智能樓宇DDC照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙運(yùn)婷++賈文民

摘要：文章介紹了DDC控制器及Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并把DDC控制器應(yīng)用到智能樓宇的照明控制系統(tǒng)中，對(duì)照明系統(tǒng)中LON網(wǎng)絡(luò)文件的編程及上位機(jī)的監(jiān)控配置做了介紹。設(shè)計(jì)完成了DDC監(jiān)控照明電路設(shè)計(jì)、組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐結(jié)果表明，把DDC控制器應(yīng)用在智能大樓的照明系統(tǒng)中可降低系統(tǒng)造價(jià)及能量損耗。

關(guān)鍵詞：照明控制；總線(xiàn)；組態(tài)；節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）07-0266-03

1 概述

照明是利用各種光源照亮工作和生活等各種場(chǎng)所的措施，照明控制是為了實(shí)現(xiàn)舒適節(jié)能的照明環(huán)境的具體手段。照明控制系統(tǒng)則是利用多種照明技術(shù)手段，并能夠相互配合以達(dá)到照明控制的系統(tǒng)。

在智能樓宇中，照明用電量占用了很大的比例，照明燈具較多，用戶(hù)所選擇的照明控制方式是否合適直接影響到燈具使用效果。傳統(tǒng)的照明多以手動(dòng)方式為主，不管是上班時(shí)間還是下班時(shí)間，由于人為疏忽，會(huì)議室，樓道的照明燈具經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間處于點(diǎn)亮狀態(tài)，造成了電力資源的浪費(fèi)，不利于節(jié)約能源。傳統(tǒng)方式對(duì)照明控制而言，簡(jiǎn)單，有效，直觀(guān)；控制相對(duì)分散和無(wú)法有效管理，并且缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化程度較低，容易造成安全隱患。因此，合理地進(jìn)行照明設(shè)計(jì)和加強(qiáng)照明裝置的運(yùn)行維護(hù)工作，對(duì)各行各業(yè)的生產(chǎn)和學(xué)生、職工的生活和身心健康具有十分重要的意義。

本文采用直接數(shù)字控制器（DDC），實(shí)現(xiàn)了智能樓宇照明的控制。該系統(tǒng)根據(jù)智能大樓里的實(shí)際需要分模式、分時(shí)間段，使照明燈具在規(guī)定的時(shí)間段開(kāi)啟和關(guān)閉。把不必要的照明設(shè)備關(guān)掉，在需要時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，并能夠通過(guò)上位機(jī)組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控照明燈具的運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了照明控制的自動(dòng)化，比傳統(tǒng)的照明控制更容易管理，降低了電能消耗，節(jié)約了人力、物力、財(cái)力，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

智能樓宇DDC照明控制系統(tǒng)由DDC控制器、Lonworks網(wǎng)卡、組態(tài)監(jiān)控軟件、照明控制設(shè)備、光控開(kāi)關(guān)等組成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)模塊介紹

2.1直接數(shù)字控制器（DDC）簡(jiǎn)介

DDC系統(tǒng)的組成通常包括中央控制設(shè)備（集中控制電腦、彩色監(jiān)視器、鍵盤(pán)、打印機(jī)、不間斷電源、通訊接口等）、現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)、以及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥等元器件。它代替了傳統(tǒng)控制組件，如溫度開(kāi)關(guān)、接收控制器或其他電子機(jī)械組件，已經(jīng)成成為各種建筑環(huán)境控制的通用模式。DDC控制器是利用微信號(hào)處理器來(lái)執(zhí)行各種邏輯控制功能，它主要采用電子驅(qū)動(dòng)，但也可用傳感器連接氣動(dòng)機(jī)構(gòu)。DDC的最大特點(diǎn)就是從參數(shù)的采集、傳輸?shù)娇刂频雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)均采用數(shù)字控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)一個(gè)數(shù)字控制器可實(shí)現(xiàn)多個(gè)常規(guī)儀表控制器的功能，可有多個(gè)不同對(duì)象的控制環(huán)路。

