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智能灯具及其标准的现状和研究

2016-03-05 08:55 来源:照明工程学报

责编:陈默

智能灯具及其标准的现状和研究

2016-03-04 照明工程学报

施晓红,庄晓波,虞再道,陈超中


引言

 

应用的多功能要求是照明系统控制的需求来源,以舞台照明为例,由于灯具数量和类型繁多、光色复杂、光路变化、现场的多种应用组合,为了达到多功能、复杂的应用需求,舞台照明很久以来使用了系统控制的方式。

 

照明的功能要求、达到功能所使用的拓扑结构及其监测和控制方式、元件、以及通讯接口是照明系统及灯具结构的要件。

 

由于在系统中使用了照度、温度、电压、电流等参数反馈系统,使之具有了自动监测和控制的功能,业界将这种系统称作智能照明系统。

 

1智能照明系统的相关定义

 

IEC/TC 274正在研究照明系统相关术语标准,下面给出的术语和定义来自于IEC 60050、ISO/TC 274,与照明系统相关的术语如下:

 

1)照明lighting:将光照在区域、物体或人上的过程或活动。

 

2)系统system:设计成满足照明应用要求的一组交互式的光源和关联设备。

    要注意的是,照明系统可以致力于:

 

a)在考虑了人的舒适、安全、周围环境的征候和能源消耗等的条件下,规定视觉任务的支持;

 

b)支持人以外的其他任务,诸如植物生长或动物饲养;同时,照明系统可以包括物理元件、通讯协议、用户界面、软件和提供中央控制和监视功能的软件。物理元件可用做提高或降低自然或人工光。还应注意,光源和关联设备可以集成在单体内,例如,LED模块、灯、或一个灯具。


3)自适应照明系统adaptive lighting system:对环境作出反映或依照预设条件、将照明质量维持在规定的要求内的照明系统。要注意的是照明质量的要求包括个体幸福感、安全、公共安全、建筑风格、以及被照明环境的经济性。


4)以人为本的照明系统human centric lighting system:为对人类生理和心理产生正面影响而特殊设计的照明系统。要注意的是这包括视觉和非视觉两者的影响。


5)智慧(智能)照明系统intelligent lighting system :包括灯具、网络、传感器、软件或其它元件间连接件和通讯的自适应照明系统。

 

6)无线照明系统wireless lighting system:不使用电线传输数据的照明系统。

 

7)能源性能energy performance:为满足与照明相关的不同需求,一个照明质量的空间或内部/外部环境中,全部照明特性满足使用者需求和期望,或者其他应用要求,照明系统实际使用或消耗供给能源的加权网络计算值或测量值。要注意的是等级卓越适用于域终端用户的健康以及安全、环境和经济效果。


8)智能灯具intelligent luminaire:配备具有传感、通讯和处理能力元件的灯具。要注意的是元件可以使模块化的和可替换的。


值得关注的是,在系统的定义和说明中提到,系统的任务中包括提高或降低自然或人工光,也就是说,除了人工光以外,自然光也在系统控制的范围内。

 

2智能照明系统及智能灯具的现状

 

根据上述术语和定义,根据所具有的特点,智慧(智能)照明系统是一种自适应照明系统,在系统设计时,可以是以人为本的,也可能还结合了能源经济性的考虑,还可能使用了无线照明系统,当然最后由一个智能照明灯具来实现。

 

2.1 智能照明系统

 

当系统中使用了感应器和反馈系统,控制系统根据处理系统这些信息后通过网络对灯具发出控制指令以达到预设的照明水平来满足照明要求,这是智能照明系统一般工作原理,如根据环境亮度调节光输出达到要求的照明水平,根据环境的色温调节光色达到舒适性要求,根据反馈的灯具故障信息发出维护指令等。常见的智能照明系统的框图见图1:

图1 智能照明系统框图(源自 CSA/TR 001- 2014[1]图1)

 

2.2智能照明灯具

 

    在智能照明系统中,灯具属于执行元件,除了光源、灯的控制装置等灯具基本工作元件以外,智能照明灯具通常还组合了照明控制器和传感器,有时还组合了网关。

图2智能照明灯具框图

 

3智能灯具的标准

 

3.1智能照明系统标准的框图

 

目前,智能照明系统还处于概念和比较初级的应用初级阶段。各种应用场景的需求分析展现了智能照明无限可能性,而且,在不久将来的实际应用中,智能照明是物联网的组成部分。

 

