照明控制系统-----使用需求、总线控制方案
2007-02-10
作者：admin
来源：照明工程师社区
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摘要： 在和同事、朋友的交谈中经常听到使用调光控制系统有什么优点？在一个具体的项目中又该任何选择合适的调光产品？常用的控制总线有哪几种，各有什么特点？…… 等问题的提出。
在和同事、朋友的交谈中经常听到使用调光控制系统有什么优点？在一个具体的项目中又该任何选择合适的调光产品？常用的控制总线有哪几种，各有什么特点？…… 等问题的提出。
作为专业的技术工作者，近几年本人参与了好几个大型灯光照明控制系统的集成，对路创(LUTRON)、亿光(SEGT)、河东企业(HDL)、西门子(SIEMENS)、邦奇(Dynalite)、奇胜(CLIPSAL)、江森(Johnson)、松下(National)、ABB等公司的调光产品都有所了解或使用，在灯光控制系统的集成方面有了一定知识积累，觉得回顾和整理一下自己的已有知识，对今后工作会有所帮助；同时以博客的形式写在这里，也可为想对调光控制系统有所了解网友提供一些参考内容。
所以,我决定从现在开始,逐步写一些调光控制方面的内容放在这里。今天刚开始做这件事，先写一下调光控制系统的使用需求、施工中可采用的几种控制方案等内容。今后将不定期的写一些有关调光控制系统的知识、控制系统的集成方案、不同调光产品的性能比较等文章；对于网上看见的好的调光控制系统文章也会进行转贴。
对于本人文章中可能出现的不正确表述，欢迎各位网友批评指正！
一、调光控制系统的使用需求
近几年，随着科技的发展和物质生活水平的不断提高，家居、酒店智能化也不断被人们所推崇。作为智能化的组成部分——智能照明系统更成为当今装饰、装修的关注点。自从爱迪生发明电灯以来，给人类带来无穷的利益。如今的电灯已不仅仅用于照明，而更多的是用来营造温馨、浪漫、多彩、绚丽、奢华的氛围。正如我们所在的城市、公园的彩灯；江滨的夜灯；街道上的各种霓虹灯等。那么家居、酒店等处的智能照明系统又该如何配置和使用灯光控制系统？
今天，各种灯具已不单纯是实现基本照明的工具，已成为建筑装饰中的一种实用艺术品，是照明技术与建筑艺术的统一。
照明效果在建筑装修中的重要地位已逐步被人们认识，精心选择各种别致的吊灯、落地灯、台灯和壁灯来装点您的居住空间，可为您创造出令人赏心悦目的格调。
不同的灯光场景，对人的心境和情绪变化有着紧密的联系。人们在会客、娱乐和休息时，对光线的强弱、灯光的有无，有着特定的要求。你选择了最好看的灯具只是为你的家居增加了部分光亮。但如果没有一种简单、方便的方法来控制这些灯具，那么也就失去了你如此精心挑选的灯具的装饰效果。例如：悬垂在餐桌上方的吊灯可能是调到百分之四十亮度时，看起来效果最佳。同样的情况也可能发生在书架上布置的小灯上。为产生最佳照明效果，你需要对不同区域进行灯光调节。
所谓灯光调节，其实就是根据某一区域的使用功能、不同时间、室外光亮度等条件来调整灯光照明。其中最重要的一点就是可进行预设，即具有将照明亮度转变为一系列程序设置的功能，这也是我们称之为智能的原因。这些设置也称为场景，因为它本身就是根据人们对于不同场景的灯光需求来设置的，它可由调控器系统自动调用。
灯光调节的方式借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理。调光技术可使照明系统能按照经济有效的最佳方式来准确运作，能够最大限度地节约能源，与传统的照明控制方式相比较，可以节约电能20％～30％。由于人眼对光强的感受是非线性的，因此，就有可能将亮度级别降低10%以上，而人却觉察不到亮度的变化。这样，就可以节省将近10%的电能。如果将调光级别降低50%，则可以节省约40%的电能。
调光开关可将灯光亮度渐调到预设级别，这在第一次开灯时尤其重要。将灯光亮度渐调到设定级别，也称为“软启动”，可以极大地延长灯泡的使用寿命。灯光亮度降低10%可将灯的使用寿命延长两倍，降低50%则可延长20倍左右。
您也许已注意到：当家里有了各式各样灯具之后，如何将它们精心地搭配在一起，并营造出最适合的效果就成了件麻烦的事情。
当你结束了一天的忙碌后，舒舒服服地坐在沙发上准备享受一下的时候，发现周围的灯不是太亮，就是太暗了，为了给自己一个舒适的光环境需要你去手动调节每一个调光开关，你的心情会怎样？在您看电视的时候，很可能因为需要调正一下灯光，而错过了精彩的射门镜头；或者，冬夜里躺到床上才发现洗手间的灯还没有关上，只好爬起来把它关上。
这一切是否够麻烦？
你是否有足够的时间和耐心，每次都手动来调节每一个调光开关以获得正确的效果？
如果灯光只是在房间内少数几个区域发挥着重要作用，一个一个地调节开关也许并不是什么很难的事情。但是如果有许多开关需要摆弄，而这些开关又散布在房间不同地方，你就应该考虑用一套灯光控制系统来帮助你。
除居家灯光控制外，各种会议大厅、宴会大厅、百货商场、办公楼、剧院演出或排练大厅、大楼景观照明、体育比赛场馆等地方的灯光调整要求，如采用一个回路一个回路进行调节的方式进行灯光调整，其操作量会非常大，甚至达到难以承受的地步。
二、 施工中可选择的几种控制方案
为满足照明领域不断出现的新要求，通过长期摸索，人们找到了许多好的解决方案。以区域和场景概念来进行灯光管理已被各种智能灯光控制系统采用。目前在照明控制系统建设中通常使用的方案有：
1、控制总线方案
采用一对双绞线作为通讯介质，所有的系统控制单元由这对双绞线连接组成控制网络，每个系统控制单元所发出的控制信号在整个控制网络里进行传播，各个系统控制单元接收到控制信息后，则根据系统通讯协议的规定执行相应动作，从而实现智能网络控制。这种方案在采用控制总线的同时，往往也采用电源总线方式进行系统供电，以降低成本。这种方案，系统单元设计简单，由于采用专用的双绞线作为通讯介质，所以具有抗干扰性能强、通讯效果好，通讯稳定性高的优点。但由于要采用专用的网络线，所以对工程施工质量要求高，增加了系统的安装难度和总成本，并且由于控制总线或电源总线的存在，某一系统单元或总线节点的故障都可能对系统造成影响，甚至造成系统瘫痪。
