BACnet照明控制系统

孙 浩

[亿控楼宇科技(上海)有限公司, 上海 200233]

0 引 言

BACnet协议是用于建筑楼宇自动化控制网络的通信协议(ISO 16484-5),涵盖建筑楼宇控制系统中暖通空调、消防、门禁和照明等系统,可为楼宇自控系统提供数据交换。BACnet-2016协议(ASHRAE 135—2016)对照明控制系统进行完善和拓展,在原有56个对象基础上增添4个对象,包括照明和电梯、自动扶梯等,使照明控制系统在BACnet协议中方便地实现全功能覆盖[1-2]。

最新版BACnet协议为照明控制提供有:通道,照明输出和开关照明输出,全局组、时间表,闭环控制等对象,以及值改变(Change of Value,COV)订阅,写组集控等应用服务机制,有这些对象和应用服务的支持,照明控制系统可方便地实现时间表控制、恒照度控制、有无人控制、区域控制,以及场景控制模式、关灯提醒,延时关灯、能效等智能控制和管理[3-5]。

1 照明控制系统

现代照明控制系统都具有照度传感器、时间表、可编程事件和联动等功能,改进传统照明控制质量,提升了用户舒适度,同时使照明控制更简便、灵活,不但能实时管控某特定区域,还可监控整栋大楼,甚至是整个园区或跨区域的照明系统。照明控制系统的常用控制功能有时间表、恒照度、有无人、色温、场景、事件触发程序、窗帘、照明区域、照明回路、能效管理、联动和系统集成等,当然所有的实时灯况都能监测和管理。

1.1 BACnet网络架构

BACnet作为国际标准协议,完全遵循并参照OSI-BRM(ISO 7498)的7层网络架构,同时根据楼宇自动化控制系统的实时性进行网络架构再设计和精简,现为4层网络(应用、网络、数据链路和物理层)架构,具有开放性、兼容性和通用性。物理层面支持以太网、RS-485,ZigBee等通信接口。

BACnet网络架构与OSI网络架构如图1所示。

1.2 BACnet照明控制系统典型结构

BACnet照明控制系统是典型的三层网络架构,分别为管理层(上层)、自动化层(中间层)和设备控制层(下层),与BAS楼宇自控系统相类似。其中,管理层基于100 Mb/s以太网,通信协议为BACnet/IP;自动化层基于以太网和RS-485两种类别的通信方式,起到承上启下的作用,对上是BACnet/IP通信协议,对下是BACnet MS/TP通信协议;设备控制层采用RS-485接口,通信速率最高达到115.2 kb/s,通信协议为BACnet MS/TP;如有第三方照明系统,可采用支持BACnet/IP协议的网关。

图1 BACnet网络架构与OSI网络架构

典型的BACnet照明控制系统如图2所示。

图2 典型的BACnet照明控制系统

1.3 BACnet对象与应用服务

BACnet对象包含设备的功能信息(即属性),不是真正意义上面向对象编程语言OOP中的Object对象,是因为BACnet对象不支持方法和继承功能。所有对象须定义3个属性,即对象标识符、对象名称和对象类别。属性都具数据类型(模拟量,数字量或文本)和用于服务的一致性规范(R可读,W可读写,O可选项)。BACnet对象的设计非常灵活,而且易于扩展。

如何对这些对象进行操作是由BACnet应用服务负责的。BACnet充分利用计算机系统在分布式和灵活的客户机/服务器架构,把任务有效地分配给客户机和服务器来实现。BACnet协议开发诸多类别的服务,有利于控制器之间的信息通信,如报警和事件的处理;设置和编程文件的交互;对象属性的读写;时间的同步;设备之间动态绑定并相互学习等。其中BACnet对象访问服务对属性和对象进行创建、删除、访问和操作等。新版BACnet-2016中的5类服务共计42个。

照明控制系统中对象和服务机制是如何工作的?当用户按动墙装面板开关,照明模块的输入点对象及时探测到,照明控制器(COV服务)生成COV事件服务,并通告注册的COV客户,按照用户对照明系统的设置,WriteProperty服务将改写照明模块的输出点对象输出值,控制照明开启。

2 照明控制相关的对象

新版BACnet协议完善和添加照明控制相应对象,包括许多独特的照明属性,如闪烁警告和延时功能、连续的照明调光控制、以恒定的变化率调光至指定照度、指定时间内调光至一定亮度、步进值递增或递减、灯光实际值反馈、总功率、负载瞬时功率、区域和场景等,使照明控制具有更多的可操控性。

