自動控制系統(tǒng)在地鐵環(huán)境控制中的應用

張云飛

(中鐵十三局集團電務工程有限公司,300011,天津∥教授級高級工程師)

自動控制系統(tǒng)在地鐵環(huán)境控制中的應用

張云飛

(中鐵十三局集團電務工程有限公司,300011,天津∥教授級高級工程師)

應用不斷發(fā)展的自動化技術,對地鐵機電設備尤其是環(huán)控設備進行集中控制、管理,為地鐵環(huán)控設備科學、高效運行提供了可能,同時保障了地下環(huán)境的安全、舒適。介紹了車站設備監(jiān)控系統(tǒng)在地鐵環(huán)控中的作用及功能,對上海軌道交通2號線車站設備監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)控設備的自動控制方案及環(huán)控工藝模式的實現進行了具體的闡述,并做了進一步的探討。

自動控制;車站設備監(jiān)控系統(tǒng);地鐵環(huán)控

Author's addressChina Railway 13th Bureau Group Electric Works Co.,Ltd.,300011,Tianjin,China

上海軌道交通2號線西延伸段工程由中山公園站——虹橋樞紐站,全長9.177 km,全部為地下線;共設5座車站(虹橋樞紐站、淞虹路站、北新涇站、威寧路站和古北路站),均為地下車站;另設1座地下主變電站。設備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)對本次工程5個地下車站及區(qū)間內的環(huán)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、自動扶梯、直升電梯等設備的運行進行自動化管理;在正常狀態(tài)下,使各地鐵車站及區(qū)間內的運營安全,各項公共設備可靠、節(jié)能;在災害狀態(tài)、事故狀態(tài)下,確保各系統(tǒng)設備的應急運行。

1 BAS在地鐵環(huán)控中的作用及功能

1.1 主要作用

BAS控制全線車站及區(qū)間的環(huán)控及其它機電設備安全、高效、協(xié)調運行,保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適,產生最佳的節(jié)能效果,并在突發(fā)事件(如火災)時指揮環(huán)控設備轉向特定模式,為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證。

1.2 主要功能

(1)監(jiān)控并協(xié)調全線各車站及運營控制中心(OCC)大樓通風空調設備、冷水系統(tǒng)設備的運行。

(2)監(jiān)控并協(xié)調全線區(qū)間隧道通風系統(tǒng)設備的運行。

(3)對車站機電設備故障進行報警,統(tǒng)計設備累積運行時間。

(4)對全線環(huán)境參數(溫度、濕度)及水系統(tǒng)運行參數進行檢測、分析及報警。

(5)接收地鐵防災報警系統(tǒng)(FAS)火災接收報警信息并觸發(fā)BAS的火災運行模式,控制環(huán)控設備按火災模式運行。

(6)通過與列車自動監(jiān)視(ATS)接口接收區(qū)間堵車信息,控制相關環(huán)控設備執(zhí)行相應命令。

(7)緊急狀況下,可通過車站模擬屏控制環(huán)控設備執(zhí)行相關命令。

(8)監(jiān)視全線各站及隧道區(qū)間給排水、自動扶梯等機電設備的運行狀態(tài)。

(9)管理資料并定期打印報表。

(10)與主時鐘接口,保證BAS時鐘同步。

2 BAS對環(huán)控設備的監(jiān)控原理及內容

2.1 環(huán)控系統(tǒng)組成

大系統(tǒng)——車站公共區(qū)空調系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng);

小系統(tǒng)——車站設備用房空調風系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng);

水系統(tǒng)——車站制冷設備系統(tǒng)、空調水系統(tǒng);

隧道通風系統(tǒng)——區(qū)間隧道正常及緊急情況下通風、排煙系統(tǒng)。

2.2 BAS監(jiān)控點的配置

以古北站為例,納入BAS監(jiān)控的環(huán)控設備總數約100臺(包括風機、風閥和水系統(tǒng)設備等),環(huán)控監(jiān)控點數約430點(包括溫濕度等參數檢測約60點)。車站監(jiān)控點數分布情況如下。

