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施耐德KNX/EIB智能控制系统在国家体育场中的应用
更新时间:2009-2-1  浏览次数:

施耐德电气(中国)投资有限公司 林琛 李敏

Application of KNX Intelligent Control System in National Stadium
By Lin Cheng and Li min

摘要:本文通过KNX系统在国家体育场中工程中的实际应用,介绍KNX总线系统在大型建筑中的解决方案。
Abstract: This article focuses on how to implement KNX system solutions in large-scale project by means of practical application for KNX system in National Stadium.
关键词:国家体育场、欧洲安装总线、 照明控制、场景
Keyword: National Stadium、KNX、lighting control、Scene


1. 中国国家体育场项目介绍
  2008北京奥运会开幕式、闭幕式的主场地国家体育场(鸟巢)坐落于北四环外奥林匹克公园的缓坡上。鸟巢的建筑面积达到25.8万平方米,拥有91000个座席(其中11000个临时座席)。赛时的田径、足球项目都将在此举行。奥运会结束后鸟巢将用于国际国内体育比赛和文化、娱乐活动。


1-1 鸟巢鸟瞰图

2. KNX系统在中国国家体育场中的应用
• 系统简介

  在此项目中采用了KNX现场总线技术,它是由多家厂商开发的基于一个电气安装标准的通讯系统。KNX完全基于ISO/OSI开放系统互连参考模型,并使用其中的五层协议,在每个参考模型层上实现了不同的功能。KNX各总线设备之间通过报文交换它们的信息,报文是由一连串的符号组成。
  在KNX上传输的速率最大值为9.6 Kb/s,相当于每秒40-50份报文。
  KNX 产品均符合KONNEX 协会的总线标准 KNX -- 一种将KNX 系统、Batibus 系统和 EHS 系统的优点融为一体的总线标准。 因此可以为您开拓出大量的相关应用领域和更广阔的使用范围。


2-1 KNX EIB功能组合

• 控制要求
  国家体育场作为2008北京奥运会的标志性建筑,有其灯光控制的独特需求。室内照明、景观照明、立面照明均采用KNX智能照明控制系统。
室内的贵宾厅及贵宾接待处、新闻发布处等进行调光控制,走廊、洗手间进行时间控制、红外感应的自动控制。
  室外立面照明、景观照明进行调光控制、时间控制、光线感应控制。
  系统还可通过中央控制及监控、时间控制、远程控制、移动感应控制、光线感应控制及定时控制等功能实现照明系统的智能管理。
  应急照明配电系统由双值输入模块接入消防信号,应急照明驱动器强启应急照明回路。
  分区域值班室统一设置智能控制面板,分组控制。公共区域基本不设面板,由中控系统统一控制。
  鉴于国家体育场占地面积大以及它的重要性,因此采用2个集中控制中心进行集中化灯光照明控制。照明控制系统控制主机设在零层西北角和四层西侧偏南处分别设立两个监控中心。


2-2 鸟巢夜景效果图

 • 控制总线
  作为智能建筑的现场总线允许比较低的传输速率,但是信息传输的可靠性要求比较高。它传输的信息是各种设备的控制信息,如果发生错误不仅可能导致设备的非正常工作,甚至导致设备永久性损坏。所有KNX控制设备均使用YCYM 2*2*0.8的专用信息传输媒质。
  KNX采用双绞线进行信号传输,总线线缆是对称的结构,而且线缆的安装不存在对地电位,所以在两根芯线之间不会由于电位差而引起对地电位的故障。传输技术在传输速度、脉冲产生和脉冲接收方面的设计使得总线电线不需要终端阻抗就可以任意拓扑。而且EIB总线使用屏蔽线缆,能很好的隔离强电信号,大大增加了EIB信号传输的稳定性。这种设计保证了KNX总线传输的可靠性。


2-3 KNX EIB总线示意图

• 系统结构
  整个体育场分为室内照明、景观照明、立面照明、场地照明四大部分照明,又分为地下一层及夹层、零层、一层、二层、三层、四层、五六七层等几个区域控制。在零层与四层设置中央控制管理室。
  景观照明、立面照明由以下几种主要模式:彩色电视转播足球比赛、正式比赛、一般比赛、日常维护、一般节假日、重大节日、以应急安全照明等,调试完毕时照明模式多达20种以上。
  目前共有800个KNX元件。其中250余个红外感应器吸顶安装在卫生间的入口处;300多个智能面板本地安装;驱动器模块分布安装在近300个配电箱中,控制着室内照明、景观照明、立面照明总共约4000条照明回路。
  由于本系统庞大,因此我们根据控制的区域不同,在程序编写时系统分为如下域:室内、室外(景观与立面)、场地。再将室内照明根据环形的核心筒(竖井)安装位置,分为12条纵向干线,每条干线连接此轴线从地下一层到6层的支线。每条干线又分别带多条支线用于连接模块。室外照明的回路数量较少,所以可以直接将模块连接于干线上。
  对于一些特殊的区域(如VIP区域、新闻大厅等),我们单独敷设一条总线以提高安全性。