2.1 照明输出对象

在传统的暖通空调系统中原有的模拟量输出对象对调节风/水阀操控自如,但不适应照明控制的复杂场景。故BACnet特意为照明调光控制设计专用照明输出对象,内设有闪烁警告、最大/最小实际值、功率/即时功率、调光用的斜率、步进和衰减等功能。

照明输出对象主要是用于控制调光照明,输出的是模拟信号,要改变调光值直接改写当前值属性即可。由于LED调光照明的特性,对象引入实际范围,标准范围和非标准范围。调光照明通常是线性比例0%～100%,有时5%～85%,视实际灯具而定。对象中的最小实际值属性和最大实际值属性规定系统真正的物理输出值。灯具的照度可以通过直接改写当前值属性来实现,此属性可由BACnet中多个控制器或模块操控,但需遵循16级优先权规则。

照明输出对象如图3所示。

图3 照明输出对象

反馈值属性表示在标准化范围内的物理照明输出实际值,如在非标准化范围内的物理照明输出实际值不是OFF,又小于最小实际值,那么,反馈值属性应设为1.0%,如在非标准化范围内的物理照明输出实际值不是OFF,又大于最大实际值,反馈值属性应设为100%。此属性值是由控制器自身电路监测照明当前的状态后赋予的,外部命令不可改写。

除更改当前值之外,改变调光值也可通过修改照明命令属性,特别是调光照明独特的功能,如斜率、步进增量和衰减时间属性,这些功能可让照明灯具逐渐变亮或变暗。

闪烁警告机制能导致物理灯具闪烁或以其他方式发出通知,系统告知用户照明即将到时关闭,让用户有充裕时间准备离开,灯具可能闪烁一次、多次或重复闪烁,也可变亮或变暗等警示用户,或用户可重新手动操作开关面板改变控制模式。举例来说,17∶00～20∶00开会,原照明输出对象当前值为0%,处于关闭状态,16∶45时,时间表启动调光命令或其他自动控制,通过更改当前值属性至100%,照明逐渐变亮开启;20∶00时,Warn_Relinquish照明命令执行,即时闪烁通告发出通知用户,照明按设定的时间延时,然后关闭。如设定15 min延时,则到20∶15时当前值属性即变为0%,照明逐渐关闭,便于用户有充足的时间离开会议室,避免摸黑而导致意外。

照明功率属性有两种,功率属性表示照明开启时期的功率,即时功率属性表示照明开启时的当前功率。

16级优先级机制在照明控制中有着重要的作用。照明控制中一个对象受控于多个控制设备很常见,灯具可能受控于墙面开关,也可是传感器或系统的时间表。在办公室或居家中常采用传统的单联开关、双联、多联或调光控制方式;另外,传感器感应到人在此空间活动,照明开启并调整至指定的照度;如室外阳光明媚,室内照度可根据照度传感器测量值由系统对照明输出进行调节,传感器感应的控制模式提高照明系统的能效。多种因素以不同的优先级可影响照明的开启和亮度,系统可通过不同优先级设置灵活调节场景。

2.2 开关照明输出对象

BACnet协议中,二进制输出对象在传统暖通空调系统中对风机或水泵进行开关控制,但也无法满足照明的特性。开关照明输出对象就是专门为照明开关控制而设计的,具有诸多照明控制的特性,主要应用于照明开关回路控制。

闪烁警告功能就是其中之一,告知用户照明即将到时关闭,让用户有时间准备离开,或重新人工按动照明开关。灯具可能闪烁一次、多次或其他方式警示用户。

以工作行程为例,9∶00点前,开关照明输出对象被控制在默认值OFF,处于关闭状态;9∶00时,时间表启动并触发相应的开关动作或其他自动控制,通过优先级9更改当前值属性至ON,打开照明;17∶30,WARN_RELINQUISH照明命令以优先级9执行,即时闪烁通告发出通知用户,照明即按指定时间延时,然后关闭。如设定10 min延时,则17∶40时当前值属性将变为OFF,照明关闭。

开关量照明对象举例如图4所示。

图4 开关量照明对象举例

开关照明输出对象具有功率属性,系统根据所有控制输出能实时计算出照明能耗,甚至整栋大楼的照明负载使用状况。照明开关继电器控制器或模块通常自身带有20A继电器,照明回路直接接在继电器上,对电流的检测或开关时间统计便可计算出回路的功率。

