大型鐵路站房建筑設備監控系統研究與展望

李國忠, 沈 丹, 喻 威

(中南建筑設計院股份有限公司,武漢 430071)

0 引言

與發達國家相比,我國高速鐵路的規劃和建設雖然起步較晚,但是發展非常迅速。 目前,中國已經成為世界上高速鐵路發展最快、系統技術最全、集成能力最強、在建規模最大、運營里程最長、運營速度最高、產品性價比最優的國家。 鐵路站房作為高速鐵路發展的重要組成部分,也在大規模建設。

建筑設備監控系統是在綜合運用自動控制、計算機、通信、傳感器等技術的基礎上,實現對站房內的各機電設備進行集中監測、自動控制的智能化管理平臺,建筑設備監控系統是智慧鐵路站房建設的一個重要組成部分,可降低能耗、提高機電設備運維效率、降低生產運營成本。

1 鐵路站房建筑設備監控系統監控對象分析

鐵路站房建筑設備監控系統監控對象主要包括:空調通風、給排水、垂直交通、冷熱源等系統。其中冷熱源系統、能源管理系統、照明系統、變配電系統各自采用獨立監控系統,通過網關接口方式接入建筑設備監控系統中進行監控。 各系統的監控設備:(1)空調系統:新風機組、空調機組、定(變)風量空調機等;(2)通風系統:送風機、排風機等;(3)給排水系統:生活水泵、潛水泵、排污泵等;(4)冷熱源系統:冷凍機組、熱源機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等;(5)垂直交通系統:電梯、扶梯等。

鐵路站房一般為鐵路交通樞紐,空間大、機電設備多、分布距離遠、出行人員多、連續運行時間長,對建筑設備監控系統的可靠性及可擴展性要求極高。

2 基于PLC 的鐵路站房建筑設備監控系統

PLC 控制系統是在傳統順序控制器的基礎上引入了微電子、計算機、自動控制和通信技術而形成的一代新型工業控制裝置,目的是用來取代繼電器、執行邏輯、記時、計數等順序控制功能,建立柔性的遠程控制系統。 具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、擴展性高、抗干擾能力強、響應速度快、編程簡單等特點。

PLC 初期是專門應用在工業自動化方面的,國內幾乎全部的工業生產流水線控制均采用PLC 控制系統。 通過多年的發展,現在的PLC 控制系統在網絡方面可以支持多種協議及分層結構,實現點對點通信。 PLC 上位機軟件本身具有的靈活性和兼容性的特點,使PLC 控制系統在建筑設備監控系統中應用成為可能。 近年來,很多建筑設備監控工程都應用了PLC 控制系統,特別是大型復雜、對可靠性要求較高的建筑設備監控工程,積累了大量控制流程程序,可針對不同項目迅速做出量身定制的功能,展示了PLC 控制系統在建筑設備監控中應用的優勢。

基于PLC 鐵路站房建筑設備監控系統采用 “集散型控制系統”,分為控制中心層、網絡層和現場控制層三層網絡結構。 控制中心層主要以監控管理為主,實現可控設備的時間表控制和模式控制;網絡層采用以太網通信技術,實現控制層PLC主控制主機之間通信;現場控制層由PLC、受控設備、傳感器、閥門等組成,即可實現受控單元的獨立控制,也可與上位機通信,接受上位機的集中控制。 網絡架構圖如圖1 所示。

根據鐵路站房的規模、重要性以及受控設備的重要性,設備部署上可采取冗余服務器、冗余PLC、冗余I/O 模塊等多種冗余策略,保證系統的可靠性。網絡選擇上也可根據可靠性需求,靈活選取工業環形以太網、星型結構網絡等多種網絡形式。 傳輸網絡采用TCP/IP 協議,可根據網絡規模自由擴展,滿足站房受控設備的發展需求。

3 基于DDC 的鐵路站房建筑設備監控系統

圖1 網絡架構圖

現階段鐵路站房廣泛使用的建筑設備監控系統是基于DDC 的控制系統,DDC 是由PLC 發展而來的,它是在PLC 的基礎上根據建筑設備控制特點固化了一些應對建筑設備控制的程序,從而為用戶提供了簡單實用的控制方案。 因此可以說DDC就是PLC 在建筑設備監控中的特殊應用。

基于DDC 的鐵路站房建筑設備監控系統主要由中央管理主機、工作站、網絡交換機、DDC 控制器、前端傳感器及執行機構等組成。 系統采用分布式集散控制方式,根據系統規模可采用三層或二層的網絡結構。 管理層建立在以太網絡上,控制層則采用總線技術,兩個層面均可以自由拓撲。

管理層網絡以以太網為物理鏈路,通過標準TCP/IP 通信協議高速通信,管理網絡層主要由操作站、服務器等組成;控制層網絡可采用以太網網絡也可采用多條開放的標準化現場總線網絡(BACNET 等),將直接數字控制器、擴展模塊等設備連接在一起;現場網絡層主要由傳感器、儀表、閥門等末端設備組成,現場控制層采用現行國際標準的現場總線通信(Modbus、LonWorks 等)。 基于DDC 的鐵路站房建筑設備監控系統網絡結構如圖2所示。

4 鐵路站房PLC 與DDC 控制系統對比分析

由以上系統可以看出,PLC 與DDC 在控制原理與系統結構上有聯系也有區別,他們之間的功能特點對比分析如表1。

由表1 對比可以看出,DDC 控制系統是針對建筑設備監控系統的專業系統,在建筑設備監控領域有著更加廣泛的應用背景和應用經驗,更容易被建筑領域使用者所接受。 PLC 控制系統以其在擴展、安全、兼容、響應速度等方面的優勢,也適合應用在大型特別是超大型鐵路站房的設備監控領域。

圖2 鐵路站房建筑設備監控系統網絡結構

5 鐵路站房建筑設備監控系統發展展望

隨著物聯網、大數據、人工智能以及5G 技術的發展與成熟,也會給鐵路站房建筑設備監控系統的進步和發展注入新的活力。

物聯網在鐵路站房的廣泛應用,將會在鐵路站房內建立一套泛在接入網絡,傳統建筑設備監控系統(PLC 或DDC)的接入系統必將受到物聯網應用的改變,建設設備監控系統的組網形式也將發生質的變化。 而隨著大量數據的接入,人們將不會滿足于現有的建筑設備監控系統控制邏輯,大數據及人工智能在建筑設備控制中必將起到更加重要的作用,目前已經有基于人工智能(AI)的空調控制系統在工程中應用,并取得了較好的控制和節能效果。PLC 控制系統的通用性和開放性將更加有利于大數據和人工智能的植入。

PLC 與DDC 控制系統對比分析 表1

6 結束語

DDC 控制系統在鐵路站房設備監控系統中已經取得了廣泛的應用,并獲得了較強的接受度。PLC 控制系統憑借其多方面的優勢也可應用于鐵路站房設備領域。 隨著物聯網、大數據、人工智能以及5G 技術等信息化技術在建筑設備監控領域的應用,將來的鐵路站房建筑設備監控系統必將更加智能、開放、靈活,也必將為鐵路站房提供更加節能、高效、智能的建筑設備運維管理平臺。