譚寶　劉建群

摘 要： 針對(duì)智能樓宇中重要的照明子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于IEC 61499分布式智能照明控制系統(tǒng)。采用固高科技的ideabox3 PLC作為硬件，將一棟樓宇分層、分區(qū)域進(jìn)行控制。利用網(wǎng)頁技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作友好的人機(jī)交互界面，通過Internet可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作管理，通過不同的情景模式和充分利用自然光，節(jié)約了能源。智能照明控制系統(tǒng)不僅提供安逸舒適的工作環(huán)境，而且可以遠(yuǎn)程操作，便于管理，實(shí)現(xiàn)了“集中管理、分布控制”，也達(dá)到了理想的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞： IEC 61499； 分布式控制系統(tǒng)； 智能照明； LED

中圖分類號(hào)： TN915.5?34； TU113.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0182?05

Abstract： The distributed intelligent lighting control system based on IEC 61499 was designed for the important lighting subsystem in intelligent building. The ideabox3 PLC of Googol Tech is taken in the intelligent lighting system as its hardware to control each floor and each region of the whole building. The webpage technology is utilized to realize human?machine interface friendly operation. It is easy to realize remote operation and management via Internet. The system can save electricity by adopting the different scene modes and utilizing natural lighting. The intelligent lighting control system can provide a comfortable work environment， and can be operated remotely via Internet. The goal of "centralized management and distributed control"， and the ideal energy?saving effect were achieved.

Keywords： IEC 61499； distributed control system； smart lighting； LED

分布式控制系統(tǒng)中IEC 61499[1]功能塊標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用研究現(xiàn)已擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，例如：機(jī)場(chǎng)行李處理系統(tǒng)、鞋制造、機(jī)電一體化、智能樓宇[2]和智能電網(wǎng)[3]。這些案例的研究證實(shí)了IEC 61499相對(duì)于目前主流IEC61131?3標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，其具有封裝性、便捷性、配置性以及互操作性。智能照明系統(tǒng)[4]是智能樓宇系統(tǒng)中重要的一個(gè)子系統(tǒng)。智能照明控制技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，通過智能照明系統(tǒng)不僅提高了照明質(zhì)量，延長(zhǎng)了燈具的使用壽命，更加符合了現(xiàn)代的綠色節(jié)能減排理念[5]。如今LED在照明領(lǐng)域中使用廣泛，不同場(chǎng)合具有不同的要求，傳統(tǒng)的開關(guān)控制不能滿足現(xiàn)代人對(duì)智能照明的要求，逐漸地轉(zhuǎn)化到模擬控制和數(shù)字控制。分布式照明控制系統(tǒng)比較著名的有澳大利亞邦奇電子公司的Dynalite智能照明系統(tǒng)，法國(guó)施耐德電氣公司的C?BUS智能照明系統(tǒng)，瑞士ABB公司的基于EIB總線的I?BUS照明系統(tǒng)等[6?7]?，F(xiàn)代智能樓宇照明控制系統(tǒng)的要求簡(jiǎn)單概括為：根據(jù)季節(jié)轉(zhuǎn)變、日照時(shí)間的長(zhǎng)短，采用合理的控制方式，充分利用自然光，并且在特定的時(shí)間、空間保持照度亮度、照度色溫，實(shí)現(xiàn)照明控制科學(xué)管理，節(jié)約成本，降低損耗、實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、環(huán)保的生活工作環(huán)境。本文主要是針對(duì)樓宇智能照明系統(tǒng)涵蓋區(qū)域比較復(fù)雜，覆蓋分布范圍比較廣，控制方式要求多樣化、燈光數(shù)量多，既要滿足不同辦公區(qū)域的照度控制，又要做到節(jié)能要求，從而設(shè)計(jì)了智能照明控制系統(tǒng)。

1 IEC 61499

IEC 61499是IEC 61131的繼承者，是一個(gè)用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）在2005年第一次提出了IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，在2012年進(jìn)行第二次修訂。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是隨著分布式工業(yè)控制系統(tǒng)功能分散化、設(shè)備智能化的要求出現(xiàn)的，它精確地定義了分布式工業(yè)控制系統(tǒng)的功能塊描述和應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)、模型和文本語法。

1.1 IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61499 標(biāo)準(zhǔn)分為體系結(jié)構(gòu)、軟件工具需求、應(yīng)用指南和一致性行規(guī)指南四個(gè)部分[8]。它定義了一個(gè)通用體系結(jié)構(gòu)，并指出了功能塊在分布式過程測(cè)量與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用規(guī)則。IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括各種參考模型，如系統(tǒng)模型、設(shè)備模型、資源模型、功能塊模型等，其中功能塊是支撐IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容，資源是功能塊的容器，設(shè)備包含單個(gè)或者多個(gè)資源，而設(shè)備相互之間的連接形成分布式控制系統(tǒng)。