(1)車站大系統(tǒng):BAS對風機及聯動風閥、調節(jié)風閥進行監(jiān)視控制,監(jiān)視風機過載故障報警信號,檢測車站公共區(qū)溫、濕度,控制組合風機柜處回水電動蝶閥角度來調節(jié)送風溫度;共計DO(開關量輸出)44點、DI(開關量輸入)72點,AI(模擬量輸入)30點、AO(模擬量輸出)4點。

(2)車站小系統(tǒng):BAS對風機及聯動閥、調節(jié)閥進行監(jiān)視控制,檢測設備及管理用房溫濕度,控制空調器處回水電動蝶閥角度來調節(jié)送風溫度;共計DO 41點、DI 41點 ,AI 17點、AO 3點。

(3)車站水系統(tǒng):BAS對冷水機組僅發(fā)出起停命令,負責監(jiān)控各設備聯動的狀態(tài)及故障,檢測必要的水系統(tǒng)參數,如冷凍/冷卻水水溫、供/回水壓差等參數,作為水系統(tǒng)控制計算依據;共計DO 14點、DI 49點,AI 8點、AO 1點,同時BAS設有開利冷水機組DATAPORT的高級數據接口,接收3臺冷水機組的運行數據。

(4)隧道通風系統(tǒng):BAS對4臺隧道風機及聯動風閥、2臺推力風機和組合風閥進行監(jiān)視控制,監(jiān)視風機過載故障報警信號,檢測兩端隧道入口溫濕度;共計點數DO 20點、DI 28點,AI 8點。

(5)其它:如電扶梯、給排水設備、緊急照明配電箱等,共計DI 54點、DO 2點,AI 1點。

2.3 對環(huán)控設備監(jiān)控內容配置的幾點注意事項

合理、全面的監(jiān)控點數的編制可以使系統(tǒng)監(jiān)控功能更加完善,軟件編程更加簡單、合理、可靠。根據上海軌道交通2號線的經驗,應注意以下幾點:

(1)BAS僅對隧道風機、大系統(tǒng)空調機和送排風機等重要設備的“就地/遠程”轉換開關進行監(jiān)視,并將部分設備的“就地/遠程”轉換開關信號進行合并。

(2)為節(jié)省監(jiān)控點數,2號線在對電動風閥(包括電動蝶閥)的控制中,采用了一個輸出點的中間繼電器常開、常閉接點來控制風閥(水閥)的正轉和反轉,并僅用一個DI點檢測風閥全開信號。這種單DO、單DI的監(jiān)控方式使BAS不能依據設備的動作情況撤消輸出命令。而輸出信號的長期存在,給設備的正常運行造成了故障隱患,也增加了軟件編程的難度。如當系統(tǒng)模式工況轉換過程中,風閥進行開關轉換,相應風機由于無法獲知風閥是否處于轉換過程中而被迫關停無須動作的風機。因此,對于該類設備的監(jiān)控仍應采用2個DO點分別控制開和關,以及使用2個DI點檢測風閥開到位和關到位信號,以表示全開、全關、中間狀態(tài)。

(3)BAS在車站級設有與FAS的數據接口,FAS將經確認后的火災分區(qū)信號通過數據接口送BAS,BAS在接收到FAS火災報警信號后啟動相應的火災模式。對于地鐵而言,由于車站級火警信息量不是很大,除通過數據接口外還可考慮通過硬線I/O連接的方式完成。使用硬線I/O方式連接替代通信接口的使用,可增加系統(tǒng)的可靠性,降低接口開發(fā)的費用。但硬線I/O連接同時增加了輸入輸出模塊,因此具體的連接方式可根據實際情況進行選擇。

3 BAS的構成及網絡配置

3.1 BAS的網絡結構

上海軌道交通2號線BAS分中央級、車站級、就地級三級對環(huán)控設備及其它機電設備進行監(jiān)控,其系統(tǒng)網絡圖如圖1所示。其中,PCU為過程控制單元,8輸入8輸出,可擴展至32輸入或16入16出;UCI為單元控制器接口,可下帶最多32個單元控制器(UC),采用主從方式進行通信,監(jiān)控點數可多達512點;MPI為模擬屏驅動接口;HLI為高級數據接口。

