综合展馆C-Bus 智能照明系统的设计及应用探究

田仁荣，陈丽丽

（1：长春润德投资集团有限公司展馆运营分公司，吉林 长春 130000；2：深圳市华纳国际建筑设计有限公司长春分公司，吉林 长春 130000）

1 C-Bus 总线

现场总线是一种近年来得到快速发展的工业数据总线，在楼宇自动化、过程自动化、制造自动化的各类场景中得到了广泛应用。它具有了智能化，高度适用分散系统结构和实用性的特点。目前全世界推广应用的总线有ABB 公司研发的I-Bus 总线、澳大利亚奇胜公司研发的C-Bus 总线，以及Echelon 公司的LonWorks 总线等。

C-Bus 总 线 由 Qisheng Electric Company 于1994 年开发。其控制方式集中了开关控制，现场、应急控制，时间控制等。电源供电和信号传输采用双绞线，总线电源（DC15-36 V）和总线控制信号传输共同使用一对双绞线，总线设备之间形成链路实现直接通信，链路可设置为菊花链形、线形、星形、树形拓扑的方式，但不支持环网结构[1]。各总线对比情况见表1。

表1 各总线对比

C-Bus 总线具有明显的距离优势，应用灵活、安全可靠性，分布式控制场景和实时控制场均可使用，可以满足大型综合展馆照明系统的控制要求。由C-Bus 总线控制的照明系统主要由计算机管理。每个节点分布在控制系统中。所有的复合协议都可以通过总线来完成系统的扩展。C-Bus 总线纠错能力在应用中体现特别突出，可以保证智能照明系统安全使用，该系统具有良好的经济性和实用性。

2 智能照明系统的控制方式选择

2.1 直接数字控制系统

直接数字控制在工程项目建设和使用中又简称为DDC 系统，第一步设置最初原始值，利用计算机强大的数据处理能力，将设置的原始值与被控对象传回数据进行对比，通过算法对被控对象进行直接有效的控制。直接数字控制系统结构如图1 所示。

图1 直接数字控制系统结构图

在DDC 系统中，被控对象的过程参数通过检测电力装置实时采样，并对采集数据进行全面的比较和分析，形成所需的控制信息，然后完成多个系统控制。DDC 系统采用计算机的数据处理能力完成闭环控制，可完全替代传统的模拟调节器，实现采集数据的比例积分微分控制（PID），并通过程序化控制可实现各种复杂场景[2]。该系统具有实时控制、分时控制、灵活性和多功能的特点，应用非常广泛。

2.2 计算机监督控制系统

计算机监控系统也可称为SCC 系统。它主要使用计算机预设信息和参数，并根据一定的数学模型或算法自动调整给定值，使整个设备功能始终处于控制系统的最佳状态。该系统框如图2 所示。

计算机监控系统可根据控制需求实时对给定值进行改变，达到设定值控制的目的。SCC 计算机直接收集和优化DDC 计算机控制，从而构成只传输设定值的两级，并且上下级之间没有通信。如果计算机出现故障，可以直接控制模拟仪器。然而，SCC系统昂贵且低效。

2.3 分布式控制系统

图2 SCC 系统基本框图

分布式控制系统又可以称之为DCS 系统。其主要基础为C4 技术，即是指计算机、控制、通信及CRT 显示技术，其系统框如图3 所示。

2.4 总线式控制系统

现场总线控制系统也可称为FCS 系统。它是一个完全分散的系统，基于MCU 和数字仪器，具有控制和通信功能[3]。散布在场景周围的节点通过总线连接以形成现场总线控制系统。此外，设备的互操作性可以通过功能模块和参数来实现。现场总线控制系统如图4 所示。

随着我国的快速发展，现场总线控制系统的优势越来越明显。在不久的将来，它将取代分布式控制系统，成为系统的主流。正是根据上述优点，选择了现场总线控制。照明系统各控制方式对比见表2。

图3 分布式照明控制系统

图4 现场总线控制系统结构图

表2 各控制方式对比

3 C-Bus 总线智能照明系统的具体分析

随着建筑电气智能化的快速发展，对大型综合展馆照明的智能化控制提出了新的要求，为了提升参观体验，提高工作效率，节约有限资源，必须实现实时控制和精准管理，不能只局限于照明系统简单繁琐的开关操作控制。此外，智能照明系统具有非常重要的优势，即它可以直接使用总线进行布线，不仅为后续维护提供了便利条件，而且使整体更加美观。