1.2 功能塊

IEC 61499中，軟件封裝和重用的基本單元是功能塊，IEC 61499功能塊能實(shí)現(xiàn)這種完全的分布式工業(yè)過程測(cè)量控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于采用軟件組件設(shè)計(jì)功能塊。按照功能分為基本功能塊、復(fù)合功能塊、服務(wù)接口功能塊和適配器?；竟δ軌K由事件輸入/輸出、數(shù)據(jù)輸入/輸出、執(zhí)行控制表ECC、內(nèi)部數(shù)據(jù)和算法組成。其最大的特征在于封裝性，對(duì)于外部來講，算法、ECC內(nèi)部數(shù)據(jù)是隱藏的，使用功能塊只需要外部接口。執(zhí)行控制表是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)，滿足事件驅(qū)動(dòng)或者邏輯條件，在兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。復(fù)合功能塊是將多個(gè)基本功能塊再進(jìn)行封裝成一個(gè)功能塊，基本功能塊模型如圖1所示。endprint

2 智能照明硬件系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)的硬件采用的是固高科技的ideabox3控制器、數(shù)字I/O模塊和模擬I/O模塊、繼電器、光照度傳感器、紅外傳感器、LED驅(qū)動(dòng)以及LED調(diào)光燈具、射燈。通過光照度傳感器監(jiān)測(cè)當(dāng)前的室內(nèi)光照度值，將光照數(shù)值傳遞給控制器進(jìn)行算法比較，控制器再發(fā)出指令，控制數(shù)字或者模擬I/O模塊，從而控制LED燈的開關(guān)或調(diào)光。數(shù)字量I/O輸出的是高低電平，通過繼電器的通斷控制LED燈的亮滅狀態(tài)，模擬量I/O輸出的是0～10 V控制信號(hào)，從而控制LED驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)燈的明亮程度。紅外傳感器能檢測(cè)到空間是否有人，從而控制燈的開關(guān)，做到人來燈亮，人走燈滅。整個(gè)系統(tǒng)通過Internet能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。智能照明控制系統(tǒng)的硬件組成拓?fù)鋱D所圖2所示。

3 照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

對(duì)于分散控制系統(tǒng)而言，IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)是內(nèi)部軟件組件的一個(gè)焦點(diǎn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)衍生功能塊模型和概念，這使得用模塊化、分層化和可重用的軟件組件設(shè)計(jì)獨(dú)立于硬件的分布式控制程序成為可能。有了IEC 61499，控制應(yīng)用程序可以在不知硬件平臺(tái)細(xì)節(jié)的情況下而被開發(fā)。

PLC軟件設(shè)計(jì)采用的是基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)分布式控制系統(tǒng)，依據(jù)樓宇智能照明控制系統(tǒng)所控?zé)艟叻植紡V、數(shù)量多的特點(diǎn)，充分利用分布式思想，將樓宇燈具分區(qū)域進(jìn)行控制，把一個(gè)房間封裝成一個(gè)小的功能塊，樓層封裝成一個(gè)功能塊，一棟建筑樓封裝成一個(gè)功能塊，樓層功能塊包含了多個(gè)房間功能塊，樓宇功能塊包含了多個(gè)樓層功能塊。根據(jù)實(shí)際需要和系統(tǒng)以后升級(jí)需求，便于擴(kuò)展或者刪除其中的一部分而不用影響其他的部分。分布式智能照明系統(tǒng)的IEC 61499設(shè)計(jì)框架圖如圖3所示。

由于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，樓宇管理系統(tǒng)控制應(yīng)用程序容易實(shí)現(xiàn)在不同的硬件上進(jìn)行分散和部署配置。如圖4所示，樓宇功能塊部署在專用的PLC上用于處理樓宇級(jí)命令。另一方面，每層功能塊和它協(xié)調(diào)的眾多房間功能塊是部署在相應(yīng)樓層處理本地HMI命令和接收遠(yuǎn)程樓宇功能塊命令的PLC中。

3.2 智能照明控制案例

針對(duì)該項(xiàng)目案例的具體設(shè)計(jì)：將一棟樓封裝成一個(gè)復(fù)合功能塊，里面包含著7層樓的子功能塊，每層樓根據(jù)房間布置分成多個(gè)功能塊。整個(gè)智能照明系統(tǒng)分為1個(gè)樓宇功能塊（BuildingFB）、7個(gè)樓層功能塊（FloorFB），每層樓又分為若干房間功能塊（RoomFB）。因每層樓的設(shè)計(jì)大同小異，下面著重介紹二樓的設(shè)計(jì)。

