建筑智能照明控制系统设计探讨

林 捷

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，随着国民经济与高新技术的不断发展，人们对生活环境的要求越来越高。业主除了对建筑的传统基本需求外，还在建筑的安全性、舒适性、节能、自动化与信息化等方面均提出更高的要求，其目的是创造舒适宜人，能充分提高工作效率而又具有极大灵活性的办公与生活环境。其中，智能照明控制系统已开始广泛应用于各种建筑物中。

根据不同的品牌，在设计中常用的智能照明控制系统的品牌有i-bus系统、 c-bus系统、 Dynalite系统、 instabus系统等。其中，i-bus系统采用KNX总线协议，具有线路简单、安装方便、抗干扰强，可靠性高、易维护、较好的开放性和可扩展性以及兼容性等特点。

1 i-bus系统工作原理及组网构架

1.1 工作原理

系统中受控负载直接与控制系统驱动器连接，所有总线元件都通过i-bus总线相互连接在一起。当传感器探测到照度、温度等变化或某个面板的按钮被按下时，通过i-bus总线向设定的驱动器以电信号的形式发出指令，驱动器接收到电信号后经过内置微处理器CPU进行信息处理后再驱动负载，实现相应的控制功能。

1.2 系统构成

该系统主要由中央控制主机、总线元件、系统元件、通信网络和通信协议构成。

中央控制主机：中央控制主机(PC机)通过USB接口模块并使用ETS调试软件编程，实现中控主机与i-bus系统的通信。

总线元件主要分为3大类：驱动器、传感器、系统元件。

驱动器：负责接收和处理传感器传送的信号，并执行相应的操作，如开/关灯、调节灯的亮度、升降窗帘、启停风机盘管或调节温度等。

传感器：负责根据现场手动操作或探测照度、温度、人体移动等的信号，向驱动器发出相应的控制命令进行操作。

系统元件：为系统运行提供必要的基础条件，如电源供应器、线路耦合器等各类接口。

1.3 i-bus系统形式分类

i-bus系统形式主要分为3大类：a.支线系统如图1所示；b.中央控制主机+主干线+干线+支线系统，如图2所示；c.中央控制主机+交换机+IP路由器+主干线+干线+支线系统，如图3所示。

图1 支线系统

图2 中央控制主机+主干线+干线+支线系统

图3 中央控制主机+交换机+IP路由器+主干线+干线+支线系统

(1)支线系统：i-bus系统最小的结构单元为支线，每条支线上最多支持64个总线元件运行，各支线实际所能连接的设备数取决于电源供应器的容量和支线元件的总耗电量。支线系统适用于总线元件小于64个的小型工程和智能家居系统。设计时宜预留20%的余量，一般宜不大于50个总线元件。根据产品样本，每个系统元件耗电量一般不大于10 mA，电源供应器容量一般不大于640mA。

i-bus系统支线的形式有线型结构(图1a)、星型结构(图1b)、树型结构(图1c)，需要注意的是该系统不支持环型结构。线型、星型、树型结构之间也可以组合成支线系统，系统设计灵活、简单、可靠。多个不同形式的支线系统可同时存在，因此只要将按使用要求编好的程序输入到系统各元件中，就能正常运行。而且，即使电源供应器停电或故障，由于系统内置有微处理器CPU，预设的程序命令也不会丢失。所以，即使某个支线系统出现故障，也不会影响其他支线系统的正常运行。

(2)中央控制主机+主干线+干线+支线系统：每条干线通过线路耦合器最多可连接15条支线。由支线、干线组成如图2所述的系统结构称为区域。一个区域中最多可连接15×64个总线元件。系统可通过主干线进行扩展，使用线路耦合器将每个区域连接到主干线上。主干线上可连接15个区域，故整个系统最多可连接15×15×64=14 400个总线元件(电源供应器和线路耦合器除外)。支线、干线、主干线数据传输速率均为9600bit/s，此传输速率满足一般项目智能照明系统的要求。

(3)中央控制主机+交换机+IP路由器+主干线+干线+支线系统：对于大型项目，为提高通讯速率，在干线之间或支线之间采用IP路由器(IPR/S)，作为高速线路耦合器使用。IP路由器的最大数量为225,系统最多可连接64×225=14 400个总线元件(电源供应器和线路耦合器除外)。系统示意如图3所示。

