淺談智能照明控制系統(tǒng)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用

安科瑞 繆凱倫

摘要：對(duì)比了傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足，介紹了智能照明管理系統(tǒng)的架構(gòu)和照明管理方式，分析了智能照明管理系統(tǒng)的使用效果。提出在工業(yè)廠房中引入智能照明管理系統(tǒng)，實(shí)施先進(jìn)的管理方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房照明的精細(xì)化控制，為員工提供明亮的工作環(huán)境，同時(shí)可獲得較為可觀的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房；智能照明控制系統(tǒng)

0.前言

傳統(tǒng)照明電路的控制開(kāi)關(guān)直接連接在負(fù)載回路中，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，需要相應(yīng)的增加控制開(kāi)關(guān)的容量；如果開(kāi)關(guān)距離負(fù)載較遠(yuǎn)時(shí)，大截面電纜的原理也需要同步增加，而且上述連接方式?jīng)Q定了只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)功能，即只能按照既定的照明布線回路進(jìn)行一路一路的開(kāi)關(guān)控制。另外，由于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)僅設(shè)置了照明開(kāi)關(guān)或配電箱，因此管理方式僅可能是人為的手動(dòng)管理，并且無(wú)法進(jìn)行光照效果的調(diào)節(jié)，只有開(kāi)和關(guān)2種狀態(tài)。隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在照明系統(tǒng)的控制上也日趨智能化，除了為使用者創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，也降低能源消耗。

1.智能照明系統(tǒng)的構(gòu)成

智能照明系統(tǒng)由燈具（包括白熾燈、日光燈、LED燈等，為達(dá)到良好的照明和節(jié)能效果，推薦使用LED燈具）、控制模塊、無(wú)線傳輸模塊、智能網(wǎng)關(guān)、集中控制器及監(jiān)控主機(jī)等組成。燈具只需要將控制模塊與其供電電源連接即可輕松實(shí)現(xiàn)控制安裝，無(wú)需外部設(shè)備。無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了控制模塊與智能網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)通信。各個(gè)智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)與集中控制器和監(jiān)控主機(jī)組成了完整的智能照明系統(tǒng)，既能夠?qū)崿F(xiàn)同一網(wǎng)關(guān)下的燈具控制，也可以協(xié)調(diào)在同一集中控制器下的跨網(wǎng)關(guān)的控制 [1-2]。

智能照明管理系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，監(jiān)控主機(jī)可以是用戶的PC、筆記本計(jì)算機(jī)或者是平板。同時(shí)可以為第三方BMS系統(tǒng)提供建筑物內(nèi)的照明管理權(quán)限及接口服務(wù) [3]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能照明管理系統(tǒng)架構(gòu)

2. 智能照明系統(tǒng)的控制方式

（1）集中控制，減少人為浪費(fèi)。

現(xiàn)有使用傳統(tǒng)照明方式的工業(yè)廠房中，由于人為疏忽而造成的照明能源浪費(fèi)的現(xiàn)象仍然非常嚴(yán)重，無(wú)論相應(yīng)區(qū)域是否有人員工作，在下班前經(jīng)常是燈火長(zhǎng)明。出于照明燈具安裝復(fù)雜度的考慮，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)無(wú)法對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行較為精細(xì)的劃分，造成部分區(qū)域即使無(wú)人工作，也無(wú)法單獨(dú)關(guān)閉照明。

引入智能照明系統(tǒng)，可按實(shí)際需要對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行劃分，既能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)區(qū)域的分布式控制，又能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)軟件的遠(yuǎn)程集中管理。管理人員通過(guò)操作智能照明系統(tǒng)監(jiān)控軟件即可開(kāi)啟所需區(qū)域的照明系統(tǒng)，或關(guān)閉無(wú)人區(qū)域的照明燈具。

（2）自動(dòng)調(diào)光，充分利用自然光。

智能照明系統(tǒng)中的控制模塊，通過(guò)采集光照傳感器的照度數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析判斷達(dá)到光照效果所需要的燈具數(shù)量及光照強(qiáng)度，從而自動(dòng)調(diào)整燈具的亮度值，利用外界的自然光照，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)根據(jù)不同區(qū)域?qū)庹諒?qiáng)度的不同需求以及當(dāng)前區(qū)域的照度數(shù)據(jù)，分別調(diào)整各自區(qū)域的燈具亮度，可提供一個(gè)不受外部環(huán)境因素影響的相對(duì)穩(wěn)定的光照環(huán)境 [4] 。

