某办公楼项目泛光照明配电与控制设计

叶 顺 文

(深圳前海微众银行股份有限公司, 广东 深圳 518000)

0 引 言

本项目周围建筑以商务公寓、学校、商务办公为主,且待开发区域较多。基于周围建筑业态,靠近居民区照明不宜使用多彩的效果,避免夜间产生眩光扰民。对于建筑自身而言,重点体现公司美好愿景以及价值理念,泛光照明方案着重延续建筑的形体语言,演绎其包容、连接、现代、普惠的内涵。整个泛光采用动态控制,考虑后期政府需求的灯光秀场景,预留统一控制接口,展现区域综合规划。

1 泛光照明设计

本项目泛光照明设计在准确理解建筑、景观设计的想法下,正确把握建筑的特色,而非表现光,更不是展示灯具,在夜间,灯光赋予了建筑生命力,通过光让人们在夜晚感受建筑的层次感。

从色温、亮度方面分析,本建筑立面从标识、幕墙挑檐横向肋、露台、立面媒体屏、幕墙玻璃办公内透光5方面考虑。其中标识、媒体屏为第一亮度等级,露台相对最低,整体幕墙平均亮度达19 cd/m2。基于以上考虑,本项目泛光照明灯具选择及布置形式如下:① 层间挑檐,采用挑檐投光的照明手法,层间横向线条的连续、错落感,体现了建筑特色与魅力。施工单位需要根据现场情况,定制非标长度的线形灯具,满足长短拼接,以确保灯具出光的均匀性。层间挑檐照明如图1所示。② 首层挑檐照明,灯具明装于立面层间,将首层吊顶均匀洗亮,柱子内侧布置投光灯,照亮首层吊顶。首层挑檐照明如图2所示。③ 室外露台照明,有挑檐时,沿用线性投光做法;无挑檐时,灯具固定于立柱或明装于立面层间。室外露台照明如图3所示。④ 屋顶花园照明,充分利用屋顶桁架,使用筒灯照明提供地面基础照明,柱子布置投光灯,照亮屋顶内侧天花。屋顶花园照明如图4所示。

图1 层间挑檐照明

图2 首层挑檐照明

图3 室外露台照明

图4 屋顶花园照明

2 泛光照明配电

结合立面灯具分布安装位置,为了检修及维护方便,开关电源分别按层就近设置于靠近立面的室内天花吊顶内,吊顶位置设置400 mm×400 mm检修口。避免线路太长导致电压压降过大对灯具带来不必要的损坏和色差现象。开关电源至室外灯具供电线路采用T型连接,每支路灯具数量不超过25个,总功率不得超过开关电源总功率的80%。

根据开关电源的分布状况,按照深入照明负荷中心原则,结合项目强电井的位置设置泛光照明配电箱,各泛光配电箱进线按电井竖向采用电缆T接方式连接。泛光配电原则要求如下:① 由于灯具和部分线路安装于室外,易遭受雷电波入侵,故各配电箱须设置相应试验级别的浪涌保护器,按防雷技术相关国标规范要求[1],本项目雷电防护等级按B级设计,LPZ0B与LPZ1交界区域,选用Ⅱ类试验8/20 μs测试波形,电流峰值In大于60 kA,Uc值大于1.15U0值,UP值小于设备耐冲击电压额定值UW。SPD后备保护由厂家配套提供。② 应装设剩余电流动作保护器,具体要求详见GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》第10.7.4条;③ 各支路线路长度满足灯具端电压的要求,分支回路长度宜小于50 m;④ 注意各出线回路三相平衡,三相交替接线;⑤ 配电系统采用TN-S系统,配置专用的PE线,所有非带电金属外壳、金属灯杆利用金属软线均要与PE线可靠连接。配电箱外壳及进线电缆保护钢管均应作等电位联结。灯具金属外壳与幕墙金属构件连通。⑥ 为减少线路及系统损耗,各灯具、设备的功率因数达到0.8以上。

3 泛光照明控制

照明控制方式是实现建筑立面泛光效果重要一环,大量的灯具要表现出不同的亮度、色温和色彩,并且可以分区分组进行控制,满足泛光照明平时、节日、节能等控制需求,以灯光的效果表现建筑的魅力。这对控制系统的可拓展性、可靠性、低时延、通用性、灵活性等提出了挑战。

3.1 常用的照明控制方式

常用的照明控制方式如下:① 面板开关控制。通过一联或多联开关一地或多地控制单个灯具或一组灯具的控制方式;② 定时开关或声光控制。采用智能定时器按照工作时间和休息时间段切换照明方式,满足生活工作所需。采用声音、红外、光线等探测方式启动照明方式;③ 场景模式控制。根据环境或时间需求调用所需场景照明的控制方式;④ 亮度恒定或变化控制。调光设备通过现场探测设备或设定程序实时对灯具亮度恒定控制或调节亮暗的控制方式。