2-4 系统示意图

 方块代表每层配电箱
 方块之间的横向线代表每层的支线
 纵向线缆代表核心筒干线
 浅色圈代表0层环形桥架主线


• 系统控制方式
  KNX作为一种总线控制方式,所有的控制信号在总线上都是以广播的形式进行传播的。也就是说在任何时候,所有的总线设备总是同时接收到总线上的信息,只要总线上不再传输信息时,总线设备即可独立决定将报文发送到总线上。EIB的传输是按事件控制的,也就是说,当事件真正发生时和需要传输信息时才将报文发送到总线上。
  EIB系统采用单元地址化结构设计,根据系统的等级结构和应用控制器的功能赋予每个功能部件以相应的“物理地址”,控制命令通过“组地址”将传感元件与执行设备联系起来经过总线传递到相应的地址,达到控制目的。
  对于体育场的系统控制,平时都是通过中央控制室的中控电脑来执行的。当需要控制灯光场景时,通过电脑发出控制指令(控制指令中保含了对应的控制组以及指令信息),该控制指令通过各级总线连接耦合器逐层传递到总线的每一个角落。具有与控制指令相同控制组功能的执行设备在接受到控制信号后开始按程序进行动作,并同时发出一个受控的反馈信号。反馈信号又会逐层通过各级总线连接耦合器,最后被中控室的中控电脑接收,显示在系统管理软件上。至此整个控制结束。
  各区域的灯光照明场景也可以直接通过安装于本区域配电箱的控制面板来进行控制,操作更为灵活;当有重要比赛时,可以通过中央控制室的中控电脑将本地面板锁定(面板将不能再进行任何控制操作),防止有工作人员对本地照明的误操作,使整个系统的控制更为便捷与安全。

• 系统管理软件
  KNX中央控制软件为KONNEX协会认证的Winswitch软件。它可以安装在windows 2000或XP系统的PC电脑上,对整个控制区域的照明系统以及应急照明系统进行集中监视及控制。此软件采用标准的图形界面进行操作控制并可插入bmp图形(国家体育场平面图、效果图等),使控制更加简易直观。
  Winswitch软件在此项目中实现的主要功能:
  1) 对KNX智能控制系统中的设备进行定时控制、逻辑控制、场景控制。
  2) 实施显示各种信息,如某设备开关或某处有报警。
  3) 可查询历史记录、对设备的开关进行计次或计时统计。
  4) 通过开关按钮图形控制现场照明回路。
  5) 编辑不同区域、不同监控场所的图形,并可相互切换显示。
  6) 提供五种不同级别的用户密码,分别可控制系统中的不同设备,以提高系统的安全性。
  7) KNX系统与BMS系统集成时,我们使用OPC软件。


2-5 系统可视化管理界面

• 数据传输与兼容性
  KNX系统为总线制分布式控制系统,系统的各个功能模块之间可以通过总线直接通信,某个模块或支线的故障不会影响整个网络的运行。可以实现系统的自动控制和现场的手动控制,互相切换时不需要增加控制设备。而且KNX系统是开放性的标准,可以通过KONNEX提供的OPC server,BMS系统通过OPC Client连接。当然,需要从KNX系统的编程调试软件ETS导出地址表。
  利用KNX的控制优势与其便捷、灵活的拓扑结构,集中化控制主机可以连接到系统任意一条支线或者干线上。当一台控制主机发生无法控制的情况时,可以使用另一台控制主机进行灯光控制,从而不影响正常的灯光照明控制。
  考虑KNX系统拓扑结构的自由性以及特殊性,将系统故障率降至最低。无论哪一个控制元器件发生了故障或者损坏都不会影响其他设备的正常运行。

3. 结束语
  北京奥林匹克运动会主体育场国家体育场又称“鸟巢”,寓意着人类的摇篮。为了更好地在世人面前展现这座宏伟的建筑,KNX系统以灵活性、舒适性、安全性、经济性的特点赢了了使用单位的信赖。KNX智能控制系统大量的节约人力资源和减少能耗,体现了“节能增效”的解决方案信条。

作者简介:
  林琛,2002年毕业于同济大学物理系智能建筑专业,同年获得后赴德国进修。现在施耐德电气(中国)投资有限公司智能终端部负责KNX和C-BUS产品线的技术支持工作。
  李敏,2004年毕业于同济大学物理系智能建筑专业。现在施耐德电气(中国)投资有限公司智能终端部 主管技术支持。