基于IEC61499分布式智能照明控制系统的设计

谭宝　刘建群

摘 要： 针对智能楼宇中重要的照明子系统，设计基于IEC 61499分布式智能照明控制系统。采用固高科技的ideabox3 PLC作为硬件，将一栋楼宇分层、分区域进行控制。利用网页技术实现操作友好的人机交互界面，通过Internet可以实现远程操作管理，通过不同的情景模式和充分利用自然光，节约了能源。智能照明控制系统不仅提供安逸舒适的工作环境，而且可以远程操作，便于管理，实现了“集中管理、分布控制”，也达到了理想的节能效果。

关键词： IEC 61499； 分布式控制系统； 智能照明； LED

中图分类号： TN915.5?34； TU113.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0182?05

Abstract： The distributed intelligent lighting control system based on IEC 61499 was designed for the important lighting subsystem in intelligent building. The ideabox3 PLC of Googol Tech is taken in the intelligent lighting system as its hardware to control each floor and each region of the whole building. The webpage technology is utilized to realize human?machine interface friendly operation. It is easy to realize remote operation and management via Internet. The system can save electricity by adopting the different scene modes and utilizing natural lighting. The intelligent lighting control system can provide a comfortable work environment， and can be operated remotely via Internet. The goal of "centralized management and distributed control"， and the ideal energy?saving effect were achieved.

Keywords： IEC 61499； distributed control system； smart lighting； LED

分布式控制系统中IEC 61499[1]功能块标准的应用研究现已扩展到很多领域，例如：机场行李处理系统、鞋制造、机电一体化、智能楼宇[2]和智能电网[3]。这些案例的研究证实了IEC 61499相对于目前主流IEC61131?3标准的优势，其具有封装性、便捷性、配置性以及互操作性。智能照明系统[4]是智能楼宇系统中重要的一个子系统。智能照明控制技术包括计算机技术、智能控制技术、传感器技术和通信技术，通过智能照明系统不仅提高了照明质量，延长了灯具的使用寿命，更加符合了现代的绿色节能减排理念[5]。如今LED在照明领域中使用广泛，不同场合具有不同的要求，传统的开关控制不能满足现代人对智能照明的要求，逐渐地转化到模拟控制和数字控制。分布式照明控制系统比较著名的有澳大利亚邦奇电子公司的Dynalite智能照明系统，法国施耐德电气公司的C?BUS智能照明系统，瑞士ABB公司的基于EIB总线的I?BUS照明系统等[6?7]。现代智能楼宇照明控制系统的要求简单概括为：根据季节转变、日照时间的长短，采用合理的控制方式，充分利用自然光，并且在特定的时间、空间保持照度亮度、照度色温，实现照明控制科学管理，节约成本，降低损耗、实现绿色、低碳、环保的生活工作环境。本文主要是针对楼宇智能照明系统涵盖区域比较复杂，覆盖分布范围比较广，控制方式要求多样化、灯光数量多，既要满足不同办公区域的照度控制，又要做到节能要求，从而设计了智能照明控制系统。

1 IEC 61499

IEC 61499是IEC 61131的继承者，是一个用于工业过程控制系统的国际标准。国际电工技术委员会（IEC）在2005年第一次提出了IEC 61499标准，在2012年进行第二次修订。这个标准是随着分布式工业控制系统功能分散化、设备智能化的要求出现的，它精确地定义了分布式工业控制系统的功能块描述和应用程序的体系结构、模型和文本语法。

1.1 IEC 61499标准

IEC 61499 标准分为体系结构、软件工具需求、应用指南和一致性行规指南四个部分[8]。它定义了一个通用体系结构，并指出了功能块在分布式过程测量与控制系统中的应用规则。IEC 61499标准内容包括各种参考模型，如系统模型、设备模型、资源模型、功能块模型等，其中功能块是支撑IEC 61499标准体系结构的核心内容，资源是功能块的容器，设备包含单个或者多个资源，而设备相互之间的连接形成分布式控制系统。

1.2 功能块

IEC 61499中，软件封装和重用的基本单元是功能块，IEC 61499功能块能实现这种完全的分布式工业过程测量控制系统，其关键在于采用软件组件设计功能块。按照功能分为基本功能块、复合功能块、服务接口功能块和适配器。基本功能块由事件输入/输出、数据输入/输出、执行控制表ECC、内部数据和算法组成。其最大的特征在于封装性，对于外部来讲，算法、ECC内部数据是隐藏的，使用功能块只需要外部接口。执行控制表是一个事件驱动的状态机，满足事件驱动或者逻辑条件，在两个状态之间进行转化。复合功能块是将多个基本功能块再进行封装成一个功能块，基本功能块模型如图1所示。endprint

