某辦公樓項目泛光照明配電與控制設計

葉 順 文

(深圳前海微眾銀行股份有限公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

本項目周圍建筑以商務公寓、學校、商務辦公為主,且待開發區域較多?；谥車ㄖI態,靠近居民區照明不宜使用多彩的效果,避免夜間產生眩光擾民。對于建筑自身而言,重點體現公司美好愿景以及價值理念,泛光照明方案著重延續建筑的形體語言,演繹其包容、連接、現代、普惠的內涵。整個泛光采用動態控制,考慮后期政府需求的燈光秀場景,預留統一控制接口,展現區域綜合規劃。

1 泛光照明設計

本項目泛光照明設計在準確理解建筑、景觀設計的想法下,正確把握建筑的特色,而非表現光,更不是展示燈具,在夜間,燈光賦予了建筑生命力,通過光讓人們在夜晚感受建筑的層次感。

從色溫、亮度方面分析,本建筑立面從標識、幕墻挑檐橫向肋、露臺、立面媒體屏、幕墻玻璃辦公內透光5方面考慮。其中標識、媒體屏為第一亮度等級,露臺相對最低,整體幕墻平均亮度達19 cd/m2?；谝陨峡紤],本項目泛光照明燈具選擇及布置形式如下:① 層間挑檐,采用挑檐投光的照明手法,層間橫向線條的連續、錯落感,體現了建筑特色與魅力。施工單位需要根據現場情況,定制非標長度的線形燈具,滿足長短拼接,以確保燈具出光的均勻性。層間挑檐照明如圖1所示。② 首層挑檐照明,燈具明裝于立面層間,將首層吊頂均勻洗亮,柱子內側布置投光燈,照亮首層吊頂。首層挑檐照明如圖2所示。③ 室外露臺照明,有挑檐時,沿用線性投光做法;無挑檐時,燈具固定于立柱或明裝于立面層間。室外露臺照明如圖3所示。④ 屋頂花園照明,充分利用屋頂桁架,使用筒燈照明提供地面基礎照明,柱子布置投光燈,照亮屋頂內側天花。屋頂花園照明如圖4所示。

圖1 層間挑檐照明

圖2 首層挑檐照明

圖3 室外露臺照明

圖4 屋頂花園照明

2 泛光照明配電

結合立面燈具分布安裝位置,為了檢修及維護方便,開關電源分別按層就近設置于靠近立面的室內天花吊頂內,吊頂位置設置400 mm×400 mm檢修口。避免線路太長導致電壓壓降過大對燈具帶來不必要的損壞和色差現象。開關電源至室外燈具供電線路采用T型連接,每支路燈具數量不超過25個,總功率不得超過開關電源總功率的80%。

根據開關電源的分布狀況,按照深入照明負荷中心原則,結合項目強電井的位置設置泛光照明配電箱,各泛光配電箱進線按電井豎向采用電纜T接方式連接。泛光配電原則要求如下:① 由于燈具和部分線路安裝于室外,易遭受雷電波入侵,故各配電箱須設置相應試驗級別的浪涌保護器,按防雷技術相關國標規范要求[1],本項目雷電防護等級按B級設計,LPZ0B與LPZ1交界區域,選用Ⅱ類試驗8/20 μs測試波形,電流峰值In大于60 kA,Uc值大于1.15U0值,UP值小于設備耐沖擊電壓額定值UW。SPD后備保護由廠家配套提供。② 應裝設剩余電流動作保護器,具體要求詳見GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》第10.7.4條;③ 各支路線路長度滿足燈具端電壓的要求,分支回路長度宜小于50 m;④ 注意各出線回路三相平衡,三相交替接線;⑤ 配電系統采用TN-S系統,配置專用的PE線,所有非帶電金屬外殼、金屬燈桿利用金屬軟線均要與PE線可靠連接。配電箱外殼及進線電纜保護鋼管均應作等電位聯結。燈具金屬外殼與幕墻金屬構件連通。⑥ 為減少線路及系統損耗,各燈具、設備的功率因數達到0.8以上。

