地鐵隧道防淹門控制系統(tǒng)的研究

劉 穎，張瑞龍，盧屹東，王開健

(中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，北京 100048)

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》及《軌道交通工程人民防空設(shè)計規(guī)范》要求，對于穿河流或湖泊等水域的地鐵工程，應(yīng)在進(jìn)出水域的隧道兩端適當(dāng)位置設(shè)置防淹門或采取其他防淹措施［1-2］。防淹門系統(tǒng)作為一種防災(zāi)設(shè)備應(yīng)運而生，它能夠在區(qū)間隧道突發(fā)事故時阻止水流進(jìn)入地鐵車站，保證地鐵站內(nèi)的人員和設(shè)備安全。防淹門系統(tǒng)采用自動控制，實現(xiàn)門體開關(guān)的自動化，提高控制效率，確保地鐵車站防淹的安全性。

1 地鐵防淹門控制系統(tǒng)原理

當(dāng)?shù)罔F車站左線或者右線區(qū)間隧道水位報警時;當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道內(nèi)水位上漲過快時，經(jīng)信號系統(tǒng)確認(rèn)可以關(guān)門，防淹門系統(tǒng)根據(jù)要求進(jìn)行關(guān)門控制，以滿足地鐵防淹的要求。

當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生水頭≥3 m的極端緊急情況時，經(jīng)信號系統(tǒng)確認(rèn)可以關(guān)門，防淹門系統(tǒng)需要在90 s內(nèi)自動完成整個門扇的關(guān)閉動作，以滿足地鐵防淹的要求。

當(dāng)區(qū)間水位報警解除，根據(jù)地鐵實際情況，進(jìn)行開門控制，實現(xiàn)地鐵的正常運營。

緊急情況下，可以按急停按鈕，實現(xiàn)開門或者關(guān)門過程中防淹門的緊急停止。

隧道水位報警信息，將上傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng);防淹門系統(tǒng)中的設(shè)備狀態(tài)信息(如門開關(guān)狀態(tài)，鎖定裝置開鎖、閉鎖狀態(tài))，也將實時上傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng)。以能實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)對防淹門系統(tǒng)區(qū)間水位和設(shè)備的實時監(jiān)控。

2 水位報警系統(tǒng)

區(qū)間水位報警，根據(jù)水位危險度情況，進(jìn)行關(guān)門控制。水位報警系統(tǒng)核心設(shè)備為液位傳感器，液位傳感器放置于車站區(qū)間最低點——區(qū)間水泵房，液位傳感器采用冗余設(shè)置，以防止誤報、錯報。水位報警為4個監(jiān)控點，第1點預(yù)報警、第4點危險報警;中間兩個點位為水位信息監(jiān)測，當(dāng)?shù)?報警和第2報警點、或者第2報警和第3報警點水位上漲太快，系統(tǒng)也將發(fā)出危險報警［3，5］。

液位傳感器選型時，考慮了浮球式液位開關(guān)和超聲波液位計。綜合兩種設(shè)備性能，本方案選用浮球式液位開關(guān)作為水位報警信息系統(tǒng)。浮球式液位開關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 浮球液位開關(guān)參數(shù)

浮球液位開關(guān)和超聲波液位器性能比較見表2。

表2 浮球液位開關(guān)與超聲波液位計性能比較

綜合上述比較，優(yōu)先選用浮球液位開關(guān)，經(jīng)濟(jì)實惠、耐用、可靠、便于安裝。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計、實施原則

(1)控制系統(tǒng)在保證可靠性的前提下，追求系統(tǒng)的先進(jìn)性。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和配置采用國內(nèi)外成熟的，應(yīng)用廣泛的典型控制設(shè)備。

