工业商用照明控制系统发展历史及应用

如今的光源和照明技术已不仅是新技术的简单应用，物联网技术进步使我们能最大限度地发挥我们的视觉功能，飞速发展的照明控制技术也正为这种视觉功能提供令人惊诧的控制手段。人工照明已发展成为一个独立的行业，而照明控制系统的的应用也已深入到普通大众的生活当中。

工业商业综合体项目的成熟和普及，给工业电气照明控制系统的应用提供了丰富多彩的舞台和案例。不仅有照明设计师天马行空的天才想象力，精准智慧的照明控制系统也是功不可没。本文所要阐述的，正是这样一项曾长期被人忽视的系统的发展沿革和技术特征。

一、传统的照明控制方式

传统的照明控制方式通常有以下几种：

1.直接开关控制

(1)安装在现场的翘板式、拉线式、触摸式、感应式或者其它操作形式的开关，进行就地分散或集中控制;

①单点控制：最常用的控制方式，由一个开关控制一支或一组灯具电源的通断;

②多点控制：由设于不同地点的两支或两支以上的开关共同控制一支或一组灯具电源的通断，常用于楼梯间、走廊等区域;

图1直接开关控制单点控制和多点控制

(2)配电箱中的微型断路器直接做为控制照明开关，按配电支路控制现场或某特定区域的照明;

直接开关控制方式的主要优点是成本低、维护方便，缺点是需要人工开启关闭，如使用人责任心不强，易造成电能的浪费。

2.间接开关控制

通过在照明回路中引入接触器等控制器件(线路示意如图2所示)，达到照明控制的功能。其主要应用在下列场合：

(1)由于现场安装的灯开关容量无法控制大容量照明灯具或整组灯具时，在现场安装控制按钮，通过控制接触器的通断来控制;

(2)设有灯光控制台、控制柜等设备的大型照明控制系统;

(3)用于远程控制的场所，比如停车场、广场、庭院照明等;

(4)用于特殊用途的照明，如应急照明等;

图2间接开关控制线路(上图用于普通照明，下图用于应急照明)

3.传统的调光控制

在夜景照明控制系统中，还有一类对照明效果的变化进行控制的方式，即采用调光装置。调光控制方式可丰富照明效果，但传统的调光装置成本高、效率低、体积大、操作也不方便。固除了极特殊的场所，应用并不广泛。

4.初步的自动控制

(1)光控：由光电转换感应器、中间继电器、时间继电器、接触器等组成。主要应用于路灯控制，也常用于夜景照明，其设定值通常只能手动调整。

(2)声控：主要是功能性应用，在夜景照明中只作为动态效果的应用。

在夜景照明、庭院、楼梯间以及非消防疏散用走道等某些有特殊照明控制要求的应用场所，引入光控、声控方式，实现初步的自动控制。这类自动控制只是初级的、局部的应用。

5.改良的自动控制

由光传感器及其它传感器、数模转换、中央处理器、电动执行器等组成的较为完整的自控系统，除完成上述系统的功能外，还可通过编程，设定长期的运行状态控制，如晚间模式与午夜模式等。

对一个商业夜景照明控制系统而言，可按照普通模式、双休日模式、节假日模式、重大庆典模式等预先分类来进行分区、分时的设定。在启动时按环境亮度启动，兼顾冬、夏季不同的系统运行时间。这种控制系统的设计已具备了BA系统的特征。但这种系统运行依赖于中央处理器，设定值调整较为复杂，操作维护工作对人员要求较高。

6.传统照明控制方式的局限

如图3所示，传统的照明控制方式有以下几点局限：

(1)控制功能简单，一般只有开关功能。若要实现遥控与集中控制，系统布线会变得较为复杂，可靠性较差;

(2)大多依赖人工操作，特别在控制大区域、大空间的照明时操作烦琐，失误、遗漏难以避免;

(3)用于非专业场合的调光装置及相应控制装置一般单独设置，影响其效能的发挥。若要实现场景设置、亮度连续调节等复杂功能难度较大;

(4)在改良的间接开关控制方式中，如中央处理器出现故障，受它影响，照明控制系统也会随即瘫痪。

(5)施工布线工作量很大。庞大的线缆数量不利于维护、改造。

图3传统的照明控制技术

二、智能化的照明控制

十四五以来，针对照明智能化控制系统的话题一直不减，就当代照明控制装置而言，商用照明控制系统面临着许多新的要求：

(1)不再是简单的实现区域照明和定时照明开关功能。照明控制装置还要能提供控制光源的发光时间、亮度来配合不同应用场合和氛围，提供相应的灯光场景，即适宜的光环境，以及管理的智能化和操作的简单化等功能，便于使用。随着文旅夜游项目的兴起，夜景照明，户外路灯的照明需求只会越来越高。

图4BA系统中的控制总线和现场总线

(2)现代建筑电气的安装要求不断提高，需要的导线数量愈来愈多。这不仅增加了火灾的危险和设计的工作量，还会给日后的检修、维护以及改装工作带来诸多不便与困难。因此，简化系统布线的工作势在必行。