2 智能照明硬件系统

智能照明系统的硬件采用的是固高科技的ideabox3控制器、数字I/O模块和模拟I/O模块、继电器、光照度传感器、红外传感器、LED驱动以及LED调光灯具、射灯。通过光照度传感器监测当前的室内光照度值，将光照数值传递给控制器进行算法比较，控制器再发出指令，控制数字或者模拟I/O模块，从而控制LED灯的开关或调光。数字量I/O输出的是高低电平，通过继电器的通断控制LED灯的亮灭状态，模拟量I/O输出的是0～10 V控制信号，从而控制LED驱动调节灯的明亮程度。红外传感器能检测到空间是否有人，从而控制灯的开关，做到人来灯亮，人走灯灭。整个系统通过Internet能够实现远程控制。智能照明控制系统的硬件组成拓扑图所图2所示。

3 照明系统软件设计

3.1 PLC程序设计

对于分散控制系统而言，IEC 61499标准是内部软件组件的一个焦点。这个标准衍生功能块模型和概念，这使得用模块化、分层化和可重用的软件组件设计独立于硬件的分布式控制程序成为可能。有了IEC 61499，控制应用程序可以在不知硬件平台细节的情况下而被开发。

PLC软件设计采用的是基于IEC 61499标准分布式控制系统，依据楼宇智能照明控制系统所控灯具分布广、数量多的特点，充分利用分布式思想，将楼宇灯具分区域进行控制，把一个房间封装成一个小的功能块，楼层封装成一个功能块，一栋建筑楼封装成一个功能块，楼层功能块包含了多个房间功能块，楼宇功能块包含了多个楼层功能块。根据实际需要和系统以后升级需求，便于扩展或者删除其中的一部分而不用影响其他的部分。分布式智能照明系统的IEC 61499设计框架图如图3所示。

由于IEC 61499标准，楼宇管理系统控制应用程序容易实现在不同的硬件上进行分散和部署配置。如图4所示，楼宇功能块部署在专用的PLC上用于处理楼宇级命令。另一方面，每层功能块和它协调的众多房间功能块是部署在相应楼层处理本地HMI命令和接收远程楼宇功能块命令的PLC中。

3.2 智能照明控制案例

针对该项目案例的具体设计：将一栋楼封装成一个复合功能块，里面包含着7层楼的子功能块，每层楼根据房间布置分成多个功能块。整个智能照明系统分为1个楼宇功能块（BuildingFB）、7个楼层功能块（FloorFB），每层楼又分为若干房间功能块（RoomFB）。因每层楼的设计大同小异，下面着重介绍二楼的设计。

二楼分为6个房间，每个房间安置一个控制器控制该房间的若干调光面板灯和射灯、筒灯。该层所有的控制器都挂载在层控制器上，可由层控制器监控该层所有房间的灯，房间与房间之间的信息通信是通过对应的功能块接口连接进行的。在PLC程序中，每个房间设计了一个或者两个功能块（对应的是硬件模拟I/O模块），当房间控制的灯具多，需要更多的I/O模块硬件时，在硬件上加I/O模块，软件中插入一个I/O功能块，将相应的接口用线连接起来即可，方便扩展。分布式控制程序物理部署图如图4所示。

当功能块上的输入事件触发后，与该事件相关联的数据才会更新参与算法的执行。当层控制功能块输入事件所有灯全开（AllSwitchON）触发后，该层的所有灯亮；当房间功能块输入事件初始化（INIT）触发后，与之相关联的工作模式（WorkModeValue）数据会更新，房间的灯根据用户给定的值处于不同的情景模式中。

4 实际案例的效果

4.1 人机交互界面

智能照明系统不仅需要操作友好的人机界面，而且也需要方便管理整个系统。针对智能楼宇系统中的智能照明系统，覆盖的范围广，控制的灯具多，在中央控制室，用一台PC机作为终端，监控整栋大楼的照明状态，也可以使用移动终端联网访问照明控制系统。为了方便远程操作和管理系统，采用B/S结构，通过浏览网页的形式进行人机交互。采用在HTML基础上，使用JavaScript开发交互式Web网页。JavaScript的出现使得网页和用户之间实现了一种实时性的、动态的、交互性的关系，使得网页包含更多活跃的元素和更加精彩的内容。在JavaScript中绑定PLC程序中的事件和数据接口，这样就可以在网页界面上操作，触发功能块的事件。人机交互界面采用3D动画显示灯具实体模型，采用SketchUp软件进行实体三维建模。在网页上输入网址http：//10.0.0.2：8080访问服务器，输入用户名googol和密码，进入智能照明控制系统主界面。用户登录系统流程如图5所示。