(2)基本設(shè)計原則:技術(shù)先進(jìn)、便于擴(kuò)展、運營可靠、管理方便，節(jié)約投資。

(3)地鐵空間狹小，設(shè)備繁多，各種管線縱橫交錯，電力牽引列車，隨機(jī)干擾變幻莫測。設(shè)計和設(shè)備配置根據(jù)地鐵的環(huán)境特點和氣候條件考慮抗電磁干擾、防塵、防潮、防霉、防震等功能，確保系統(tǒng)運行可靠。采用的電氣元件及設(shè)備外殼防護(hù)均滿足工業(yè)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 控制系統(tǒng)方案(圖1)

防淹門控制系統(tǒng)為一套相對獨立的控制裝置，分別設(shè)在車站防淹門控制室內(nèi)，負(fù)責(zé)對本車站左線、右線隧道防淹門及其附屬設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)視、對水位傳感器送來的水位信號進(jìn)行比較和確認(rèn)，并根據(jù)確認(rèn)結(jié)果將相應(yīng)的報警信號送到車控室并上送綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)需要進(jìn)行關(guān)門控制，向信號系統(tǒng)發(fā)出請求關(guān)門信號，在接收到允許關(guān)門信號后，才可以人工下達(dá)關(guān)門控制指令。

防淹門控制裝置分別對所管轄的防淹門進(jìn)行關(guān)門和開門過程控制。

圖1 防淹門控制系統(tǒng)

3.3 防淹門控制系統(tǒng)構(gòu)成

防淹門控制室設(shè)置防淹門控制箱，每處閘門要求設(shè)1個就地控制柜，每個閘門控制柜內(nèi)設(shè)1套獨立的以PLC為核心的控制設(shè)備，以及電機(jī)控制設(shè)備接觸器、斷路器、接近開關(guān)、限位開關(guān)和繼電器等。

控制系統(tǒng)核心設(shè)備PLC單元，包含電源模塊、PLC CPU模塊、DI/DO模塊、通訊模塊。

PLC設(shè)備采用Schneider高性價比中小型可編程控制器 Modicon M340系列產(chǎn)品，產(chǎn)品特點:結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊精巧、安裝空間要求低;功能強(qiáng)勁，具有多種功能的高效組合、存儲及運算能力突出;維修便捷，支持熱插拔;運行穩(wěn)定可靠，安全，技術(shù)成熟，可使用在惡劣環(huán)境中。

DI/DO模塊對防淹門系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)視，包括門體位置的開關(guān)狀態(tài)、鎖定裝置的鎖定和解鎖狀態(tài)等等;對液位傳感器送來的水位信號進(jìn)行比較和確認(rèn)，危險時發(fā)出報警;對防淹門系統(tǒng)進(jìn)行自動關(guān)閉、開啟、停止控制。

同時，利用DI/DO模塊實現(xiàn)防淹門與車站IBP盤及信號系統(tǒng)之間的硬線接口，即當(dāng)需要關(guān)門時，防淹門系統(tǒng)向信號系統(tǒng)發(fā)出請求關(guān)門信號，當(dāng)收到來自信號系統(tǒng)的允許關(guān)門信號后，人工發(fā)出關(guān)門指令。

關(guān)門、開門控制權(quán)限分為現(xiàn)場控制與遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場控制在就地控制柜內(nèi)直接控制、遠(yuǎn)程控制為車站車控室IBP盤控制。現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制權(quán)限切換，是通過現(xiàn)場控制箱內(nèi)的權(quán)限切換開關(guān)實現(xiàn)。為防止車控室IBP盤誤操作，IBP盤防淹門區(qū)域設(shè)置能使鑰匙開關(guān)。如圖2所示。

圖2 IBP盤防淹門

通訊模塊用于防淹門系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊，接口采用冗余設(shè)計，保障系統(tǒng)安全性。通訊采用MODBUS TCP/IP協(xié)議。通過通訊模塊綜合監(jiān)控系統(tǒng)實時采集防淹門系統(tǒng)提供的防淹門系統(tǒng)的主要設(shè)備運行狀態(tài)、液位傳感器送來的水位信息報警顯示。如圖3所示。