(3)推广“绿色照明”，为当代照明设计提供了新的评价标准。设计先进合理的照明控制方式是照明工程设计中的重要内容之一,是在保证视觉条件、满足视觉需求的条件下，减少光源点亮时间、合理节能以及提高照明质量的重要手段。

为了克服传统照明控制方式的固有缺点，达到设计简单、使用灵活、功能完善、节约能源、潜力巨大的要求，国外各厂商纷纷推出智能化的照明控制装置--面向事件的控制总线系统。

2、名词

(1)现场总线(Fieldbus)：一种“全数字化、双向、多变量、多点多线的通讯系统”。它应用信息技术，微处理器技术及网络技术，实现传感器、控制器和执行器之间的数字连网，是通讯协议在现场控制系统中的应用。目前常见的现场总线有LonWorks、BACnet、Profibus等等。

(2)控制总线(Controlbus)：在BA系统的三层控制结构中，控制总线属于自动化层，是连接中央站和各分站的枢纽、桥梁(详图4)。它要保证中央站与分站间数据传输的一致性，提高系统的可靠性、实时性和准确性。控制总线可直接连接中央站服务器，实时访问数据库。它的控制层次高于现场总线。常见的控制总线有Modbus等。

(3)面向事件：在现场总线技术中被称为“网络变量”，使网络通信的设计简化为参数设置。这样，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。在控制总线系统中主要指满足某种或某类特定的功能要求。

3、新特性

(1)控制总线技术：

控制总线是在80年代,伴随着集散控制BA系统的推出而出现。与90年代形成的现场总线技术不同，现场总线技术主要面向被控设备现场，更强调工作的独立性和配置的灵活性。在当代的智能照明控制系统中，为了便于同上位机连接、保证系统的可维护性和可操作性，大多采用成熟可靠的控制总线做为系统总线。表1是目前国内市场常见的三种主要用于照明控制的面向事件的控制总线系统(以下简称控制总线系统)各特性的比较，供广大设计师参考。

由于智能建筑控制系统的技术发展很快，网络的开放性、互操作性和可通过不同通信介质、不同网络结构实现大容量节点的控制是当前网络控制系统的发展趋势。伴随着新世纪因特网时代的到来，BA系统形成现场层-自动化层-管理层三层结构，分别对应着Infranet-Intranet-Internet/控制网-企业网-因特网三重网络。新一代控制总线系统将更强调同各类、各层网络的无缝集成，除便于由上位机通过网络对控制总线系统进行运行、操作和维护，更能使控制总线系统直接进入上位机的数据库系统，将管理功能和控制功能整合，以适应超高速的信息时代要求。

有的控制总线系统为了便于推广，特意将自己的系统通信协议做成开放式的，并成立专业协会负责组织、认证。

(2)调光器的引入：

图5前沿相控方式(上);后沿相控方式(中

将原本独立的光控制装置纳入控制总线系统，不仅是为系统本身提供一个有用的功能，更为传统的照明控制方式带来翻天覆地的改变。在系统总线支持下，并同其它传感器件和控制器件配合，它可提供如下功能：

①随时间、日照的变化，或预先的编程，动态的控制照度、提供人们所希望的光环境;

②尽可能减小无谓的光通，实现良好的节能效果;

③通过调光器固有的软启动/软关断的功能，能保护并延长光源的寿命，取得经济回报;可与专业灯光控制装置或其它照明控制系统以及其它BA系统配合使用，实现系统集成;

因此，各种调光技术愈来愈受到灯光设计师的青睐，它们的使用范围也从剧院舞台，扩大到各类建筑领域，进入千家万户。传统调光器采用串联电阻或自耦变压器等笨重的设备，后来的调光器大多采用半导体器件对交流市电进行前沿相控触发方式(适用于阻性和感性负载)和后沿相控触发方式(适用于容性负载)的调控方式。最新的产品是一种称为“正弦波电压变换器”(SVC)的调光器(如图6)，它等效于一台电压输出有效值可改变的变压器，输出电压不再造成波形崎变，基本消除高次谐波的干扰，更适用于气体放电光源的调光。随着对照明控制装置要求的提高，性能更好的调光器件一定会不断涌现。

图6SUV调光器原理框图

调光器的应用对推广绿色照明工程有重大意义。在此领域，国外的设计界早已提出了自己的标准。如美国环境维护所(EPA)早在年就召集余照明设备生产厂家签署并推广绿色照明计划;英国也规定，在整个楼宇中把白炽灯的安装数量限制在10%以内，或白炽灯的安装容量在每平方米12瓦以内，中国的新版《建筑照明设计标准》甚至规定了更严苛的要求。这场世界性的绿色照明革命使得像新型PL型荧光灯、陶瓷金属卤化物灯、LED灯等新型光源的应用领域越来越广泛，而新型调光器件的使用无疑将使新型光源的光控操作更为得心应手，实现更广范围的照明调节控制。