上述第一、第二种控制方式多用于室内照明控制,这里不详细赘述。涉及泛光照明控制,多采用第三、第四种控制方式,引申出智能照明控制方式。

3.2 基于现场总线控制技术的智能照明控制系统

公共建筑中一般都设置楼宇自控系统(BAS),刚开始时照明与空调、水泵等设备监控一样,采用DDC进行控制。由于楼宇自控系统不是针对照明而研发应用的[2],故使用这种做法效果不是很好,原因有:① 只能实现集中控制,不可在现场控制,不是很方便灵活;② 不易实现调光控制;③ 线缆消耗大,布线困难,性价比不高;④ 对操作值班人员要求较高,要具备一点专业知识。故现在在小规模、仅有开关控制需求场合适用。

当前,控制技术紧跟网络发展,以现场总线控制(FCS)的技术成为主流,是计算机分布式控制(DCS)的更新换代产品,是过程控制领域一个新的热点。FCS是一种数字通信协议,是连接现场设备和控制系统的全数字式、总线式、半双工串行、开放式通信系统[3]。在目前的智能照明控制系统中,各个厂家推出了很多基于RS-485或其他总线协议的产品。由于未形成统一的标准,各厂家都有自己定义的协议,彼此间的互通互联需要采用模拟信号或一些接口产品来实现。下面结合本项目泛光照明控制所使用标准化照明控制系统Dynalite、DALI、DMX512进行阐述。

3.2.1 Dynalite系统

Dynalite系统基于RS-485总线协议进行研发。一般含以下3个部分:模块部分(开关、调光模块),现场控制部分(包括开关面板、探测器等),监控、调试部分(软件、计算机等)。单个DyNet控制网络是将上述系统3部分部件用1根五类四对双绞线链接而成。该系统具备分布式控制特点,并且系统结构模块化。当要扩大规模时,可通过网络线或网桥与已有的网络系统相连,任意扩展,不会对已有系统造成影响[4]。

系统内设备自带CPU,可独立运行指令和保存程序。当系统断电时,相应的程序指令不会丢掉。当系统内某个设备或区域故障时,只是该节点暂时故障退出,不会影响到其他设备或区域正常状态,也不会因此无法通信。这表明了该系统不像中央式控制逻辑,完全实现对等控制。从运营视角来看,减少了大型系统运行问题,又可以迅速找出问题位置。Dynalite系统可通过RS-232、RS-485、DMX512、Ethernet等多种通信接口集成在楼宇控制系统中,进行联动控制操作。

3.2.2 DALI系统

数字可寻址照明接口(DALI)与以往使用的模拟通信不同,它采用全新的数字通信技术,专门针对照明控制进行研究及应用。数字传输具有抗干扰能力强、质量稳定、距离远,效率高等优点,使得DALI更可靠。DALI采用控制设备和受控设备间双向通信技术,可以控制灯具的启闭、调光,另外也可以反馈灯具运行、故障等状态信息。

设计上,单根DALI总线最多可以接入128个设备,控制设备与受控设备一一对应,各占1个地址,两者分别是64个。单个受控设备(镇流器、开关电源、调光模块)可接入1个及以上的光源,意味着单系统受控光源可以超过64个。并且可对这64个受控设备进行最多16个场景和16个分组控制。当增加DALI总线数量时,相应成倍数增加控制设备和受控设备的数量。另外,总线上两两设备之间的直流电压损失不大于2 V、两个设备之间最远距离不大于300 m、数据传输速率是1.2 kb/s、输出电压、供电电流、场景设定等都有相关参数要求。

DALI系统的优点如下:① 布线方便,可采用星形、总线形或星-总混合拓扑结构。DALI系统供电电源、控制信号在采取中间隔离措施情况下可采用1根线缆,且信号对极性无要求。它不要求使用专用的总线线缆,如果是改造系统时,可利用已敷设的控制线缆进行传输。② 系统可靠、简单,DALI是一种数字通信协议,采用串行、异步方式传输,主机到从机发送帧数据前后1个起始位、2个停止位,中间8个地址位、8个数据位,共19位数据使用曼彻斯特编码方式进行编码,可看出含地址位,上升沿信号“1”的电压区间为9.5～22.5 V、下降沿信号“0”的电压区间为-6.5 V～6.5 V,速率是1.2 kb/s,确保节点间信号通信抗干扰;系统按主从架构设计,总线上控制设备在通信过程中起到主机功能,受控设备作为从机执行控制设备的指令,并反馈信息至主机。③ 控制多样、自由,采用DALI接口可实现单灯、回路、分组、场景等多样监控。DALI接口除了可以单独成系统外,亦可集成到楼宇自控系统或与其他各种总线配合使用。④ 产品通用兼容好,来自不同生产商的产品,只要是符合同一标准协议,就能实现互联互通。⑤ 升级改造简单,在不拓展规模情况下,无须重新敷设线缆,通过服务器端对新增灯具、功能指令等进行修改即可。

DALI接口现在可用于荧光灯、气体放电灯镇流器,还有LED、卤钨灯电子变压器。另外,还可利用DSI(数字信号接口)、1～10 V模拟量接口、计算机通信的RS-232接口等转换为DALI接口。由此,根据以上特征,DALI在场景要求较多且需要单灯受控的静态控制室内场所应用中大受欢迎。

