s c e n d a n ts y s t e mo fb a s i th a sa j l 曲p o n a n tm e a n st op r o t e c tl i g h tq u a l i t y ，i m p r o v e l u m i n o u se n v i o m m a n ta n dr e 捌z eg r e e nl i g h t i n ga st l l e p e o p l e sl i v i n gl e v e l “s e s ，t 1 1 e i n t e l l i g e n tl i 曲t i n gc o n 订o ls y s t e mw i l lh a v eaw i d e l ya p p l i c “o nf u t u r e t h i sp a p e re x p a t i a t e st h eg e n e r a lm o t t l e d sa b o u ta r c l i t e c t u r a l i i g h t i n gd e s i g na 1 1 d c o m m o nh u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i e sb r i e n y ，i n v e s t i g a t e sc o m m o nm e t h o d so fe a s yh o m e l i g h t i t l gd e s 培nf r o mt 1 1 eo b j e c to f1 i g h t i n g ，r e s i d e u c ei l l u m i n a t i o ns t a n d a r d ，t h ed e c i s i o no f i i 曲ts t y l e ，t h ec h o i c eo f1 i 曲ts o u r c e s ，t h ec h o i c eo fl u m i n a i r e s ，t h ec a l c u l a t i o no fl i 曲t e t c a s p e c t s t h ea u t h o u rp u t sf o n v a r dav i s u a ll u m i n o u se n v i o m m e n tw h i c hp m v i d e db yl i 曲“n g c o n t r o ls y s t e m s i m u l t a n e o u s l yi tc a ns a v ee n e r g yt or e a r i z eg r e e n1 i 曲t i n gt h i sp a p e ra n a l y s e s t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fg e n e r a ls e v e r a li n t e l l i g e n ti i g h t i n gc o n n d lm e t h o d s ，a n a l y s et h e i r a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s ，a p p l i c a t i o n sa n dt h ep r o c e e d i n g ss h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oi nt h e a p p d i c a t i o n s ；b r i n g sf o r w a r dt ot h es y s t e mf u n c “o no fi n t e l l i g e n t1 i 曲ts y s t e m ，s t u d i e sd e s 培n w a y so fi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e a i m i n ga tt h ee l e c t r i cp r o j e c to fg y n m a s i u m ，t 1 ea u m o r u s e sp l ca sc o n t r o l l i n g ，d i s i g n sm ec o m p u t e rs o f t 、a r ea 1 1 ds u p e r s i v es y s t e m t | l i ss y s t e mh a s b e e na p p l i z e di ng y m n a s i u ml i g h t i n gs y s t e ma n dh a sy i e l d e dg o o dr e s u l t s m a i nt a s k so ft h et h e s i sa sf o i l o w s ： 1 a n a l y s e st h ei m p o r t a