3 泛光照明控制

照明控制方式是實現建筑立面泛光效果重要一環,大量的燈具要表現出不同的亮度、色溫和色彩,并且可以分區分組進行控制,滿足泛光照明平時、節日、節能等控制需求,以燈光的效果表現建筑的魅力。這對控制系統的可拓展性、可靠性、低時延、通用性、靈活性等提出了挑戰。

3.1 常用的照明控制方式

常用的照明控制方式如下:① 面板開關控制。通過一聯或多聯開關一地或多地控制單個燈具或一組燈具的控制方式;② 定時開關或聲光控制。采用智能定時器按照工作時間和休息時間段切換照明方式,滿足生活工作所需。采用聲音、紅外、光線等探測方式啟動照明方式;③ 場景模式控制。根據環境或時間需求調用所需場景照明的控制方式;④ 亮度恒定或變化控制。調光設備通過現場探測設備或設定程序實時對燈具亮度恒定控制或調節亮暗的控制方式。

上述第一、第二種控制方式多用于室內照明控制,這里不詳細贅述。涉及泛光照明控制,多采用第三、第四種控制方式,引申出智能照明控制方式。

3.2 基于現場總線控制技術的智能照明控制系統

公共建筑中一般都設置樓宇自控系統(BAS),剛開始時照明與空調、水泵等設備監控一樣,采用DDC進行控制。由于樓宇自控系統不是針對照明而研發應用的[2],故使用這種做法效果不是很好,原因有:① 只能實現集中控制,不可在現場控制,不是很方便靈活;② 不易實現調光控制;③ 線纜消耗大,布線困難,性價比不高;④ 對操作值班人員要求較高,要具備一點專業知識。故現在在小規模、僅有開關控制需求場合適用。

當前,控制技術緊跟網絡發展,以現場總線控制(FCS)的技術成為主流,是計算機分布式控制(DCS)的更新換代產品,是過程控制領域一個新的熱點。FCS是一種數字通信協議,是連接現場設備和控制系統的全數字式、總線式、半雙工串行、開放式通信系統[3]。在目前的智能照明控制系統中,各個廠家推出了很多基于RS-485或其他總線協議的產品。由于未形成統一的標準,各廠家都有自己定義的協議,彼此間的互通互聯需要采用模擬信號或一些接口產品來實現。下面結合本項目泛光照明控制所使用標準化照明控制系統Dynalite、DALI、DMX512進行闡述。

3.2.1 Dynalite系統

Dynalite系統基于RS-485總線協議進行研發。一般含以下3個部分:模塊部分(開關、調光模塊),現場控制部分(包括開關面板、探測器等),監控、調試部分(軟件、計算機等)。單個DyNet控制網絡是將上述系統3部分部件用1根五類四對雙絞線鏈接而成。該系統具備分布式控制特點,并且系統結構模塊化。當要擴大規模時,可通過網絡線或網橋與已有的網絡系統相連,任意擴展,不會對已有系統造成影響[4]。

系統內設備自帶CPU,可獨立運行指令和保存程序。當系統斷電時,相應的程序指令不會丟掉。當系統內某個設備或區域故障時,只是該節點暫時故障退出,不會影響到其他設備或區域正常狀態,也不會因此無法通信。這表明了該系統不像中央式控制邏輯,完全實現對等控制。從運營視角來看,減少了大型系統運行問題,又可以迅速找出問題位置。Dynalite系統可通過RS-232、RS-485、DMX512、Ethernet等多種通信接口集成在樓宇控制系統中,進行聯動控制操作。

3.2.2 DALI系統

數字可尋址照明接口(DALI)與以往使用的模擬通信不同,它采用全新的數字通信技術,專門針對照明控制進行研究及應用。數字傳輸具有抗干擾能力強、質量穩定、距離遠,效率高等優點,使得DALI更可靠。DALI采用控制設備和受控設備間雙向通信技術,可以控制燈具的啟閉、調光,另外也可以反饋燈具運行、故障等狀態信息。