反馈值属性表明物理照明处于开启或关闭,ON表示灯具打开,反之关闭,该属性值是由控制器自身电路监测照明的操作状态后赋予的。

2.3 通道对象

通道对象用于将接收到的单个值转发给一组对象属性,这组对象属性可包括任何组合的对象类型以及不同数据类型的属性,如调光属性(照明输出对象)、色温控制(照明输出对象)、开关属性(卡开关照明控制对象)、窗帘控制(二进制输出对象)等。这样,可充分利用通道对象的特性对区域或场景进行控制。通道对象的当前值属性是由WriteProperty或WritePropertyMultiple或写组服务来操作。

通道对象以高效的广播方式发布,相对于传统的轮询方式有着更大的优势。在照明系统中,常常需要迅速、及时地调制几十盏灯光的亮度或场景控制,现有的WritePropertyMultiple服务可以使用,但不能满足照明控制系统快速响应的需求。BACnet协议中写组服务同时在多个设备上改写对象属性,要做到这一点,此服务对网络中多个设备通过广播的方式提出请求,服务以相应参数来制约接受设备,进一步限制目标通道对象(如Channel_Number属性),这些设备都与指定的通道数相关。

写组应用服务举例如图5所示。

图5 写组应用服务举例

图5中,写设备对通道对象组23中的通道进行操作,网络中的设备1和设备2同时收到写命令请求,设备2内的通道对象组6中的通道10并没有执行写操作,而设备1则执行。

2.4 全局组

全局组对象中的属性代表着一个或多个对象中的一组属性,可以是来自BACnet网络中的任何设备,用于简化BACnet设备间的信息交换,提供简约的方法来一次指定组中所有成员(如同一楼层中的所有照明照度)。全局组对象不同于组对象,支持固有的事件报告和周期性地发送COV通告,能监视所有状态标记属性的变化,并初始化事件通告信息,一次传递所有组中成员的值,这样的机制在一个事件发生时可定义许多属性的值。

照明控制系统中的照明区域控制就是使用全局组对象,用户按动一个场景或被定义过的按钮便可对一组照明输出属性发出开灯、关灯或调光命令。

2.5 时间表对象

时间表对象以一周时间为周期(Weekly_Schedule属性)重复发生的控制模式,特定日期除外(Exception_Schedule属性,如假日),特定日期可设置不同的控制模式。一旦定义日期和时间,到时定义的操作将自动执行,这是因时间表对象有命令其他对象的功能。时间表可覆盖年度中任何一天。照明系统中的时间表控制就是通过BACnet Schedule对象实现的。

时间表对象举例如图6所示。

图6 时间表对象举例

用户可以用时间表功能设定上班时间开启照明/窗帘,中午休息时分调节色温或照度,下班时关闭照明/窗帘,而周末和节假日照明/窗帘处于关闭状态。

如早晨9∶00之前,照明输出对象默认值为0%时处于关闭状态;9∶00时,时间表启动控制流程,更改照明输出对象的属性至100%,即打开照明或同时开启窗帘;17∶30时,闪烁警示通告用户,指定时间延时后关闭。假设17∶30时设定10 min延时,时间到达17∶40,则关闭照明和窗帘。

2.6 闭环控制对象

闭环控制对象采用控制论中的PID调节,将输出控制值(Present_Value属性)输向受控对象,并将受控对象的状态信息反馈到输入(Controlled_Varible_Value属性)中,以修正控制过程,使系统的输出符合预期要求(SetPoint属性)。闭环控制对象具有命令其他对象的功能,Present_Value就是发出的输出控制值命令。

在照明控制系统的恒照度和是否有人的自动控制中,BACnet闭环控制对象利用闭环控制的机理。用户设定开灯条件,系统根据照度传感器或存在传感器获取照明的实际输出反馈,对照明系统或窗帘进行控制和调节,以达到用户希望的照度要求。

BACnet闭环控制对象及其PID机制和关键属性如图7所示。

图7 BACnet闭环控制对象及其PID机制和关键属性

3 BACnet应用服务

(1) 报警和事件服务中的值改变COV是因BACnet报警和事件服务中引进一个重要的机制,借鉴计算机系统中较为高效的客户/服务器架构。当对象属性的数值改变或内部状态发生变化超过设定范围时,”事件“即被触发。COV的使用是先由COV客户向COV服务器中特定事件进行永久或临时注册,一旦COV服务器的相关对象属性(在指定的范围内)发生变化便产生COV事件,COV服务器通过ConfirmedCOVNotification服务或Unconfirmed COVNotification服务向各注册过的COV客户发送COV事件通告,系统快速实现相应的机制,而不是采用低效的不断执行ReadProperty服务来关注数值。BACnet系统中只有部分对象支持COV功能,如照明输出对象、开关照明输出对象、模拟量对象等。