n c eo f1 i g h t i n gd e s i g nt oa r c h i t e c t u r a le n v i o r n m e n ta n df h c t i o n ； e x p a t i c a t e st t l ed e s i g nm o t h o d so fa r c h i t e c t u r a l l i 曲t 2 c o m p a r et h ef u n c t i o na 1 1 dc h a r a c t e “s t i co fg e n e r a ls e v e r a l1 i g h t i n gc o m m lm e t h o d s ； d e s i g n st h ee c o n o m i cs c h e m eo fi n t e l l i g e n tl i 曲t i n gc o n t r o ls y s t e m 3f i n i s h e st h ef h n c t i o nd e s i g na b o u tg y m n a s i u mc o n t r 0 1s y s t e m t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n ts y s t e mi n t h i sp a p e rh a sg o o de c o n o m i c sr e s u l t sa n d p o p u l a r i z e da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：l i 曲te n v i r o n m e n t ，a r c h i f e c t u r a ll i 曲t ，1 培h t i n gc o n t m l ， i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t m l ，p l c i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：茎递 日 期： 7p ? f b 1 v 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了构建照明控制系统的目的及意义，阐述了现代控制技术在建筑照明领域 的应用及研究状况，分析了国内外照明控制系统的研究现状和发展趋势，分析了论文的 研究意义，阐述了本文所研究的主要内容。 1 1 引言 随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们迫切希望在一种安全而舒适 的环境下工作、生活。随着城市的发展，人们的工作及居住环境发生了很大的变化，智 能楼宇已成为一种趋势。智能楼宇主要是指利用系统集成方法，将智能计算机技术、通 信技术、信息技术与建筑艺术有机结合，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理及 其与楼字的优化组合，所获得的投资合理、适合信息社会需要并具有安全、高效、舒适、 便利和灵活特点的楼宇”】。 自从1 9 8 4 年第一座智能建筑在美国落成，智能建筑以其节能、安全、便捷、舒适 等优点引起了人们的重视，楼宇智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，我国也建造 了一批具有一定程度的智能化建筑，它涵盖从空调系统、消防报警系统到综合保安管理 系统以及完善的计算机网络和通信系统【2 】。但是长期以来，照明系统由于技术和设备原 因，在国内一直受到忽视，绝大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式。采用照明控 制系统，它不仅可以节约能源，还可以营造良好的光环境，使得管理智能化、操作简单 化，并能灵活地适应未来照明布局和控制方式变更等要求。它可以提升照明环境的品质， 确保在建筑物里工作和生活群体的舒适和健康。因此照明控制系统是智能建筑不可缺少 的重要组成部分”】。 1 2 研究目标 “智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑物内的电力、 空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公 自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的建筑。随着智能建筑，特别是智能办公 大厦的出现，使建筑要求与设计方法跟传统的办公楼比，大为不同。照明作为建筑不可 缺少的部分，随着国际上“智能建筑”的大量出现，与之配套的照明控制技术也迅速地 发展，并成为二十一世纪照明技术发展的一个重要方向“】。 照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电气照明实行自动控制，提 供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。