(1)系统结构：

①供电与控制功能：

控制总线系统都采用了将用电设备的交流V电源同网络控制总线相互分开的结构。总线电源电压均采用安全直流电压。低压供电方式无疑有利于消除使用中意外触电的危险。详图7

系统总线有的采用两根一对双绞线，即由一对线同时传输总线电源电压和网络信息而互不影响;有的系统采用两对四根双绞线，每对线分别传输总线电源电压和网络信息。这并不能说后者的系统就更费线。其实，各种控制总线系统都推荐采用五类线(四对双绞线)做为传输介质，没有用到的线对可做为备用。

另外，系统的总线用户都采用分布式地址化方式接入总线，便于系统的安装调试和分步式管理。它可以使总线元件在网络上任意分散设置，并且所有控制设备都能独立自主的进行工作，它们之间的工作协调和响应通过网络传输协议来完成。这种特性使得控制总线系统的安装、修改、维护和扩展非常容易，是控制总线系统区别与传统照明控制的主要特点之一。

图7采用控制总线的照明控制系统

②传输协议：

控制总线系统的数据传输都采用串行异步传输方式。网络指令信号经总线传输给各总线用户。其信息是对称的叠加在一基础小电平中。采用这种传输方式有以下优点：共模抑制比高;对外干扰小;暂态特性好;线路匹配阻抗低，抗外界干扰性能好;

串行总线方式能减少传输线缆数量、便于施工、减少投资、提高总线信息传输的可靠性和效率，符合网络技术发展的潮流。系统的传输协议大都遵从国际通讯协议标准，便于同其它系统互连。现在市场上常见的用于智能照明控制系统的总线传输协议的具体情况参见表1。

④网络布局：

图8总线的结构方式

常见的总线结构有线形结构、环形结构、星形结构或树枝形结构(详图8)。各种控制总线系统中，有的支持的以上所有结构;有的只支持部分结构;有的只支持线形结构。总线长度一般不少于米，可以通过网桥方便的进行系统扩展，每个系统都可提供一万至数万个总线元件的规模。网络布局丰富，是因为其网络传输协议更新、更成熟、适应力强;网络系统规模大，是因为其网络传输协议经过合理优化，数据传输效率高。其实，从某种意义上说，我们可以认为网络传输协议制定的好坏就能决定整个控制总线系统的优劣。总体而言，控制总线系统的系统规模和形式是由其担负的功能所决定的，能够满足绝大部分控制要求。

(2)基本元件：

为满足客户的各种需求，控制总线系统都提供了品种繁多的基本元件。按用途与结构方式可分为如下几方面：

①安装方式：

控制总线系统的基本元件主要分为五种安装方式。小尺寸的元件如用于终端配电箱，可同微型断路器并排安装在标准导轨上(专用安装导轨设有数据排，可将基本元件直接连通，见图9)。这种安装方式使得各元件在箱内的排列整齐统一，对传统的照明配电系统设计影响较小，但输出单元的容量不宜做得很大;另一种用于终端配电箱(柜)的安装方式是直接安装在配电箱(柜)底板或支架上，类似于传统塑壳开关的安装，这种安装方式的元件体积较大，每路输出容量可达3~4千瓦;符合标准86式外型或非标的嵌入式或明装于墙壁、顶板或吊顶上的开关面板、遥控接收器、各种传感器、接口;直接安装于用电设备的内部或旁边的基本元件(如某些调光器件等);最后一种方式是因产品形式特殊，需就地明装于现场墙上。每种元件的安装方式各有特点，设计师应根据现场具体情况和业主要求酌情选择。

图9单元安装在标准导轨上

②基本单元电器：

控制总线系统的基本单元电器通常包括电源装置、网桥及各种耦合器;各种容量和路数的开关量I/O单元和调光器、场景记忆单元、各种接口、按键面板;红外线遥控器、接收器、译码器;以及亮度/温度/红外/风力/雨量/位移等各种传感器、火警/感烟报警器等等，有的控制总线系统还提供触摸屏、手持式编程器等较特殊的单元器件。

③基本功能：

如图10所示，控制总线系统能提供开关量输入输出、遥控输入、可提供各种传感器阈值输入、时间控制、预设场景记忆输出、各种灯具调光、PC机编程控制、以及便于接收外界控制信号的干接点输入单元等各种照明控制功能(详表2)。此外，EIB系统还能提供多种诸如电动窗帘、空调和其它电动执行机构的输出应用单元，进行能源、采光、保安、通讯和大厦管理。除照明控制外，这些丰富的功能还可以满足业主的多种需求。

图10基于控制总线系统的照明控制表2实现照明控制的主要功能

(3)电磁兼容性(EMC)：

电磁兼容性指在干扰环境(若干设备处于同一区域内，每个设备皆向周围发射电磁辐射的环境)中，一套电子设备正常运作的能力。随着电进入人类生活的几乎全部领域，现代建筑中各种电子设备的安装密度越来越大。建筑中各电子设备之间，以及电子设备同周围环境的相互影响、相互干扰也随之加剧。因此，对于将要装设在建筑物中的各种电子设备的电磁兼容性要求会越来越高。对于电磁兼容性的

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