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第18章 通信与协议(3)

(3)控制智能化。智能照明控制系统可以通过网络实现定时控制、光控、策略控制、日照控制、延时控制、多时段控制、场景模式控制和用户特殊需求控制等,以实现照明控制的全面智能化。

(4)维护实时化。网络技术在照明系统中的应用,可以实现照明故障的自动检测和报警,使系统得到更为及时的维护。

(5)服务人性化。网络技术的应用,可以使照明依据按需分配的原则,实现局部控制与整体控制的有机结合,以实现照明服务的人性化。

2)照明控制网络技术的发展

现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的:1986年美国剧场技术协会(USITT)的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输标准——DMX512协议,1990年发布正式文本。现在调光网络领域中影响较大的ACN协议和Art-Net协议都是在此基础上发展而来的。世界上一些厂商已经开始设计符合以上标准的灯光网络系统构架,制造相应的灯光网络产品。

随着楼宇自动化和办公自动化的兴起,智能照明控制系统的应用从剧场的舞台灯光控制逐渐拓展到各种建筑物的照明,控制范围和规模已从单个厅室扩展到整栋建筑,甚至整个城市的景观亮化控制。照明控制技术方式已由集中控制方式转变到集散控制和分布式控制。特别是分布式控制的出现,使照明控制方式达到了比较完美的应用。

与此同时,面向建筑物照明的网络协议也纷纷涌现,并各有特色,形成了百花齐放、群雄争霸的局面。根据协议的开发背景和功能特点,这些协议大致可分为以下几类:一类是着名的灯光设备制造厂商单独开发的,例如,澳大利亚Clipsal的C-Bus协议和Dynalite公司的Dynet协议,美国路创的LUTRON灯光控制技术等;另一类是某一领域的厂商联合,针对专门调光系统制定的协议,如数字可寻址照明接口(DALI)协议;还有一类是智能家居协议中的灯光控制部分,如EIB和X-10系统的灯光控制子系统等。这些协议在各自的领域均有自己的优势,占据一定的市场,所以要在短时期内将调光网络统一到一种协议上是不现实的。

鉴于市场的不确定性以及技术突破的不可预见性,在可以预料的相当时期内,多种协议并存、相互融合借鉴将仍是不争的事实,如同工业控制领域有多种现场总线标准,其中多种常用标准长期共存一样。

智能照明控制系统按其网络的拓扑结构大致可分为以下几种:

(1)集中式

集中式系统结构主要为星形拓扑,即以中央控制节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器上,由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。该系统的优点是:照明的控制功能高,故障的诊断和排除简单,存取协议简单,传输速率较高。缺点是:因过分依赖中央控制器,故系统的可靠性和经济性相对较低。虽然采用多种改进措施后,可提高中央控制器和系统的一些可靠性,但其价格上的劣势仍十分突出。

(2)集散式

集散式系统结构主要为星形拓扑(多层次),即以中央控制节点为中心,把分控中心连接起来,再由分控中心把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。该系统层层相套,中央控制器向各分中心控制器传送数据包,各照明控制器、控制面板等设备均连接到分中心控制器上,由分中心控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。该系统的优点是:除具备集中式系统的特点外,系统将控制分散至分中心,因而可靠性也相对提高了一些。缺点是:系统的经济性相对更低,可靠性虽有提高却仍不能令人满意。

(3)早期分布式

早期分布式系统结构主要为以总线拓扑为主,兼有星形拓扑的混合形。

总线拓扑即采用单根传输介质,让所有的节点通过其相应的硬件接口直接连接到传输介质上。系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备,各照明控制器、控制面板等设备直接连接到总线上,通过一种访问控制策略,决定设备与监控中心信息传输的顺序。由该系统中照明控制器与被控末端的灯具之间仍是星形结构,故将此系统称为早期分布式。

该系统的优点是:由于各单元可独立工作、各单元的功能相对单一,系统的可靠性和经济性相对较高,而且系统易于扩充。缺点是:照明的控制功能一般,故障的诊断和排除困难,传输速率一般。

