基于KNX总线技术的体育馆智能照明控制系统应用与研究_苏小洁.pdf

智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期基于 KNX 总线技术的体育馆智能照明控制系统应用与研究苏小洁,杨光明(中国建筑西北设计研究院有限公司,西安 710018)摘要 如何满足体育馆内多场景切换的控制需求是体育馆照明系统设计的重点。本文将重点从体育馆照明控制系统的发展、KNX 系统组成及通信原理、KNX 软件组态、ETS 软件配置及调试、可视化界面四个方面来阐述体育馆智能照明控制系统,以供参考。关键词 体育馆;KNX 总线;智能照明控制系统;ETS;可视化监控中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0038-05Application and Research of Gymnasium Intelligent LightingControl System Based on KNX Bus TechnologySu Xiaojie,Yang Guangming(China Northwest Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd,Xian 710018,China)Abstract:How to meet the control needs of multi-scene switching in the stadium is the focus of thestadium lighting system design.This paper will focus on explaining the gymnasium intelligent lightingcontrol system from four aspects:the development of the gymnasium lighting control system,KNX systemcomposition and communication principle,KNX software configuration,ETS software configuration anddebugging,and visual interface,for reference.Keywords:gymnasium;KNX bus;intelligent lighting control system;ETS;visual monitoring作者 简 介:苏 小 洁,本 科,工 程 师,注 册 电 气 工 程 师,Email:1650679435 。0引言 通过调研西安市内各大体育馆发现:绝大部分体育馆虽已采用智能照明控制系统,但是并没有实现可视化监控。为了让读者对体育馆智能照明控制系统有一个清晰全面的了解,本文从体育馆照明控制系统发展的三个阶段、KNX 系统组成及通信原理、KNX 软件组态、ETS 软件配置及调试、可视化界面等方面来阐述体育馆智能照明控制系统。1体育馆照明控制系统的发展 随着体育馆规模的不断扩大以及赛事活动、商业转播活动对照明质量要求的不断提高,体育馆照明控制系统的应用经历了以下三个阶段。第一阶段是以手动方式为主的单回路控制,利用灯具配电回路中的开关元件控制配电回路的通断,从而实现灯具的开关控制,此种控制方式简单且前期投资小,适应于规模较小、控制方案比较简单的体育馆。照明灯光的控制、管理与维护主要依赖管理者的个人能力。第二阶段是以 PLC 等集成电路为主的自动控制,此种方式解决了单回路控制方案中主要依赖管理者个人能力的问题,能够在总控台实现多种模式灯光控制、实现远程操作及状态监视,但仍然不满足目前体育馆照明模式灵活多变的需求及控制操作可视化的需求。第三阶段是以网络通信技术和控制技术为主的专用网络智能照明控制系统,按照其系统规模及智能化程度可分为三种。(1)网络初级智能照明控制系统,此种控制方式仅在体育馆灯光控制室的控制台上实现场地照明灯光的可视化控制及监视。(2)网络中级智能照明控制系统,此种控制方式在第一种的基础上增加了数据共享功能,可以将体育馆内场地灯光的状态信息实时传递给有关管理部门和人员,实现异地实时监控、异地控制的需求。83DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.029第 16 卷 第 6 期苏小洁,等.