直接數(shù)字控制器（DDC）是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）的基本控制單元，DDC控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的關(guān)鍵部件。它的工作過(guò)程是控制器通過(guò)模擬量輸入通道（AI）和數(shù)字量輸入通道（DI）采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字信號(hào)（A/D轉(zhuǎn)換），然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，并將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬量信號(hào)（D/A轉(zhuǎn)換），并通過(guò)模擬量輸出通道（AO）和數(shù)字量輸出通道（DO）直接控制設(shè)備的運(yùn)行。可對(duì)各個(gè)控制設(shè)備的控制參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行再設(shè)定，同時(shí)還具備顯視和監(jiān)測(cè)功能，另外與集中控制電腦可進(jìn)行各種相關(guān)的通訊。

DDC控制器通過(guò)一條總線(xiàn)與集中控制電腦相連，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、通信速度較快。對(duì)一些中、小型工程較為適用。DDC系統(tǒng)可安裝于各種規(guī)格的建筑中，可通過(guò)中心管理系統(tǒng)管理，從而比單個(gè)管理更節(jié)省人力和能源。能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)通訊，除了總線(xiàn)方式的上下位機(jī)通訊外，DDC和DDC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，極大減少了樓宇自控項(xiàng)目的布線(xiàn)工程量。

本設(shè)計(jì)采用HW-BA5208DDC控制模塊和HW-BA5210DDC控制模塊控制照明系統(tǒng)。HW-BA5208DDC控制模塊采用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與外界進(jìn)行通訊，包括5個(gè)數(shù)字輸入接口和5個(gè)數(shù)字輸出接口?？刂破鲀?nèi)部的功能模塊，可以通過(guò)相應(yīng)的Plug_in，進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。HW-BA5210DDC控制模塊作為節(jié)能控制模塊，其內(nèi)部有時(shí)鐘芯片，可完成對(duì)樓控系統(tǒng)中與時(shí)間相關(guān)的設(shè)備起停的控制和校時(shí)功能。其內(nèi)部的RealTime（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）功能模塊提供當(dāng)前日期、時(shí)間、星期，并提供日期、時(shí)間、星期的校準(zhǔn)。EventScheduler（任務(wù)列表）功能模塊可以根據(jù)時(shí)間、星期、及確定好的周計(jì)劃表對(duì)照明燈具進(jìn)行定時(shí)的啟動(dòng)和停止控制，并且可以在線(xiàn)下載應(yīng)用程序，具有功能豐富的應(yīng)用程序庫(kù)和強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

2.2 Lonworks總線(xiàn)

Lonworks總線(xiàn)技術(shù)是美國(guó)Echelon公司于1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于智能建筑而言，在它的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，需要集成多個(gè)廠(chǎng)家的多種控制系統(tǒng)，多種控制系統(tǒng)可能具有不同的現(xiàn)場(chǎng)控制總線(xiàn)、設(shè)備總線(xiàn)、傳感器總線(xiàn)，而且還需要跨系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享，所以往往實(shí)現(xiàn)不了簡(jiǎn)單的集成，Lonworks總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用解決了利用一種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備系統(tǒng)之間的統(tǒng)一管理和調(diào)度，給樓宇系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了極大的方便。Lonworks總線(xiàn)技術(shù)是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的，最主要應(yīng)用于樓宇智能化方面，包括建筑物的出入口控制、電梯控制、能源管理、消防、安全、供配電、照明、給排水等監(jiān)控系統(tǒng)。

Lonworks總線(xiàn)技術(shù)使用LonTalks通信協(xié)議，它固化在Lonworks設(shè)備的神經(jīng)元芯片中或片外存儲(chǔ)器中，LonTalks通信協(xié)議提供了對(duì)應(yīng)于ISO/RM七層協(xié)議所有內(nèi)容的服務(wù)。支持分散的端到端的通信，可以組成總線(xiàn)型、樹(shù)形、環(huán)形等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并且是以實(shí)現(xiàn)自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)布線(xiàn)更方便靈活，便于設(shè)備的安裝，便于方案的更改，為日后系統(tǒng)的更新升級(jí)和進(jìn)一步的拓展網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了極大的方便。LonTalks是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具體實(shí)現(xiàn)即采用網(wǎng)絡(luò)變量的形式，又由于硬件芯片的支持，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性和接口的直觀(guān)、簡(jiǎn)潔等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用要求。Lonworks技術(shù)是能在控制層提供互操作的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其安裝的節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)了任何其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，幾乎囊括了測(cè)控應(yīng)用的所有范疇。Lonworks技術(shù)有效地解決了集散控制系統(tǒng)的通信難題，有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，具有直接互聯(lián)性、自助通信、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣化、傳輸數(shù)據(jù)量龐大、編程調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3力控組態(tài)軟件

