深圳地铁四号线二期车辆段机电设备监控系统集成优化设计探讨

2012-03-23田俊

城市建设理论研究 2012年4期

田俊

摘要：针对深圳轨道交通4号线二期工程龙华车辆段的深化设计的实际情况，详细介绍了机电设备监控子系统在本项目集成深化设计中的实施情况及整体思路。深入分析深化设计阶段遇到的技术难题、解决办法及需要注意的事项，对其他类似项目在深化设计阶段的实施具有较好的借鉴意义。

关键词：地铁；车辆段机；电设备系统；优化设计；探讨

Abstract: According to the actual deepening design situation of the Shenzhen Rail Transit Line two Engineering Longhua depots, introduced mechanical and electrical equipment monitoring subsystem in the project integration to deepen the implementation of the design and overall ideas. Analyzed the technical problems, solutions and matter encountered by the design phase, the implementation of the design phase has good reference for other similar projects.Key words: subway; Depot; power equipment systems; optimal design; explore

中圖分类号：TU85文献标识码： A 文章编号：

1、系统概述

深圳地铁4号线二期工程从少年宫站(为4号线一期终点站)向北伸延，线路穿越莲花山、沿中康路向北穿越大脑壳山后，在现梅林检查站设发乐站后沿上塘路一直向北，而后右转向东沿和平路至清湖站，二期工程线路全长约16公里。

二期工程共设10个车站，除车站外，在上塘路与和平路的交汇处设车辆段，作为4号线车辆的维修及存车基地，车辆段亦作为整条线路机电设备的维修支授中心。同时4号线全线的控制指挥集中于龙华车辆段内的控制中心。

地铁车辆段机电设备自动化监控系统是一项十分重要的控制集成技术，也是一项繁杂的系统工程。工程中涉及多专业设备监控及运行模式控制要求。鉴于地铁地铁行业的特殊性。这就要求深化设计以接口协调配合为基础、设备选型为根本、网络构造为条件、管理措施为保证，以实际运营经验为前提，科学统筹，稳步发展，只有这样才能设计出良好的地铁机电监控系统。

2.优化目的和思路

2.1优化设计的目的

机电设备监控系统是将计算机及其网络技术相结合的机电设备自动化控制系统，该系统的控制对象主要有车辆段通风空调设备、给排水设备、正常照明设备、火灾自动报警系统、漏水报警系统等子系统设备。其主要作用为:对车辆段内各单体建筑的环境质量进行监视和控制，使其在正常工况下满足地铁的正常运营、检修以及办公环境舒适度等要求，并在异常工况下提供正确可靠的信息来保证车辆、设备及办公人员的安全。由于车辆段机电设备监控系统与各子系统接口系统量大而且通信方式复杂。在这种情况下，如果没有良好的网络结构和完善的计算机控制系统，只靠工作人员人为去控制是根本无法实现的。设置机电设备监控系统的目的是想借一斑而窥全貌，想以此达到反映整个监控系统的设计思路，确保以上这些系统的安全可靠运行的目的。特别是在车辆段发生火灾事故的情况下，能够使有关救灾设施按照设计工况及时有效地运行，从而保障人身和车辆、设备安全。

2.2优化设计的思路

深圳轨道交通4号线二期车辆段楼宇设备机电安装工程中，监控软件系统处于系统集成的核心灵魂的位置，因此，施工前确定一个有效的管理措施和良好的优化设计思路，对满足后期系统的配置管理十分重要。

经多次组织现场考察、咨询各专业工程师，以及结合车辆段现场实际情况，本项目设计优化主要从方案遴选、设备选型、系统集成设计、优化施工图设计四个阶段入手，最终使优化设计工作达到使系统完善、性价比最优以及满足技术规范对实际施工的要求。

3.优化设计中存在的难点及解决方案

在项目的初期，接到的招标图纸只有一张初步的系统构成概念图和初步的控制点表。随着设计深化工作的进一步深入，如何确定及完善系统网络构架、明确系统控制点表、制定与火灾自动报警系统的联动模式策略以及设备选型。成为本项目机电设备监控系统优化设计的难点和关键点。

3.1系统组网方案

3.1.1基于PLC的光纤环网络

本项目机电设备监控系统采用高速、可靠的环型光纤工业以太网络，将工作站、PLC、和R I/O连接起来，作为骨干通讯网，在工作站、主PLC、R I/O之间传输信息。

工作站、PLC、R I/O通过光纤工业以太网交换机全部连接于车辆段机电设备骨干网上，实现工作站、PLC、R I/O间的数据传输，拓扑结构为环型，传输介质为光纤，通讯速率为100Mbps。

在机电设备的骨干通讯网上，每个节点都配有2个通讯端口（RS-232和RS-232/485。机电设备的骨干通讯网采用工业以太网光纤自愈环形网络，具有容错、错误处理和完善的传输机制，在同一环形网络内，单点故障的情况下，网络通讯不受任何影响，在网络间发生切换时，自复过程小于1s。