根据i-bus厂家提供的数据：

①所有i-bus总线电缆总和不超过1000m。

②任何两个元件之间的i-bus总线电缆长度均不超过700m。

③电源到任何元件的i-bus总线电缆长度均不超过350m。

④若有两个电源供应器，电源之间的i-bus总线电缆长度不得小于200m。

2 i-bus系统的控制要求

做好智能照明控制系统，其供电控制回路的划分很关键，一般应根据建筑的功能分区进行控制。各功能分区可按下列原则进行划分：

(1)按防火分区划分，即每个供电控制回路不应跨越防火分区。

(2)按使用功能划分，①走道照明不应与办公室、会议室、教室等功能房间共用供电控制回路；②医疗建筑的洁净走道和污物走道、医生通道和病人通道、不应共用供电控制回路。③室内走道和室外连廊通道等不应共用供电控制回路。

①体育场馆常用的场景有训练场景、比赛场景、演出场景、转播场景、清扫场景等，各场景之间可随时相互切换。系统检测照明回路开关次数、时间累计、电流、电压等，并能监测回路故障、负载电流量、回路跳闸等故障，并自动报警。

②会议室、多功能厅、报告厅常用的场景有开会场景、讨论场景、演出场景、投影场景、休息场景、离开场景等。当大会议室被分割为各独立小间时，安装在各不同分区的智能面板能独立对该区域的照明、空调等进行控制，互不干扰。智能面板有防误按功能，可通过按键或操作密码实现面板解锁，避免给重要会议造成不良影响。

③商店建筑常用的场景有备货场景、白天场景、夜间场景、清扫场景、离开场景等。在准备时段、营业时段、盘货时段、清场时段及清扫时段分别开启不同数量的照明灯具及空调。

(4)对于断电后将造成重大影响或重大损失的场所，其电源供应器的电源设计时宜按建筑的最高负荷等级供电，以保证系统的供电可靠性。

3 工程项目的应用设计探讨

3.1 i-bus系统在办公走道中的应用设计

若设计时考虑不充分，智能照明控制系统在办公走道投入使用后会存在以下问题：

(1)未按工作日、节假日，上下班时段合理设置开关灯的时间、数量，不节能。

(2)智能面板通常设置在走道的出入口附近，远离控制面板的办公室工作人员晚上加班结束离开时，有可能走道灯被关闭。此时通常要摸黑到走道控制面板处开启走道灯，使用起来很不方便。

（2）边坡系数为1∶1的表层无覆土无植草边坡60min内的土壤流失质量1.31kg，15～20，20～25，25～30mm植生混凝土组的底部土壤流失量分别为0.0792，0.1089，0.1584kg；植生混凝土对底部土壤的反滤拦截率达86.92%。

(3)设置1/3灯开，2/3灯开时，由于编程时没有设置分回路轮换开灯，导致每次均开同一回路的灯具，缩短了灯具使用寿命，增加灯具的维护成本。

针对上述问题，可采取相应的解决措施：

(1)设计时可按图中所标相同序号划分同一回路，通过软件编程和时钟模块将走道上的灯定时设为1/3灯开，2/3灯开，全开，全关等模式。例如工作日上班时间8点～12点，下午14点～17点30分设置全开；12点～14点，17点30分～21点30分可设为1/3或2/3灯开，21点30分以后至次日8点前设为1/3灯开或全关。同时，通过编程系统自动将节假日期间的楼内转换为移动感应模式，真正做到有人开灯、无人关灯，并提供安保基本照明，办公走道一般照明如图4所示。

(2)在走道上每隔12m(根据不同产品设置的距离不同)设置人体感应传感器，人体感应传感器感应到人员移动，自动开启相关区域的灯具，人员离开后延时关灯，使用方便并且节能。

图4 办公走道一般照明平面示意图

(3)在设置1/3灯开、2/3灯开时，可通过软件编程设为分时段来交替开启不同的照明回路。最大限度地保证每回路的灯具均有工作，避免总是开同一回路灯具，延长灯具使用寿命，节约灯具的维护成本。此外，人体感应传感器可接入视频安防监控系统，下班时间、节假日探测到有人移动时，通过摄像头实时传输到安防监控室，并在监视墙显示该区域的情况，提醒值班人员。