民用及工业建筑的智能照明控制系统应用越来越普遍，根据照明开启时间、照明安全等级要求，需设置不同的照度级别。根据使用要求完全达到自动打开和自动调节的智能控制形式。当照度不满足工作生活需要时，通过感光元件、定时模块自动实现照明系统的照度调节或自动启闭，从而达到环保节能、安全高效、控制合理的使用效果。

照明上的光强度用dΦ 来表示。它表达的具体参数是该区域中光通量的面密度数值，照度E 定义为表面上一点的入射光通量（dΦ）与该单元面积（dA）的比值，其表达式如下：

照度的单位为勒克斯（lx），数量上，1 lx=1 lm/m2。

智能照明系统主要通过计算机照亮每个照明电路，可以自动调节开关，电路电流，完善照明电路中不必要的浪费。真正的智能照明管理系统不只是控制照明灯具的启闭时间、亮度的自动调节，在复杂的建筑格局中实现符合相应要求的场景，还要考虑智能管理和简化操作的要求，以满足后续使用需求照明系统的扩展性和控制模式的可变性。高效的智能照明系统可以提高建筑物中工作和生活群体的质量并确保其舒适性和健康性。

通过比较传统的照明控制模式、数字照明和智能照明控制模式，我们可以得出结论，智能照明具有以下特点。

1）软启动方式及软关断方式：通过电流连续的线性变化实现控制功能，可以实现照明灯具从暗到亮及从亮到暗连续的线性平滑渐变过程，避免照明灯具突然点亮及突然熄灭对人眼造成强烈的刺激，对照明系统使用的舒适性提升明显[4]。电流的平稳线性变化大大减少了瞬时大电流对照明灯具、照明供电线路、照明开关的冲击，从而提高整个照明系统使用的安全性，延长物理和经济寿命。

2）时间控制：结合实际情况，灯具和不同的照明在不同时间运行，不同的灯具按照一定的时间规则使用。

3）遥控：为达到智能照明系统的遥控控制，通过接入以太网，利用计算机控制终端，智能手机、平板等智能设备APP 进行遥控控制，实现照明灯具的远程遥控和照明场景遥控切换的功能，并可以了解每个电路的工作状态、设备的在线状态、使用寿命等，以便及时排除故障。

如果要实现上述自动控制效果，必须仔细分析控制模式和通信模式，然后选择合适的控制模式。只有这样，整个系统才能长时间稳定运行。本文研究案例设计了一种以C-Bus 现场总线为脉络，计算机网络控制为核心的控制模式，通过C-Bus 现场控制和远程计算网络控制系统的完美兼容。这种控制方法既具备网络控制的优点，又能体现现场总线集中管理的特点，可节约有限资源，维护方便快捷。结合这2 种方法，整个系统的稳定性和经济性得到改善。

3.1 系统组成及其原理介绍

C-Bus 系统硬件由通讯路由、输出模块单元、输入模块单元、程序控制单元、数据采集处理单元组成。照明智能化传输系统由C-Bus 总线搭建。功能单元负责外部控制信号的采集和转换，通过C-Bus总线实现信号的传输[5]。主要功能根据输出单向总线上的信号，控制相应回路的输出，并控制负载。它由微型继电器，模拟调光器和模拟信号输出单元组成。基于C-Bus 总线的智能照明系统原理如图5 所示。

图5 基于C-Bus 总线的智能照明系统原理图

智能照明控制系统信号处理器、存储模块单元、供电模块单元、控制模块单元的所有组件，由一对双绞线形成菊花型链路连接。通过计算机网络控制系统对每个模块单元按照链路方向按顺序设置独立的单元地址编号，并通过软件编辑其具体功能。控制单元通过带地址编码的输入单元与输出组件建立通讯。当接收到输入信号时，通过信号处理器将输入信号转换为C-Bus 信号，通过C-Bus 系统总线进行传输。输出模块单元对接收到的控制信号进行处理，根据信号指令控制输出。系统流程如图6所示。

