体育馆智能照明控制系统的网络架构及仿真应用_贺曼.pdf

智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期体育馆智能照明控制系统的网络架构及仿真应用贺 曼,杨光明(中国建筑西北设计研究有限公司,西安 710018)摘要比赛场地照明是体育场馆内训练、比赛、转播及全民健身等功能实现的重要环节之一。根据不同规模等级体育场馆的照明需求,本文提出四种适用于不同规模体育馆的场地照明智能控制系统架构,并模拟其控制和实现方式。关键词 智能照明控制;本地控制;异地控制;网络型中图分类号:TM923文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0034-04System Architecture and Simulation Application of IntelligentLighting in Various GymnasiumsHe Man,Yang Guangming(China Northwest Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd,Xian 710018,China)Abstract:The lighting of the competition site is one of the important links to realize the functions oftraining,competition,broadcasting and national fitness in the stadium.According to the lightingrequirements of stadiums and gymnasiums of different scales,this paper proposes four kinds of intelligentaerial system architectures for stadium lighting of different scales to simulate the control andimplementation of intelligent lighting control system.Keywords:intelligent lighting control;local control;remote control;network type作者简介:贺曼,硕士研究生,高级工程师,Email:119617443 。0引言 体育场馆照明一般具有灯具个数多、位置分散、回路分配复杂等特点,为了满足不同比赛场景的照明需求,除了所选灯具的光源、色温、照度、眩光、显色指数等指标均需达到国家规范、地方标准的要求外,还应采用智能照明控制及管理系统,这样才能更完美地实现体育场馆的功能,并能够降低维护成本,提高运营效率。1相关规范的要求1.1 体育场馆建筑等级 体育建筑设计规范JGJ 312003 中相关条款规定,根据体育馆建筑规模和使用要求,对建筑等级划分为以下四级,如表 1。其中特级和甲级体育建筑应采用智能照明控制系统,乙级体育建筑宜采用智能照明控制系统。1.2 场地照明分级 体育场馆照明设计及检测标准 JGJ 1532016 中相关条款规定,根据电视转播和使用功能要求,对体育场馆照明等级划分为以下六级,如表 2。其中、级为无电视转播要求,、级为 体育建筑等级划分表 1建筑等级主要使用要求特级举办亚运会、奥运会及世界级比赛主场甲级举办全国性和单项国际比赛乙级举办地区性和全国单项比赛丙级举办地方性、群众性运动会有电视转播要求。体育场馆照明分级表 2无电视转播有电视转播等级使用功能等级使用功能健身、业余训练TV 转播国家比赛、国际比赛业余比赛、专业训练TV 转播重大国家比赛、重大国际比赛专业比赛HDTV 转播重大国家比赛、重大国际比赛1.3 照明控制模式的采用 体育建筑电气设计规范JGJ 354-2014 相关条款规定,结合场馆等级、运动项目类型、电视转43DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.028第 16 卷 第 6 期贺 曼,等.体育馆智能照明控制系统的网络架构及仿真应用播、场地使用等诸多因素,对照明控制模式有以下要求,如表 3。其中“”表示应采用、“?”表示视具体情况决定;“”表示不采用。