3.2 i-bus系统在地下车库中的应用设计

车库照明平面示意如图5，车库一般照明配电系统如图6。

图6 车库一般照明配电系统示意图

若未采用i-bus系统或BA控制的地下车库照明，通常需在配电箱内控制车库内照明，因此车库内的灯具一般是常亮的，需专业电工持钥匙进入到车库配电间内打开车库照明箱进行分、合闸操作，既不节能也不利于值班人员管理。而采用BA系统控制，往往以中央监控为主，缺乏现场调控手段，控制方式的灵活性不高，也不够节能。此外BA系统所有的信息都在一条单一控制总线上传输，造成各控制器之间的干扰，影响整个系统的稳定性。

而车库设置i-bus系统，当车辆或人员从上一个防火分区一进入到下一个防火分区二时，防火卷帘两侧的人体感应传感器探测到车辆或人员经过，开启该分区的车道照明，经过延时后再关闭上一分区的车道照明。由于是通过预先设计的程序自动控制，无需值班人员操作，也达到节能的目的。

3.3 i-bus系统在医院病房楼护士站及走道中应用设计

护士站及走道照明平面示意如图7，配电系统如图8。

图7 护士站及走道照明平面示意图

图8 护士站及走道照明配电系统示意图

因医院病房楼护士站是24h有人值班，故灯控智能面板应设置在护士站集中控制较为合理，走道出入口不设置灯控智能面板，防止病人或家属、访客误操作。此外，病房楼的人流量大并且人员出入时间不固定，所以病房走道不宜设置人体感应传感器，由护士站统一管理控制走道灯具。

护士站内灯具数量较少，光源一般不超过25个，按使用功能应划分各自独立回路控制从而达到节能目的。可以几个照明回路共用一个断路器，不仅节省箱内空间，减小箱体尺寸，节省造价。

3.4 i-bus系统在应急照明中的应用

i-bus系统的驱动器有应急开启功能，能接收火灾自动报警系统信号自动开启，但是由于i-bus系统的中控电源常为非消防电源供电，线路及敷设均达不到防火要求。一旦发生火灾，非消防电源被切除导致应急照明不能强制接通或线缆不具备耐火阻燃性能，存在重大安全隐患。因此，建议采用交流接触器1km、2km，应急照明平时由 i-bus系统的驱动器控制，火灾时强制接通，消防应急照明自成体系，从而保证供电可靠性,如图9所示。

图9 应急配电系统示意图

4 结语

智能照明系统具有以下的优越性：

(1)运用先进的电力电子技术，不但可实现单点、多点、区域、群组控制、调光场景模式设置、定时控制、光照度自动感知、红外线探测、无线遥控、集中监控等多种照明控制功能，而且可以优化能源的利用，降低运行费用。

(2)可通过wifi连接IPAD、手机等智能终端进行控制，具备良好的人机交互界面。

(3)如果需对建筑的功能房间进行改造或改变照明的场景模式，无须改变照明回路，只需简单地进行程序上的变更，便可以调整照明场景模式并扩展功能，大大降低改造费用和缩短改造周期，适合不同使用要求。

(4)具有良好的开放性和可扩展性，可以和其他系统(如：BA楼宇系统、背景音乐及广播系统、会议系统、火灾自动报警系统、视频监控等智能化系统)相互连接完成系统集成功能。

随着世界经济的发展以及全球环境的恶化，各国对节能减排也越发重视。我国作为世界第二大经济体，有责任也有义务响应节能减排的政策并采取措施。而在建筑设计领域，国家和地方也不断在发布和实施绿色建筑设计标准等，并且标准在不断提高。所以在电气设计时，针对各类建筑的特点，合理的设计智能控制系统显得尤为重要。

参考文献

[1] DBJ/T13-231-2016 福建省建筑智能照明系统工程技术规程[S].福州：福建科学技术出版社,2016.

[2] GB50016-2014 建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社,2014.

[3] JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4] ABB中国.i-bus智能建筑控制系统设计手册[Z].2016.