PLC在地鐵指揮中心樓宇自控系統中的應用

羅 輝（北京城建設計研究總院有限責任公司，北京 100037）

1 項目概況

某地鐵指揮中心是該城市30幾條地鐵線路的集中控制中心。建筑內不僅設有30幾條地鐵線的控制中心，還包括售檢票清分清算中心、售檢票檢驗測試中心、線路乘客信息管理中心、地鐵運營信息中心等功能設施。該指揮中心是城市軌道交通形成運營、指揮、管理、研究一體化，進一步提高軌道交通的整體運營質量，提供更加合理、經濟的運營方案的核心建筑。

樓宇自控系統是運用自動化儀表、計算機過程控制和網絡通信技術，對建筑物的環(huán)境參數和建筑物機電設備運行狀況進行自動化檢測、監(jiān)視、優(yōu)化控制及管理，也就是我們通常說的BAS（Building Automation System）。樓宇自控系統的主要應用目的是優(yōu)化建筑物內建筑設備的運行狀態(tài)，節(jié)省建筑設備能耗，提高設備自動化監(jiān)控和管理水平，為建筑物內提供良好環(huán)境，以及提高運行和管理人員效率、減少運行費用。

雖然地鐵指揮中心的樓宇自控系統從傳統意義上講是建筑智能化的一部分，與工業(yè)自動化控制有著很大的區(qū)別。但是由于地鐵指揮中心本身的功能特殊性，增加了諸如機房環(huán)境監(jiān)控、不間斷電源系統監(jiān)控、能源管理等普通智能建筑所不涉及的監(jiān)控內容，從而使其樓宇自控系統監(jiān)控點數大大超過同等規(guī)模的其他建 筑。而且出于對地鐵運營安全的考慮，地鐵指揮中心的樓宇自控系統不僅僅是為用戶提供一個高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境，更是地鐵運營、生產的安全保障系統。這也就對樓宇自控系統提出了更高的要求。

2 DDC與PLC功能對比

在常規(guī)的樓宇自控系統中使用的控制設備主要是DDC (Direct Digital Control直ler接數字控制器)；而PLC（Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器）通常用于工業(yè)控制領域。以下從6個方面對DDC和PLC的功能特點進行比較：

表1 DDC和PLC功能特點對照表

綜上所述，DDC是由PLC發(fā)展而來的，根據樓宇設備控制特點固化了一些專門應對樓宇設備控制的程序，為用戶提供了簡單實用的控制方案。但在安全性、擴展性、響應速度及開發(fā)能力等多方面，PLC具有不容質疑的優(yōu)勢。該地鐵指揮中心項目受監(jiān)控設備規(guī)模較大、監(jiān)控功能較為復雜且系統安全性要求很高，因此樓宇自控系統采用PLC作為控制設備，完全適應了本項目這些特殊需求。

3 系統構成

本項目樓宇自控系統采用國際上先進的“集散型控制系統”，在首層安防中心內設置樓控中心。并本著“危險分散”的設計原則，系統按樓控中心和設備機房兩級管理模式設置，并按樓控中心、設備機房、現場設備三級模式進行控制。樓控中心級管理主要以監(jiān)控管理為主，實現可控設備的模式控制和時間表控制；設備機房管理是通過工業(yè)以太網將遠程智能I/O（輸入/輸出）模塊直接分散到現場控制設備旁邊，進行操作管理。樓宇自控系統通過網速為100Mbps、分層—分布式的工業(yè)以太網網絡結構，將樓控中心、設備機房、現場設備三級智能設備連接起來，構成網絡化、可視化的三級控制結構。從而形成樓控中心集中管理、設備機房分散控制的大型自動化監(jiān)控管理系統。

本項目樓宇自控系統主要監(jiān)控范圍包括：制冷系統、供熱系統、空調與通風系統、給排水系統、照明系統、EPS電源、智能照明系統、機房環(huán)境監(jiān)控系統（機房精密空調、不間斷電源、機房溫濕度、漏水報警、配電系統）、能源管理系統（水表、電表、熱能計量表）等。其中制冷系統、供熱系統、EPS電源和智能照明系統均自成獨立的控制系統，水表、電表、熱能計量表也采用具有通信接口的智能儀表，通過設備供應商提供的通信接口及通信協議直接接入樓宇自控系統。

3.1 樓控中心

為提高整個系統的安全性，在樓控中心層采用冗余的主PLC設置并配有管理服務器。冗余的主PLC采用雙背板、雙電源、雙機熱備的硬件冗余方式，而不是通過軟件編程實現。當任一主PLC不能工作或被診斷故障時，必須保證所有受控設備及模式能不間斷、無擾動地自動切換運行，同時可以通過監(jiān)控軟件和PLC系統的硬件按鈕進行手動切換。無論采用何種切換方式，均應保證整個系統切換的無擾動，即不影響監(jiān)控對象和監(jiān)控系統設備正常運行、系統功能正常執(zhí)行及數據的正常通訊。冗余主PLC的CPU支持實時的多任務操作系統，主頻不低于266MHz，內存容量不低于2Mbps，并具有擴展能力。