照明控制系统相比于 传统照明系统有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的 节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。简单归纳如下：创造环境气氛，保证 了不同时间、不同用途的使用效果。改善工作环境，提高工作效率，照明质量得到 很大程度的提高。良好的节能效果，是我国绿色照明规划得以实施的必要手段和重 东南人学工程硕_ 上学位沦文 要保证。调光和分区控制等措施，有效地延长了光源寿命。在最大程度上降低别 人的依赖性能满足各种场合下的灯光控制要求，管理维护方便，节能效果显著。 照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。输入装置可以不断 检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指 令，并把相应的信号传送给处理器。输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控 器。处理器接受输入装置的信号，经过信息处理、判断、分析，输出控制信号。执行器 与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包括手动开关。 照明控制系统在国外比较重视，在一些工程中采用，效果显著，有比较成熟的先进 系统。近年来，我国也提出了“绿色照明”计划，个别建筑也采用了国外的照明控制系 统，但造价相当惊人，开发国产系统势在必行。目前我国也加强了对浚系统的研究，采 用工业控制系统的经验在部分场合取得了突破。该系统可以营造优美的光照环境，并进 行合理、优化、灵活的控制和管理，根据不同的工作环境需要选择方案，能实现对照度 进行监测或根据时间表，通过对相应调节机构的控制实现预定目标，使之运行在高效、 安全、可靠、节能的状况下。 目前国内市场的照明控制系统以国外产品为主，如：澳大利亚邦奇开发的d y n a j i t e 分布式智能照明控制系统、澳大利亚奇胜场景照明控制系统、美国l c & d 智能照明控 制系统、国内生产的真善美智能照明系统，等等。这些系统基本都是模块化结构和分布 式控制，通常由调光模块、场景切换控制面板、液晶显示触摸屏、智能探头、编程插口、 时钟管理器、手持式编程器和p c 监控器等部件组成，并用一条双绞数掘通信总线 ( r s 4 8 5 ) 将这些部件具备独立功能的模块连接起来组成一个照明控制网络，实现了具 有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使生活 更加方便和舒适。但是，国内外照明控制系统的研究和使用存在的问题也不容忽视： 现有国外照明控制系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照 明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标( 如舒适性和艺 术性等) 对室内照明光环境质量影响更大。国内一些照明控制系统能够实现集中控 制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关， 不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。经济 实用的照明控制系统产品很少，还有很大的开发前景。 1 3 本文的研究意义 本文研究借助计算机及计算机控制技术进行照明控制系统的研究，开发经济实用的 照明控制系统，可有效地节约电能、灵活改变照明控制方案、真正实现以弱电控制强电， 并成为b a s 系统的一个子系统，使建筑成为完全意义的智能建筑。推广智能建筑，实 施“绿色照明”计划是电气照明技术发展的必然趋势，本研究有较强的应用推广价值， 有一定的社会、经济效益【3 1 。 第一章绪论 本文致力于研制经济实用的照明控制系统，不拘泥于现有产品的工程应用，希望通 过现代控制技术的通用设备在建筑照明领域更广泛的应用。本文的研究不仅可为照明控 制系统的研究和应用积累有益经验，而且还提高了建筑照明光环境质量，切实达到节约 能源和保护环境的目的提供了可靠途径，保障我国绿色照明规划的顺利进行，具有极为 广阔的应用前景。具体研究意义如下：提高建筑照明光环境质量。充分保证不同建 筑功能需要的照度、亮度分布、视觉舒适性、眩光控制、显色性等要求。体现以人 为本的照明控制思想，根据人们的行为模式和不同建筑的照明光环境的控制规律，创造 一个个性化、艺术化、舒适、高雅的建筑光环境。创造使人心情愉快、高工作效率的照 明光环境，而好的照明控制系统不仅能实现好的照明光环境，而且节能、维护管理方便， 真正实现绿色照明。构成智能建筑和楼宇自动化系统的一部分。照明控制系统可以 独立运行，实现对光环境的合理控制；同时，其具有通信功能以及可扩展性，可作为 b a s 系统的一部分纳入整个b a s 系统，为智能建筑的全面建设创造条件嘲。 