智能灯具是智能照明系统的组成部分,其标准也应该是系统的有机组成部分。在该标准体系中,基础标准中应至少包括术语标准,可能还需要各个场景的一般功能需求标准,组件标准和通讯接口也需要相应的标准。智能照明系统框图见图3。

 

图3 智能照明标准体系框图

 

以人为本,满足人对安全性、舒适性以及人体健康的关切,智能照明灯具应满足产品的安全、性能、电磁兼容的要求,同时还应准确及时的执行智能照明系统发出的指令,并反馈信息。

 

在安全方面,在新制定的GB 7000.1-2015[2]标准中,已对灯具中的控制系统的绝缘等提出了特殊的安全要求。

 

在性能方面,应考虑各种智能灯具对控制指令的响应、响应的准确性、控制系统的功耗等方面的要求,同时还应考虑控制的物理元件满足相应的部件标准的要求。

 

与此同时,智能照明控制系统不应对周围环境产品骚扰,还应具有抗电磁干扰的能力。

 

3.2灯具安全标准的要求

 

待发布的GB 7000.1-2015[2]《灯具 第1部分 一般要求与试验》中提出了与控制相关的安全要求。

 

1)可控灯具的定义:可控灯具(controllable luminaire)是指设有控制端子的灯具,目的是控制装置的信息交换和(或)控制装置功能设定。

 

2)标记:标准的3.3.22规定,对可控灯具,应给出LV电源和控制导体之间所保持的绝缘类别。例如,基本绝缘、加强绝缘。同时要注意的是灯具声称绝缘的维持也可依赖其他连接到相同控制总线的外部元件(产品)。这是控制系统设计者的责任,而不是灯具制造商的责任。


3)结构:标准的4.31提出了电路间的绝缘的要求,除了一般要求以外,还对可控灯具提出了特殊要求。

 

a. 对可控灯具的特殊要求

 

标准规定:对于可控灯具,当要求所有元件保持相同的绝缘水平时,相同的要求也适用于连接到控制端子的电路。当评估要考虑的电路类型时,应考虑控制装置制造商提供的信息(见IEC 61347-1[3]的7.1 k))。

 

要注意的是,目前市场上有下述类型的控制系统:

— FELV控制信号,与LV电源基本绝缘(例如,数字可寻址照明接口与直流1 V–10 V控制器);

— SELV控制信号(例如,DMX);

— 控制信号,未与LV电源绝缘(例如,按钮控制/切相/步进调光)。

 

(i)控制装置上的标记

 

 标准4.31中引用到IEC 61347-1[3]的7.1 k)的规定是:表明接线端子的位置和用途的线路图。如果灯的控制装置上没有接线端子,则线路图上应明确给出用作连接线的符号的意义。只在特殊线路中工作的灯的控制装置应采用相应的标志或线路图加以识别。即应在控制装置上标记控制端子的位置和用途。

 

(ii)关于可控灯具绝缘水平的保持

 

应考虑接入的控制电路的绝缘类别对灯具绝缘类别的影响,灯具的绝缘类别可能因控制电路而发生改变。图4是一个含有控制线的照明系统接线图,图中有3个灯具,防触电类别分别为I类,II列和III类。当接入了FELV的控制信号后,当控制装置与可触及金属部件保持了要求的绝缘时,I类灯具和II类灯具的防触电类别保持不变,但III类灯具中由于含有类非安全特低电压(FELV不满足安全特低电压的要求),因此灯具不再是III类灯具而是II类灯具了。

图4 接入数字控制电路后的灯具绝缘系统

 

b.对电路间绝缘的一般要求

 

灯具含有的变压器或控制装置使用了与LV电源绝缘的电路来提供电路与灯具间的隔离的,应在电路间以及这些电路与外部可触及导电部件之间提供适宜的绝缘。

 

FELV控制线路、SELV控制线路和未与LV电源绝缘的控制线路是目前存在的3种控制电路,与灯具电路的绝缘要求见表1和表2。

 

表1 控制电路与灯具电路的绝缘要求

表2 有源部件与可触及导电部件之间的绝缘要求(改编自GB 7000.1-2015表X.1)

 

3.3灯具性能标准

 

目前的灯具性能标准中,对可调灯具,提出了对声称调节范围的验证要求,但目前涉及的参数仅为调光(光输出)。

 

3.4电磁兼容标准

 

目前灯具产品适用的电磁兼容标准涉及谐波、电磁骚扰和抗干扰,具体如下:

GB/T 17625.1-2012 电磁兼容限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)

GB/T 17743-2007 电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法

GB/T 18595-2014一般照明用设备电磁兼容抗扰度要求

 

4智能灯具特殊要求的基本考虑

 

4.1智能照明系统的标准现状

 

a.GB 30104标准系列

 

等同采用IEC 62386[4]系列标准,我国已经发布了DALI的12个标准,这些标准与国标的对应关系见表3:

 

表3 DALI国家标准的现状

 

GB/T 30104数字可寻址照明接口系列标准对DALI协议作了规定,能很好的保证其通用性和兼容性。

 

第101部分规定了电气要求,如:控制输出端标记、控制接口特性、控制输入端的绝缘系统、额定电压信号限值及逻辑关系、额定电流信号限值、信号上升和下降时间限值等,保证了电气信号的识别,在硬件方面打下了兼容性的基础。

 

GB/T 30104第102部分规定的传输协议结构、变量和指令等,在软件层面统一了基本功能,保证了兼容性。标准中还详细描述了各个指令的测试程序,为DALI控制装置的检测奠定了基础。

 

GB/T 30104其余的20X部分根据设备类型的特殊性能和使用要求,补充了一些指令及其测试程序。

 

b.其它技术文件

 

目前CSA等一些联盟以及一些地方相继发布了一些智能照明系统的技术文件,如:

 

· CSA的文件:

-CSA/TR 001-2014  LED照明控制系统标准化综述

-LED公共照明智能系统接口应用层通信协议

 

· TEAS的文件

 -LED道路照明智能控制系统技术规范

 

·深圳市LED产业标准联盟

 -SQL/LSA 004.1—2011LED路灯智能照明技术规范 第1部分:控制系统

 -SQL/LSA 004.2—2011LED路灯智能照明技术规范 第2部分:电力线载波控制模块

 -SQL/LSA 004.3—2011 LED路灯智能照明技术规范 第3部分:应用层通信协议

 

·上海市路政局

 -道路LED照明应用技术规程

 

与此同时IEC /TC274也在照明系统标准的积极制定过程中。

 

4.2智能照明灯具标准特殊要求的基本考虑

 

1)产品功能及其声称:

 

智能照明灯具在照明系统中的功能是实现系统发出的指令,灯具标准要解决的主要问题就是验证系统声称的一些功能,包括一些可调参数的执行能力,以及响应时间、控制系统的功耗等。

 

以隧道照明灯具为例,智能照明系统功能需求可能包括:

•    人体舒适性相关的色温控制:与洞外色温的协调

•    路面照度或亮度控制:根据时间和车流量

•    系统维护:巡检、失效/异常告警、系统无指令时的默认设置

 

在产品说明书中,可能含有下述声称:

•    1.产品类别

•    2.指令响应时间

•    3.满功率光通量值,初始值,调光范围和/或分级

•    4.色温初始值,色温调节范围和/或分级

 

2)制定智能灯具标准的基本原则:

 

制定智能灯具标准的基本原则是按照灯具在系统中的存在特性和内涵的组件,根据产品声称的功能特性,在验证组件符合相应部件标准的同时,制定由这些组件构成的灯具的控制指令实际执行能力的验证要求,包括:

 

-灯具应满足相应的安全要求、性能要求和电磁兼容要求;

-灯具中含有的组件应满足相应的部件要求;

-灯具执行指令的实际结果应与声称的参数一致。

 

其中“灯具执行指令的实际结果应与声称的参数一致”是智能灯具标准的核心内容,验证的内容与灯具使用的单灯控制器的情况有关,例如,当灯具使用了经过认证的DALI控制装置时,只需要抽样验证,而使用了其他接口的单灯控制器,由于缺少标准和相应的认证,验证的内容可能较多。

 

当灯具中还含有传感器、单灯控制器等元件时,除了响应和执行系统的指令以外,灯具应还具有信息反馈的功能,也应考虑相应的验证要求。

 

5结语

 

目前,国际电工委员会IEC/TC274和IEC/TC34正在进行智能照明的相关基础研究,术语标准已有草案,这对智能照明系统及其灯具特性的研究非常重要,是进行后续研究工作的基础。在此基础上,智能灯具的特性研究是开发产品标准的重要前提,目前,一些隧道灯具和道路灯具等公共照明灯具产品已融入了一些智能化的元素,可以进行产品标准的研究和开发。