基于 KNX 总线技术的体育馆智能照明控制系统应用与研究(3)网络高级智能照明控制系统(智慧型),此种控制方式将计算机技术、网络通讯技术、控制技术等现代化科学技术融合起来,可自动采集体育馆周围环境温度、观众人数、比赛规模及比赛类型等各类信息并进行综合分析、运算与判断,最终给出最佳的灯光控制方案,并自动完成控制模式的组态,以实现理想的照明控制效果。此种控制方式将成为未来重点研究的方向。2KNX 总线概述2.1 KNX 系统组成及结构 KNX 硬件系统主要由驱动器、传感器、系统元件三部分构成。其中,驱动器负责接收和处理传感器传送的信号,并执行相应的操作;传感器负责根据现场手动操作,或探测光线、温度等环境参数的变化,向驱动器发出相应的控制信号;系统元件为系统运行提供必要的基础条件,如电源供应器和各类网关接口等。设备之间配置过程中需要注意的是,KNX 系统里面必须使用 KNX 的系统电源,不能使用其他系统电源。KNX 系统的基本单元是支线,每条支线最多可接 64 个 KNX 设备;由支线、干线组成的系统结构称为区域,每个区域可包含 15 条支线;每个系统可包含 15 个区域,整个系统总共的设备数可达 151564=14 400。KNX 系统划分成支线和区域的优点包括:(1)提高系统可靠性。KNX 系统每个域和每个线路分别配备 KNX 电源,这种电气隔离使系统的某个部分出现故障时,其他部分仍能继续工作。(2)一个线路或一个区域内的数据通信不会影响到其他范围的通信。(3)系统的结构清晰,便于调试、排除故障和维护。2.2 KNX 通信原理 KNX 系统是弱电控制强电的总线系统,系统控制指令的传输依赖于总线,为了实现总线上设备的相互控制,系统需要对每个设备进行编址,一类是物理地址,另一类是组地址。通过这两种编址寻址方式可以实现 KNX 通信控制模式的多样化。物理地址根据 KNX 的拓扑结构(区域-线路-总线设备)进行配置,表示总线设备在系统中的具体位置,分配原则唯一,为总线设备之间区别的唯一地址,用于系统调试、检测及维护。物理地址数值格式如表 1,其十进制表达为:xx.xx.xxx,最大值为15.15.255。通常调试过程中使用的是十进制表达的物理地址。物理地址数值格式表 1区域(4bit)支线(4bit)总线设备(8bit)1111111111111111八位位组 0八位位组 1组地址主要用于实现系统的通信功能,其分配原则不是唯一的。其地址编码原则有三段式、两段式、自由三种方式,本文按照主组/中间组/子组方式进行编码,如表 2。总线设备之间可以通过组地址的多样式组合来实现总线系统的一 控 多、多 控 一 等 不 同 场 景 模 式 的 通 信控制。物理地址和组地址的区别在于前者利用其分段格式表示总线设备这一物品标识,而后者标识总线设备的功能作用。组地址数值格式表 21bit主组(4bit)中间组(3bit)子组(8bit)01111111111111112.3 KNX 软件组态 要想实现智能照明控制系统,除了硬件设备满足 KNX 协议和通信机制外,还需要利用 KNX 专门的软件(即 ETS 调试软件)对总线上的各类设备进行配置和参数设定。利用 ETS 软件进行组态主要是完成总线设备的物理地址、组地址、地址表、通信对象表和关联表之间的配置。3KNX 总线在体育馆照明系统中的应用3.1 体育馆硬件设计 为了实现体育馆内多种控制场景的切换及智能照明控制系统的可视化,本次为某体育馆模拟设计了一台智能照明配电箱,配电箱系统图如图 1。选用2 个8 路开关驱动器(SA/S 8.6.2.1)作为执行器控制体育馆 16 盏灯的开关;同时配置电源93智能建筑电气技术2022 年图 1 体育馆照明灯光智能模拟配电箱系统图(SV/S30.160.1.1)给 总 线 供 电,网 关(LogicMachine)用于总线设备与 PC 端之间的通信,执行器和总线设备之间用双绞线连接。3.2 体育馆照明控制要求 本次模拟要求体育馆照明灯光具有顺序延时开灯功能、并能够实现不同场景模式的集中控制。通过使用 ETS 软件对总线上的各类总线设备进行配置和参数设定,同时完成总线设备的物理地址、组地址、地址表、通信对象表和关联表之间的配置。从而使体育馆具有 8 种场景模式:HDTV 转播重大国家比赛、重大国际比赛模式;TV 转播重大国家比赛、重大国际比赛模式;TV 转播国家比赛、国际比赛模式;专业比赛模式;业余比赛、专业训练模式;健身、业余训练模式;入场、退场模式;清扫模式。