1 4 本文的主要研究内容 本文以工程应用为目标，基本内容是采用计算机及计算机控制技术对建筑照明进行 控制系统设计，主要包括：建筑电气照明设计、控制方案选择和优化、照明现场控制器 设计、照明控制软件设计、工程应用。 本课题研究主要针对建筑电气照明的控制要求进行分析，确定建筑照明和照明控制 系统设计方案。首先选择照明方式，考虑建筑艺术设计对照明的要求，采用合理的照明 手段进行建筑电气照明设计：理解和分析建筑艺术设计的要求，合理选择电光源并进行 照明器的布置；选择和确定控制网络结构方案，这样就可以根据房间功能的变化，不需 变化硬件连接，就可改变控制方案；设计现场控制器并进行组态监控软件设计；争取实 际工程应用。 全文的章节内容安排如下： 第1 章介绍了照明控制系统的研究意义和主要研究内容。 第2 章介绍了照明控制系统的现状及其发展，分析了照明控制系统的系统结构，并 对国内外主要产品的性能作了比较。 第3 章研究了建筑照明设计方法和照明控制系统的应用。 第4 章阐述了照明控制系统软硬件及通信系统设计。 第5 章结合工程应用，介绍了体育馆照明控制系统的设计过程。 第6 章分析了照明控制系统在实际推广应用中的效益和工作展望。 东南大学丁程顺士学位论文 第二章建筑照明控制技术的研究 建筑照明系统是现代建筑不可缺少的重要组成部分，进入二十一世纪后，随着人民 生活水平不断提高，人们对于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。先进的照明控制系统可以实 现多种照明控制方式，不仅为建筑照明提供了多种的艺术效果，而且使照明控制和维护 管理变得更为简单。本章探讨了建筑照明的目标和照明控制技术的应用及其系统结构， 分析了目前国内外主流照明系统的优点和不足，阐述了照明控制系统的发展趋势。 2 1 照明系统与智能建筑的关系 智能建筑是信息时代的必然产物，是适应发展经济和改善生活条件的必然产物。使 在智能建筑中工作的人们像在家里一样心情舒畅，从而能大大提高工作效率，帮助人们 学习更多的知识、节省更多的能量、更及时地实施商贸交易，使人们获得更大的经济效 益。节能是智能建筑的核心问题，以大型商厦为例，其空调与照明系统的耗电很大，约 各占大厦总能耗的4 0 ，在满足使用者对环境要求的前提下，智能大厦应通过其“智慧”， 尽可能利用自然光和大气冷量( 或热量) 来调节室内环境，以最大限度减少电能消耗。 按预先确定的程序，区分“工作”与“非r = 作”时间，对室内环境实施不同标准的自动 控制，下班后，自动降低室内照度与温湿度控制标准，已成为智能大厦的基本功能。利 用先进的控制技术，可以创造更加优美、舒适的室内环境，并最大限度的节省能源。 楼宇自动化系统是智能建筑必不可少的基本组成部分，它能够提供安全保证和舒适 宜人的生活与工作环境，又能提高系统运行的经济性，其主要功能是对建筑内所有实时 监控系统的集成监控、联动和管理。由于我国的行政划分问题构成了三大块，建筑设备 监控系统、火灾自动报警系统和安全防范系统。建筑设备监控系统包含5 个子系统：空 调自动化系统、供配电自动化系统、照明控制系统、给排水控制系统和电梯控制系统口j 。 其中，照明控制系统是将建筑的艺术照明、大厅照明、公共区域分组照明等进行状 态监视、时序控制、光强与照度调节、故障报警及事故照明。对各楼层的配电盘、办公 室照明、门厅照明、走廊照明、庭院或停车场等处照明、广告霓虹灯、节日装饰彩灯、 航空障碍照明灯等设备自动进行启停控制，并自动实现对照明回路的分组控制、对用电 量过大时的自动切断，以及对厅堂和办公室等地的“无人熄灯”控制。可以按每天预定 的时间顺序束开关并监视其开关状态和工作状态，并可用工艺流程图显示并打印【5 j 。 2 2 建筑照明的目标和照明控制技术的应用 2 2 1 建筑照明的目标 现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作、学习生活提供良好的视觉条件，而且 要能利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境，以满足人们的心 第二章建筑照明控制技术的研究 理和生理要求。然而一个真正设计合理的现代照明系统除能满足以上条件外，还必须做 到充分利用和节约能源，随着现代办公大楼巨型化，工作时间弹性化、人类物质文化生 活多样化和人口老龄化，需要营造快适、便捷、安全、高效的照明环境和气氛，从而促 进了照明控制系统向高效节能和智能化的方向发展。我国自1 9 9 7 年启动绿色照明工 程以来，通过技术创新，引进国外技术和设备取得了大的进展，光源年总产量达6 0 亿 只成为世界第一大生产国，产品结构也发生了根本性的转变，紧凑型荧光灯、细管径荧 光灯、金卤灯、电子镇流器的产量和质量不断上升。但对照明控制系统的开发和应用还 只是处于起步阶段 1 】。 2 2 2 照明控制技术是照明质量的保证 作为智能楼宇重要组成部分的照明系统，面对不断发展的需要，要求照明系统具备 场景模式等复杂功能，便于控制、监管、节能与安防等系统集成。微电子技术、网络通 信技术的纵深发展，照明控制技术面临革命性的变革，呈现三大发展趋势：电子化一电 子元器件替代传统的机械式开关；网络化一网络通信技术成为照明系统的技术平台；集 成化一系统集成技术平台使照明、安防、上网成为一个整体解决方案”】。 