在人机交互主界面上点击相应的三维模型图对应的楼层，就会进入到对应楼层的实际模型中，楼层三维模型人机交互界面如图6所示。楼层三维模型中亮的控制器代表该区域有灯是亮的状态，灰色代表该控制器控制的灯为全灭状态。可以用鼠标拖动或者旋转3D模型图。发货区的人机交互界面图如图7所示。鼠标双击该控制器模型进入到相应控制的房间，该房间采用的灯具是 LED面板灯，可以进行调光控制，采用0～10 V模拟调光，3个灯具一组，同时控制。在3D模型上用鼠标单击灯模型，可以对灯进行开关控制。右边的圆环，可以在0～100%区间拖动，用于调节灯的亮暗程度。

根據房间的不同需求，如仓库区和加工区，需要的光照度不一样，即使是同一个房间，根据不同时间段，需要的光照度也是不一样的。所以不同房间根据实际的需求选择不同的情景模式，包含自动模式、午休模式、关灯模式、工作模式、投影模式、夜间模式。自动模式是保持房间为一定的照度值，当白天的时候，有自然光的条件下，光传感器检测到某一照度值，反馈到控制器，减弱灯的亮度；当夜晚的时候，无自然光时，增强灯的亮度，从而保持房间的照度为恒定值，这样可以充分利用自然光，以达到节能效果；工作模式是根据员工上下班时间设定灯的工作时间段；午休模式设置柔和的灯光效果，保证员工有一个安逸舒适的午休环境；关灯模式可以一键关灯。当发生火灾等紧急情况，一键疏散可以完成灯的紧急闪烁，指向安全出口方向，便于员工容易找到安全出口。endprint

经过现场测试，智能照明控制系统能够有效运行，能够实现灯的开关、无级调光以及各种情景模式。图8是灯不同亮度对比图。

4.2 节能效果分析

现代智能照明不仅要给人营造舒适安全的工作环境，更加注重环保节能、绿色低碳。

以项目案例为例，整栋楼宇采用LED灯有800盏，每盏功率80 W，按照夏季日光规律，白天时段（10 h计算）完全不需要灯处于全亮状态，分别按照灯处于75%，50%亮度计算节约能量，每盏灯每天可以节约电能（单位：kW·h）：

4.3 智能照明系统的优点

经测试，本文采用的智能照明控制系统有效克服了可传统照明控制方法的不足，其主要的优点在于：

（1） 减少能源的浪费。本系统采用可红外探测功能，自动关闭无人房间照明灯，减少人为能源浪费，达到节能目的。

（2） 自动调光，充分利用自然光。光照度传感器通过测定工作环境的照度，与预先设定好的光照值比较控制灯具调节亮度。室外光较强时，室内自动调暗，室外光较弱时，室内照度自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，充分利用自然光实现节能目的。

（3） 创造舒适的工作环境，提高工作效率。可以根据不同场景自动调整室内多种灯光强度，使环境光线舒适，有利于提高生活工作品质和工作效率。

（4） 提高了管理水平，减少维护费用。本系统采用了网页浏览方式，只要是能连接Internet网的终端，都可以登录系统，远程进行灯具的开关及调光。减少了工作人员的工作量，减少了管理成本。

（5） 延长了灯具寿命。本系统采用软启动的方式，能控制电网冲击和浪涌电压，使灯丝免受热冲击，灯具寿命得到了延长，不仅节省了大量灯具，而且大大减少了更换灯具的工作量，有效地降低了照明系统的运行费用。

5 结 语

本文完成了基于IEC 61499分布式智能照明控制系统设计和实际运用，将楼层进行分区域控制，做到“集中管理、分散控制”。本系统具有很强的扩展性，可以随意删减和增添楼宇中的控制区域，不仅实现了本地的管理操作，也可通过Internet联网进行远程管理操作，并且分析了智能照明系统节能效果。与传统照明控制相比，优势在于：照明控制智能化，确保照度一致性，场景模式变换灵活，产生可观的节能效果，延长灯具寿命，提高管理水平，减少维护费用，改善环境舒适度，有利于提高员工的工作效率等。

参考文献

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