自动控制系统在地铁环境控制中的应用

张云飞

(中铁十三局集团电务工程有限公司,300011,天津∥教授级高级工程师)

自动控制系统在地铁环境控制中的应用

张云飞

(中铁十三局集团电务工程有限公司,300011,天津∥教授级高级工程师)

应用不断发展的自动化技术,对地铁机电设备尤其是环控设备进行集中控制、管理,为地铁环控设备科学、高效运行提供了可能,同时保障了地下环境的安全、舒适。介绍了车站设备监控系统在地铁环控中的作用及功能,对上海轨道交通2号线车站设备监控系统环控设备的自动控制方案及环控工艺模式的实现进行了具体的阐述,并做了进一步的探讨。

自动控制;车站设备监控系统;地铁环控

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

上海轨道交通2号线西延伸段工程由中山公园站——虹桥枢纽站,全长9.177 km,全部为地下线;共设5座车站(虹桥枢纽站、淞虹路站、北新泾站、威宁路站和古北路站),均为地下车站;另设1座地下主变电站。设备监控系统(BAS)对本次工程5个地下车站及区间内的环控系统、给排水系统、照明系统、自动扶梯、直升电梯等设备的运行进行自动化管理;在正常状态下,使各地铁车站及区间内的运营安全,各项公共设备可靠、节能;在灾害状态、事故状态下,确保各系统设备的应急运行。

1 BAS在地铁环控中的作用及功能

1.1 主要作用

BAS控制全线车站及区间的环控及其它机电设备安全、高效、协调运行,保证地铁车站及区间环境的良好舒适,产生最佳的节能效果,并在突发事件(如火灾)时指挥环控设备转向特定模式,为地铁乘车环境提供安全保证。

1.2 主要功能

(1)监控并协调全线各车站及运营控制中心(OCC)大楼通风空调设备、冷水系统设备的运行。

(2)监控并协调全线区间隧道通风系统设备的运行。

(3)对车站机电设备故障进行报警,统计设备累积运行时间。

(4)对全线环境参数(温度、湿度)及水系统运行参数进行检测、分析及报警。

(5)接收地铁防灾报警系统(FAS)火灾接收报警信息并触发BAS的火灾运行模式,控制环控设备按火灾模式运行。

(6)通过与列车自动监视(ATS)接口接收区间堵车信息,控制相关环控设备执行相应命令。

(7)紧急状况下,可通过车站模拟屏控制环控设备执行相关命令。

(8)监视全线各站及隧道区间给排水、自动扶梯等机电设备的运行状态。

(9)管理资料并定期打印报表。

(10)与主时钟接口,保证BAS时钟同步。

2 BAS对环控设备的监控原理及内容

2.1 环控系统组成

大系统——车站公共区空调系统、防排烟系统;

小系统——车站设备用房空调风系统、通风系统、防排烟系统;

水系统——车站制冷设备系统、空调水系统;

隧道通风系统——区间隧道正常及紧急情况下通风、排烟系统。

2.2 BAS监控点的配置

以古北站为例,纳入BAS监控的环控设备总数约100台(包括风机、风阀和水系统设备等),环控监控点数约430点(包括温湿度等参数检测约60点)。车站监控点数分布情况如下。

(1)车站大系统:BAS对风机及联动风阀、调节风阀进行监视控制,监视风机过载故障报警信号,检测车站公共区温、湿度,控制组合风机柜处回水电动蝶阀角度来调节送风温度;共计DO(开关量输出)44点、DI(开关量输入)72点,AI(模拟量输入)30点、AO(模拟量输出)4点。

(2)车站小系统:BAS对风机及联动阀、调节阀进行监视控制,检测设备及管理用房温湿度,控制空调器处回水电动蝶阀角度来调节送风温度;共计DO 41点、DI 41点 ,AI 17点、AO 3点。

(3)车站水系统:BAS对冷水机组仅发出起停命令,负责监控各设备联动的状态及故障,检测必要的水系统参数,如冷冻/冷却水水温、供/回水压差等参数,作为水系统控制计算依据;共计DO 14点、DI 49点,AI 8点、AO 1点,同时BAS设有开利冷水机组DATAPORT的高级数据接口,接收3台冷水机组的运行数据。

