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西门子GAMMA instabus KNX系统在北京西门子大楼中的应用
更新时间:2009-3-11  浏览次数:

西门子(中国)有限公司

The application of GAMMA instabus KNX in Siemens Center Beijing

摘要:本文主要介绍了西门子家居与楼宇控制系统GAMMA instabus KNX在北京西门子大楼中的应用,并着重阐述了该系统在北京西门子大楼中的网络结构,DALI数字化照明控制,室内温度以及遮阳控制等几个方面,并对如何提高现代楼宇的运行效率提出了切实可行的解决方案。
关键词:GAMMA instabus KNX, 家居与楼宇控制系统,KNX, HBES, DALI数字化照明, 室内温度控制,遮阳控制

Abstract: This paper introduced the application of HBES control system GAMMA instabus KNX in Siemens Center Beijing, and focus on the system network, DALI lighting control, room temperature control, as well as solar-protection control, and provides a practical solution about how to improve the operating efficiency of modern buildings.
Key words: GAMMA instabus KNX, KNX, HBES, DALI digital lighting control, Room temperature control, Shutter control with sun tracking

一、 项目介绍
  北京西门子总部大楼位于北京市朝阳区望京中环南路,地下2层,地上30层,檐高123米,建筑面积达6.6万多平方米。整个工程属于钢管砼结构与剪力墙混合结构,双层玻璃幕墙。除了设备层与管理层外,其他楼层均为敞开式办公区。
  对于这样大型的办公楼建筑的电气系统,既要考虑到使用和管理的方便,还要尽可能地节省能耗。所以大楼采用的控制系统不但具有先进的技术,可靠的运行,而且还须具备高效的能源管理。西门子楼宇控制系统GAMMA instabus KNX从实际应用的角度,给出了完整的解决方案,既满足了对所有照明、遮阳设备和部分室内温度智能控制的要求,而且在敞开式办公区域中无需手动控制面板,一切运行都由系统自动完成;室内恒照度控制和遮阳系统的阳光追踪功能,大大提高了大楼的能效;如果必要,大楼管理人员还可以在中控室对整个大楼实时监控。
  在该项目中许多KNX的最新技术都得到应用:
   KNXnet/IP 网络通讯技术
   KNX/DALI数字化照明技术
   室内恒照度控制
   遮阳系统的阳光追踪控制
   室内温度控制
  这些先进的KNX技术,让整个大楼的室内环境舒适、节能、安全而且高效。

二、 系统概览
  西门子智能楼宇控制系统GAMMA instabus KNX是一套基于KNX技术的分布式系统, 主要应用于住宅与楼宇控制领域。KNX技术规范,起源于上世纪90年代的欧洲,现已经成为行业内通用的规范。该技术先后成为EN50090欧洲标准和ISO/IEC14543-3国际标准,并在2007年9月正式成为中国标准化指导性技术文件 GB/Z 20965-2007, 为其在中国的标准化进程和市场推广建立了坚实的技术基础。在GB/Z 20965-2007标准化技术文件中,KNX技术被定义为 HBES控制网络,即住宅与楼宇控制网络。
  西门子智能楼宇控制系统GAMMA instabus KNX最大的优点在于其控制的灵活、功能的强大及系统的可塑性。选择不同的模块化设备,通过积木式的不同组合就可以实现各种功能控制,同时挂在总线上的设备运行相互独立,系统的改造和扩展就变得非常容易了。
  西门子智能楼宇控制系统GAMMA instabus KNX主要功能为照明控制、遮阳控制、室内环境(通风、采暖等)控制、安全防范以及能源管理等,可对控制范围内的照明、遮阳和HVAC等设备分区域或集中管理,本地单独控制,遥控控制,延时控制,定时控制,感应控制以及通过IP路由器和Web Visual 的可视化远程管理,以达到方便、舒适、节能的室内环境。