設計上,單根DALI總線最多可以接入128個設備,控制設備與受控設備一一對應,各占1個地址,兩者分別是64個。單個受控設備(鎮流器、開關電源、調光模塊)可接入1個及以上的光源,意味著單系統受控光源可以超過64個。并且可對這64個受控設備進行最多16個場景和16個分組控制。當增加DALI總線數量時,相應成倍數增加控制設備和受控設備的數量。另外,總線上兩兩設備之間的直流電壓損失不大于2 V、兩個設備之間最遠距離不大于300 m、數據傳輸速率是1.2 kb/s、輸出電壓、供電電流、場景設定等都有相關參數要求。

DALI系統的優點如下:① 布線方便,可采用星形、總線形或星-總混合拓撲結構。DALI系統供電電源、控制信號在采取中間隔離措施情況下可采用1根線纜,且信號對極性無要求。它不要求使用專用的總線線纜,如果是改造系統時,可利用已敷設的控制線纜進行傳輸。② 系統可靠、簡單,DALI是一種數字通信協議,采用串行、異步方式傳輸,主機到從機發送幀數據前后1個起始位、2個停止位,中間8個地址位、8個數據位,共19位數據使用曼徹斯特編碼方式進行編碼,可看出含地址位,上升沿信號“1”的電壓區間為9.5～22.5 V、下降沿信號“0”的電壓區間為-6.5 V～6.5 V,速率是1.2 kb/s,確保節點間信號通信抗干擾;系統按主從架構設計,總線上控制設備在通信過程中起到主機功能,受控設備作為從機執行控制設備的指令,并反饋信息至主機。③ 控制多樣、自由,采用DALI接口可實現單燈、回路、分組、場景等多樣監控。DALI接口除了可以單獨成系統外,亦可集成到樓宇自控系統或與其他各種總線配合使用。④ 產品通用兼容好,來自不同生產商的產品,只要是符合同一標準協議,就能實現互聯互通。⑤ 升級改造簡單,在不拓展規模情況下,無須重新敷設線纜,通過服務器端對新增燈具、功能指令等進行修改即可。

DALI接口現在可用于熒光燈、氣體放電燈鎮流器,還有LED、鹵鎢燈電子變壓器。另外,還可利用DSI(數字信號接口)、1～10 V模擬量接口、計算機通信的RS-232接口等轉換為DALI接口。由此,根據以上特征,DALI在場景要求較多且需要單燈受控的靜態控制室內場所應用中大受歡迎。

3.2.3 DMX512系統

DMX512系統是一種控制器與燈具進行數據傳輸控制的協議標準,由美國舞臺燈光協會制定發布。

DMX512采用異步通信的方式進行數據傳輸,速率是250 kb/s,單幀數據依次是第一個低電平起始位、第2～9個數據位、第10～11個高電平停止位,多幀數據構成1個數據包。8個二進制數據位表示1個控制信號,從00 000 000～11 111 111總共可以表示256個不同的信號。DMX512控制器發出指令程序,是基于RS-485總線技術進行研發的,之所以稱為“512”,是因為單個485總線串口可接進512個地址。假如單個燈具要表達3個R、G、B三色信號,相應需要分配3個地址,則1個總線串口對應不大于170個燈具。市面主流的DMX512協議控制器(分控器)目前一般是8路串口,當需要接入更多燈具時,可選擇TCP/IP協議進行系統拓展[5]。