圖3 防淹門控制柜內(nèi)布置

4 控制系統(tǒng)功能

4.1 控制流程

(1)關(guān)門控制

當(dāng)控制系統(tǒng)中的液位傳感器檢測到水位預(yù)報警，且水位上漲速度超過設(shè)定值;或者控制系統(tǒng)的液位傳感器檢測到危險水位報警。啟動防護(hù)密閉兼防淹門系統(tǒng)，進(jìn)行關(guān)門控制，包括就地控制和遠(yuǎn)程控制。關(guān)門控制流程如圖4所示。

圖4 關(guān)門控制流程

(2)開門控制

當(dāng)站內(nèi)沒有危險水情，人工確認(rèn)可以開門時，進(jìn)行開門控制。開門控制流程與關(guān)門控制流程相反，此處不再贅述。

4.2 控制軟件

按照防淹門控制系統(tǒng)軟件的類型、功能、形式和運行的硬件環(huán)境，可以分為PLC軟件、人機(jī)界面軟件。

防淹門控制系統(tǒng)軟件功能模塊及接口關(guān)系見圖5。

圖5 防淹門控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

下面將按照圖5劃分的軟件功能模塊描述各模塊的功能和相互關(guān)系。

PLC軟件指運行于下位機(jī)PLC的CPU中的Unity Pro程序。

人機(jī)界面軟件指運行于車站工作站或者車站觸摸屏的上位組態(tài)軟件。

4.2.1 PLC軟件

防淹門控制系統(tǒng)軟件采用Schneider公司的Unity Pro軟件，以實現(xiàn)關(guān)門控制、開門控制、防淹門設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、以及設(shè)備狀態(tài)信息通過通訊協(xié)議上傳綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

該產(chǎn)品是用于Modicon M340的通用IEC 61131—3編程、調(diào)試和運行軟件。Unity Pro提供的一系列完整的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的生產(chǎn)率和更好的軟件協(xié)同能力。Unity Pro編程軟件可以從減少停機(jī)時間、縮減開發(fā)成本、優(yōu)化運行等多方面保證優(yōu)化客戶的軟件投資，降低培訓(xùn)成本，在開發(fā)和兼容性方面性能優(yōu)越［6，11］。

Unity Pro軟件的特性如下:

(1)集成在Unity Pro中的PLC仿真器可以在PC上準(zhǔn)確地再現(xiàn)目標(biāo)程序的行為。該功能脫離第三方設(shè)備，為編程過程中和調(diào)試工作帶來了極大的方便;

(2)Unity Pro充分利用了Windows的圖形和上下文相關(guān)接口的優(yōu)勢，對屏幕空間的優(yōu)化使用、對工具和信息的直接訪問以及可定制的工作環(huán)境最大限度的提高了用戶界面友好性;

(3)在個人計算機(jī)Windows操作系統(tǒng)下運行Unity Pro軟件，不僅可以離線運用梯形圖等編程;還可以在線修改程序中的變量;

(4)程序編譯后通過編程電纜下載至PLC內(nèi)存中后，可以在線監(jiān)視PLC設(shè)備中輸入、輸出、通訊狀態(tài)點的通斷狀態(tài)。

防淹門控制系統(tǒng)原理見圖6，防淹門控制系統(tǒng)關(guān)門控制程序節(jié)選見圖7。

圖6 防淹門控制系統(tǒng)原理

4.2.2 人機(jī)界面

防淹門控制系統(tǒng)軟件采用Schneider公司的Vijeo Citect軟件，可靠度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，工具簡單易用，功能強(qiáng)大，開發(fā)簡單快速。

人機(jī)界面軟件的主要功能是進(jìn)行人機(jī)信息交互，將上位的控制指令下發(fā)到下位PLC中，并將PLC中的設(shè)備狀態(tài)顯示在圖形界面中;對報警信息進(jìn)行報警顯示;對操作人員的帳戶、密碼、權(quán)限進(jìn)行管理;同時也與接受通訊模塊的接口信息，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

防淹門系統(tǒng)人機(jī)界面功能描述如下:

顯示防淹門系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的詳細(xì)設(shè)備狀態(tài)信息(包括就地/遠(yuǎn)程、開到位狀態(tài)、關(guān)到位狀態(tài)、鎖定裝置閉鎖狀態(tài)、鎖定裝置解鎖狀態(tài)、故障狀態(tài)、水位信息);

顯示防淹門系統(tǒng)實際畫面，可以直觀地了解防淹門系統(tǒng)各個設(shè)備之間的關(guān)系;

顯示當(dāng)前操作員的賬戶名稱和系統(tǒng)時間;顯示CPU模塊和通訊模塊的工作狀態(tài);

圖7 防淹門控制系統(tǒng)關(guān)門控制程序節(jié)選

顯示水位報警信息，并發(fā)出聲音報警;

將綜合監(jiān)控所需要的信息上傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

圖8為防淹門系統(tǒng)人機(jī)界面和防淹門控制系統(tǒng)水位報警。

圖8 防淹門系統(tǒng)人機(jī)界面

4.3 控制實現(xiàn)難點

(1)防淹門系統(tǒng)是地鐵的防淹措施，門體要浸泡在水中，故門體中的控制系統(tǒng)設(shè)備——門限位裝置和擠壓梁鎖定限位裝置要采用防水型。在選擇限位開關(guān)時，對多廠家設(shè)備進(jìn)行比較、并通過實際應(yīng)用得知:限位開關(guān)密閉性和接線觸點的防護(hù)等級滿足不了該系統(tǒng)的防護(hù)要求，密閉性好、防護(hù)等級高、出線長度靈活的接近開關(guān)防水性能更好。

(2)在邏輯控制中，防淹門控制系統(tǒng)開門或關(guān)門單個命令，控制設(shè)備多:包括3套電機(jī)拖動系統(tǒng)和多個行程開關(guān);控制程序復(fù)雜:一臺設(shè)備控制到位是另一個設(shè)備開始動作的必要條件，但存在多個設(shè)備狀態(tài)到位，此時通過設(shè)備間互鎖，確定相應(yīng)的設(shè)備動作。

(3)控制要求在緊急情況下90 s內(nèi)關(guān)門，實時性要求高。選用了帶有制動器和離合器的電機(jī)，控制電機(jī)動作實時性高。電機(jī)減速機(jī)的選擇也滿足實時性要求。控制系統(tǒng)其他設(shè)備均采用國內(nèi)外知名品牌實時性好。

5 防淹門控制系統(tǒng)接口功能

5.1 與綜合監(jiān)控系統(tǒng)間的接口功能

防淹門控制系統(tǒng)的PLC設(shè)備通訊模塊通過光纖與綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通訊采用冗余接口，保證數(shù)據(jù)實時可靠上傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通訊協(xié)議采用ModBus TCP/IP協(xié)議。

與綜合監(jiān)控系統(tǒng)IBP盤的通信采用硬線接口，硬線是最優(yōu)先的控制權(quán)限。IBP盤通過硬接線控制防淹門系統(tǒng)關(guān)門控制、開門控制、停門控制以及防淹門系統(tǒng)的設(shè)備運行狀態(tài)［5］。

5.2 與信號系統(tǒng)間的接口功能

防淹門控制系統(tǒng)與信號系統(tǒng)同樣采用硬線接口，防淹門控制系統(tǒng)向信號系統(tǒng)提出請求關(guān)門信號。信號系統(tǒng)回饋給防淹門控制系統(tǒng)同意關(guān)門信號［8，10］。

6 結(jié)語

針對地鐵防淹門系統(tǒng)的特殊性能和功能要求，特別是系統(tǒng)安全性、可靠性要求，研究了該控制系統(tǒng)。控制方案基于Schneider M340硬件和Schneider Unity Pro軟件實現(xiàn)防淹門2套機(jī)械鎖定轉(zhuǎn)置和門體的開關(guān)。并付諸實際工程中，實際表明，防淹門控制系統(tǒng)能夠按照預(yù)定要求準(zhǔn)確、可靠且安全地工作。

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