（3）智能切換，實(shí)現(xiàn)柔性管理。

大型廠房會(huì)根據(jù)不同的作業(yè)工序?qū)S房空間劃分為不同的區(qū)域，可將劃分好的區(qū)域根據(jù)不同的作業(yè)要求組合為不同的場(chǎng)景。既可控制到個(gè)別工位，也可根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備布局變更控制方式，柔性對(duì)應(yīng)生產(chǎn)作業(yè)的變動(dòng)。實(shí)現(xiàn)根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行精細(xì)的分組控制功能。

比如，以單個(gè)工位或工位群組為控制對(duì)象，在智能照明系統(tǒng)的管理平臺(tái)錄入每日的生產(chǎn)計(jì)劃所對(duì)應(yīng)的照明需求，集中控制器可根據(jù)上述計(jì)劃對(duì)所在區(qū)域的燈具進(jìn)行日程開(kāi)停控制。當(dāng)前一工位即將完成相關(guān)作業(yè)時(shí)，提前開(kāi)啟下一工位的照明系統(tǒng)，同時(shí)延時(shí)關(guān)閉當(dāng)前工位的照明系統(tǒng)，減少無(wú)人狀態(tài)下照明能源的浪費(fèi)。

3. 智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（1）實(shí)現(xiàn)照明的智能化管理。

采用智能照明管理系統(tǒng)，可以使得廠房的照明系統(tǒng)按照生產(chǎn)計(jì)劃和作業(yè)日程運(yùn)行在全自動(dòng)化的狀態(tài)。照明系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的日程及當(dāng)前的采光條件進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，無(wú)需外部手動(dòng)干預(yù)。

例如，在1個(gè)工作日結(jié)束前，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)控制區(qū)域進(jìn)行作業(yè)人員探測(cè)，將無(wú)人區(qū)域的燈光緩慢調(diào)暗，直至*關(guān)閉。同時(shí)將有人區(qū)域的燈光調(diào)至夜間工作模式，以自動(dòng)適應(yīng)晚間工作所需的光照強(qiáng)度。

（2）安裝便捷、施工便利。

采用智能照明系統(tǒng)后，供電線路僅從控制模塊連接至照明燈具上，線路無(wú)需再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)，減少了大截面負(fù)載線纜的使用數(shù)量。系統(tǒng)安裝完成后，通過(guò)集中控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的各智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置，從而建立對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系，與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比，節(jié)省了原本需要連接至開(kāi)關(guān)的線纜，也降低了安裝難度，縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了系統(tǒng)投入的整體成本。

（3）節(jié)約能源綠色環(huán)保。

智能照明系統(tǒng)采用無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的可視化管理。后臺(tái)管理軟件可獲取每個(gè)燈具的開(kāi)關(guān)情況、實(shí)時(shí)亮度、整體能耗等信息，通過(guò)結(jié)合所獲取的外部環(huán)境信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具的亮度，使得工作區(qū)域的照度始終保持在預(yù)先的設(shè)定值附近，從而充分利用自然光達(dá)到節(jié)能減排的目的[5-6] 。

（4）延長(zhǎng)燈具壽命。

智能照明管理系統(tǒng)的控制模塊對(duì)燈具采用軟啟動(dòng)控制，減少電網(wǎng)對(duì)燈具的沖擊，避免燈具的異常損壞。另外，通過(guò)對(duì)燈具的開(kāi)關(guān)的自動(dòng)化控制，可以大大縮短無(wú)效的照明時(shí)長(zhǎng)，延長(zhǎng)了燈具的使用時(shí)間，降低了更換燈具的工作量，有效降低了照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于大量使用燈具，并且安裝困難的大型工業(yè)廠房具有特殊的意義。

（5）提高精細(xì)化管理水平。

智能化照明系統(tǒng)將原有人工進(jìn)行的手動(dòng)開(kāi)關(guān)工作轉(zhuǎn)換為管理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，為管理人員的高素質(zhì)的管理方法提供了可實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)。通過(guò)對(duì)照明設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)，獲得可視化的能源使用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表如圖2所示，從而對(duì)照明工作進(jìn)行更為精細(xì)化的管理，進(jìn)一步降低能源消耗的費(fèi)用[7] 。