传统的照明系统目前仍被广泛使用，其基本结构是动力线根据设各控制需求进行分 线，用机械式开关直接控制电源的开与关；其特点是动力线与控制线重叠，不存在控制 信息流的概念。此类照明系统原理简单直观，缺点是一旦完成后，系统就固定、无法再 改动。此外，要实现复杂的控制要求，如实现总控制模式或场景模式时，布线量呈几何 级数增加，同时降低了系统的可靠性，并导致安装费用、维护工作量的增加。随着大量 智能楼宇的推出，管理人员和住户对照明系统提出形形色色的个性化要求，而传统的照 明控制对此无能为力。分析传统照明系统可以发现，造成其不足的根本原因是动力线路 和控制线路的重叠，只有能量流，而无控制流。一旦控制要求改变，就必须重新铺设动 力线。那么，改进方法就是使动力线与控制线分离。这种分离可以是物理的另行铺 设信号线；也可以是逻辑的动力线载波。 采用先进的照明控制技术可实现以下目标嘲： 1 良好的节能效果 未使用控制系统的耗电量 照明控制技术借助各种不同的“预 设置”控制方式和控制元件，对不同时 间不同环境的照度进行精确设置和合 理管理，充分利用室外的自然光，只有 当必需时才把灯点亮或点到要求的亮 度，利用最少的能源保证所要求的照度 水平，节电效果十分明显，图2 一l 显示 7 o o ：1 90 0 闰2 1照明控制系统节能曲线圈 了照明控制系统的节能效果。由图可见在实现自动能源管理功能以后，可以节约 东南大学丁程硕+ 学位论文 2 0 5 0 的能源，从而减轻供电压力，降低用户电费支出。 此外，照明控制系统对荧光灯等进行调光控制，由于荧光灯采用有源滤波技术的可 调光电子镇流器，降低谐波含量，提高功率因数，减少了低压无功损耗，可以节省约 4 0 的电能。虽然并不是所有的灯都可调光，如紧渎型荧光灯就只能打开或关闭，但是， 如果这种灯可在不需要时自动关闭，仍可实现节能。例如，在晴朗的日子里，就可将窗 边的灯关掉，而没必要让它们像往常一样开着。用来测量日光的传感器可向控制器提供 输入值，控制器将随时间评估这些值并根据所得信息将照明回路打开或调光到预定级 别。还可以在房间里安装传感器，以检测房间或某一区域内是否仍有活动，当在预设的 时间长度内没有检测到活动时，关闭该房间或区域内的照明或将其渊节到低能耗状态， 如果在更氏时间内没有活动，则可将其完全关闭。照明控制系统既能分散控制又能集中 管理，在大楼的中央控制室，管理人员通过操作键盘即可关闭无人房间的照明灯，避免 了“长明灯”造成的电能浪费。 2 延长光源的寿命 延长光源寿命不仅可以节省大兰，z o 量资金，而且大大减少更换灯管的工 誊” 作量，降低照明系统的运行费用，管 裂6 0 理维护也变得简单。电网电压的波动 昔 是光源损坏的一个主要原因。对于热毒。 辐射光源( 如白炽灯) ，灯的寿命受 电源电压的影响，电源电压升高，灯 的寿命成信下降( 图2 2 ) 。因此，适当 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 00 灯具寿命比( ) 幽2 2白炽灯寿命与t 作电j 不的关系 降低灯具的工作电压是延长灯管寿命的有效途径。对于气体放电光源，当电源电压过高， 灯管电流变大，电极过热促使灯管两端早期发黑，寿命缩短；相反，电源电压过低，灯 管启动不正常，多次启动后又无足够的电压维持电极的正常工作，这样便加剧了阴极发 射物质的溅射，缩短了灯管的寿命。因此，有效地抑制电网电压的波动可以延长光源的 寿命。照明控制系统能成功地抑制电网的浪涌电压，同时还具备电压限定和轭流滤波等 功能，避免过电压和欠电压对光源的损害。采用软启动和软关断技术，避免了冲击电流 对光源的损害。资料表明采用这些方法，光源的寿命通常可延长2 4 倍。 3 改善工作环境提高工作效率 营造一个良好的工作环境，可以很好地调节人们工作的心情，提高工作效率，照明 质量是工作环境中的一个重要组成部分，光源颜色、眩光控制、照度均匀度、反射比和 照度比等因素直接决定了照明的质量，合理地选用光源灯具及优良的照明控制系统都能 提高照明质量。照明控制系统以调光模块和控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以 大大提高水平： 作面上均匀的照度值，同时还有效地解决了频闪效应。配有传统镇流器 第二章建筑照明控制技术的研究 的荧光灯以2 倍的工作电源频率闪动( 1 0 0 h z 左右) ，这种频闪会使人产生不舒适的感觉， 头昏脑胀，眼睛疲劳。照明控制系统采用可调光电子镇流器对荧光灯等进行控制，这种 电子镇流器工作在很高的频率( 4 肛7 0 k h z ) ，既克服了频闪，又提供了一个稳定的亮度。 4 照度一致性 一般照明设计师对新建的建筑物进行照明设计时，均会考虑到随着时间的推移，灯 具效率和房间墙面反射率不断衰减这样一个事实，因此其初始照度均设置得较高，这种 设计不仅造成建筑物使用期( 或两次装 饰的间隔期1 的照度不一致，而且由于 雪 照度偏高造成了不必要的能源浪费。