軌道交通智能低壓控制系統的設計與應用

陳 兵，郭俊杰，張國騫

（天津工業自動化儀表研究所有限公司，天津 300060）

智能低壓系統是軌道交通環境與設備監控系統的重要組成部分，是連接環境與設備監控系統和通風空調設備的橋梁。當前，以可編程控制器為核心的智能低壓系統已全面取代繼電器控制電路。為了滿足軌道交通的運營要求，在車站設置環境控制電控室，實現對通風空調設備的電能供給和設備監控。環境控制電控室主要由智能低壓控制系統和通風空調電控柜組成。智能低壓控制系統位于環境與設備監控系統（簡稱BAS系統）與通風空調設備之間，起到承上啟下的橋梁、紐帶作用。智能低壓控制系統，既作為BAS系統的“執行器”，替BAS系統驅動環境控制設備動作，又作為BAS系統的“采集設備”，將通風空調設備的狀態信息采集后上傳至BAS系統。在狀態信息與控制指令的一上一下之間，涉及通信技術、現場總線技術、計算機控制技術等，而利用西門子的可編程控制器（簡稱PLC）、馬達保護器可以組成系統級的解決方案。

1 系統結構

本系統使用西門子S7_300作為主控PLC，并與上層BAS系統進行數據交換。為保證本系統與BAS系統通信的通用性和快速性，故本系統為BAS系統提供Modbus_TCP數據接口。除此之外，系統采用冗余的數據接口，以確保本系統與BAS系統之間通信穩定、可靠。在主控PLC上通過Profibus_DP總線掛載小型PLC以及馬達保護器，以用于環境控制設備的動作控制及狀態監控；另外，通過主控PLC的遠程IO站對風閥進行監控，并為小型PLC增加485通信模塊，以實現對智能儀表的信息采集。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 System structure diagram

2 對通風空調設備的監控

本系統所監控的通風空調設備包括區間隧道風機、區間射流風機、大系統排風機、大系統送風機、大系統回排風機、組合空調、排煙風機、小系統送風機、人防風機、風閥（兩檔閥、三檔閥）等。

2.1 控制模式設計

根據地鐵車站運營規范要求，通過設置在就地控制箱上的“就地/遠方”和通風空調電控柜上的“手動/自動”轉換選擇開關，對上述所有的通風空調設備設置“就地”“手動”“自動”3種控制模式。其中，“就地”模式優先級最高，“自動”模式優先級最低，“手動”模式居中。

1）“就地”模式下，只能通過就地控制箱上的按鈕啟停設備。主要用于設備檢修和調試。

2）“遠方”模式下，可以通過通風空調電控柜來啟停設備。空調電控柜具有“手動”和“自動”兩種控制模式，具體模式由電控柜上的“手動/自動”轉換選擇開關決定。

3）“手動”模式下，可以通過通風空調電控柜上的按鈕啟停設備。主要用于通風空調電控室，通過電控柜上的按鈕來啟停設備。

4）“自動”模式下，BAS系統可以通過PLC控制系統，遠程自動啟停設備。

2.2 控制功能設計

1）隧道風機用于地鐵軌道內的通風排煙功能。風機功率較大，一般都在90KW以上，采用軟啟動的運行方式。電控柜實現風機的正轉、反轉、風閥聯鎖等功能。隧道風機兼用消防工況下的排煙功能，為了提供其可靠性，在“自動”模式下，增加BAS系統的硬線啟停控制功能。此外，隧道風機依據車站消防規范要求，具備60s內正反轉切換功能。

2）大系統排風機用于車站內的熱量排出功能。一般需要調速功能，采用變頻器的運行方式。電控柜實現風機的工頻運行、變頻運行，風閥聯鎖等功能。大系統排風機兼用消防工況下的排煙功能，依據車站消防規范要求，在消防模式下需采用工頻運行方式。

3）組合空調機組用于車站內的新風和制冷功能。一般需要調速功能，采用變頻器的運行方式。電控柜實現風機的工頻運行、變頻運行，風閥聯鎖等功能。

4）風閥用于車站內風道的開啟和截止功能。一般為二檔閥，在需要調風量的工況下設置成調節閥。車站內風閥本體大多不具備故障信號，電控柜在實現風閥開啟和關閉功能外，需要根據風閥開啟關閉動作時間，自動生產風閥故障信號。在故障工控下，切斷風閥控制電源，避免風閥電機因堵轉過熱燒毀。