力控是北京三維力控科技有限公司“管控一體化解決之道”產(chǎn)品線(xiàn)的總稱(chēng)，由監(jiān)控組態(tài)軟件、“軟”控制策略軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、Web門(mén)戶(hù)工具等產(chǎn)品組成。是在軟件領(lǐng)域內(nèi)，操作人員根據(jù)應(yīng)用對(duì)象及控制任務(wù)要求，配置包括對(duì)象定義、制作、編輯，對(duì)象狀態(tài)特征屬性參數(shù)的設(shè)定等用戶(hù)應(yīng)用軟件的過(guò)程，即使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到讓計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)、滿(mǎn)足使用者要求的目的，完成系統(tǒng)硬件與軟件的溝通、建立現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控層溝通的人機(jī)界面的軟件平臺(tái)，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

力控組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)置工程中的人際交互界面，生成各種動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面，配置系統(tǒng)參數(shù)；工程管理器用于創(chuàng)建、刪除、備份、恢復(fù)選擇、管理當(dāng)前工程。界面運(yùn)行系統(tǒng)View用來(lái)運(yùn)行開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的創(chuàng)建的畫(huà)面、腳本、動(dòng)畫(huà)連接等工程，在運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)控控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等的處理；I/O驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)通信程序采用TCP/IP協(xié)議，利用Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)通信。

2.4光控開(kāi)關(guān)

選用THPGK-1型光控開(kāi)關(guān)。采用先進(jìn)的嵌入式微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，融光控功能和普通時(shí)控器兩大功能為一體的多功能高級(jí)時(shí)控器（時(shí)控開(kāi)關(guān)），根據(jù)節(jié)能需要可以將光控探頭與時(shí)控功能同時(shí)啟用，將達(dá)到最佳節(jié)能效果。可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間（光照度門(mén)限）值，自由控制用電器的電源開(kāi)關(guān)，是路燈、景觀(guān)燈、廣告燈箱、霓虹燈等設(shè)備的最佳節(jié)能控制裝置，廣泛應(yīng)用于街道、鐵路、車(chē)站、航道、學(xué)校及供電部門(mén)等一切需要時(shí)間控制的應(yīng)用場(chǎng)所。

3 DDC監(jiān)控照明系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 控制要求

根據(jù)大樓內(nèi)照明燈具的實(shí)際使用情況，DDC樓宇照明系統(tǒng)的控制要求如下：

1）兩種控制方式：手動(dòng)控制、自動(dòng)控制。

所有的照明燈具均可以由安裝在墻壁上的開(kāi)關(guān)面板來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉。還可以通過(guò)上位機(jī)上的組態(tài)軟件開(kāi)啟和關(guān)閉。

2）室內(nèi)燈的自動(dòng)控制要求為見(jiàn)表1所示。

3）樓道照明燈由THPGK-1型光控開(kāi)關(guān)控制。

3.2照明控制電路設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，DDC監(jiān)控及照明系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

HW-BA5208DDC和節(jié)能控制模塊HW-BA5210DDC通過(guò)Lonworks總線(xiàn)連接。樓道照明燈和室內(nèi)照明燈的反饋信號(hào)作為HW-BA5208DDC的數(shù)字輸入信號(hào)，分別與數(shù)字量輸入端子DI1、DI2連接；光控開(kāi)關(guān)與HW-BA5208DDC的數(shù)字輸入DI3連接；樓道照明燈和室內(nèi)照明燈的開(kāi)關(guān)信號(hào)分別通過(guò)繼電器K1、K2與HW-BA5208DDC的數(shù)字量輸出端子DO1、DO2連接。

3.3利用LonMaker集成工具設(shè)計(jì)Lonworks網(wǎng)絡(luò)