(4)隧道通风系统:BAS对4台隧道风机及联动风阀、2台推力风机和组合风阀进行监视控制,监视风机过载故障报警信号,检测两端隧道入口温湿度;共计点数DO 20点、DI 28点,AI 8点。

(5)其它:如电扶梯、给排水设备、紧急照明配电箱等,共计DI 54点、DO 2点,AI 1点。

2.3 对环控设备监控内容配置的几点注意事项

合理、全面的监控点数的编制可以使系统监控功能更加完善,软件编程更加简单、合理、可靠。根据上海轨道交通2号线的经验,应注意以下几点:

(1)BAS仅对隧道风机、大系统空调机和送排风机等重要设备的“就地/远程”转换开关进行监视,并将部分设备的“就地/远程”转换开关信号进行合并。

(2)为节省监控点数,2号线在对电动风阀(包括电动蝶阀)的控制中,采用了一个输出点的中间继电器常开、常闭接点来控制风阀(水阀)的正转和反转,并仅用一个DI点检测风阀全开信号。这种单DO、单DI的监控方式使BAS不能依据设备的动作情况撤消输出命令。而输出信号的长期存在,给设备的正常运行造成了故障隐患,也增加了软件编程的难度。如当系统模式工况转换过程中,风阀进行开关转换,相应风机由于无法获知风阀是否处于转换过程中而被迫关停无须动作的风机。因此,对于该类设备的监控仍应采用2个DO点分别控制开和关,以及使用2个DI点检测风阀开到位和关到位信号,以表示全开、全关、中间状态。

(3)BAS在车站级设有与FAS的数据接口,FAS将经确认后的火灾分区信号通过数据接口送BAS,BAS在接收到FAS火灾报警信号后启动相应的火灾模式。对于地铁而言,由于车站级火警信息量不是很大,除通过数据接口外还可考虑通过硬线I/O连接的方式完成。使用硬线I/O方式连接替代通信接口的使用,可增加系统的可靠性,降低接口开发的费用。但硬线I/O连接同时增加了输入输出模块,因此具体的连接方式可根据实际情况进行选择。

3 BAS的构成及网络配置

3.1 BAS的网络结构

上海轨道交通2号线BAS分中央级、车站级、就地级三级对环控设备及其它机电设备进行监控,其系统网络图如图1所示。其中,PCU为过程控制单元,8输入8输出,可扩展至32输入或16入16出;UCI为单元控制器接口,可下带最多32个单元控制器(UC),采用主从方式进行通信,监控点数可多达512点;MPI为模拟屏驱动接口;HLI为高级数据接口。

通常在车控室放置3块UCI。其中2块 UCI分别负责监控车站两端的环控设备,并实现环控电控房模拟屏控制功能;另外1块UCI负责站厅/台和部分设备用房温湿度检测,并接收FAS火警信号,以及对车控室模拟屏和其他系统(扶梯,给排水等)设备的监控。

冷水机房设置1块PCU负责对冷水机组进行监控;每端空调机房设置1块PCU检测风室及设备/管理用房的温湿度,并负责控制空调机出水二通阀的开度。每端环控电控室设置2～4块PCU辅助UCI对本端环控系统进行监控。BAS在车站设有与FAS及冷水机组的数据接口HLI,用来接收第三方设备的数据。

图1 BAS系统网络结构图

3.2 中央级局域网的配置

中央级设置工作站及备份站各1套。工作站和备份站实现以太网级别的热备。OCC局域网有与信号ATS及通信主时钟的数据接口及模拟屏一块。

在系统中,OCC中央级除负责接收通信系统时间同步信号外,在OCC局域网中还连接有与ATS的数据接口HLI以及模拟屏设备;并通过中央工作站(PC机)将数据传输到BAS以太网上,同其它车站级BAS进行数据交换。需要指出的是:正常情况下,所有隧道通风模式由连接在中央级局域网上的BAS控制器根据ATS列车阻塞信号或人工指令进行计算确定;并通过以太网下发环控模式指令号到相关车站,再由相关车站BAS控制器指挥相关设备正确动作;当该工作站死机或故障时,则模式无法正确下达,只能由相关车站通过就地模拟屏超弛控制,影响了事故情况下的反应速度。由于隧道通风涉及乘客人身安全,对隧道通风模式正确及时执行有很高的要求,因此BAS中央级局域网应通过专门网关(交换机)或服务器连接以太网。

