智能楼宇DDC照明控制系统设计

摘要：文章介绍了DDC控制器及Lonworks现场总线技术，并把DDC控制器应用到智能楼宇的照明控制系统中，对照明系统中LON网络文件的编程及上位机的监控配置做了介绍。设计完成了DDC监控照明电路设计、组态软件设计。实践结果表明，把DDC控制器应用在智能大楼的照明系统中可降低系统造价及能量损耗。

关键词：照明控制；总线；组态；节能

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0266-03

1 概述

照明是利用各种光源照亮工作和生活等各种场所的措施，照明控制是为了实现舒适节能的照明环境的具体手段。照明控制系统则是利用多种照明技术手段，并能够相互配合以达到照明控制的系统。

在智能楼宇中，照明用电量占用了很大的比例，照明灯具较多，用户所选择的照明控制方式是否合适直接影响到灯具使用效果。传统的照明多以手动方式为主，不管是上班时间还是下班时间，由于人为疏忽，会议室，楼道的照明灯具经常长时间处于点亮状态，造成了电力资源的浪费，不利于节约能源。传统方式对照明控制而言，简单，有效，直观；控制相对分散和无法有效管理，并且缺乏实时监控，自动化程度较低，容易造成安全隐患。因此，合理地进行照明设计和加强照明装置的运行维护工作，对各行各业的生产和学生、职工的生活和身心健康具有十分重要的意义。

本文采用直接数字控制器（DDC），实现了智能楼宇照明的控制。该系统根据智能大楼里的实际需要分模式、分时间段，使照明灯具在规定的时间段开启和关闭。把不必要的照明设备关掉，在需要时自动开启，并能够通过上位机组态实时监控照明灯具的运行状态。本设计实现了照明控制的自动化，比传统的照明控制更容易管理，降低了电能消耗，节约了人力、物力、财力，具有经济节能的优势。

智能楼宇DDC照明控制系统由DDC控制器、Lonworks网卡、组态监控软件、照明控制设备、光控开关等组成。系统的总体框图如图1所示。

2系统模块介绍

2.1直接数字控制器（DDC）简介

DDC系统的组成通常包括中央控制设备（集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等）、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。它代替了传统控制组件，如温度开关、接收控制器或其他电子机械组件，已经成成为各种建筑环境控制的通用模式。DDC控制器是利用微信号处理器来执行各种逻辑控制功能，它主要采用电子驱动，但也可用传感器连接气动机构。DDC的最大特点就是从参数的采集、传输到控制等各个环节均采用数字控制功能来实现。同时一个数字控制器可实现多个常规仪表控制器的功能，可有多个不同对象的控制环路。

直接数字控制器（DDC）是楼宇自动化系统（BAS）的基本控制单元，DDC控制器是整个控制系统的核心。是系统实现控制功能的关键部件。它的工作过程是控制器通过模拟量输入通道（AI）和数字量输入通道（DI）采集实时数据，并将模拟量信号转变成计算机可接受的数字信号（A/D转换），然后按照一定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，并将数字量信号转变成模拟量信号（D/A转换），并通过模拟量输出通道（AO）和数字量输出通道（DO）直接控制设备的运行。可对各个控制设备的控制参数以及运行状态进行再设定，同时还具备显视和监测功能，另外与集中控制电脑可进行各种相关的通讯。

DDC控制器通过一条总线与集中控制电脑相连，它的最大优点就是系统简单、通信速度较快。对一些中、小型工程较为适用。DDC系统可安装于各种规格的建筑中，可通过中心管理系统管理，从而比单个管理更节省人力和能源。能够实现点到点通讯，除了总线方式的上下位机通讯外，DDC和DDC之间实现数据共享，极大减少了楼宇自控项目的布线工程量。