3.2.3 DMX512系统

DMX512系统是一种控制器与灯具进行数据传输控制的协议标准,由美国舞台灯光协会制定发布。

DMX512采用异步通信的方式进行数据传输,速率是250 kb/s,单帧数据依次是第一个低电平起始位、第2～9个数据位、第10～11个高电平停止位,多帧数据构成1个数据包。8个二进制数据位表示1个控制信号,从00 000 000～11 111 111总共可以表示256个不同的信号。DMX512控制器发出指令程序,是基于RS-485总线技术进行研发的,之所以称为“512”,是因为单个485总线串口可接进512个地址。假如单个灯具要表达3个R、G、B三色信号,相应需要分配3个地址,则1个总线串口对应不大于170个灯具。市面主流的DMX512协议控制器(分控器)目前一般是8路串口,当需要接入更多灯具时,可选择TCP/IP协议进行系统拓展[5]。

DMX512系统的优点如下:① 布线简单方便,控制器(分控器)到末端设备采用三类屏蔽双绞线。基于工业标准EIA-485接口进行研发的DMX512系统,理论上传输长度不超过1 200 m,结合工程实际情况,建议不大于400 m,可中间增加中继器方式延长传输长度。DMX512总线终点可接入终端电阻来抵消信号反射和环路,以免引起系统错误。② 便于拓展,通过与TCP/IP协议配合组网,可实现系统规模的拓展以及远程控制和故障诊断。③ 动态复杂控制,DMX512将光源状态分成256个等级进行控制,通过对LED光源RGB三色不同状态组合控制,带来不同的色彩观感,真正做到实时动态变化效果。④ 通用性好,市面主流的厂商的全彩动态LED灯具均配有DMX512接口,可以与不同厂家的控制器兼容,实现了良好的互通性[5]。⑤ 节能性好,采用DMX512系统,能够根据不同的需求编辑不同的工作模式,如节日、平常、节能模式,可有效地节约能源,符合碳中和的理念。

DMX512采用主从式架构设计,属于单主机,多从机模式,同时它采用单向传输通信方式,被控设备单向接收控制器(分控器)发出的指令,无法反馈运行状态至后者。DMX512为了被控设备准备接收来自控制器(分控器)命令,需要主控为每个末端设备提前分配好地址。由于该协议每一帧数据不像DALI协议一样带有寻址数据,那如果某个信号受到干扰,可能会出现系统出现紊乱。因此,DMX512在大型智能灯光控制系统中一般与其他灯控系统配合使用,在泛光照明、园林照明、舞台控制等需要动态效果的地方是最优选择。

3.3 本项目泛光照明控制方案

本项目泛光照明系统采用智能照明控制,实现统一集中控制,各配电回路通过智能照明控制模块进行开闭控制并根据时间、节庆等进行时段控制或场景控制。末端灯具增加灯具配套控制器(DMX512控制器)系统进行调光渐变、动态等效果。本项目泛光照明控制系统框图如图5所示。

图5 本项目泛光照明控制系统框图

整体上采用Dynalite系统,实现统一集中控制,各配电回路通过智能照明控制模块进行开闭控制并根据时间、节庆等进行时段控制或场景控制。① 系统容量不大,整个控制模块数量不超过64个,故采用单子网结构,通过网关接入到控制主机。② 照明开关模块采用标准模数化产品,安装于泛光照明配电箱内,各回路容量为20 A,具有手自动转换开关,便于线路检修。为避免集中开启时引起的浪涌电流,开关带有分组或延时启动功能。并具有掉电保护功能。③ 消防控制室设面板开关,可自由设置按键,实现单路、分组、场景控制等。面板上能具有状态显示和遥控功能,单个按键可控制大于300个以上回路,设置保存不小于96个场景应用。④ 系统增设电流检测模块,实时反馈电流数值,当出现故障时,相应发出报警信号等。⑤ 针对露台照明灯具,选用DALI调光模块进行控制,本项目采用的就是Dynalite系列产品中的DALI模块,通用兼容性好,可对单灯进行调光开关控制,并且可设置于多个场景或分组。

针对室外挑檐照明,末端灯具增加灯具DMX512配套控制器系统进行调光渐变、动态等效果。① DMX512主控器设置于地下一层消防控制中心,包括智能照明控制系统主机也设置于此,方便集成于IBMS平台。② 在17层弱电井设计1个8端口网络交换机,3-屋面层每层弱电井设置分控器,主控器与交换机之间采用多模光纤连接,两端各采用1个光电转换器。交换机至分控器以及分控器之间统一用超五类网线进行连接。③ 分控器到末端设备采用三类屏蔽双绞线,本项目每路信号到最后一个灯具网线距离控制在300 m内。④ 同一台分控器信号回路之间合理的情况下禁止电源跨接,即同一开关电源只能带同一信号回路的灯具。⑤ 照明场景控制可通过电脑编辑的可视化效果程序写入存储卡,通过控制器对存储卡进行读取,可将文字、动画、视频等信息表现于泛光照明上。

4 结 语

LED灯具因其在节能降耗、光源数字化通信、综合成本方面等优势大力发展,采用智能照明控制系统对LED灯具进行控制会越来越受到大家青睐。