采 垂 用照明控制后，虽然照度还是偏高，由 7 0 0 于可控制调光，系统将会按照预先设置 的标准亮度使照明区域保持恒定的照 度，不受灯具效率降低和墙面反射衰减 4 0 0 的影响( 见图2 3 ) ，这也是照明控制系 统可以节约能源的原因之一。 5 实现多种照明效果 两次装修间隔 、 3 5 年 7 毽 时间( 年) 图2 3 照度一致性曲线图 多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种的艺术效果，为建筑增色不少。在 智能楼宇中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种控制方案，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。如果智能楼宇的展厅、报 告厅、大堂、中庭等，配以照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同效果，采用 不同的预设场景设置进行控制，可以达到丰富的艺术效果。同时，因为场景设置的更换 比较简单，所以当某些区域或房间的功能和用途有所改变或业主需要改变某些视觉效果 时，便可方便地实现多种场景效果，大大节省了更换费用。 6 实现照明控制灵活性 采用照明控制系统后，可使照明系统工作在全自动状态，系统将按预先设定的若干 基本状态进行工作。这些状态会按预先设定的时间相互自动地切换，并将照度自动调整 到工作最合适的水平。当天气发生变化时，系统仍能够自动将照度调节到最合适的水平， 保证室内的照度维持在预先设定的程度。当一个工作日结束后，系统将自动进入晚间工 作状态，极其缓慢地调暗各区域的灯光，同时系统的探测功能自动生效，会把无人区域 的灯自动关掉，并将有人区域的灯光调至最合适的亮度。系统还能通过“楼层管理器” 使办公区、楼梯间等公共区域的灯协调工作，以适应各种场合的不同场景要求。 7 管理维护方便 照明控制系统对照明的控制是以模块的自动控制为主，手动控制为辅，照明预置场 景的参数以数字式存储在e p r o m 中，这些信息的设置和更换十分方便，使智能楼字的 东南大学二r ：程硕j 。学位沦文 照明管理和设备维护变得更加地简单。可以根据某一区域的功能、每天不同的时间、室 外光亮度或该区域的用途来自动控制照明，进行预设场景，可由调光器系统或中央建筑 控制系统自动调用。 2 2 3 照明控制系统的功能 照明控制系统仅仅是楼宇控制系统中的一个部分。如果要将各个控制系统都集中到 控制中心去控制，那么各个控制系统就必须具备标准的通信接口和协议文本。虽然这样 的系统集成在理论上可行，真正实行起来却十分困难。因而，在工程中，楼宇自动化系 统采用了分布式、集散型方式，即各个控制子系统相对独立，自成一体，实施具体的控 制，楼宇管理信息系统对各控制子系统只是起一个信号收集和监测的作用。 1 系统功能 根据建筑光环境设计的分析和需求，照明控制系统应该具有如下功能：具有控 光功能，可划白炽灯、荧光灯光源进行调光。可设多个照明控制回路，根据各种光环境 的要求任意进行组合。可记忆几十个预设置场景，满足会客、聚会、休闲娱乐、文化学 习等多种场景的光环境的需求。具有软启动和软关断功能，避免冲击电流对光源的 损害，可延长光源寿命。具有编程功能，能方便的选择或修改灯光场景。具有 智能时钟管理功能，通过预设程序，能定时按顺序及按不同需要对照明回路进行控制。 如可定时打开卫生间的紫外线消毒灯对卫生间进行消毒。具有时间显示、场景显示、 季节显示以及灯的组号显示等功能。具有手动调光功能。当手动调光器在最小或最 大输出值时，处于智能调光状态；当其处于最大和最小输出值之间时，可根据需要手动 调光，而且不会改变场景的设定。照明控制系统可以独立运行，实现对光环境的合 理控制；同时，其具有通信功能以及可扩展性，可作为智能建筑b a s 的子系统【6 】。 广一一一一一一一l 图24 照明系统组成 控制走道，电梯厅等公共 部分照明 控制门厅，中庭等照明 控制展厅照明 控韦螺告厅等多功能厅照 明 控制电话电视会议室等照 明 控制计算机中心等重要 机房照明 控韦恍厅艺术照明 控串啦体道路照明 控制建筑立面照明 ： 一1 第二章建筑照明控制技术的研究 2 系统组成 照明控制主系统应是个由集中管理器、主干线和信息接口等元件构成，对各区域 实施相同的控制和信号采样的网络：其子系统应是一个由各类调光模块、控制面板、照 度动态检测器及动静探测器等元件构成，对各区域分别实施不同的具体控制的网络，主 系统和子系统之间通过信息接口等元件来连接，实现数据的传输。见图2 4 1 3 l 。 3 照明控制系统的主要控制内容口1 1 ) 时钟控制通过时钟管理器等电气元件，实现对各区域内用于正常工作状态的 照明灯具时间上的不同控制。 2 ) 照度自动调节控制通过每个调光模块和照度动态检测器等电气元件，实现在 正常状态下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的自动调光控制，使该区域内的照 度不会随日照等外界因素的变化而改变，始终维持在照度预设值左右。 3 ) 区域场景控制通过每个调光模块和控制面板等电气元件，实现在正常状态下 对各区域内用于正常工作状态照明灯具的场景切换控制。 