本设计采用HW-BA5208DDC控制模块和HW-BA5210DDC控制模块控制照明系统。HW-BA5208DDC控制模块采用Lonworks现场总线技术与外界进行通讯，包括5个数字输入接口和5个数字输出接口。控制器内部的功能模块，可以通过相应的Plug_in，进行配置，实现逻辑运算和算术运算。HW-BA5210DDC控制模块作为节能控制模块，其内部有时钟芯片，可完成对楼控系统中与时间相关的设备起停的控制和校时功能。其内部的RealTime（实时时钟）功能模块提供当前日期、时间、星期，并提供日期、时间、星期的校准。EventScheduler（任务列表）功能模块可以根据时间、星期、及确定好的周计划表对照明灯具进行定时的启动和停止控制，并且可以在线下载应用程序，具有功能丰富的应用程序库和强大的运算能力。

2.2 Lonworks总线

Lonworks总线技术是美国Echelon公司于1991年推出的局部操作网络。对于智能建筑而言，在它的楼宇自动化系统中，需要集成多个厂家的多种控制系统，多种控制系统可能具有不同的现场控制总线、设备总线、传感器总线，而且还需要跨系统进行数据信息的传输和共享，所以往往实现不了简单的集成，Lonworks总线技术的应用解决了利用一种网络实现不同设备系统之间的统一管理和调度，给楼宇系统的运行带来了极大的方便。Lonworks总线技术是专门为实时控制而设计的，最主要应用于楼宇智能化方面，包括建筑物的出入口控制、电梯控制、能源管理、消防、安全、供配电、照明、给排水等监控系统。

Lonworks总线技术使用LonTalks通信协议，它固化在Lonworks设备的神经元芯片中或片外存储器中，LonTalks通信协议提供了对应于ISO/RM七层协议所有内容的服务。支持分散的端到端的通信，可以组成总线型、树形、环形等多种网络拓扑结构。并且是以实现自由拓扑结构使系统布线更方便灵活，便于设备的安装，便于方案的更改，为日后系统的更新升级和进一步的拓展网络带来了极大的方便。LonTalks是直接面向对象的网络协议，具体实现即采用网络变量的形式，又由于硬件芯片的支持，能够实现实时性和接口的直观、简洁等现场总线的应用要求。Lonworks技术是能在控制层提供互操作的现场总线技术，其安装的节点数超过了任何其他现场总线产品，几乎囊括了测控应用的所有范畴。Lonworks技术有效地解决了集散控制系统的通信难题，有利于系统的模块化设计，具有直接互联性、自助通信、网络结构多样化、传输数据量庞大、编程调试方便等优点，在自动控制领域得到了广泛的应用。

2.3力控组态软件

力控是北京三维力控科技有限公司“管控一体化解决之道”产品线的总称，由监控组态软件、“软”控制策略软件、实时数据库及其管理系统、Web门户工具等产品组成。是在软件领域内，操作人员根据应用对象及控制任务要求，配置包括对象定义、制作、编辑，对象状态特征属性参数的设定等用户应用软件的过程，即使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者要求的目的，完成系统硬件与软件的沟通、建立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台，主要应用于工业自动化领域。

力控组态软件的开发系统设置工程中的人际交互界面，生成各种动画显示画面，配置系统参数；工程管理器用于创建、删除、备份、恢复选择、管理当前工程。界面运行系统View用来运行开发系统的创建的画面、脚本、动画连接等工程，在运行状态下监控控制设备的运行状态；实时数据库是应用系统的数据处理中心，构建分布式应用系统的基础，负责实时数据、历史数据、报警数据等的处理；I/O驱动程序负责建立系统与外部硬件系统的连接，实现对运行设备的实时监控；网络通信程序采用TCP/IP协议，利用Internet网实现不同网络结点上的数据通信。

2.4光控开关

选用THPGK-1型光控开关。采用先进的嵌入式微型计算机控制技术，融光控功能和普通时控器两大功能为一体的多功能高级时控器（时控开关），根据节能需要可以将光控探头与时控功能同时启用，将达到最佳节能效果。可以根据用户设定的时间（光照度门限）值，自由控制用电器的电源开关，是路灯、景观灯、广告灯箱、霓虹灯等设备的最佳节能控制装置，广泛应用于街道、铁路、车站、航道、学校及供电部门等一切需要时间控制的应用场所。