二樓分為6個(gè)房間，每個(gè)房間安置一個(gè)控制器控制該房間的若干調(diào)光面板燈和射燈、筒燈。該層所有的控制器都掛載在層控制器上，可由層控制器監(jiān)控該層所有房間的燈，房間與房間之間的信息通信是通過對(duì)應(yīng)的功能塊接口連接進(jìn)行的。在PLC程序中，每個(gè)房間設(shè)計(jì)了一個(gè)或者兩個(gè)功能塊（對(duì)應(yīng)的是硬件模擬I/O模塊），當(dāng)房間控制的燈具多，需要更多的I/O模塊硬件時(shí)，在硬件上加I/O模塊，軟件中插入一個(gè)I/O功能塊，將相應(yīng)的接口用線連接起來即可，方便擴(kuò)展。分布式控制程序物理部署圖如圖4所示。

當(dāng)功能塊上的輸入事件觸發(fā)后，與該事件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)才會(huì)更新參與算法的執(zhí)行。當(dāng)層控制功能塊輸入事件所有燈全開（AllSwitchON）觸發(fā)后，該層的所有燈亮；當(dāng)房間功能塊輸入事件初始化（INIT）觸發(fā)后，與之相關(guān)聯(lián)的工作模式（WorkModeValue）數(shù)據(jù)會(huì)更新，房間的燈根據(jù)用戶給定的值處于不同的情景模式中。

4 實(shí)際案例的效果

4.1 人機(jī)交互界面

智能照明系統(tǒng)不僅需要操作友好的人機(jī)界面，而且也需要方便管理整個(gè)系統(tǒng)。針對(duì)智能樓宇系統(tǒng)中的智能照明系統(tǒng)，覆蓋的范圍廣，控制的燈具多，在中央控制室，用一臺(tái)PC機(jī)作為終端，監(jiān)控整棟大樓的照明狀態(tài)，也可以使用移動(dòng)終端聯(lián)網(wǎng)訪問照明控制系統(tǒng)。為了方便遠(yuǎn)程操作和管理系統(tǒng)，采用B/S結(jié)構(gòu)，通過瀏覽網(wǎng)頁的形式進(jìn)行人機(jī)交互。采用在HTML基礎(chǔ)上，使用JavaScript開發(fā)交互式Web網(wǎng)頁。JavaScript的出現(xiàn)使得網(wǎng)頁和用戶之間實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)性的、動(dòng)態(tài)的、交互性的關(guān)系，使得網(wǎng)頁包含更多活躍的元素和更加精彩的內(nèi)容。在JavaScript中綁定PLC程序中的事件和數(shù)據(jù)接口，這樣就可以在網(wǎng)頁界面上操作，觸發(fā)功能塊的事件。人機(jī)交互界面采用3D動(dòng)畫顯示燈具實(shí)體模型，采用SketchUp軟件進(jìn)行實(shí)體三維建模。在網(wǎng)頁上輸入網(wǎng)址http：//10.0.0.2：8080訪問服務(wù)器，輸入用戶名googol和密碼，進(jìn)入智能照明控制系統(tǒng)主界面。用戶登錄系統(tǒng)流程如圖5所示。

在人機(jī)交互主界面上點(diǎn)擊相應(yīng)的三維模型圖對(duì)應(yīng)的樓層，就會(huì)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)樓層的實(shí)際模型中，樓層三維模型人機(jī)交互界面如圖6所示。樓層三維模型中亮的控制器代表該區(qū)域有燈是亮的狀態(tài)，灰色代表該控制器控制的燈為全滅狀態(tài)?？梢杂檬髽?biāo)拖動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)3D模型圖。發(fā)貨區(qū)的人機(jī)交互界面圖如圖7所示。鼠標(biāo)雙擊該控制器模型進(jìn)入到相應(yīng)控制的房間，該房間采用的燈具是 LED面板燈，可以進(jìn)行調(diào)光控制，采用0～10 V模擬調(diào)光，3個(gè)燈具一組，同時(shí)控制。在3D模型上用鼠標(biāo)單擊燈模型，可以對(duì)燈進(jìn)行開關(guān)控制。右邊的圓環(huán)，可以在0～100%區(qū)間拖動(dòng)，用于調(diào)節(jié)燈的亮暗程度。