通常在車控室放置3塊UCI。其中2塊 UCI分別負責監(jiān)控車站兩端的環(huán)控設備,并實現環(huán)控電控房模擬屏控制功能;另外1塊UCI負責站廳/臺和部分設備用房溫濕度檢測,并接收FAS火警信號,以及對車控室模擬屏和其他系統(tǒng)(扶梯,給排水等)設備的監(jiān)控。

冷水機房設置1塊PCU負責對冷水機組進行監(jiān)控;每端空調機房設置1塊PCU檢測風室及設備/管理用房的溫濕度,并負責控制空調機出水二通閥的開度。每端環(huán)控電控室設置2～4塊PCU輔助UCI對本端環(huán)控系統(tǒng)進行監(jiān)控。BAS在車站設有與FAS及冷水機組的數據接口HLI,用來接收第三方設備的數據。

圖1 BAS系統(tǒng)網絡結構圖

3.2 中央級局域網的配置

中央級設置工作站及備份站各1套。工作站和備份站實現以太網級別的熱備。OCC局域網有與信號ATS及通信主時鐘的數據接口及模擬屏一塊。

在系統(tǒng)中,OCC中央級除負責接收通信系統(tǒng)時間同步信號外,在OCC局域網中還連接有與ATS的數據接口HLI以及模擬屏設備;并通過中央工作站(PC機)將數據傳輸到BAS以太網上,同其它車站級BAS進行數據交換。需要指出的是:正常情況下,所有隧道通風模式由連接在中央級局域網上的BAS控制器根據ATS列車阻塞信號或人工指令進行計算確定;并通過以太網下發(fā)環(huán)控模式指令號到相關車站,再由相關車站BAS控制器指揮相關設備正確動作;當該工作站死機或故障時,則模式無法正確下達,只能由相關車站通過就地模擬屏超弛控制,影響了事故情況下的反應速度。由于隧道通風涉及乘客人身安全,對隧道通風模式正確及時執(zhí)行有很高的要求,因此BAS中央級局域網應通過專門網關(交換機)或服務器連接以太網。

3.3 車站模擬屏的設置

作為緊急情況下或BAS工作站故障情況下的緊急后備操作手段,上海軌道交通2號線分別在每站的車控室和兩端環(huán)控電控室設置了地圖式模擬屏。模擬屏的操作主要以執(zhí)行區(qū)間事故及車站火災模式為主。

4 環(huán)控工藝模式的實現

根據季節(jié)、負荷、突發(fā)事故(火災、列車阻塞)等情況,環(huán)控專業(yè)制定了大量的環(huán)控模式,包括大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、水系統(tǒng)和隧道通風等;每站約有環(huán)控工藝模式近百個,控制環(huán)控設備在不同的條件下運行不同的工況模式。

4.1 硬件配置

系統(tǒng)主要采用兩種控制器(即PCU和UCI)完成環(huán)控系統(tǒng)的控制工藝流程。其主要性能為:

(1)過程控制單元PCU多達640個點地址可自由組態(tài),包括軟件內部點(Internal points)和間接點(Indirect points);提供最多可擴展至96 K的用戶程序存儲器,提供布爾邏輯、時間表、節(jié)能算法等擴展功能供軟件編程組態(tài),并且提供多種DDC(分布式控制系統(tǒng))控制算法模塊,如事件(Event sequence)、PID(比例積分微分)、浮點控制(Floating)等。

(2)單元控制器接口UCI總共640個地址空間可自由組態(tài),提供24 K用戶程序存儲器,具有布爾邏輯、時間表、節(jié)能算法等擴展功能供軟件編程組態(tài)。

由于地鐵環(huán)控工藝復雜,模式工況眾多,在系統(tǒng)配置上要充分考慮控制器CPU資源和內存資源的配置,留有充分的裕量。在上海軌道交通 2號線BAS中,由于大部分環(huán)控設備主要由本端的UCI進行控制管理,造成 UCI超負載工作(部分UCI內存占用率高達80%以上,CPU負載最高達95%以上),降低了設備運行的可靠性;同時一些優(yōu)化控制算法也受制于資源分布而難以實現。此外,這種把幾乎全部監(jiān)控功能集中于 UCI的做法將導致一個UCI發(fā)生故障時使BAS對車站一端環(huán)控設備的控制癱瘓,不符合 DCS(集散控制系統(tǒng))風險分散的原則。最好應考慮大、小系統(tǒng)及隧道通風系統(tǒng)各自使用獨立DDC控制器(即UCI)進行控制。