3 DDC监控照明系统电路设计

3.1 控制要求

根据大楼内照明灯具的实际使用情况，DDC楼宇照明系统的控制要求如下：

1）两种控制方式：手动控制、自动控制。

所有的照明灯具均可以由安装在墙壁上的开关面板来实现开启和关闭。还可以通过上位机上的组态软件开启和关闭。

2）室内灯的自动控制要求为见表1所示。

3）楼道照明灯由THPGK-1型光控开关控制。

3.2照明控制电路设计

基于系统的可靠性和运行的稳定性，DDC监控及照明系统控制电路设计如图2所示。

HW-BA5208DDC和节能控制模块HW-BA5210DDC通过Lonworks总线连接。楼道照明灯和室内照明灯的反馈信号作为HW-BA5208DDC的数字输入信号，分别与数字量输入端子DI1、DI2连接；光控开关与HW-BA5208DDC的数字输入DI3连接；楼道照明灯和室内照明灯的开关信号分别通过继电器K1、K2与HW-BA5208DDC的数字量输出端子DO1、DO2连接。

3.3利用LonMaker集成工具设计Lonworks网络

LonMark功能模式在LonMaker图形中以图形功能块的形式显示，可以很方便地目视和编制控制系统的逻辑文档，为Lonworks网络提供图形设计、启动、操作和维护。LON网络文件的设计步骤如下：

1）配置5208和5210两个设备，并添加到LON网络文件总线上，完成设备创建。

2）再添加5个功能模块，分别配置为一个数字输入类型、两个数字输出类型，一个小状态机、一个任务列表类型。如图3所示。

3）上述完成后进行功能模块属性配置，按照照明灯具的实际情况设置为：

①当采用手动控制方式时，能直接通过上位机的组态软件界面上的开、关按钮控制DO1和DO2的开启或关闭。

②当采用自动控制方式，根据室内灯自动控制时间表，对任务列表功能模块进行配置。例如：时间点为6：00时，动作设置为开，星期设置周日（×），一（√），二（√），三（√），四（√），五（√），六（×）。其他时间段类似设置即可。

③上述设置完成后所对应的网络数据变量以及网络变量所对应的十进制数见表2所示。

④最后将得到的十进制数值写入网络变量nvi_SchEvent， 并点击下载按钮，保存即可。

当系统采用自动控制方式时，楼道照明灯可由光控开关对应连接的变量直接控制。

3.4设备组态

上位机采用力控组态软件进行配置并设计人机界面。上位机可以发送控制指令，实现对数据的接收、处理、计算和显示等。实时数据库中定义了六个变量，与控制器内部变量对应建立连接。对象、变量配置及动作设置要求如表3所示。

本照明监控系统设计利用了Lonmaker开发的底层控制网络与上位机组态软件。在底层DDC中可以修改楼道和室内照明时间参数，设置RealTime功能模块和EventScheduler功能模块，实现实时控制。管理人员可在管理中心实时的远程监控智能楼宇里的照明灯具的运行情况，人为切换手动、自动按钮，发送控制指令驱动执行设备，实现手动、自动控制。减轻了人员的劳动强度，提高了自动化水平，比传统的照明更先进、经济、实用。DDC照明控制系统照明时间控制方式灵活，修改方便，相对其他控制方式具有稳定性强且总体造价低廉的特点。

4结论

在本控制系统中，DDC控制器与上位机通过LON总线实现通信。本文选取的HW-BA5208DDC控制器和节能控制模块HW-BA5210配合使用，能够满足灯具的控制要求。照明灯具的开关时间能够根据实际情况随时修改，有利于节约资源，降低能耗，适应现代建筑的需要，具有一定的经济价值。基于DDC和Lonworks技术的照明监控系统以自动控制为主，手动控制为辅。照明系统实现了自动控制，整栋大楼的电能消耗和运行维护费用大大减少。

DDC智能监控照明控制系统作为一项新的控制技术，其先进性和优越性勿庸质疑。然而作为一项新的技术，仍有待发展和提高。通过对DDC智能照明控制系统的应用，不断实践总结，不断创新，让该项技术在照明领域中充分发挥其作用，满足智能楼宇的自动化要求。

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