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KNX总线在深圳地铁9号线智能照明系统的应用

2020-06-13

摘要:地铁车站运营过程中电能消耗主要为照明和空调,在现阶段节能减排的大趋势下,照明节能主要方式包括采用LED照明装置、优化照明设计和控制等。智能照明控制系统作为一个新型控制系统,可对车站的照明设施进行有效控制,在地铁行业拥有良好的应用前景。现以深圳地铁9号线KNX总线智能照明控制系统为实例,对其设置原则及应用优势进行了分析和探讨。
 
关键词:地铁;KNX总线;智能照明;调光方式;节能效果

 

 
1.概况
KNX总线协议以EIB总线为基础,同时满足EHSA、BatiBus的物理层规范,拥有EHSA、BatiBus中配置模式的优点,该系统可将所有元器件通过一条总线连接起来,单个元器件均可独立运行,同时又可通过智能主机对各元器件进行集中监视和控制。各元器件在写入程序后即可独立工作,可根据需要对其进行组合,从而在不增加元器件的情况下灵活扩展功能。
深圳地铁9号线全线车站采用ABB i-BUS智能照明控制系统,该系统采用 KNX总线标准,系统特点如下:
(1)系统采用分布式总线结构,系统内开关模块、调光模块、传感器设有独立CPU,各元件之间为对等关系。
(2)单个元件损坏不会影响到其他无程序关联的系统元件的运行,更换、维修系统内的元件或升级软件时,系统的其余部分可照常运行,维护保养方便。
(3)系统拥有良好的扩展性,将需增加的元件直接挂接在总线上,即可实现功能或回路的扩展。
(4)开关驱动器具有电流检测功能,可以监视回路电气设备运行是否正常,并反馈故障信息至智能主机。
(5)各系统元件均有独立的CPU及地址,可通过巡检功能监视系统内元件运行是否正常,如总线或元件出现故障、断线,可及时反馈给智能主机。
 
2.深圳地铁9号线智能照明控制系统设置原则
 
深圳地铁9号线全线车站将站厅站台公共区、出入口照明、飞顶照明、导向照明、广告照明、区间照明纳入智能照明系统控制;设备区照明考虑有人值守未纳入智能照明系统控制,由工作人员根据需要通过就地的翘板开关控制。
车站站厅站台公共区及出入口采用DALI调光模块进行调光,导向照明、广告照明、区间照明采用开关模块进行控制启停。
标准车站智能照明控制系统示意图如图1所示。
 
 
2.1系统组成结构
系统主要由主机、网关、线路耦合器、开关模块、DALI调光模块、触摸屏、开关面板、电源供给模块等组成。智能照明系统与综合监控系统的网关接口采用Modbus-RTU通讯协议,网关至综合监控系统的通讯线缆由综合监控系统提供。智能开关模块安装在相对应的照明配电箱内,调光模块及其他系统模块安装在专用的智能照明控制箱内。所有模块及系统元件均为模块化产品,采用标准35 mm丁导轨安装方式。
2.2 调光及开关控制
DALI调光模块至灯具间采用2芯屏蔽控制线2×1mm2,控制线和灯具的电源线分开穿管敷设。每个调光模块所能控制的灯具数量不超过 64个,标准车站设置调光模块数量为12~15个,换乘站设置调光模块数量约25个,如个别车站因个在车站A、B端的出入口飞顶安装光亮传感器,光亮传感器通过总线连接至DALI调光模块,可根据室外照度控制飞顶灯具启停,实现自动控制、有效节能。
开关驱动器直接设置于照明配电箱馈线侧,导向和区间照明回路驱动器容量为16A,广告照明回路驱动器容量为20 A。智能开关驱动器具有手动/自动转换开关,便于线路检修。开关驱动器具有分组及延时开灯功能,能防止灯具集中启动时产生浪涌电流。
2.3 可视化触摸屏集中监控
可视化触摸屏通过采用AutoCAD支持的DXF图形作为背景界面,将车站所有的灯具及其控制回路按照设计施工蓝图显示于屏幕上,进行可视化监控,各灯具的实时运行状态和故障信号直接显示于屏幕上,便于运营观察。通过点击触摸屏上各回路的开关符号,即可对相应区域的灯具进行控制。触摸屏上可任意设定时间控制回路。如触摸屏出现故障掉线,可自动尝试重新连接总线,连接成功后自动恢复监控。
2.4 控制模式
地铁运营根据需要可将所控区域的灯具或其他设备等预先设定为各种模式。可通过就地面板、时钟设定、智能照明主机等控制。设置于车站控制室内的智能照明主机可对车站智能照明系统进行编辑,实现车站照明及其模式控制。
为便于地铁车站运营简化操作,在车站控制室IBP盘设置智能面板开关,面板开关每个按键对应一种控制模式,地下车站按照五种模式运行—全亮模式、高峰模式、低峰模式、清扫模式、停运模式,具体如表1所示。
表1 地铁车站照明模式表
 