圖2 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表

筆者將上述智能照明管理系統(tǒng)應(yīng)用于廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)車間，建筑面積近1萬(wàn)平方，共有燈具208盞，現(xiàn)場(chǎng)使用效果如圖3所示。每月可節(jié)約用電近3000kWh，節(jié)能效果達(dá)20%。按工業(yè)用電0.98元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)3.5萬(wàn)元。采用智能照明管理系統(tǒng)，前期約投入支出28萬(wàn)元，約8年可收回成本。

圖3 智能照明管理系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

4.安科瑞為工廠智能照明控制提供解決方案

4.1安科瑞智能照明監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即站控層，通訊層與間隔層； 如圖（1）所示：

圖（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

間隔設(shè)備層主要為：開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，這些裝置分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)KNX總線組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集。

網(wǎng)絡(luò)通訊層主要為：智能照明網(wǎng)關(guān)，其主要功能為把分散在現(xiàn)場(chǎng)采集裝置集中控制，同時(shí)遠(yuǎn)傳至站控層，完成現(xiàn)場(chǎng)層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。

站控管理層：設(shè)有高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、UPS電源、打印機(jī)等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)上，集中采集顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，以人機(jī)交互的形式顯示給用戶。 以上開(kāi)關(guān)模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡(jiǎn)單方便，傳輸距離可達(dá)1.2km。

4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成

1. 定時(shí)控制

通過(guò)時(shí)鐘管理器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)區(qū)域照明的定時(shí)和自動(dòng)管理功能，實(shí)現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫(kù)照明定時(shí)控制。如百葉窗定時(shí)升降、集中供熱定時(shí)調(diào)節(jié)、節(jié)假日照明定時(shí)關(guān)閉、定時(shí)通知等。

2. 場(chǎng)景控制

智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)部門(mén)的需求，設(shè)定不同種類的場(chǎng)景模式，進(jìn)行各種照明燈光的組合，達(dá)到美化工作環(huán)境的效果；結(jié)合人體感應(yīng)傳感器，當(dāng)人員離開(kāi)時(shí)，關(guān)閉所有該會(huì)議室照明。

3. 實(shí)時(shí)監(jiān)控

中控室，配置一臺(tái)中控主機(jī)，所有照明控制設(shè)備，通過(guò)KNX網(wǎng)關(guān)，接入監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員，可以通過(guò)中控電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài)，并可根據(jù)需求進(jìn)行控制調(diào)整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁(yè)面，圖形頁(yè)面縮放方便，切換簡(jiǎn)單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對(duì)象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。

4. 報(bào)警處理

系統(tǒng)提供了警報(bào)處理能力，用戶可采用編程來(lái)完成不同的任務(wù)，當(dāng)某種警報(bào)條件出現(xiàn)時(shí)應(yīng)做什么，可由用戶自行確定。

5.事件通報(bào) 系統(tǒng)提供了事件通報(bào)功能，支持郵件通報(bào)、文本輸出以及事件驅(qū)動(dòng)打印，可按照用戶預(yù)先設(shè)置的條件，觸發(fā)事件通報(bào)功能。

4.3設(shè)備選型

5.結(jié)束語(yǔ)

采用智能照明管理系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制區(qū)域內(nèi)燈具便捷的自動(dòng)控制功能，同時(shí)帶來(lái)了較為可觀的節(jié)能效果；在國(guó)家節(jié)能減排的政策的要求下，通過(guò)采用智能照明管理系統(tǒng)，提高廠區(qū)的能源管理水平，達(dá)成既定的能源管理目標(biāo)。此外，使用智能照明管理系統(tǒng)，可進(jìn)一步優(yōu)化工作環(huán)境，促進(jìn)整體工作效率的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?jiān)儡?，吳明?智能照明系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2004，15（04）：17-19.

[2] 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

[3] 智能照明控制系統(tǒng).2020.08版.

[4] 馬鵬宇，梁海權(quán)，林新建.智能照明系統(tǒng)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用.


審核編輯黃宇