场地照明控制模式表 3照明控制模式建筑等级(类型)特级(特大型)甲级(大型)乙级(中型)丙级(小型)有电视转播HDTV 转播重大国际比赛?TV 转播重大国际比赛?TV 转播国家比赛、国际比赛?TV 应急?无电视转播专业比赛?业余比赛、专业训练?训练和娱乐活动?清扫1.4 应用现状 笔者所在团队参与设计并建设完成、投入使用的“十四届全运会”所有场馆中,乙级以上的场馆均要求采用智能照明控制系统,同时对于已建成的原有体育场馆也进行了不同程度的改造升级。例如某中学体育馆原属于丙级体育馆(历届全运会中,唯一一次在中学体育馆举行赛事),也按照全运会的要求,进行改造并增加了比赛场地智能照明控制系统。2系统架构型式 针对不同建筑规模的体育馆以及不同场地的照明使用需求,共有四种智能照明控制方案及网络系统架构型式。2.1 单机本地控制系统 单机本地控制的特点是,智能照明配电箱采用有线形式与单台中央控制主机相连,实现短距离本地控制,如图 1。此种方案所控制的照明回路分配方式简单,通过一对一的通讯模式,在控制室的控制主机上对场馆、场地的照明进行控制,适用于规模较小、控制单一的丙级体育场馆。单机本地控制系统架构简单,由一台控制主机和多台内含系统电源供应器、智能照明控制模块(驱动器)等元件的智能照明配电箱组成。控制系统采用总线通讯方式,通过系统网关交换机与控制主机相连。可在网关前端增加 USB 接口,其作用是图 1 单机本地控制系统架构使用系统调试软件进行编程,实现调试工程师电脑与智能照明控制系统的通信。2.2 主副两地控制(网络初级)系统 初级网络型主副两地控制的特点是,智能照明配电箱采用有线形式与主控台、副控台相连,实现中短距离本地控制,如图 2。图 2 主副两地控制(网络初级)系统架构乙级及以上的体育场馆中,除了在观众席的后排最高点设有场地灯光总控室外,通常在比赛场地旁侧附近设有一个副控台。在一些重要的赛事活动中,通过主控台授权给副控台,更方便控制台与赛事总监或总指挥进行直接沟通。此种方案所控制的照明回路分配方式较为复杂,通过简单的网络通讯模式,在主控制室及副控制室的控制主机上对场馆、场地的照明进行控制,适用于规模较大、控制较复杂的乙级及以上的体育场馆。“十四届全运会”中使用的体育场馆,在设计初期或建设初期,绝大部分比赛场地照明控制系统均采用此种系统型式。此系统为初级网络架构形式,由一台或多台智能照明配电箱,采用系统通讯总线,通过网络交换机与主副两台控制主机相连。假设一台配电箱为一条支线,则每条支线通过线路耦合器,采用 RS232总线连接在中央控制主机及工程师计算机上。需注意主副控制主机之间非平行关系,而是主从关系,通过主控台授权可实现副控台的控制操作。53智能建筑电气技术2022 年2.3 主副两地控制(网络中级)系统 中级网络型主副两地控制的特点是,智能照明配电箱采用有线/局域网形式与主控台、副控台相连,同时增加场馆系统集成主机(本地)、赛事指挥中心主机(异地)的网络连接,如图 3。此种控制系统的照明灯具数量较多、配线回路复杂、场地照明模式多样化,且要求能够实现主副两地控制,以及场馆总控及异地赛事指挥中心监视的功能,适用于场景多样、功能多变的甲级及以上的体育场馆。图 3 主副两地控制(网络中级)系统架构此系统为中级网络架构形式,由一台或多台智能照明配电箱,采用系统通讯总线,通过同一台交换机与主副两台控制主机相连。控制系统通过局域网形式与主控台、副控台实现网络有线连接,每条支线控制回路通过线路耦合器采用 BUS 总线连接在交换机上。“十四届全运会”场馆建设标准要求,所有比赛场地照明控制均按照此种系统架构进行建设。2.4 主副多地控制(网络高级)系统 高级网络型主副异地控制的特点是,智能照明配电箱内的控制模块、系统网关、主控终端、副控终端、调试终端以及系统集成终端、赛事指挥中心终端等均就近接入设备专网(局域网),实现远距离多地监视及控制,如图 4。图 4 主副多地控制(网络高级)系统架构此种控制系统的照明灯具数量较多、配线回路复杂、场地照明模式多样化,且能够方便实现多地灵活的监视及控制。但特别强调网络系统的安全性、稳定性、可靠性以及主控台强大的管理、指挥、协调功能,适用于甲级及以上由多个体育场馆组成的建筑群(或体育中心)。此种系统基于一个设备专网(局域网),把主控台、副控台、智能照明控制箱、系统赛事集成平台等均连接在设备局域网上,通过云端将数据传输给赛事指挥中心、公安厅或体育总局等处,可远程监视现场灯具照明情况,实时掌握现场工作状态。2.5 网络型系统的安全性 所有网络型控制系统必须进行网络安全等级保护规划、设计及建设,解决或避免以下的问题:(1)行为管理:包括操作行为应当是经过审核从而被授权、被允许的;(2)运行可靠:包括系统备份、系统电源可靠性;(3)网络安全:包括设置防火墙,以防止非法入侵等措施。