3.3 车站模拟屏的设置

作为紧急情况下或BAS工作站故障情况下的紧急后备操作手段,上海轨道交通2号线分别在每站的车控室和两端环控电控室设置了地图式模拟屏。模拟屏的操作主要以执行区间事故及车站火灾模式为主。

4 环控工艺模式的实现

根据季节、负荷、突发事故(火灾、列车阻塞)等情况,环控专业制定了大量的环控模式,包括大系统、小系统、水系统和隧道通风等;每站约有环控工艺模式近百个,控制环控设备在不同的条件下运行不同的工况模式。

4.1 硬件配置

系统主要采用两种控制器(即PCU和UCI)完成环控系统的控制工艺流程。其主要性能为:

(1)过程控制单元PCU多达640个点地址可自由组态,包括软件内部点(Internal points)和间接点(Indirect points);提供最多可扩展至96 K的用户程序存储器,提供布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态,并且提供多种DDC(分布式控制系统)控制算法模块,如事件(Event sequence)、PID(比例积分微分)、浮点控制(Floating)等。

(2)单元控制器接口UCI总共640个地址空间可自由组态,提供24 K用户程序存储器,具有布尔逻辑、时间表、节能算法等扩展功能供软件编程组态。

由于地铁环控工艺复杂,模式工况众多,在系统配置上要充分考虑控制器CPU资源和内存资源的配置,留有充分的裕量。在上海轨道交通 2号线BAS中,由于大部分环控设备主要由本端的UCI进行控制管理,造成 UCI超负载工作(部分UCI内存占用率高达80%以上,CPU负载最高达95%以上),降低了设备运行的可靠性;同时一些优化控制算法也受制于资源分布而难以实现。此外,这种把几乎全部监控功能集中于 UCI的做法将导致一个UCI发生故障时使BAS对车站一端环控设备的控制瘫痪,不符合 DCS(集散控制系统)风险分散的原则。最好应考虑大、小系统及隧道通风系统各自使用独立DDC控制器(即UCI)进行控制。

4.2 设备基本保护与自动模式的实现

以车站大系统为例,环控系统设备如图2所示。

图2 古北路站A端大系统设备图

通常,环控设备低压二次回路设计只考虑单体设备的保护联锁要求,即风机同其联动风阀的联锁,因此需要BAS从系统出发考虑设备的保护和优化运行。上海轨道交通2号线主要考虑了以下几个方面:

(1)确保环控模式风路的畅通;

(2)当设备故障时可及时启动备用设备;

(3)环控主/备用设备应平衡运行;

(4)避免设备的频繁动作;

(5)优化开关机顺序。

通过实际操作,实现环控设备程序控制主要从以下几方面考虑设备基本运行要求:

(1)将模式的主备用转换变为单体设备的转换,合并备用模式,从而减少了模式转换的频率,提高了模式执行的效率。

(2)在设备未运行时,通过主备用设备运行时间的比较,决定下次模式执行时开启哪一台设备(包括联动风阀);设备开启后,该值保持不变,避免运行中的设备转换。

(3)对设备的故障情况进行实时检测,若有自身设备故障或相关设备故障,则启动另一台备用设备。故障信号为设备过载故障、命令/反馈不一致、超时故障的逻辑或。

(4)对该模式风路上相关风阀及设备进行检测,待相关风阀全部到位,风路畅通后,才输出命令启动现场设备。

(5)在模式启动过程中尽可能先开空调机,后开送风机;关机则顺序相反,以避免启动中风机有可能出现的过流,保护设备的合理运行。出于保护设备考虑,风机关闭后应尽可能按需要延时一段时间再关闭联动风阀。

5 环控工艺模式的判定与执行

由于上海轨道交通环控系统设计为定风量系统,因此,BAS控制的重点不在调节,而在环控工艺模式工况的选择判断上。本文以车站大系统和水系统的正常运行模式为例,对地铁环控工艺的自动执行做进一步说明。