在光纤环路系统中传送路径是环形结构，当环路中一个链路断开，其他链路仍然能够进行数据通讯的站之间继续正常传送数据，如下图所示：

正常时

使用环路进行数据链接，工作过程如下图1-1所示。

图1-1环路进行数据链接

异常时

某些站宕机时，除了宕机站之外的站继续数据链接，断点之后分为两段数据链路继续进行数据链接，工作过程如图1-2所示。

图 1-2某个链路断开时环路数据链接

(1)实时控制层

在控制站设置贯穿于机电设备监控系统的监控网络平台，采用工业以太网环形网络结构。在设备通讯骨干网上设置工作站、主PLC、I/O PLC。

DMS设备通讯骨干网上传输的数据包括：

※机电设备的控制命令（点控、组控、模式、时间表）等；

※车辆段所有机电设备状态、传感器测量值、报警、模式运行状态、空调系统运行工况等；

※IBP盘面操作及状态显示；

※FAS报警信息。

(2)现场层

车辆段机电设备的I/O 站，I/O模块通过Profibus-DP总线（LK系列）或者集成总线(G3系列)与PLC 控制器相连。每个R I/O站的以太网模块分别将本站的I/O模块与本站R I/O PLC控制器连接，实现对本R I/O站现场设备的数据采集和控制。

现场总线上传输的数据包括：

※机电设备的状态、传感器测量值、报警等；

※控制输出等。

3.1.2 DCS控制网络

目前应用于地铁的机电设备监控系统的控制系统大致有三种：一种为楼宇自动化系统(BAS)离散控制DCS；一种是用DDC组成的控制系统，第三种为前两种的混合控制系统。

DCS的特点是将控制任务分担到多部处理器。这种系统当一部分发生故障时不会影响到其他部分，可减低集中控制在发生故障时对整个系统的影响和系统停机时间。DCS适用于复杂运算及高级策略的过程控制应用。通过数学方块的最佳算法、先进控制应用及过程控制语言，执行过程控制器的监督控制策略。

DCS采用直接数字控制(DirectDigitalControl，简称DDC)，计算机通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。系统性DDC单元负责过程控制，具备系统管理功能并能够同时控制多个控制回路。

DCS在技术上能满足DMS的基本要求。选用已开发和技术成熟的自动化系统BAS，能够有效地控制和管理车辆段机电设备。对于包含大量输入/输出和逻辑运算的环控系统运行模式控制，DCS需要通过软件编程来实现。地铁车辆段的机电设备监控系统与工业控制系统不同。工业控制的监控设备较为集中，可以采用集中数据采集；但地铁车辆段由于监控的设备较为分散，只能采用远程模块来实现，而且数量较多，系统只能依靠环网来实现。由于地铁的监控系统与消防联动设备关系密切，故此必须有特别的防火保护措施才能符合消防要求。地铁车辆段设备监控系统用自动化系统(BAS)构网方案可见下图。

3.1.3 DDC工业环网控制

DDC的特点是模块化设计，I/O点能够量性化扩大和伸延。控制任务由DDC的微处理器执行计算和决策。一般适用于快速逻辑、连锁、顺序控制、批量处理和马达控制及需要大量离散逻辑的应用,如系统的启停和联动过程控制。

随着DDC技术已向大型、高速、多功能和分布式网络化方向发展，DDC系统设计可以如DCS一样将控制任务分为多部DDC承担或由一部大型主DDC控制远程I/O或小型DDC控制器来实现。

以DDC为主的控制系统能可靠地对环控系统进行控制，运行模式控制，并且能对其他机电设备提供快速逻辑、连锁、顺序控制、批量处理和启停控制，地铁车辆段的DMS系统主要是以开关量为主的控制系统，可以用DDC冗余网络工业来实现。同时DDC主要为工业级的控制系统,因此可靠性较高。

地铁机电设备监控系统车辆段监控系统用DDC构网方案如下图所示。

所以在设计方案的确定上综合考虑网络的优劣、现场设备的布局还要考虑项目的成本问题。通过比选我们选择了比较适合与本工程的DCS离散控制环网来实现对车辆段设备的监控。

DCS系统成本则相对较低且能较好的满足系统实现，本项目选用Honeywell的IQ2系列的DDC控制器，作为现场区域控制器。IQ2系列DDC控制器，具有以下特点：

1)具有32位处理器；

2)能独立使用或联网；

3)1秒钟处理所有改变；

4)11～128输入/输出点可选；

5)1000个曲线记录点。

正是基于IQ2系列DDC控制器的以上优点，辅助于EINC系列网络控制器和光纤环网，构成了本项目基本的网络构架。

3.2控制点表的设计

设备监控点表是反映系统对该设备能进行何种控制的表述。一个分类明确、功能详尽的点表对于明确设备功能、发现系统缺陷、以及项目变更都具有重大的指导意义。在龙华车辆段机电设备监控系统深化过程中，设计院起初的控制点表只是对典型的设备控制点进行了定义表(见表一)。根据以往系统集成经验能够发现该点表过于笼统，根据点表很难准确界定每个设备的具体控制内容和功能，比如该点表只给出DI的数量无明确功能性说明。该点表主要存在如下几点不足：