(4)分布式

分布式系统结构主要为总线拓扑。该系统与早期分布式系统极为相似,只是将控制功能进一步下放至最末端的灯具(含简易的智能电气元件),处于最末端的灯具既是被控对象,同时也是控制元件。利用灯具原有的电源线加载信号,实现对光源的控制和监测功能。该系统的特点是:具备早期分布式系统的全部特点,可靠性更高,现阶段受控制技术的影响,该系统的经济性稍差一些;灵活性和扩充能力极高(尤其对于改建建筑和控制变化较大的场所);弥补了早期分布式系统照明控制功能的不足。

3)网络化照明系统的比较

常用网络化照明系统包括X-10、DALI、EIB、C-Bus和PLC等。X-10是全球第1个利用电力线载波来控制灯饰及电子电器的产品,并将其成功地商业化。该技术包含一套完备的电力线载波通信控制协议,因此也称其为X-10协议。该系统的原理简单、实用,在欧美已有近30年的成功应用,被认为是家居智能化的一种重要手段。

数字可寻址照明接口(Digital Addressable Lighting Interface,DALI)是一个专为电子镇流器调光控制而开发的开放数字通信协议。该协议定义了电子镇流器和控制单元之间的数字通信,可实现集中控制、单独控制、分组控制和场景控制。主要应用于室内照明。

欧洲安装总线(EuropeanI nstallation Bus,EIB)在亚洲称之为电气安装总线(Electrical Installation Bus),也有人称之为i-Bus。EIB是一种专门用于智能建筑领域的现场总线标准,可以满足现代化建筑对于越来越复杂的配套设施以及多功能的要求,是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准。网络化照明控制只是这一标准的重要内容的一部分。

C-Bus系统是由澳大利亚奇胜电器公司专门针对照明需要开发的一个智能化系统。

C-Bus是一个二线制的照明管理系统,可以独立运行。C-Bus系统可方便地与楼宇自控系统、保安系统、消防系统等其他系统连接。它遵从以太网的CSMA/CD标准协议,可设计成总线型、树形、星形等拓扑结构,组网方便。

电力线通信(Power Line Communication,PLC)技术包括宽带电力线(Broadband over Power Line,BPL)通信技术和窄带电力线载波(Narrowover Power Line,NPL)通信技术。利用PLC技术组网来实现照明网络化、自动化,仅是PLC在照明领域中的一个重要应用,也是未来照明通信的重要方式。基于PLC的照明监控系统具有下述优点:无需布线,投资少,安装简单,使用方便;布线系统也无需维护。其缺点是:低压配电网负载复杂、多变;物理拓扑和逻辑拓扑可能会随时发生变化;通信链路可靠性相对较差;低压配电网物理拓扑结构复杂;网络路由算法与策略复杂;一般局限于一个台区内的通信。

除了上述各种专业照明用网络技术外,还有一些其他网络技术也应用于网络化照明领域,包括CAN总线、Device Net总线、Lon Works总线、RS-485总线等典型工业现场总线;以太网(Ethernet)总线等计算机系统总线;WLAN、GPRS、GSM、ZigBee等无线通信系统,这些技术在网络化照明领域也都有过成功的案例。

3.3DALI协议

3.3.1DALI协议概述

随着楼宇自动化和照明控制的迅速发展,照明采用先进的节能设计和数字控制将是必然的趋势。为了适应这一需要,现代照明控制的一个新标准——DALI标准应运而生。世界各主要的电子镇流器制造厂商为了把数字控制的优势应用于照明控制领域,以便更好地相互合作,都已接受了数字式可寻址照明控制接口(Digital Addressable Lighting Interface,DALI)协议作为产业的标准。

DALI协议是用于满足智能化照明控制需要的非专有标准,是一种定义了实现现代电子镇流器与控制模块之间进行数字化通信的接口标准。

与DALI协议有关的研究工作开始于20世纪90年代中期,该技术的商品化开始于1998年夏季,那时,DALI被称为数字式电子镇流器接口(Digital Ballast Interface,DBI)利用数字化控制方式调节荧光灯输出光通量。在欧洲有Osram、Philips、Tridonic、Trilux、Helvar、Huco和Vossloh-Schwabe等电子镇流器制造厂商都已经研究开发出符合DALI协议的产品。