5.1 车站大系统工艺模式自动判断的实现

大系统正常工艺模式自动判定执行的主要依据为:①依据室外温度判定大系统执行空调或非空调季节模式;②依据车站内外空气焓值比较判定全新风、小新风模式或通风模式;③依据车站负荷情况判定执行负荷大于50%模式或小于50%模式;④依据时间判定夜间或白天模式。图3为正常运行自动模式判断执行流程。

设:iw为车站室外空气焓值;ir为车站回风空气焓值;To为车站空调送风温度;Tw为室外空气温度。

(1)运营时间划分为夜间、预通风时间、正常运营时间三段。全线BAS控制器通过主时钟获得时间同步,确保全线时间表统一。

(2)当Tw＞To时,大系统执行空调季节模式。

(3)空调季节采用外界焓值与送风设定焓值的比较,确定采用的运行模式:ir＜iw,为最小新风量降温除湿工况(Ⅰ工况);ir≥iw,Tw＞To,为全新风降温除湿工况(Ⅱ工况);Tw≤To,为通风工况(Ⅲ工况)。

(4)车站负荷判定采用水系统分水器温度(冷冻水出水温度)判定,采用死区7.5～8.5℃控制,非空调季节(Tw≤To)则默认执行车站负荷＞50%模式工况。

图3 大空调通风系统自动模式判断流程图

5.2 车站水系统工艺模式的实现

BAS负责对车站3台冷水机组进行群控。当由BAS自动控制冷水系统时,根据以下原则选定水系统正常运行工艺模式:①依据时间表判定白天或夜间模式运行;②依据室外焓值判定水系统是否进入空调季节运行;③依据车站冷负荷判定开机数量。图4为车站水系统工况判定流程图。

(1)空调季节的判定条件与车站大系统相同。

(2)运营时间划分为夜间、车站预冷时间、正常运营时间三段。夜间只根据重要设备房温度开启活塞机组,运营前车站预冷时间内首先开启2台离心机组,30 min后再进行车站冷负荷的判断。

(3)根据环控要求,车站负荷判定采用水系统分水器温度(冷冻水出水温度)判定,当分水器温度高过某定值时开启2台离心机组,低过该值时则仅开1台离心机组。该值采用死区控制,上海轨道交通1号线初定为7～9℃。当2台冷水机组均开启且容积率达到98%时,30 min后若未达到设定值,则开启第3台冷水机组,执行相应的模式。

5.3 风系统与水系统的协调运作

图4 水系统工艺模式流程图

BAS利用设置于公共区、风机进出风管上的温度传感器采集到的数值,经过控制系统运算后,判定大、小系统需要的冷量,再调节每台空调机冷冻水出水电动二通阀开度,分配冷水机组总水量(3台机组出水汇总至分水器),进而控制各空调机送风温度。同时该二通阀兼做水系统工况转换水阀,根据空调机开启情况和水系统运行模式来输出相应控制开度或者关闭二通阀,保障风系统和水系统的协调动作。大系统车站负荷和水系统负荷情况均由冷冻水出水温度值来判定,水系统设置7～9℃死区控制。为避免当风系统运行在小于50%工况、水系统运行在大于100%工况(7～7.5℃)时,水系统冷负荷过低造成冷水机组跳机,大系统负荷判定加入冷水系统模式执行条件。

为保证风、水系统的协调运行,水系统与大系统采用统一的空调季节判定条件;同时,由于大系统、水系统的工况转换限时计时器不同(大系统为20 min,水系统为90 min),存在冲突的可能性,因此风系统工况转换时要考虑到水系统的运行工况。如图5所示。

图5 大系统负荷判定曲线图

6 结语

由于地铁环控系统的复杂性和特殊性,对车站设备监控系统的控制要求同一般楼宇自动化系统区别很大,在硬件的配置和软件功能上有其特殊的要求。在今后的地铁建设中,应根据实际情况,合理配置系统,完善系统功能,最大限度地提高地铁环境控制系统的自动化水平。

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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)