1)设备名称不具体；

2)设备位置不准确；

3)设备数量不准确；

4)监控点定义太笼统，不能反映每个监控点的实际情况；

5)设备控制位置不明确。

如何将点表深化完善到可编程调试的程度成了我们必须解决的首要问题，根据以往其他类似项目的集成经验。各专业需将监控点表内的设备按照系统和功能进行分类，然后根据被监控设备的平面布置图进行再次核对，将被监控设备的位置、编号、数量逐一在点表和设备平面布置图上标示出来。同时将发现的问题记录并进行专题讨论。这样作不但能够快速发现问题、解决问题，而且能够提高深化设计的进度和质量。

优化后的监控点表如下图所示：

3.3控制区域的设计

车辆段机电设备监控系统有别与一般的楼宇监控系统，单体之间分布分散、管线距离长、设备监控逻辑复杂、接口关系复杂是其显著特点。系统架构、设备布局、控制区域的划分是否科学合理，都有可能成为后期工程实施过程中成为系统集成的隐患。根据以往施工经验和对图纸以及专用技术规范的理解，同时考虑到系统管理、安装维护的方便性和经济性，我们提出了以“点表”为依据遵循“就近控制”的原则实施对系统控制区域的划分。

3.4系统接口设计

接口主要有“硬接口”和“软接口”两种类型，“硬接口”又称为物理性接口，表示设备之间或系统之间存在着电气、机械方面的直接连接；“软接口”表示设备之间或系统之间存在的功能、软件及通信规约等方面需互相匹配，以便协调运作的接口。

接口设计的主要工作是做好本项目各系统内部、各系统间及本项目与其他系统之间的接口的定义、工作界面的界定及协调管理。搞好与各系统承包商接口界定及施工协调，对实现整个系统的功能和项目的顺利实施起着决定性作用。

接口管理的主要工作是做好本项目各系统内部、各系统间及本项目与其他系统之间的接口的定义、工作界面的界定及协调管理。搞好与各系统承包商接口界定及施工协调，对实现整个系统的功能和项目的顺利实施起着决定性作用。

接口管理设计的目的就是建立一个接口的识别、协调及控制体系，辅以合理的技术方案，并最终在产品设计、制造、安装、调试等各个阶段加以管理、控制和实施，以确保各系统设备的接口连接可靠、系统功能完备，使不同的设备能有效地组成一个运行可靠、功能完备的机电系统。接口文件的编制流程如下：

3.5综合管线设计

综合布线系统配线配管，作为机电设备管理系统的重要组成部分，不管在深化设计阶段还是在项目实施阶段，都占据很重要的地位。

由于综合布线采用星型放射性布线，信息点在整个智能化系统中的数量最大，综合布线的管线预埋和桥架安装的工程量最大。正确设计管线预埋十分重要。在实际工程中通常采用弱电综合桥架，将综合布线线缆与其他系统线缆在一个桥架内用隔板分割为2部分，桥架容量可按线缆面积的30%计算，如：200X100的桥架可放置200根左右的UTP。线缆出桥架后按1~2根UTP穿1根DG20管，3~4根UTP穿1根DG25管设计。

DDC控制器的布置，除了考虑“就近控制”原则之外，还应该考虑通信总线、控制电源及接地保护等线缆的引入方便，优化网络结构，降低工程造价。

3.6监控模式设计

深圳四号线二期工程龙华车辆段DMS系统主要分为正常运营模式和火灾工况模式。

正常运行工况是车辆段机电设备监控系统DMS监控各设备运行状态，接收报警信号，向消防及设备控制室传送设备的运行状态信息、检测环境信息，并接收消防及设备控制室的各种监控指令，转换设备的运行模式。

火灾运营模式是在车辆段发生火灾情况下，DMS接收来自FAS系统的火灾报警信号，停止非消防设备的运行，控制相关风机进入防排烟状态，进行有效排烟。

车辆段DMS系統模式控制的方式主要包括：

自动控制

模式控制由系统监控工作站实施，在DDC控制器中存储环控系统模式控制表，DDC控制器按照模式表向各区域控制器发出控制指令，启动或停止有关设备的运行，并接收设备运行状态的反馈信息。

手动控制

手动模式控制由车辆段值班员通过设在消防及设备控制室的系统监控工作站实现。在DDC控制器中存储环控系统模式控制表，车辆段值班员可按照不同的运行模式在监控工作站启动相对应的工作模式，由控制器向各区域控制器发出控制指令，来启动或停止有关设备；监控工作站接收指令反馈及执行结果和设备运行状态反馈信息。

4.小结：

本文通过对深圳轨道交通4号线二期车辆段DMS系统深化设计过程的探讨，使得地铁DMS系统的深化设计思路更加趋于明晰化，也对以后类似楼宇监控项目深化设计的实施很有参照意义。