体育馆单回路照明的编程表 3体育馆单回路照明的编程元件物理地址控制对象控制回路名称对象功能组地址SA/S8.6.2.11.1.1体育馆场地照明灯1 回路照明Output ASwitch0/0/12 回路照明Output ASwitch0/0/23 回路照明Output ASwitch0/0/34 回路照明Output ASwitch0/0/45 回路照明Output ASwitch0/0/56 回路照明Output ASwitch0/0/67 回路照明Output ASwitch0/0/78 回路照明Output ASwitch0/0/83.3 ETS 调试软件 (1)配置通信接口在编程前,首先应该建立 ETS 软件跟总线之间的通信,只有成功建立通信,才能把 ETS 软件中设计好的工程下载到总线设备中,同时也可以监控到总线上的通信数据。通信接口配置如图 2。图 2 ETS 通信接口配置(2)新建工程并添加总线设备当配置好通信接口后,在 ETS 中创建一个体育馆模拟灯光布置图,在体育馆的灯光控制室添加设备。由于体育馆照明灯光智能模拟配电箱内设备元件较简单,本次只需要添加 2 个 8 路开关驱动器(SA/S 8.6.2.1),当在设备库找到对应的设备后,单击鼠标选中该设备将其拖入灯光控制室,会自动按序配置物理地址,此时可以根据项目实际情况及预设的编码规则设置开关驱动器的物理地址,本次由于设备数量较少,故没有修改默认配置的物理地址,默认的驱动器物理地址分别为 1.1.1 和 1.1.2。(3)驱动器功能参数配置为了使体育馆照明灯光有顺序延时开灯的功能,在驱动器的参数配置中选择延时功能,并且对每个灯的延时时间进行设定,每个驱动器的 18 回路依次顺延 1s。(4)单回路照明的编程为了实现体育馆不同场景模式控制,在进行场景模式组态之前需要对每个照明回路进行调试,确保每个照明回路的通信和控制正常,如表 3。以上仅为体育馆内物理地址为 1.1.1 的开关驱04第 16 卷 第 6 期苏小洁,等.基于 KNX 总线技术的体育馆智能照明控制系统应用与研究动器(SA/S 8.6.2.1)所带的 8 个照明回路控制的编程,同理可对体育馆内物理地址为 1.1.2 的开关驱动器(SA/S 8.6.2.1)所带的 8 个照明回路控制进行编程。当 16 个照明回路编程完成之后,单击“下载”按钮,选择“全部下载”,即设备的物理地址和组态好的应用程序均可以被下载,下载物理地址时,软件会提示按下编程按钮,此时需要按下与物理地址对应的开关驱动器上的编程按钮,物理地址和组地址下载好之后便可以实现照明灯具的单回路控制。(5)体育馆场景模式的编程按照体育馆照明控制要求,需要实现以下 8 种场景模式,对其进行组态如表 4。体育馆场景模式的编程表 4体育馆场景模式的编程序号场景模式元件物理地址控制对象控制回路名称对象功能组地址1HDTV 转播重大国家比赛、重大国际比赛模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯18 回路Output AHSwitch916 回路Output AHSwitch0/1/12TV 转播重大国家比赛、重大国际比赛模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯1/3/6/8 回路Output A/C/F/HSwitch9/11/14/16 回路Output A/C/F/HSwitch0/1/23TV 转播国家比赛、国际比赛模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯2/4/5/7 回路Output B/D/E/GSwitch10/12/13/15 回路Output B/D/E/GSwitch0/1/34专业比赛模式SA/S 8.6.2.11.1.1体育馆场地照明灯18 回路Output AHSwitch0/1/45业余比赛、专业训练模式SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯916 回路Output AHSwitch0/1/56健身、业余训练模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯6/7 回路Output F/GSwitch10/11 回路Output B/CSwitch0/1/67入场、退场模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯1/6 回路Output A/FSwitch11/16 回路Output C/HSwitch0/1/78清扫模式SA/S 8.6.2.11.1.1SA/S 8.6.2.11.1.2体育馆场地照明灯4/7 回路Output D/GSwitch10/13 回路Output B/ESwitch0/1/8 在 ETS 软件完成不同场景模式的组态后,将应用下载到总线设备,然后鼠标选中对应的模式,右键选择“开/关”。