LonMark功能模式在LonMaker圖形中以圖形功能塊的形式顯示，可以很方便地目視和編制控制系統(tǒng)的邏輯文檔，為L(zhǎng)onworks網(wǎng)絡(luò)提供圖形設(shè)計(jì)、啟動(dòng)、操作和維護(hù)。LON網(wǎng)絡(luò)文件的設(shè)計(jì)步驟如下：

1）配置5208和5210兩個(gè)設(shè)備，并添加到LON網(wǎng)絡(luò)文件總線(xiàn)上，完成設(shè)備創(chuàng)建。

2）再添加5個(gè)功能模塊，分別配置為一個(gè)數(shù)字輸入類(lèi)型、兩個(gè)數(shù)字輸出類(lèi)型，一個(gè)小狀態(tài)機(jī)、一個(gè)任務(wù)列表類(lèi)型。如圖3所示。

3）上述完成后進(jìn)行功能模塊屬性配置，按照照明燈具的實(shí)際情況設(shè)置為：

①當(dāng)采用手動(dòng)控制方式時(shí)，能直接通過(guò)上位機(jī)的組態(tài)軟件界面上的開(kāi)、關(guān)按鈕控制DO1和DO2的開(kāi)啟或關(guān)閉。

②當(dāng)采用自動(dòng)控制方式，根據(jù)室內(nèi)燈自動(dòng)控制時(shí)間表，對(duì)任務(wù)列表功能模塊進(jìn)行配置。例如：時(shí)間點(diǎn)為6：00時(shí)，動(dòng)作設(shè)置為開(kāi)，星期設(shè)置周日（×），一（√），二（√），三（√），四（√），五（√），六（×）。其他時(shí)間段類(lèi)似設(shè)置即可。

③上述設(shè)置完成后所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變量以及網(wǎng)絡(luò)變量所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)見(jiàn)表2所示。

④最后將得到的十進(jìn)制數(shù)值寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)變量nvi_SchEvent， 并點(diǎn)擊下載按鈕，保存即可。

當(dāng)系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式時(shí)，樓道照明燈可由光控開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)連接的變量直接控制。

3.4設(shè)備組態(tài)

上位機(jī)采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行配置并設(shè)計(jì)人機(jī)界面。上位機(jī)可以發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理、計(jì)算和顯示等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義了六個(gè)變量，與控制器內(nèi)部變量對(duì)應(yīng)建立連接。對(duì)象、變量配置及動(dòng)作設(shè)置要求如表3所示。

本照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用了Lonmaker開(kāi)發(fā)的底層控制網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)組態(tài)軟件。在底層DDC中可以修改樓道和室內(nèi)照明時(shí)間參數(shù)，設(shè)置RealTime功能模塊和EventScheduler功能模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。管理人員可在管理中心實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控智能樓宇里的照明燈具的運(yùn)行情況，人為切換手動(dòng)、自動(dòng)按鈕，發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制。減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平，比傳統(tǒng)的照明更先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。DDC照明控制系統(tǒng)照明時(shí)間控制方式靈活，修改方便，相對(duì)其他控制方式具有穩(wěn)定性強(qiáng)且總體造價(jià)低廉的特點(diǎn)。

4結(jié)論

在本控制系統(tǒng)中，DDC控制器與上位機(jī)通過(guò)LON總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通信。本文選取的HW-BA5208DDC控制器和節(jié)能控制模塊HW-BA5210配合使用，能夠滿(mǎn)足燈具的控制要求。照明燈具的開(kāi)關(guān)時(shí)間能夠根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)修改，有利于節(jié)約資源，降低能耗，適應(yīng)現(xiàn)代建筑的需要，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。基于DDC和Lonworks技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)以自動(dòng)控制為主，手動(dòng)控制為輔。照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，整棟大樓的電能消耗和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大大減少。

DDC智能監(jiān)控照明控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)新的控制技術(shù)，其先進(jìn)性和優(yōu)越性勿庸質(zhì)疑。然而作為一項(xiàng)新的技術(shù)，仍有待發(fā)展和提高。通過(guò)對(duì)DDC智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不斷實(shí)踐總結(jié)，不斷創(chuàng)新，讓該項(xiàng)技術(shù)在照明領(lǐng)域中充分發(fā)揮其作用，滿(mǎn)足智能樓宇的自動(dòng)化要求。

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