为克服采用控制总线方案时由于某一设备发生故障而造成系统瘫痪的情况发生，许多厂商对产品、对系统进行了改进，出现了分布式集散系统：一个大系统是由多个带智能的独立模块用总线方式连接起来的，脱离大系统后，每个控制模块均能独立运行。此种方案对大范围照明控制是非常合适的，只要在设计时考虑了故障隔离问题，对设备进行适当冗余配置，即使在使用中某一部件突然发生故障也能保证你的系统在降功能条件下继续运行。由于采用了总线方案，为日常使用中的系统集中管理、与其他智能系统的互连提供了良好平台。
国内外许多成功的环境照明控制案例都采用了分布式集散控制方案。
2、电力线载波方案
在电力线上通过载波方式进行系统联网，每个系统控制单元所发出的控制信号都通过载波方式在整个电力线里进行传播，各个系统控制单元从电力线上接收到控制信息后，则根据系统通讯协议的规定执行相应动作，从而实现智能网络控制。这种方案与总线方案相比，取消了专用的网络线，安装或扩展也较为简单，只需连接电源线就可实现网络控制。但此方案在具体家居应用上往往由于电力线的干扰问题而变得不稳定。电力线上众多电器都会成为载波通讯的干扰源，其中以电视机、电脑及外围设备、各种充电器、微波炉，电子镇流式的日光灯、节能灯等较为严重，它们或者产生干扰信号，影响系统单元的接收，或者吸收系统单元所发出的载波信号，使其它单元无法正确接收，从而使控制失灵。为了解决这类问题，则需要在此类电器的电源进线和总电源进线处安装各种阻波器来隔阻干扰，保障载波通讯的稳定和可靠性。这样一来，又给用户增加了不少应用成本。
3、无线网络方案
随着无线通讯技术的发展，现在出现了采用无线电进行通讯的家居智能网络控制系统，每个系统控制单元所发出的控制信号都以无线电波的进行传播，各个系统控制单元接收这些传播信息，然后根据系统通讯协议的规定执行相应动作，从而实现智能网络控制。与电力线载波方案一样，由于没有专用的网络线，安装或扩展非常简单，这个方案甚至可以使用电池供电，不用连接电源线，使用非常灵活方便，同时也降低了用户的总体应用成本。现代无线通讯技术和计算机网络技术的发展，已经解决了无线通讯可靠性和互相串扰等问题，使无线网络技术得到空前的发展。从技术发展方向看，无线网络技术有着无可比拟的先天优势，近几年来在IT领域得到飞速发展，成为IT产业和半导体产业的新热点。
三、 常用的操作控制方式
一个好的灯光控制系统会为复杂多变的灯光需求为使用者提供丰富的操作方式，使用者可根据自己的喜好及产品情况选择一种或多种操作方式来对灯光进行控制。常用的操作和控制方式有：
1、轻触式弱电开关
根据您的需求，开关可以任意设定所需控制对象，比如门厅的按钮可以用来关闭所有的灯光。这样，当您离家时，轻轻一按即可关闭所有灯光，既节能、安全，又非常方便；
2、红外、无线遥控
在任一个房间，用红外手持遥控器控制所有联网灯具(无论灯具是否处在本房间内)的开关状态和调光状态。您不需要进入房间后再开灯，在您进入任一间居室前您就可以用遥控器打开灯光，从此您再也不用在黑暗中寻找灯的开关了；
3、电话远程控制
通过任何一部普通电话或手机，实现对灯光或场景的远程控制。此功能可以用在晚归前模拟主人在家的灯光状况，以迷惑可能的窃贼；
4、计算机/互联网控制
通过本地计算机或者INTERNET上的一台计算机，可以远程控制灯光状态；
5、时间场景控制
通过日程管理模块，可以对灯光的定时开闭进行定义。例如，在每天早晨7:00，将卧室的灯光缓缓开启到一个合适亮度；深夜，自动关闭全部照明灯光；
6、灵活的场景切换
您可以通过计算机或者遥控器来设计一种灯光场景，随后，就可以通过遥控器上的场景按键，方便地在各种场景间切换。您可以根据需要控制任意的灯光开闭或亮度调节，甚至可改变其他电器设备的工作状态(例如，打开电视机并切换频道)；
7、良好的调光效果演示
采用微处理器，通过程序实现精确的光照变化控制。可设定亮度渐变速率，其变化速度可在1秒至数分钟范围内任意调节，提供丰富的现场光照变换效果；采用先进的过零触发技术，极大降低调光电路对电网的干扰；
8、与其他系统的连接：
可方便地将灯光系统与其他的智能设备相连，响应其他节点发出的信号(例如当您在客厅打开电视时，客厅灯光自动变暗，其余灯光全部关闭等)；可以设置为由某一个光照传感器来辅助完成灯光照度的自动调整。灯光系统可根据环境亮度自动调整工作状态——当天空变暗时，室内灯光自动打开；与人体探测传感器相连，当您经过时灯光自动打开。
四、 常用调光技术性能比较及存在问题
1. 采用可控硅斩波技术
原理：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管(可控硅)的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电目的。
可控硅斩波型调光设备节电原理图
这类调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，主要使用电子器件，相对来说体积小、设备轻、成本低。
但该调控方式存在一个致命缺陷，由于使用斩波方式，无法实现正弦波输出，并形成谐波，对电网系统造成谐波污染，危害较大，不能在有电容补偿的电路中使用(现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数)。在发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。
谐波的危害
a. 缩短电力电容器使用寿命，严重情况下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸；
b. 变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，浪费电能；