4 ) 动静探测控制通过每个调光模块和动静探测器等电气元件，实现在正常状态 下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的自动开关控制。 5 ) 应急状态减量控制通过每个对正常照明控制的调光模块等电气元件，实现在 应急状态下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的减免数量和放弃调光等控制。 6 ) 手动遥控器通过红外线遥控器，实现在正常状态下对各区域内用于正常工作 状态的照明灯具的手动控制和区域场景控制。 7 ) 应急照明的控制这里的控制主要是指照明控制系统对特殊区域内的应急照明 所执行的控制，包含以下两项控制：( 1 ) 正常状态下的自动调节照度和区域场景控制， 同调节正常工作照明灯具的控制方式相同；( 2 ) 应急状态下的自动解除调光控制，通过 每个对应急照明控制的调光模块等电气元件，实现在应急状态下对各区域内用于应急工 作状态的照明灯具放弃调光等控制， 2 2 4 照明控制系统的基本结构 照明控制系统包括：分组控 制的多组灯单元，它们都具有各 自的控制装置，根据照度调节相 关亮度，实现对所有灯具的自动 控制。采用总线形式实现计算机 与灯单元之间的通信联络；协调 控制系统与灯单元之间信息交流 ( 图2 5 p 1 。 使处于事故状态的应急照明达到1 0 0 。 幽2 5 照明控制系统框图 东南大学工程顺士学位论文 对每组灯单元的控制包括：1 ) 与数据传输相耦合的通信控制卡，它从上位机接收信 号，并将灯单元的反馈信号送到上位机；2 ) 与各组灯的通信控制卡设置鉴别装置，用来 确定每组灯与上位机的联系；3 ) 识别来自上位机信号的装置，它与灯通信控制器相耦合； 4 ) 为上述识别装置产生反馈信号的装置。上位机设置有：1 ) 与数据传输系统相耦合的通 信控制卡，用来接收来自每组灯单元的信号，并将发出的信号送到每组灯单元；2 ) 外围 电路解决选择并确定被控灯的装置和识别来自灯单元是否响应上位机信号的装置。 照明控制系统可以提供各种照明效果，这是普通固定照明装置所无法实现的，照明 系统的工作受上位机的控制。上位机通过数据传输与每一组灯单元相连接，每一组灯单 元都具独特的寻址方式，使上位机与灯单元中的每一支灯都可以单独地进行通信联系。 数掘传输卡与每支灯相连接。固定位置的灯的亮度受上位机所发出指令的控制，可改 变灯亮度和光束大小。上位机为控制照明发布一系列的指令，每一个灯单元单独响应每 一个指令的要求。为了获得照明效果，上位机需要发布几百个指令，这取决于灯点亮的 个数和所要求的照明效果。 在楼宇自动化系统中并不需要设置过多的上位机，因此可将照明白动控制系统纳入 其他设备自动控制系统中，将照明控制中的上位机改成基于现场的中央控制单元。中央 控制单元的电路框图如图2 6 所示，中央控制单元的全部控制功能是由c p u 执行的， 图2 6 中央控制系统的电子系统 中央控制单元有随机存取储存器( r a m ) 和只读储存器( e p r o m ) ，这两种储存器都与内部 数据传送总线和寻址总线相连接，c p u 和其他控制要素都可以由储存器写入或读出。， 数据传输为双向传输线路，一路负责从上位机到每一组灯单元之间的数据通信联系，另 一路负责从每一个灯单元到上位机的反馈数据通信联系。为了保持通过数据传输系统传 递指令的整体一致性，照明控制系统中设置了一组中继转发器，用来放大和隔离通过数 据传输系统传递的数据。上位机不仅能控制自动灯单元，还能通过信号转换器将由数据 第二章建筑照明控制技术的研究 传输系统接收到的数字信号转换成模拟信号，指挥调光器的运转。 灯处理器、储存器和相关元件如图2 7 所示，在灯处理器与灯单元寻址总线和数据 总线相连接，灯处理单元包括指挥灯单元的全部功能的微处理器，发布控制灯单元各种 参数的指令，这些参数包括亮度和亮灯个数。灯处理系统还包括r a m 和e p r o m 储存 器，微处理器利用应答母线和中断母线通过中断编码器应答电路与接收中断信号线和 发送应答信号线相连接。灯处理器中各种电路元件的接口和定时由接口和定时电路提 供，电源具有各种中断和应答状态，也传送到接口和记时电路。 图2 7 们处理器系统的电子线路框图 2 3 照明控制系统的现状与发展 2 3 1 现有照明控制系统的性能比较 1 照明控制系统的结构形式比较 计算机网络中各个节点相互连接的方法和形式称为网络的拓扑。局域网常见的拓扑 结构有：星形、总线形、环形、树形和混合形等。不同拓扑结构的网络各有特点，选择 网络的拓扑结构时，应当充分考虑到可靠性、经济性、相关性和灵活性。 照明控制系统按其网络的拓扑结构大致可分为以下几种【5 】： 1 ) 集中式 集中式系统结构主要为星形拓扑，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( c p u ) 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。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。