照明控制系统中,通常控制器会对面板开关/传感器输入点预定COV值改变,这样用户按动面板开关或存在传感器感应到有人进入会议室,COV事件被触发,使控制器按照内部程序或参数设定对继电器/调光模块中的照明输出对象进行控制,最终导致照明灯具调控到相应的开关和照度状态或场景模式。

(2) 写组服务把控制数值一次性发送给众多设备和对象,为传输多个数值提供快捷的方法;可为特定编号的控制组更新任意通道对象的当前值属性(Present_Value),在收到写组服务请求后,所有属于指定控制组的设备将其相应通道对象的当前值属性写入相应的通道号;属于非证实服务,可以在特定远程网络上或使用全局BACnet网络地址进行单播、多播、本地广播。

4 BACnet的开放性、兼容性

鉴于BACnet的兼容性,系统设计和运维人员能从基于BACnet协议的照明控制系统和BACnet暖通空调控制系统的集成中获益。在设备层面,基于BACnet协议的变风量控制系统VAV可以读取房间中照明控制系统的存在传感器状态值,如房间无人,变风量空调系统VAV可以减少送风量,以提供高性能建筑的控制水平,而不需要添加空调系统用的额外传感器,甚至系统的传感器数据也可共享。

BACnet照明控制系统可兼容并无缝连接市场上所有标准的BACnet照明和楼宇自控产品和系统,而不需要任何网关。BACnet/IP控制器或BACnet MS/TP模块能与其他BACnet产品在以太网或RS-485总线上混合搭配使用,可实行产品间的数据和信息交互,最终实现系统的拓展和集成。

5 BACnet照明控制系统

基于以上介绍的所有BACnet照明对象和服务而开发了BACnet照明控制系统,产品包括照明控制器和各类模块,有照明控制器(多款带有输入和照明控制输出)、0～10 V调光模块、前后沿调光模块、大电流继电器模块(带电流检测)、窗帘控制模块、时钟模块、传感器及面板开关输入模块、移动和照度传感器等,还研发BACnet-KNX、BACnet-DALI、BACnet-Modbus网关,不但可自主构建完整的照明控制系统,而且能整合KNX、DALI等主流照明系统,提供灵活高效的运营管理,提高室内照明的视觉舒适性,更重要的是系统能为建筑照明用电节省25%～35%的能耗。该照明控制系统可兼容并无缝连接市场上所有标准的BACnet产品和系统,如霍尼韦尔、江森、西门子和Delta等照明和楼宇自控系统。

照明控制产品如图8所示。

图8 照明控制产品

系统管理软件和云平台可监控和管理照明控制系统,支持就地、云端和手机等操作,也可对楼宇自控系统的能效实施管理。

产品主要特点:

(1) 产品完全兼容市场上所有标准的BACnet系统和产品,并遵循ANSI/ASHRAE 135—2016标准。

(2) 100 Mb/s以太网层面上的多款照明控制器兼容相应的BACnet/IP协议的设备。

(3) 调光模块、20 A大电流继电器模块、窗帘控制模块、时钟模块、传感器/开关接入和各类暖通空调输入输出点模块都运行在BACnet MS/TP总线上,兼容其他BACnet MS/TP协议的设备。

(4) 支持COV值改变的操作模式,系统反应速度快 。

(5) BACnet MS/TP模块能与主流产品在MS/TP总线上混合搭配使用,以实现系统的拓展和对设备的监视、控制。

(6) BACnet MS/TP的通信速率可选,可为9.6、19.2、38.4、76.8、115.2 kb/s,如不选,模块支持自适应。

(7) BACnet/IP-KNX、BACnet/IP-DALI网关运行在BACnet/IP网络上,支持KNX和DALI照明控制系统。

6 结 语

新版BACnet-2016协议中有关照明控制相关的对象和应用服务为照明控制系统的时间表、开关回路控制、调光控制、恒照度控制、区域控制、场景控制及能效管理等主要功能提供实施标准。BACnet的开放性、兼容性和扩展性为未来建筑楼宇中的照明控制系统设计和营运提供高效、便捷的方法。