本項目設有功能強大的上級系統集成平臺，而且上級平臺深度集成樓宇自控系統。因此，在冗余的主PLC上預留與上級系統集成平臺冗余的100Mbps以太網通信接口，雙方系統通過互相監(jiān)察對接口的工作狀態(tài)，實現冗余切換。上級平臺與冗余PLC的數據流為雙向傳輸。傳輸方式為定時、實時、應答三種方式。上級平臺負責將運行工況（包括事故工況）、運行/停止指令、工況切換指令傳送至冗余主PLC；冗余主PLC負責采集現場的環(huán)境參數、設備運行狀態(tài)等信息，其結果形成設備運行數據和歸檔數據實時或定時地上傳給上級平臺，由上級平臺對上傳數據進行處理和歸檔，實時監(jiān)測本項目各種機電設備的運行狀態(tài)和環(huán)境狀況，刷新數據庫的相關記錄。當上級平臺有選擇地調用設備數據信息時，采用應答方式。

管理服務器用于系統的日常維護和管理，在脫離上級系統集成平臺時也可通過管理服務器對本系統進行獨立的操作管理。

圖1 樓宇設備監(jiān)控系統示意圖

3.2 網絡結構

本項目的樓宇自控系統的網絡采用分層—分布式的以太網網絡結構，并出于安全的角度考慮，將交換設備接成環(huán)狀，形成環(huán)狀以太網。當出現單點設備故障或連接故障時能實現環(huán)形自愈，確保數據傳輸的可靠性。同時本著“危險分散”的設計原則，做到每個設備機房PLC及遠程I/O模塊均為獨立的智能控制單元，可獨立于樓宇自控系統中樞，就地對控制箱管轄范圍內的機電設備進行獨立監(jiān)控。

3.3 設備機房

在各主要設備機房：如水泵房、空調機房、送排風機房等地，設置非冗余小型PLC。該PLC控制器通過背板式管理型交換機以工業(yè)以太網形式，形成自愈型環(huán)狀以太網，并與樓控中心冗余主PLC連接。同時該PLC還可通過通信模塊與智能I/O模塊及具有通信接口的第三方系統和設備相連，如：制冷系統監(jiān)控設備、熱交換監(jiān)控設備、EPS電源主機、智能照明控制主機、智能水、電、熱表等，實現樓宇自控系統對第三方控制設備的監(jiān)視。

3.4 現場設備

在各受控設備現場設置智能I/O模塊。該模塊具有獨立的CPU、控制程序和存儲設備，以及與設備機房PLC相連的總線接口。它作為設備機房PLC的一個模塊，通過總線與其相連，進行數據交換，并在設備機房PLC的協調管理下獨立地進行設備監(jiān)控工作。智能I/O模塊也能夠實時監(jiān)視連接設備的狀態(tài)，并通過通信鏈路，按照設備機房PLC的要求傳送有關數據，這些數據作為PLC對被控制對象進行控制的依據；同時PLC又通過智能I/O模塊將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。

4 結束語

本項目中PLC以其強大的可靠性、產品的通用性、數據的安全性以及豐富的網絡通訊功能，很好地將工業(yè)級控制設備與民用樓宇自控系統結合在一起。此外，通過具備很高的可靠性、一定的實時性、多任務工業(yè)標準技術的組態(tài)監(jiān)控軟件，使得整個樓宇自控系統具有良好的可移植性、可擴展性和聯網功能，從而使系統更能適應業(yè)主對使用功能的不斷增加、系統規(guī)模的繼續(xù)擴充以及被綜合監(jiān)控平臺深度集成的要求。更好地為地鐵指揮中心提供運營、生產的安全保障和高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境。

[1]曲立東. 城市軌道交通環(huán)境與設備監(jiān)控系統設計與應用[M].電子工業(yè)出版社：2008.

[2]廖常初. PLC基礎及應用 [M]. 機械工業(yè)出版社：2010.

[3]劉麗，王文榮. 軌道交通綜合監(jiān)控系統網絡設計 [J]. 都市快軌交通. 2010，（6）：40-43.

[4]周陶濤，馬正新，劉學信. 一種基于PLC的樓宇智能化系統網絡解決方案 [J].電氣應用. 2008，（15）：51-54.

[5]北京軌道交通指揮中心. 北京軌道交通指揮中心二期工程建筑智能化系統招文件[G]. 2011.