c. 增加电气设备附加损耗，浪费电能，严重时使电气设备过热，烧损；
d. 造成开关、接触器等电气设备误动作，自动化仪表不能正常工作；
e. 产生严重的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影响手机、电视、广播、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。
2. 自耦降压式调控装置
市场上很多采用此技术的调光器产品。它的原理是，通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电目的。
自耦降压式调光设备节电原理
这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。
存在的技术缺陷：
1) 固定多档降压器
由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别降5V、10V、15V、20V，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。如图所示，当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。当用电高峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。
2) 接触器型降压器
这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路（设备的安全保护），一般都用的都是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。但是，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下：
a. 交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。
b. 交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10~20ms的断电，我们称之为“闪断”，这样的断电会导致HID灯( High Intensity Discharged Lamp—高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等)熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5~10min左右，在使用中，这将是个严重故障。
根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。
3. 智能调光控制技术
前面所叙述的二种调光控制技术，有着各自的优缺点。之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅(相控)型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。
智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。
智能调光设备节电原理
智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，具体优点体现在以下四个方面：
1) 优化电力质量，节约照明用电
稳定最佳工作电压
针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在±2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电10%~40%的效果。
多时段节能运行
根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。
2) 有效保护电光源，延长其使用寿命
软启动、慢斜坡
影响电光源寿命的一个重要因素是，启动和运行时电流和电压对光源的冲击。为了有效的降低电流冲击和提高灯的寿命，在国外高档灯具产品中，要求灯具有软启动功能。
智能调控装置能够实现灯具的软启动和慢斜坡控制过程。灯具在启动时，采用低压软启动，充分预热。该过程可减少40%的启动电流冲击，有效提高光源寿命。在调压、稳压的过程中，智能调控装置采用慢斜坡方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流波动的冲击，从而降低电光源损坏，延长使用寿命。
实时稳压、控压
在电压波动很大的地方，如电气设备比较多的厂区，一分钟内的电压波动达到±15%；路灯后半夜的供电电压也会达到250V。智能调控装置高稳定的最佳照明电压，能够延长电光源寿命2~4倍，减少照明运行、维护成本30%~50%。
3) 智能的照明控制
为了满足不同用户对照明灯具控制的需要，智能照明控制设备有三种运行模式可供选用：
端子控制节能运行模式
时间控制节能运行模式
通讯控制节能运行模式
可按现场实际情况，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程计算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化控制。并可根据不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调节，允许100%不平衡。
4) 适用性、可靠性
智能照明控制设备每回路可独立调节，可操作性强，可以承受三相100%的不平衡负载，且保证单相的故障绝不影响其它两相的正常运行。同一个装置可以带不同类型光源负载，可独立调节每回路的输出电压；
可设计为手动和自动双旁路系统，以保证照明设备不断电，正常安全运行。
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