4.2 設備基本保護與自動模式的實現

以車站大系統(tǒng)為例,環(huán)控系統(tǒng)設備如圖2所示。

圖2 古北路站A端大系統(tǒng)設備圖

通常,環(huán)控設備低壓二次回路設計只考慮單體設備的保護聯鎖要求,即風機同其聯動風閥的聯鎖,因此需要BAS從系統(tǒng)出發(fā)考慮設備的保護和優(yōu)化運行。上海軌道交通2號線主要考慮了以下幾個方面:

(1)確保環(huán)控模式風路的暢通;

(2)當設備故障時可及時啟動備用設備;

(3)環(huán)控主/備用設備應平衡運行;

(4)避免設備的頻繁動作;

(5)優(yōu)化開關機順序。

通過實際操作,實現環(huán)控設備程序控制主要從以下幾方面考慮設備基本運行要求:

(1)將模式的主備用轉換變?yōu)閱误w設備的轉換,合并備用模式,從而減少了模式轉換的頻率,提高了模式執(zhí)行的效率。

(2)在設備未運行時,通過主備用設備運行時間的比較,決定下次模式執(zhí)行時開啟哪一臺設備(包括聯動風閥);設備開啟后,該值保持不變,避免運行中的設備轉換。

(3)對設備的故障情況進行實時檢測,若有自身設備故障或相關設備故障,則啟動另一臺備用設備。故障信號為設備過載故障、命令/反饋不一致、超時故障的邏輯或。

(4)對該模式風路上相關風閥及設備進行檢測,待相關風閥全部到位,風路暢通后,才輸出命令啟動現場設備。

(5)在模式啟動過程中盡可能先開空調機,后開送風機;關機則順序相反,以避免啟動中風機有可能出現的過流,保護設備的合理運行。出于保護設備考慮,風機關閉后應盡可能按需要延時一段時間再關閉聯動風閥。

5 環(huán)控工藝模式的判定與執(zhí)行

由于上海軌道交通環(huán)控系統(tǒng)設計為定風量系統(tǒng),因此,BAS控制的重點不在調節(jié),而在環(huán)控工藝模式工況的選擇判斷上。本文以車站大系統(tǒng)和水系統(tǒng)的正常運行模式為例,對地鐵環(huán)控工藝的自動執(zhí)行做進一步說明。

5.1 車站大系統(tǒng)工藝模式自動判斷的實現

大系統(tǒng)正常工藝模式自動判定執(zhí)行的主要依據為:①依據室外溫度判定大系統(tǒng)執(zhí)行空調或非空調季節(jié)模式;②依據車站內外空氣焓值比較判定全新風、小新風模式或通風模式;③依據車站負荷情況判定執(zhí)行負荷大于50%模式或小于50%模式;④依據時間判定夜間或白天模式。圖3為正常運行自動模式判斷執(zhí)行流程。

設:iw為車站室外空氣焓值;ir為車站回風空氣焓值;To為車站空調送風溫度;Tw為室外空氣溫度。

(1)運營時間劃分為夜間、預通風時間、正常運營時間三段。全線BAS控制器通過主時鐘獲得時間同步,確保全線時間表統(tǒng)一。

(2)當Tw＞To時,大系統(tǒng)執(zhí)行空調季節(jié)模式。

(3)空調季節(jié)采用外界焓值與送風設定焓值的比較,確定采用的運行模式:ir＜iw,為最小新風量降溫除濕工況(Ⅰ工況);ir≥iw,Tw＞To,為全新風降溫除濕工況(Ⅱ工況);Tw≤To,為通風工況(Ⅲ工況)。