DMX512系統的優點如下:① 布線簡單方便,控制器(分控器)到末端設備采用三類屏蔽雙絞線?；诠I標準EIA-485接口進行研發的DMX512系統,理論上傳輸長度不超過1 200 m,結合工程實際情況,建議不大于400 m,可中間增加中繼器方式延長傳輸長度。DMX512總線終點可接入終端電阻來抵消信號反射和環路,以免引起系統錯誤。② 便于拓展,通過與TCP/IP協議配合組網,可實現系統規模的拓展以及遠程控制和故障診斷。③ 動態復雜控制,DMX512將光源狀態分成256個等級進行控制,通過對LED光源RGB三色不同狀態組合控制,帶來不同的色彩觀感,真正做到實時動態變化效果。④ 通用性好,市面主流的廠商的全彩動態LED燈具均配有DMX512接口,可以與不同廠家的控制器兼容,實現了良好的互通性[5]。⑤ 節能性好,采用DMX512系統,能夠根據不同的需求編輯不同的工作模式,如節日、平常、節能模式,可有效地節約能源,符合碳中和的理念。

DMX512采用主從式架構設計,屬于單主機,多從機模式,同時它采用單向傳輸通信方式,被控設備單向接收控制器(分控器)發出的指令,無法反饋運行狀態至后者。DMX512為了被控設備準備接收來自控制器(分控器)命令,需要主控為每個末端設備提前分配好地址。由于該協議每一幀數據不像DALI協議一樣帶有尋址數據,那如果某個信號受到干擾,可能會出現系統出現紊亂。因此,DMX512在大型智能燈光控制系統中一般與其他燈控系統配合使用,在泛光照明、園林照明、舞臺控制等需要動態效果的地方是最優選擇。

3.3 本項目泛光照明控制方案

本項目泛光照明系統采用智能照明控制,實現統一集中控制,各配電回路通過智能照明控制模塊進行開閉控制并根據時間、節慶等進行時段控制或場景控制。末端燈具增加燈具配套控制器(DMX512控制器)系統進行調光漸變、動態等效果。本項目泛光照明控制系統框圖如圖5所示。

圖5 本項目泛光照明控制系統框圖

整體上采用Dynalite系統,實現統一集中控制,各配電回路通過智能照明控制模塊進行開閉控制并根據時間、節慶等進行時段控制或場景控制。① 系統容量不大,整個控制模塊數量不超過64個,故采用單子網結構,通過網關接入到控制主機。② 照明開關模塊采用標準模數化產品,安裝于泛光照明配電箱內,各回路容量為20 A,具有手自動轉換開關,便于線路檢修。為避免集中開啟時引起的浪涌電流,開關帶有分組或延時啟動功能。并具有掉電保護功能。③ 消防控制室設面板開關,可自由設置按鍵,實現單路、分組、場景控制等。面板上能具有狀態顯示和遙控功能,單個按鍵可控制大于300個以上回路,設置保存不小于96個場景應用。④ 系統增設電流檢測模塊,實時反饋電流數值,當出現故障時,相應發出報警信號等。⑤ 針對露臺照明燈具,選用DALI調光模塊進行控制,本項目采用的就是Dynalite系列產品中的DALI模塊,通用兼容性好,可對單燈進行調光開關控制,并且可設置于多個場景或分組。

針對室外挑檐照明,末端燈具增加燈具DMX512配套控制器系統進行調光漸變、動態等效果。① DMX512主控器設置于地下一層消防控制中心,包括智能照明控制系統主機也設置于此,方便集成于IBMS平臺。② 在17層弱電井設計1個8端口網絡交換機,3-屋面層每層弱電井設置分控器,主控器與交換機之間采用多模光纖連接,兩端各采用1個光電轉換器。交換機至分控器以及分控器之間統一用超五類網線進行連接。③ 分控器到末端設備采用三類屏蔽雙絞線,本項目每路信號到最后一個燈具網線距離控制在300 m內。④ 同一臺分控器信號回路之間合理的情況下禁止電源跨接,即同一開關電源只能帶同一信號回路的燈具。⑤ 照明場景控制可通過電腦編輯的可視化效果程序寫入存儲卡,通過控制器對存儲卡進行讀取,可將文字、動畫、視頻等信息表現于泛光照明上。

4 結 語

LED燈具因其在節能降耗、光源數字化通信、綜合成本方面等優勢大力發展,采用智能照明控制系統對LED燈具進行控制會越來越受到大家青睞。