便可实现体育馆不同场景模式的切换。4体育馆可视化监控界面 ETS 软件属于专业工程调试软件,通常在项目交付前,由专业的工作人员进行专门的调试组态,然后移交给体育馆运营方进行操作管理。本次体育馆照明灯光模拟控制应用研究主要采用两种方式来实现照明灯光的开关控制和实时状态监视、场景模式切换等。(1)第一种是访问网关的方式,本次设计的体育馆照明灯光智能模拟配电箱选用的网关(LogicMachine)本身具有控制界面编辑的功能,用户只需要用电脑连接网关设备所在的局域网,在浏览器界面登陆 192.168.0.10,即可进入编辑及操作界面,在操作界面可对体育馆内的灯光等设备进行集中监视和控制、定时控制、场景控制等(图 3),在日程表中自行设定定时的场景功能。图 3 体育馆可视化界面监控平面图(2)第二种是通过中央监控软件 Elvis 来实现,该软件可对 KNX 总线中的所有总线设备进行监控,具有通报、记录、报警处理、定时及逻辑运算等功能。本次设计实现了 8 种场景模式的开发,如图 8。本软件还可以通过设置不同用户组的权限并设置不同级别的用户密码,分别控制系统中不同的设备,以提高系统的安全性。以上两种方式都可以实现体育馆的可视化14智能建筑电气技术2022 年图 4 Elvis 软件可视化界面编辑监控。第一种方式无需购买专用的监控软件,通过局域网即可联网操作、编辑操作界面简单,适用于小型体育馆;第二种方式需要购买专业的监控软件,能够实现不同用户权限的设定及密码管理、安全型更高、功能更强,适用于大型体育馆。5展望 目前,笔者所在团队正在进行的体育馆照明灯光智能模拟应用研究能够实现顺序开关灯具,场地灯光的模拟组态、场景切换等操作及可视化界面的应用开发。还将在硬件和软件方面开发升级,实现灯光故障 报警信号、照明灯具回路开关次数、灯具使用寿命、回路跳闸信号、光源故障信号可在灯光控制室电脑上可视化显示,使运维人员实时掌握体育馆内灯光并及时做好维护管理,减少运维人员的工作量。随着照明技术、信息技术及控制技术的发展,体育场馆不断向“智慧体育场馆”升级,这要求其中最重要的比赛场地照明控制充分应用大数据、云计算、物联网、5 G 通信、人工智能等高新技术,对所采集到的各类信息进行科学分析、精准判断,并提出智慧辅助决策方案,最终实现主动服务、高效运行、智能监管,这也将成为体育馆照明控制未来发展和研究的主要方向。参考文献 1 体育建筑电气设计规范:JGJ 3542014 S.中国建筑工业出版社.2 吴浩源.基于 KNX 总线的照明控制系统节能研究与应用D.广州:华南理工大学,2020.3 胡兵.KNX 现场总线控制在智能照明系统的应用J.电气自动化,2018,40(2):114-115.体育场电气设计技术特点及发展现状体育场电气设计技术特点表 1序号特点主要描述1功能需求复杂包括田赛、径赛和足球比赛,除此之外,还经常举行展览、演唱会以及开闭幕式等大型活动。2机房设置难看台和设施用房沿跑道向外布置,周圈长,用电负荷较分散,变电所难靠近负荷中心。各层不规则,上下不对应,电气竖井贯通困难。场地照明专用灯具和场地扩声设备安装在网架上,网架和主体结构大部分脱开,电气线路敷设困难。3专业配合多涉及建筑、结构、防火、节能、声学、采光、照明、给排水、暖通空调、环保、卫生以及体育工艺等各专业4涉及规范标准广既需执行国家现行的规范、标准,还应满足国际单项体育组织(如国际足联、国际田联等)和国际体育机构(如奥林匹克委员会、亚洲运动会等)的要求。5国际影响大多为奥运会、亚运会、世界杯、全运会、军运会等特殊重大比赛所建,全国或全球转播,政治影响和经济利益都很大。发展现状:近年来,中国体育场馆一直以公共财政支出为主,并保持较高水平。数量方面,截至到 2018 年,约为 205.4 万个,其中国有性质占比 31%,集体性质占比 25%,企业(私营)性质占比 23%,私人性质占比 13%,其他性质占比 8%。(来源:中国建筑电气节能发展报告(2021 版)24