根據(jù)房間的不同需求，如倉(cāng)庫(kù)區(qū)和加工區(qū)，需要的光照度不一樣，即使是同一個(gè)房間，根據(jù)不同時(shí)間段，需要的光照度也是不一樣的。所以不同房間根據(jù)實(shí)際的需求選擇不同的情景模式，包含自動(dòng)模式、午休模式、關(guān)燈模式、工作模式、投影模式、夜間模式。自動(dòng)模式是保持房間為一定的照度值，當(dāng)白天的時(shí)候，有自然光的條件下，光傳感器檢測(cè)到某一照度值，反饋到控制器，減弱燈的亮度；當(dāng)夜晚的時(shí)候，無自然光時(shí)，增強(qiáng)燈的亮度，從而保持房間的照度為恒定值，這樣可以充分利用自然光，以達(dá)到節(jié)能效果；工作模式是根據(jù)員工上下班時(shí)間設(shè)定燈的工作時(shí)間段；午休模式設(shè)置柔和的燈光效果，保證員工有一個(gè)安逸舒適的午休環(huán)境；關(guān)燈模式可以一鍵關(guān)燈。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等緊急情況，一鍵疏散可以完成燈的緊急閃爍，指向安全出口方向，便于員工容易找到安全出口。endprint

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，智能照明控制系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)燈的開關(guān)、無級(jí)調(diào)光以及各種情景模式。圖8是燈不同亮度對(duì)比圖。

4.2 節(jié)能效果分析

現(xiàn)代智能照明不僅要給人營(yíng)造舒適安全的工作環(huán)境，更加注重環(huán)保節(jié)能、綠色低碳。

以項(xiàng)目案例為例，整棟樓宇采用LED燈有800盞，每盞功率80 W，按照夏季日光規(guī)律，白天時(shí)段（10 h計(jì)算）完全不需要燈處于全亮狀態(tài)，分別按照燈處于75%，50%亮度計(jì)算節(jié)約能量，每盞燈每天可以節(jié)約電能（單位：kW·h）：

4.3 智能照明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)測(cè)試，本文采用的智能照明控制系統(tǒng)有效克服了可傳統(tǒng)照明控制方法的不足，其主要的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1） 減少能源的浪費(fèi)。本系統(tǒng)采用可紅外探測(cè)功能，自動(dòng)關(guān)閉無人房間照明燈，減少人為能源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能目的。

（2） 自動(dòng)調(diào)光，充分利用自然光。光照度傳感器通過測(cè)定工作環(huán)境的照度，與預(yù)先設(shè)定好的光照值比較控制燈具調(diào)節(jié)亮度。室外光較強(qiáng)時(shí)，室內(nèi)自動(dòng)調(diào)暗，室外光較弱時(shí)，室內(nèi)照度自動(dòng)調(diào)亮，使室內(nèi)的照度始終保持在恒定值附近，充分利用自然光實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（3） 創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境，提高工作效率。可以根據(jù)不同場(chǎng)景自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)多種燈光強(qiáng)度，使環(huán)境光線舒適，有利于提高生活工作品質(zhì)和工作效率。

（4） 提高了管理水平，減少維護(hù)費(fèi)用。本系統(tǒng)采用了網(wǎng)頁瀏覽方式，只要是能連接Internet網(wǎng)的終端，都可以登錄系統(tǒng)，遠(yuǎn)程進(jìn)行燈具的開關(guān)及調(diào)光。減少了工作人員的工作量，減少了管理成本。

（5） 延長(zhǎng)了燈具壽命。本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)的方式，能控制電網(wǎng)沖擊和浪涌電壓，使燈絲免受熱沖擊，燈具壽命得到了延長(zhǎng)，不僅節(jié)省了大量燈具，而且大大減少了更換燈具的工作量，有效地降低了照明系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié) 語

本文完成了基于IEC 61499分布式智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)用，將樓層進(jìn)行分區(qū)域控制，做到“集中管理、分散控制”。本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以隨意刪減和增添樓宇中的控制區(qū)域，不僅實(shí)現(xiàn)了本地的管理操作，也可通過Internet聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理操作，并且分析了智能照明系統(tǒng)節(jié)能效果。與傳統(tǒng)照明控制相比，優(yōu)勢(shì)在于：照明控制智能化，確保照度一致性，場(chǎng)景模式變換靈活，產(chǎn)生可觀的節(jié)能效果，延長(zhǎng)燈具壽命，提高管理水平，減少維護(hù)費(fèi)用，改善環(huán)境舒適度，有利于提高員工的工作效率等。

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