三、 系统在西门子总部大楼的应用
1. KNXnet/IP网络通讯技术
  KNXnet/IP技术是这两年KNX技术发展中最突出的亮点。随着数字化通讯的飞速发展,现代办公楼几乎都采用了局域网作为大楼数字传输的主要通道。因此,KNX在原先总线通信技术的基础上,提出了KNXnet/IP的协议,旨在将总线系统接入高速局域网,底层采用高安全、高可靠性的总线通信,系统组网则通过高速以太网络。该技术的使用,既保留了总线层协议的优势,又通过高速以太网络将KNX拓扑中线路(line)或区域(Area)的数据传输速率提高至10Base,从而在确保数据传输准确率的前提下,突破了原先总线传输在传输速率和数据量方面的瓶颈。
  KNXnet/IP技术在西门子总部大楼得到很好的发挥。在该项目中,西门子采用基于KNX技术的GAMMA instabus KNX,并由IP路由器组网。这样每个楼层的总线通过IP路由器接入TCP/IP网络,通过高速IP网络将不同楼层连接在一起,而数据传输的速度由原来的9600bit/s提高到10Base (10Mbit/s),满足中控PC对每个设备信息的快速采集。安装有可视化软件的PC,又可通过任何一个IP端口访问大楼中任何一个设备的状态或者发送控制命令;同样的,不同楼层间的设备由IP路由器通过KNXnet/IP协议将KNX信号打包转换为IP数据报文,发送到IP网络,IP报文又通过IP路由器解析为KNX信号,在GAMMA instabus KNX网络中传递。
  由于采用了IP组网方式,GAMMA instabus KNX系统与其他BMS系统之间可通过OPC方式实现通讯,各系统中控设备只需通过IP端口接入以太网。

图1 西门子GAMMA instabus KNX 系统结构示意图

  考虑到北京西门子总部大楼系统较大,该项目中采用IP路由器N146与总线耦合器N140组合组网方式,即区域内本线路由总线耦合器N140连接,基本上每五层为一个系统区域;区域与区域之间采用IP路由器N146组网。

2  SBC大楼GAMMA instabus KNX 系统拓扑结构图 (部分楼层)

 2.DALI数字化照明
  西门子大楼GAMMA instabus KNX的另一大技术亮点是在敞开式办公区域内的荧光灯采用目前最先进的DALI数字调光控制。
  DALI可寻址灯光接口(Digital Addressable Lighting Interface)是一个数据传输协议,它定义了电子镇流器与设备控制器之间的通信方式,每个镇流器都是数字寻址通讯。DALI镇流器之间通过DALI总线(两根数据线)相互连接;每条DALI总线最多可接64个DALI镇流器。
  西门子GAMMA instabus KNX 系统通过KNX/DALI接口与DALI总线连接,每个KNX/DALI接口接一条DALI总线,即可接64个镇流器。KNX/DALI接口自动给DALI镇流器编码,每一个镇流器有一个地址码。根据这个地址码,GAMMA instabus KNX可以直接访问每个镇流器。
  西门子大楼采用欧司朗DALI调光镇流器,控制办公区域的荧光灯和节能灯,每个DALI镇流器可接两根灯管。

3  N141 KNX/DALI接口


4  N141 设备接线图

  DALI数字化照明与传统照明技术相比具有很多的优势:
    每个光源作为一个独立的通讯对象,可以分别访问和控制;
    每个光源的运行状态可实时反馈到系统;
    光源和镇流器故障信息可实时传送至总线,并发送到中央控制室;
    荧光灯调光实现由1%~100%的亮度调节;
    灯组重新分组无需再排管布线,只要通过软件编组;
    DALI的非直接关断,避免了因频繁开关而引起光源损坏;
    DALI亮度的数字化调光又为恒照度控制创造了优越条件。