模式公共区设备区区间隧道应急照明广告照明
 照明照明工作照明  
全亮模式手动
高峰模式手动
低峰模式手动
清扫模式手动
停运模式手动

 
主要内容如下:
(1)全亮模式:特殊情况使用或测量使用。
(2)高峰模式:正常运营时客流高峰期或节假日使用。客流高峰期间一般指每天07:00—09:00、17:00—19:00时间段,客流高峰时间段可自行设定。
(3)低峰模式:正常运营时客流量较少时期使用。
(4)清扫模式:车站清洁工作使用。
(5)停运模式:停止运营时间段使用。停运模式根据实际运营时间表确定,时间可调。
3.应用智能照明控制系统的优势
3.1 总线协议
智能照明控制系统发展已有多年,现在工程中应用比较广泛的主要有KNX、485、CAN等三类总线协议。考虑地铁车站内灯具数量有限,控制模式较为单一,仅对系统稳定性和可靠性要求较高,三类协议均能满足地铁功能要求。
深圳地铁9号线采用KNX总线协议优点主要是系统符合国际通用的IEC标准和中国国标GB/Z 20965—2013,产品具有互换性,厂商之间可无缝兼容,便于后期运营维护。系统结构是分布式总线结构,各智能模块不依赖于其他模块而能独立工作。但是KNX总线协议的产品价格远高于其他总线协议的产品。
3.2 调光方式
调光控制采用DALI数字可寻址调光控制,可实时反馈灯具的运行工作及故障状态,同时调光时间长短也可作任意设定。可连接64个带有DALI的可调光电子整流器,并分配到16个可以开关/调光的组,每个DALI电子整流器可以单独控制开关/调光,并有单独的状态反馈。
DALI调光模块虽然价格相对于0~10 V等调光模式略贵,但DALI调光模块功能多,可靠性高。0~10 V调光存在两点弊端:
(1)无法实现完全意义上的关闭灯具,需增加继电器才能满足关闭灯具要求。
(2)当线路较长时会出现压降损失,无法有效地实现调光控制。
为有效利用DALI调光功能,可在车站公共区域关键点设置红外和光亮传感器,实时反馈给智能照明主机,按照规范设置各公共区域照度值,根据车站客流进行实施调光,在满足地铁乘客舒适乘车环境要求的前提下实现节能。
 
3.3 节能效果
现阶段一套基于KNX总线协议的智能照明控制系统价格
25万左右,按深圳地铁 9号线标准站的设计方案,智能照明控制系统可比传统的照明控制系统节约 20%~30%的电能,一个地铁站照明系统总功率约200 kW,每天大约需使用
kW·h电能,则每天至少可节约200 kW·h电能,按深圳供电局商业用电计价标准每度电0.8元计费,每月可以节省4 800元,按静态运营成本考虑,52个月即可收回初期投资成本。
智能照明控制系统可优化灯具开启时间,延长灯具使用寿命,减少整个车站对照明系统的维护成本。
 
4. 安科瑞智能照明控制系统
4.1系统简介
Acrel-BUS智能照明控制系统,是基于KNX总线技术设计的控制系统。KNX总线技术起源于欧洲,是在EIB,Batibus和EHS这三种住宅和楼宇的总线控制技术上发展起来的,其中EIB(European Installation Bus,欧洲安装总线)是该总线技术的主体。
Acrel-BUS智能照明控制系统采用标准的2*2*0.8EIB BUS总线(即KNX总线)作为总线线缆,将所有的智能照明控制模块连接到一起并组成一套完整的控制系统,既可实现照明灯具的远程集中控制,又可实现就近控制功能。该系统理论可连接控制模块数量达580000多个。
安科瑞智能照明产品种类齐全,方案完善。用户可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能控制,特别适合于各类智能小区、医院、学校、酒店,以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明系统。
4.2系统工作原理示意图
 
 

4.3产品选型

4.3.1开关驱动器

用于对设备进行开关控制的驱动器,具有延时、预设、逻辑控制、场景、阈值开关等功能,电气参数如下:
 

设备供电电压21~30V   DC 12mA(max)
功率  <360mW
        操作指示红色和绿色 LED 以及按键
输出参数110—250V   AC 50/60Hz
输出电流 16A
每路功率损耗 1.5W
防护等级IP  20 EN  60529
温度范围正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式标准 35mm 轨道安装

 

 

4.3.2调光驱动器

2路0-10V调光器,可对每路进行回路开关控制并输出 0-10V 调光信号对具有 0-10V 调光接口的灯具进行调光,具有开关、场景、状态反馈等功能,电气参数如下:

设备供电电压21~30V   DC 12mA(max)
功率  <360mW
       操作指示红色和绿色 LED 以及按键
输出参数110—250V   AC 50/60Hz
输出电流 16A
每路功率损耗 1.5W
防护等级IP  20 EN  60529
温度范围正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式标准 35mm 轨道安装

 

 

4.3.3传感器

传感器是一种能感受外界信号、物理条件(如光、移动)的设备装置,并将感应的信息传递给其它设备装置(如调光器、开关驱动器),电气参数如下:
 

设电电压21~30V   DC   12mA(max)
功率  <360mW
操作指示红色和绿色 LED 以及按键
防护等级IP  20 EN  60529
温度范围正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式嵌入式安装

 

 

4.3.4总线电源

KNX/EIB 系统标准供电电源,为总线提供电压640mA 输出电流,至多可以为 64 个设备供电,带总线复位、 过流指示和短路保护。标准导轨安装,电气参数如下:

输入85~260V   AC 50/60Hz
输出标称电压 21—30V   DC
辅助电压 30V   DC
ASL100-P640/30 640mA
功率  <360mW
操作指示红色和绿色 LED 以及按键
防护等级IP  20 EN  60529
温度范围正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式标准 35mm 轨道安装

 

 

4.3.5智能面板

用于接受按键触动信号,可通过区分短按与长按并结合不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能,电气参数如下:
 

设备供电电压21~30V  DC  12mA(max)
功率  <360mW
操作指示红色和绿色 LED 以及按键
输入参数外接输入 20V  DC
防护等级IP  20 EN  60529
 
 
温度范围
正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式标准 86 盒安装

 

 

4.3.6干接点输入模块

用于接受外部干接点信号输入,可通过不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能,电气参数如下:

 
设备供电电压
21~30V  DC  12mA(max)
功率  <360mW
操作指示红色和绿色 LED 以及按键
输入参数外接输入 20V  DC
防护等级IP  20 EN  60529
 
 
 
 
温度范围
正常运行 -5--45℃
储存温度 -25--55℃
运输温度 -25--75℃
安装方式标准 35mm 轨道安装

 

 
4.4系统功能
1)光照度(需要配照度传感器)监测,对利用自然光照明区域,根据自然光照度变化,进行照明控制和调节,满足照明和节能要求;
2)公共区域、走廊、通道、门厅、电梯厅等的照明,应设置红外或微波类人体感应器,并结合智能控制面板,实现各种场景照明控制,尽可能较少灯具点亮时间;
3)楼梯间照明采用人体感应探测控制;
4)设备房、设备房走道采用分组就地控制;
5)室外路灯、景观等照明采用光照度控制结合时控的集中控制方式;
6)监控系统界面友好,画面美观,实时显示各区照明工作状态;
7)应具有完善的用户权限管理功能,避免越权操作;
3.4系统应用领域
 
4.5系统的控制优势
1)系统可通过、触摸屏、电脑对现场的灯光、空调及窗帘等进行远程集中控制,使得控制更加方便智能,用户体验更完美;
2)系统中控制模块均工作在直流30V安全电压下,用户操作更加安全、舒适;
3)系统在实施过程中,充分结合自然光及人员的活动规律来自动控制灯光,减少能源消耗,达到很好的节能效果;
4)系统采用分布分布式KNX总线结构,搭建简单灵活,系统内各模块互不影响,可独立工作,可靠性更高;
5)多种控制方式可供选择,如本地控制,自动感应控制,定时控制,场景控制和集中控制等,控制方式更灵活;
6)系统的自动控制、远程集中控制等功能,在实现自动化的同时,大量减少了值班人员,提高了管理水平和工作效果;
7)升级系统内控制模块或更改系统功能时,无需增加连接线,不需关闭整个系统,只需更改设备参数即可实现,维护方便,操作简单;
8)系统可与消防系统联动,在出现消防报警时,强制打开应急回路,方便人员疏散,从而降低了人员伤亡的风险,提高了建筑的安全性。
4.6安科瑞组网方案
智能照明控制系统组网方式灵活,扩展方便,当系统模块数量较少、距离较近、范围较小时,各设备以树形枝状延伸,构成支路系统智能照明控制系统;当系统模块数量较多、距离较远、范围较大时,用支线耦合器组成多条支路,构成区域智能照明控制系统;当系统模块数量很多、距离很远、范围很大时,用支线耦合器、区域耦合器等构成楼群智能照明控制系统。
 
 
5.结语
深圳地铁9号线全线车站将站厅站台公共区、出入口照明、飞顶照明、导向照明、广告照明、区间照明纳入智能照明系统,实现了对车站照明设施的有效控制,也减少了整个车站对照明系统的维护成本,达到了预期的应用效果。
 
参考文献
[1]地铁设计规范:GB50157-2013[S]
[2]段琪峰 深圳地铁9号线KNX总线智能照明系统的应用
[3]安科瑞智能照明控制系统产品选型手册.2018.8版

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