5）排煙風機用于車站在消防火災工況下，將發生火災區域的煙霧排除。排煙風機設計成接觸器直接啟動方式，通過熱繼電器實現電機過熱保護。依據車站內消防專用風機設計要求，消防系統應監視風機的啟停、風機故障、控制模式等狀態信息，并以硬接線的方式傳遞狀態信息。排煙風機控制柜在完成風機啟停功能外，還具備與排煙風道內的270℃熔斷閥的聯鎖功能。在火災工況下，排煙風機發生故障后，只產生報警信號，不允許執行故障聯鎖停機功能。

2.3 總線網絡設計

以上的基本監控功能具備后，為實現綜合監控系統對通風空調設備的監控，則必須將通風空調設備的狀態信息上傳至S7_300，并從 S7_300讀取來自BAS系統的控制指令。由于本系統所采用的主控PLC、小型PLC、馬達保護器均為西門子產品，故可利用西門子的自有總線協議（Profibus_DP）進行數據傳遞。由于設備眾多，本系統在S7_300的CPU模塊及DP模塊上共建立兩條Profibus_DP總線，一條用于掛載小型PLC，另一條用于掛載馬達保護器。需要特別注意的是，由DP模塊引出的Profibus_DP總線在與馬達保護器進行通信之前需要進行特殊的軟件編程，所用到的功能塊有“DP_SEND”“DP_RECV”。

3 與BAS系統的數據通信

由于主控PLC與BAS系統通過Modbus_TCP方式通信，而與下層西門子智能元件采用Profibus_DP方式通信，故主控PLC需要完成Profibus_DP和Modbus_TCP協議的轉換，即主控PLC實現網關的功能。在本系統中，主控PLC為BAS系統提供了冗余的通信接口，分別為CPU模塊的RJ45接口以及以太網模塊的RJ45接口。在此物理接口的基礎上，S7_300想要與BAS系統進行正常通信，還需要針對兩個接口進行軟件編程及參數設置。

表1 集成PN口通信功能參數表Table 1 Integrated PN port communication function parameter table

3.1 S7_300通過CPU模塊進行Modbus_TCP通信

在主控PLC控制器通過CPU模塊集成PN口與綜合監控系統進行Modbus_TCP通信之前，首先，需要為主控PLC控制器CPU模塊集成PN口，通過Open IE（開放式以太網通訊）的方式與綜合監控系統控制器之間建立TCP連接以用于Modbus通信。因此，需要調用SIMATIC S7標準 功 能 塊，包 括FB63（TSEND）、FB64（TRCV）、FB65（TCON）、FB66（TDISCON）完成TCP的連接管理和數據通訊，并在數據塊中為連接配置相應的參數，隨后在DB2（MODBUS_PARAM）數據塊中完成相應參數的初始化；然后，用于主控PLC控制器CPU模塊集成PN口與綜合監控系統進行Modbus_TCP通信的服務器主功能塊FB102（MODBUSPN），其參數有些需要在OB100中初始化，有些則需要在OB1中設置。除此之外，Modbus_TCP通信功能碼、數據區起始地址、數據區長度等參數的設置見表1。

3.2 S7_300通過以太網模塊進行ModbusTCP通訊

通過主控PLC控制器通過CPx43-1以太網模塊與綜合監控系統進行Modbus_TCP通信和通過主控PLC控制器CPU模塊集成PN口與綜合監控系統進行Modbus_TCP通信相似，但又有所不同。在與綜合監控系統進行Modbus通信之前都需要建立TCP連接，但前者并非Open IE方式，因此所用到的功能塊也有所不同。前者需要能夠用到的功能塊有FC60（AG LRECV）、FC50（AG LSEND）、FC10（AG CNTRL），分別用于TCP連接的數據接收、數據發送和連接管理。另外，用于主控PLC控制器通過CPx43-1與綜合監控系統進行Modbus_TCP通信的服務器主功能塊FB108（MODBUSCP），類似于FB102（MODBUSPN），同樣需要在OB100中初始化某些特征參數，其他的參數則需要在OB1中設置。除此之外，Modbus_TCP通信功能碼、數據區起始地址、數據區長度等參數的設置見表2。

表2 CPx43-1以太網模塊通信功能參數表Table 2 CPx43-1 Ethernet module communication function parameter table

4 結語

本系統借助西門子智能產品，將BAS系統與通風空調設備有機地結合起來，實現了BAS系統對通風空調設備的監控。目前，本系統已成功應用于天津于家堡交通樞紐工程通風空調電控柜項目、天津地鐵一號線東延工程通風空調電控柜項目，并取得了良好的應用推廣效果，得到了客戶的認可。此外，系統還獲得了天津市科學技術進步獎二等獎。