3智能照明控制系统仿真及模拟3.1 智能照明控制箱的组成 为模拟以上四种控制方案在体育场馆中的应用,笔者所在团队设计了一台智能照明配电箱,内含 1 个 160mA 电源供应器、2 个 8 路开关驱动器、1个网关、1 个 4 口无线路由器、1 个 24V 直流电源。如图 5 所示。图 5 智能照明模拟配电箱本模拟场景为篮球场,共控制四排四列 16 盏灯,编号由上至下、由左至右的顺序为 1 至 16,预设8 种场景模式,分别为:(1)HDTV 转播重大国家比赛、重大国际比赛模式:116;(2)TV 转播重大国际比赛、重大国际比赛模式:1/6/3/8/9/14/11/16;(3)TV 转播国际比赛、国际比赛模式:5/2/7/4/13/10/15/12;(4)专业比赛模式:18;(5)业余比赛、专业训练模式:916;(6)健身、业余训练模式:6/7/10/11;(7)入场、退场模式:1/6/11/16;(8)清扫模63第 16 卷 第 6 期贺 曼,等.体育馆智能照明控制系统的网络架构及仿真应用式:4/7/10/13。智能照明控制系统软件分为工程师调试模块和操作员模块。其中工程师调试模块是采用调试软件预设上述 8 种场景,再使用操作软件去控制、切换。同时可通过增加总线诊断及保护模块、故障信号监视模块、系统元件监视单元、回路计时计次单元、DALI 网关(调光)来实现更多功能,更周全地保障系统稳定运行。3.2 四种网络架构的模拟仿真 通过访问网关,模拟实现第一种单机本地控制方式。将两台计算机通过网络连接接入路由器,与配电箱内的控制模块组成一个局域网,模拟实现第二种主副两地控制(网络初级)方式。将两台计算机通过网络连接接入路由器,与配电箱内的控制模块及 IPAD(无线接入)共同组成同一个局域网,模拟实现第三种主副两地控制(网络中级)方式。将两台计算机通过网络连接接入路由器,增加一台网络验证设备(花生棒),远程异地终端设备(计算机)通过互联网访问花生棒的固态域名,以达到与配电箱内的网关模块进行确认并实现信息互通的目的。多台计算机及配电箱控制模块通过网络连接、IPAD无线接入连接等组成局域网(有限开放),模拟实现第四种主副多地控制(网络高级)方式。4智能照明控制系统功能及组成4.1 智能照明控制系统的功能 (1)合理分配各照明回路,对全部比赛场地照明灯具进行编组控制,并显示其工作状态;显示主供电源、备用电源的运行状态;预设多个不同场景模式,通过触摸屏或智能面板完成各种场景的一键式切换,以实现不同场景及功能的照明需求,且不因停电而丢失。(2)检测各照明回路的电流、电压、开关次数、累计使用时间等,根据灯具的使用寿命提醒维保人员提前备货,以便更换即将报废的灯具,提高管理水平,优化能源使用。(3)监测各照明回路的运行状态、负载电流量、回路跳闸等故障以及主备电源的运行状态,一旦发生任何非正常情况立即自动报警,且发生故障时自动锁定故障前的工作状态,以保障场馆的照明系统得到最有效可靠的运行。(4)具有软启、软停功能,启停时间可调;采用顺序延时开灯模式,防止全部灯具同时启动对电网的瞬间冲击;当高压卤素灯等回路关闭后,系统设定延时启动功能,避免昂贵灯具的损坏,降低运营和维护成本。4.2 智能照明控制系统的应用 智能照明控制系统已广泛应用于我国现代化建设的体育场馆中,智能照明控制系统的回路控制模块、线路耦合器、网关等元器件和断路器同时安装在照明配电箱内,采用五类双绞线将多个配电箱连接起来,再用五类双绞线接至现场控制面板,再连接到灯光控制室,通过为体育场馆定制的中央监控计算机上使用的带有图形显示的监控软件,给用户提供一个简洁清晰、操作简便、友好的图形化界面,使非专业人员也可以正常使用,控制每一个灯或每一组灯的开启和关闭。5结束语 智能照明控制系统是绿色建筑和国家可持续发展战略的必然趋势,系统的网络组态由小到大、由少至多、由近及远,更切合解决了体育场馆的场地照明使用需求。在以后的研究中,增加现场摄像机的辅助功能,引入照度计等测光设备等,将使体育场馆越来越智能。参考文献 1 建筑照明设计标准:GB 500342013 S.北京:中国建筑工业出版社.2013.2 体育场馆照明设计及检测标准:JGJ 1532016 S.北京:中国建筑工业出版社.2016.3 体育建筑设计规范:JGJ 312003 S.北京:中国建筑工业出版社.2003.4 体育建筑电气设计规范:JGJ 3542014 S.北京:中国建筑工业出版社.2014.73