(4)車站負荷判定采用水系統(tǒng)分水器溫度(冷凍水出水溫度)判定,采用死區(qū)7.5～8.5℃控制,非空調季節(jié)(Tw≤To)則默認執(zhí)行車站負荷＞50%模式工況。

圖3 大空調通風系統(tǒng)自動模式判斷流程圖

5.2 車站水系統(tǒng)工藝模式的實現

BAS負責對車站3臺冷水機組進行群控。當由BAS自動控制冷水系統(tǒng)時,根據以下原則選定水系統(tǒng)正常運行工藝模式:①依據時間表判定白天或夜間模式運行;②依據室外焓值判定水系統(tǒng)是否進入空調季節(jié)運行;③依據車站冷負荷判定開機數量。圖4為車站水系統(tǒng)工況判定流程圖。

(1)空調季節(jié)的判定條件與車站大系統(tǒng)相同。

(2)運營時間劃分為夜間、車站預冷時間、正常運營時間三段。夜間只根據重要設備房溫度開啟活塞機組,運營前車站預冷時間內首先開啟2臺離心機組,30 min后再進行車站冷負荷的判斷。

(3)根據環(huán)控要求,車站負荷判定采用水系統(tǒng)分水器溫度(冷凍水出水溫度)判定,當分水器溫度高過某定值時開啟2臺離心機組,低過該值時則僅開1臺離心機組。該值采用死區(qū)控制,上海軌道交通1號線初定為7～9℃。當2臺冷水機組均開啟且容積率達到98%時,30 min后若未達到設定值,則開啟第3臺冷水機組,執(zhí)行相應的模式。

5.3 風系統(tǒng)與水系統(tǒng)的協(xié)調運作

圖4 水系統(tǒng)工藝模式流程圖

BAS利用設置于公共區(qū)、風機進出風管上的溫度傳感器采集到的數值,經過控制系統(tǒng)運算后,判定大、小系統(tǒng)需要的冷量,再調節(jié)每臺空調機冷凍水出水電動二通閥開度,分配冷水機組總水量(3臺機組出水匯總至分水器),進而控制各空調機送風溫度。同時該二通閥兼做水系統(tǒng)工況轉換水閥,根據空調機開啟情況和水系統(tǒng)運行模式來輸出相應控制開度或者關閉二通閥,保障風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的協(xié)調動作。大系統(tǒng)車站負荷和水系統(tǒng)負荷情況均由冷凍水出水溫度值來判定,水系統(tǒng)設置7～9℃死區(qū)控制。為避免當風系統(tǒng)運行在小于50%工況、水系統(tǒng)運行在大于100%工況(7～7.5℃)時,水系統(tǒng)冷負荷過低造成冷水機組跳機,大系統(tǒng)負荷判定加入冷水系統(tǒng)模式執(zhí)行條件。

為保證風、水系統(tǒng)的協(xié)調運行,水系統(tǒng)與大系統(tǒng)采用統(tǒng)一的空調季節(jié)判定條件;同時,由于大系統(tǒng)、水系統(tǒng)的工況轉換限時計時器不同(大系統(tǒng)為20 min,水系統(tǒng)為90 min),存在沖突的可能性,因此風系統(tǒng)工況轉換時要考慮到水系統(tǒng)的運行工況。如圖5所示。

圖5 大系統(tǒng)負荷判定曲線圖

6 結語

由于地鐵環(huán)控系統(tǒng)的復雜性和特殊性,對車站設備監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求同一般樓宇自動化系統(tǒng)區(qū)別很大,在硬件的配置和軟件功能上有其特殊的要求。在今后的地鐵建設中,應根據實際情況,合理配置系統(tǒng),完善系統(tǒng)功能,最大限度地提高地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)的自動化水平。

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Application and Implementation of Automatic Control System in Metro Environment

ZhangYunfei

The centralized control and management of electrical and mechanical equipment,particularly the subway environmental control equipment adopts the continuous development of automation technology,makes contribution to the scientific and efficient operation of subway,at the same time makes the underground environment safe and comfortable.Based on the station equipment monitoring system of Shanghai metro Line 2,the system of automatic control equipment and specific measures are discussed and studied.

automatic control;monitning control system of station equipment;metro environmental control

U 231+.6

2009-06-08)