现在,DALI协议已被编入欧洲电子镇流器标准“EN60929附录E中冶。该协议支持“开放系统冶的概念,不同的制造厂商的产品只要都遵守DALI协议就可以互相连接,保证不同的制造厂生产的DALI设备能全部兼容。

DALI系统具有分布式智能模块,各个智能化DALI模块都具有数字控制和数字通信能力,地址和灯光场景信息等都存储在各个DALI模块的存储器内。DALI模块通过DALI总线进行数字通信、传递指令和状态信息,实现灯的开关、调光控制和系统的设置等功能。因此,DALI控制器位置改变时,不需要改动灯的电源线。

DALI协议是基于主从式控制模型建立起来的,控制人员通过主控制器操作整个系统。

通过DALI接口连接到2芯控制线上,通过荧光灯调光控制器(作为主控制器(Master))可对每个镇流器(作为从控制器(Slave))分别寻址,这意味调光控制器可对连接在同一条控制线上的每个荧光灯的亮度分别进行调光。

3.3.2DALI协议的电气特征和应用

1)电气特征

基于DALI协议的智能照明控制系统具有简单、可靠、功能优良等特点。DALI接口通信协议编码简单明了,通信结构可靠。DALI协议的主要电气特征如下:

(1)异步串行通信协议;

(2)信息传送速率1200bit/s,半双工,双向编码;

(3)双线连接方式;

(4)电平标准;

(5)通信传输由主控单元控制;

(6)共可连接64个从控单元,且均可独立编址。

根据IEC60929标准,DALI总线上的最大电流限制为250mA,每个电子镇流器的电流消耗设定在2mA;DALI的线路长度不得超过300m。DALI线路上最大的电压降应确保不超过2V。任何时候,系统都应该保证不能超过这些限制值,否则会降低信号的安全性和完整性,系统运行也变得不稳定。出这个原因,系统设计者不仅应考虑寻址的方便,也要考虑每个器件的电能消耗,并留有一定的余量以便日后可以进行扩展。

2)DALI协议的应用场合及功能

DALI协议定义了电子镇流器与控制单元之间的数字通信。在制定标准时,约定的选择是不开发功能性最强、复杂的建筑物控制系统,而是建立一个结构定义清晰的简单系统。因此,DALI系统不是用于复杂的总线系统,而是用于室内高性能、智能化的照明管理。同时,这些功能可以通过合适的接口集成到建筑智能化管理系统中。

DALI照明系统接口器件安装简单方便。每个DALI单元除了主电源线,只需要两条控制线,对线材无特殊要求,安装时也无极性要求,只要求主电源线与控制线隔离开,控制线无需屏蔽。

多达64个地址的镇流器系统可用一对双绞线作为控制线连接,能实现单独寻址。这些可寻址的电子镇流器可编成16组,同一镇流器可以编到一组或多组。

DALI协议应用广泛,可适用于以下场合:

(1)在根据不同的活动采用不同的照明方式的多功能室内,例如酒店、会议室等;

(2)由于不同的要求需要减低或增加亮度的场合;

(3)根据不同的自然光(例如:白天、中午、下午、晴天或阴雨天等)适当、自动地调节室内照明度达到合适的照度的场合。

DALI不是一种新的总线,但它支持开放式系统,与楼宇管理系统(BMS)或者EIB、LON总线系统不同,不是将它扩展成具有各种复杂控制功能的系统,而仅仅是作为一个灯光控制子系统。通过网关接口集成于BMS接口中,可接受BMS控制命令,或回收子系统的运行状态参数。

DALI协议是为要求专业的室内照明管理而设计,它定义了以下的功能:

(1)开关:可以接通或断开系统中独立的DALI电子镇流器、镇流器组或所有镇流器;

(2)调光:可以容易地安装可调光的DALI电子镇流器,从而按对数调光曲线将灯的亮度从100%调节到1%,实现调光控制;

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