缺点：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 东南大学工程硕十学位论文 制器和系统的一些可靠性，但其价格| 二的劣势仍十分突出。 2 ) 集散式 集散式系统结构主要为星形拓扑( 多层次) ，即以中央控制节点为中心，把分控中心 连接起来，再由分控中心把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。该系统层层相套， 中央控制器向各分中心控制器传送数据包，各照明控制器，控制面板等设备均连接到分 中心控制器( c p u ) 上，由分中心控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。该系 统的优点：除具备集中式的特点外，系统将控制分散至分中心，因而可靠性也相对提高 了一些。缺点：系统的经济性相对更低，可靠性虽有提高却仍不能令人满意。 3 ) 早期分布式 早期分布式系统结构主要为以总线拓扑为主，兼有星形拓扑的混合形。总线拓扑即 采用单根传输媒体，让所有的节点通过其相应的硬件接口直接连接到传输媒体上。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，各照明控制器、控制面板等设备 直接连接到总线上，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。由 于该系统中照明控制器与被控末端的灯具之间仍是星形结构，故将此系统称为早期分布 式。该系统的优点：由于各单元可独立工作、各单元的功能相对单一，系统的可靠性和 经济性相对较高，而且系统易于扩充。缺点：照明的控制功能一般，故障的诊断和排除 困难，传输速率一般。 4 ) 分布式 分布式系统结构主要为总线拓扑。浚系统与早期分布式极为相似，只是将控制功能 进一步地下放至最末端的灯具( 含简易的智能电气元件) ，处于最末端的灯具既是被控对 象同时也是控制元件。利用灯具原有的电源线加载信号，实现对光源的控制和监测功能。 该系统的特点：具备早期分布式的全部特点，可靠性更高；现阶段受控制技术的影响， 该系统的经济性稍差一些；灵活性和扩充能力极高( 尤其对于改建建筑和控制变化较大 的场所1 ；弥补了早期分布式系统照明控制功能的不足。 2 照明控制系统的产品比较 国外照明控制系统的研究较早，其产品已相对成熟，目前，进入国内市场的照明控 制系统产品较多，在国内已有工程应用，其主要产品性能比较见表2 一l 川【3 2 1 ( 本章附页) 。 2 3 2 照明控制系统的发展 照明控制系统是照明控制和自动化控制完美结合的一项新技术，将始终随着这两项 技术的发展而不断更新，同时，光源和灯具等相关设备的更新也将推动这一系统前进。 目前照明控制系统将向分布式、多功能的方面发展。 1 照明控制技术的发展 按控制原理分析，开关控制多采用继电器动作方式实现，调光控制多采用以晶体管 组成的集成电路来实现。这两项控制技术已相对成熟，但仍存在一些问题。如调光控制 易产生谐波，污染电网，损坏设备等，开关控制中继电器的触点易产生故障等。其次， 第二章建筑照明控制技术的研究 控制设备的体积还相对较大。另外，对气体放电光源，调光控制仍是一项十分困难的工 作，调光所产生的问题如对灯具寿命的影响和照度不能连续变化等还没有完全解决。随 着科学技术的发展及控制设备和控制要求的提高，照明控制技术将不断提高，调光控制 和开关控制将出现更新的实现手段，同时控制设备体积和成本也将大大减小”】。 2 自动化控制技术的发展 近阶段，随着计算机和网络技术的发展，自动化控制技术发展迅速。目前采用总线 式拓扑结构的控制系统，即分布式系统，非常普遍，也大有所为。今后照明控制系统的 结构形式还将有所变化，树形等其他拓扑结构形式的系统也会产生和发展。 3 相关设备的发展 照明控制系统的相关设备主要是被控对象、传输媒体、通讯协议等。被控对象主要 是光源，发光原理的不同直接影响着控制原理，光源发光原理的突破还十分困难，但灯 具的革新却是完全可以的，利用改变反射罩和遮光板就可改变光通量输出。通讯协议作 为信息交互的一种规则，今后将更加统一。目前，电气安装总线协会e l e c m c a li n s t a l l a t i o n b u sa s s o c i a t i o n ( e a ) 所推行的电气安装总线e 1 e c m c a lh l s t a l l a t i o nb _ i l s e m 标准 已被广泛使用于多种电气控制系统之中。 九十年以来，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，智能建筑已不再简单地等同 于楼宇设备自动管理，同时人们对于工作生活环境提出了更高的要求。在一些建筑物中 的重要场所，对照明灯具简单地开关控制已无法满足。人们开始寻求多种的照明控制方 式，使环境能体现出多种艺术效果。照明控制的自动化和智能化将是今后建筑照明控制 的发展方向嘲。 东南大学工程颂= l 学位论文 表2 1 照明控制系统主要产品的比较 鬻 邦奇电子 a b b 公司 奇胜科技路创公司 d v n a i i