图6 系统方案设计流程图

基于C-Bus 总线的智能照明控制系统完全可以满足当今社会的照明效果，特别是在大型智能建筑中，尤为突出。基于C-Bus 总线的智能化不仅可以直接控制照明，还可以通过网络远程控制照明。我们通常使用智能控制系统来调节建筑物室内亮度。

3.2 系统的优越性和应用范围

与其他总线相比，C-Bus 系统的优点如下。

1）生产线供货快捷、易于安装、维修保养容易、节省材料，有利于投资总成本的控制和后期运营维护管理成本，提高投资回报。

2）采用目前先进的电子控制技术，具备单回路单控、分区域控制、不同建筑主体群控、复杂场景的适应性控制，根据时间要求定时启闭、亮度根据环境自动调节、手动调节等多种照明控制模式。达到优化照明系统、节约能源消耗、降低运营成本的目的。

3）可根据用户提供个性化需求，根据应用和需求制定切实可行的具体化方案，通过软硬件的优化组合，最终通过软件设置的调整，照明场景实现多样化，并具备完美的扩展功能，缩短调整转换周期，适用于工业、民用、商业等不同场所的要求。

4）控制电路与负载分离，控制电路工作在36 V。即使切换电流意外，也可以确保人身安全。

C-Bus 系统具有广泛的应用。可以控制照明，满足各种照明环境的需要。在学校、办公室、医院、工厂等场所，C-Bus 时间控制功能用于进行自动照明控制，利用亮度传感器自动照明，节约能源。C-Bus调光功能和场景切换可用于影院、会议室等场所转换各种照明场景，实现多点控制，并可控制空调、风扇，它的群控功能可用于控制整个区域的照明。CBus 系统可应用于智能住宅区、路灯和景观灯区域，用于多点、定时、远程控制。

C-Bus 系统具有广泛的应用。可以控制照明，满足各种照明环境的需要。根据长春市规划馆、博物馆及美术馆不同功能区域对照明方式需求的差别，结合现场实际，对长春市规划馆、博物馆及美术馆不同功能区域照明系统采取不同的控制方式，总体思路为在长春市规划馆1F 层控制中心设置智能照明工作站，馆内16 个照明配电间内控制模块通过C-Bus 总线形成“手拉手”菊花链状控制回路。由于控制模块数量多，辐射线路长，为解决供电电压不足问题，根据现场实际情况在回路中加入电源供电模块，保证电路系统供电稳定性。该方式提高了该系统的运行稳定性，线路出现断点时不影响该系统正常工作，个别模块故障时不影响整个系统的正常使用。C-Bus 智能照明工作站及模块见图7。

图7 C-bus 智能照明工作站及模块图

通过工作站对长春市规划馆、美术馆和博物馆照明系统分别进行远程控制，规划馆展厅、美术馆展厅、博物馆展厅、博物馆库区通过4 块触摸屏可进行分区域控制，地下功能房区域根据安防级别要求分2 个区域进行触摸屏分控，每个配电间控制箱内安装多回路控制模块，可进行就地单回路操作。由于规划馆设置于3 层、4 层，植物墙对照度要求较高，使用率较高，植物墙补光照明灯通过C-Bus 时间控制功能用于进行自动照明控制，节省人力和能源。其他公共区域通过软件对照明回路进行设定，共设置4 种开启模式，包括全开启模式、二分之一开启模式（夜间）、四分之一开启模式（白天）及自由组合模式（根据现场实际情况自由组合）。通过以上模式的合理利用，在日常运营中能够达到良好的节能效果。

4 结语

本文以大型综合展馆的智能照明系统和C-Bus总线应用为实例，并与其他常用的现场总线技术进行对比分析，重点分析了大型展馆C-Bus 总线智能照明系统的应用。同时，根据每种控制模式的优缺点，进行了详细比较。最后选择了一种将总线模式与分布式控制模式相结合的新型控制模式，充分利用C-Bus 智能照明系统的灵活性、适应性和安全可靠性，实现了智能照明系统使用方便、节能环保的目标。此系统在大型综合场馆的实际应用，为今后类似大型综合场馆的照明系统智能控制积累了经验，具有推广实用的实际意义，也为大型场馆照明系统节能方案提供了参考案例。