5  N141平面连线图

3.室内恒照度控制
  恒照度控制在西门子大楼的高效节能控制的主要部分。通过亮度感应和恒照度控制器,可以设置以用户为导向的室内照度值,并依照室内照度的强弱,自动调节室内灯光的亮度。这样在充分利用户外自然光的同时,最低限度地降低照明能耗。在该项目中采用的是集亮度感应、恒照度控制和人体存在感应为一体的吸顶式感应器UP258/21。
  UP258/21感应器在办公室节能中发挥了很重要的作用。它根据人体微小移动判断是否有人,并与恒照度功能形成合理的逻辑关系:有人且室内亮度值低于设定值时,灯调亮到合适的亮度;有人而室内亮度值高于设定值,灯自动调暗或者关闭;无人时,无论室内亮度值低于或高于设定值,灯调暗到某个特定值(如10%)或者关闭。
  如果无人的时间占居工作时间的30%,而无人时的亮度值为10%时,保守的能源节省就可以统计为:30% * (1-10%) = 27% 。而且通常在以销售为主体的公司中,无人的时间远远超过30%。由此,我们可以看到GAMMA instabus KNX出色的节能效果。

6  恒照度控制与人体感应控制

4.遮阳控制
  西门子大楼平面图酷似一张直角的扇面,扇面呈东西方向展开,且大楼前无高大建筑物遮挡,因此大楼受日照时间长,需要具备良好的遮阳措施。
  大楼的遮阳根据方向分组,分别为:东区、东南区、东北区和北区,由户外安装的气象中心自动控制。气象中心将大楼所处的外部环境指标(温度、照度等)每隔10分钟循环发送到系统;同时,气象站还会自动比较测量值与其预先设置好的阀值,分析判断是否移动遮阳卷帘,移动多少等,并发送相应的控制命令到窗帘驱动设备,最终实现遮阳卷帘的移动。比如,现在正值中午,阳光照度远远超出预设值,气象中心就会向对应的窗帘驱动器发送关闭的命令。
  遮阳控制不但防止阳光炫目,而且阻隔了室外温度对室内环境的辐射效应。大楼选用半透明的玻璃丝遮阳卷帘,为了降低室内空调控制的负荷,遮阳帘在阳光很好的工作时间段,以关闭为主,遮阳既可以遮挡阳光炫目,还可以防止户外阳光热辐射对室内温度的影响。

7  窗帘控制逻辑图

5.室内温度控制
  在大楼VIP层的独立办公室内,采用了GAMMA instabus KNX系统的风机盘管控制设备来实现灵活的室内温度控制。
  风机盘光控制器可以根据季节选择制冷还是制热模式,并且根据室内温度自动调节高、中、低三档风速。同时,用户还可以根据自己的喜好,通过触摸屏手动选择相应的风速,而且室内的当前温度、预设温度都可以显示在显示屏上。
  采用GAMMA instabus KNX系统的风机盘管控制室内的温度,非常灵活、方便和节能。该模块为标准的轨道安装模块,安装方便、灵活,即可集中放置,也可分散本地安装。
  主要设备:风机盘管控制器 REG540 和 触摸屏 UP588
  可实现功能:制冷/制热模式,手动/自动模式,舒适/无人/夜间等模式,高/中/低三档风速,温度设置等。

8  风机盘管控制设备

四、 市场前景
  西门子GAMMA instabus KNX在国内外诸多标志性建筑中都有非常出色的表现,如:英国希思罗机场,北京首都机场,上海烟草集团办公楼等。特别是该系统在建筑电气节能方面的杰出表现,在业内引起很大的反响,根据实际应用中的数据统计,在楼宇建筑中使用西门子GAMMA instabus KNX系统,可以实现电气能源节省达50%。随着核心技术 KNX/EIB标准化进程的推进,西门子GAMMA instbus KNX/EIB系统必将在中国高能效建筑中得到普遍的关注和广泛的应用。

参考文献:
[1] 家居与楼宇控制网络手册
[2] 西门子GAMMA instabus KNX 产品手册
[3] EN50090 Home and Building Electronic System (HBES), 2005
[4] GB/Z 20965-2007, HBES控制网络技术规范
[5] 西门子北京总部大楼设计方案