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轨道交通智能低压控制系统的设计与应用

2020-05-04郭俊杰张国骞

仪器仪表用户 2020年5期
关键词:风阀空调设备风机

陈 兵,郭俊杰,张国骞

(天津工业自动化仪表研究所有限公司,天津 300060)

智能低压系统是轨道交通环境与设备监控系统的重要组成部分,是连接环境与设备监控系统和通风空调设备的桥梁。当前,以可编程控制器为核心的智能低压系统已全面取代继电器控制电路。为了满足轨道交通的运营要求,在车站设置环境控制电控室,实现对通风空调设备的电能供给和设备监控。环境控制电控室主要由智能低压控制系统和通风空调电控柜组成。智能低压控制系统位于环境与设备监控系统(简称BAS系统)与通风空调设备之间,起到承上启下的桥梁、纽带作用。智能低压控制系统,既作为BAS系统的“执行器”,替BAS系统驱动环境控制设备动作,又作为BAS系统的“采集设备”,将通风空调设备的状态信息采集后上传至BAS系统。在状态信息与控制指令的一上一下之间,涉及通信技术、现场总线技术、计算机控制技术等,而利用西门子的可编程控制器(简称PLC)、马达保护器可以组成系统级的解决方案。

1 系统结构

本系统使用西门子S7_300作为主控PLC,并与上层BAS系统进行数据交换。为保证本系统与BAS系统通信的通用性和快速性,故本系统为BAS系统提供Modbus_TCP数据接口。除此之外,系统采用冗余的数据接口,以确保本系统与BAS系统之间通信稳定、可靠。在主控PLC上通过Profibus_DP总线挂载小型PLC以及马达保护器,以用于环境控制设备的动作控制及状态监控;另外,通过主控PLC的远程IO站对风阀进行监控,并为小型PLC增加485通信模块,以实现对智能仪表的信息采集。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图Fig.1 System structure diagram

2 对通风空调设备的监控

本系统所监控的通风空调设备包括区间隧道风机、区间射流风机、大系统排风机、大系统送风机、大系统回排风机、组合空调、排烟风机、小系统送风机、人防风机、风阀(两档阀、三档阀)等。

2.1 控制模式设计

根据地铁车站运营规范要求,通过设置在就地控制箱上的“就地/远方”和通风空调电控柜上的“手动/自动”转换选择开关,对上述所有的通风空调设备设置“就地”“手动”“自动”3种控制模式。其中,“就地”模式优先级最高,“自动”模式优先级最低,“手动”模式居中。

1)“就地”模式下,只能通过就地控制箱上的按钮启停设备。主要用于设备检修和调试。

2)“远方”模式下,可以通过通风空调电控柜来启停设备。空调电控柜具有“手动”和“自动”两种控制模式,具体模式由电控柜上的“手动/自动”转换选择开关决定。

3)“手动”模式下,可以通过通风空调电控柜上的按钮启停设备。主要用于通风空调电控室,通过电控柜上的按钮来启停设备。

4)“自动”模式下,BAS系统可以通过PLC控制系统,远程自动启停设备。

2.2 控制功能设计

1)隧道风机用于地铁轨道内的通风排烟功能。风机功率较大,一般都在90KW以上,采用软启动的运行方式。电控柜实现风机的正转、反转、风阀联锁等功能。隧道风机兼用消防工况下的排烟功能,为了提供其可靠性,在“自动”模式下,增加BAS系统的硬线启停控制功能。此外,隧道风机依据车站消防规范要求,具备60s内正反转切换功能。

2)大系统排风机用于车站内的热量排出功能。一般需要调速功能,采用变频器的运行方式。电控柜实现风机的工频运行、变频运行,风阀联锁等功能。大系统排风机兼用消防工况下的排烟功能,依据车站消防规范要求,在消防模式下需采用工频运行方式。

3)组合空调机组用于车站内的新风和制冷功能。一般需要调速功能,采用变频器的运行方式。电控柜实现风机的工频运行、变频运行,风阀联锁等功能。

4)风阀用于车站内风道的开启和截止功能。一般为二档阀,在需要调风量的工况下设置成调节阀。车站内风阀本体大多不具备故障信号,电控柜在实现风阀开启和关闭功能外,需要根据风阀开启关闭动作时间,自动生产风阀故障信号。在故障工控下,切断风阀控制电源,避免风阀电机因堵转过热烧毁。

5)排烟风机用于车站在消防火灾工况下,将发生火灾区域的烟雾排除。排烟风机设计成接触器直接启动方式,通过热继电器实现电机过热保护。依据车站内消防专用风机设计要求,消防系统应监视风机的启停、风机故障、控制模式等状态信息,并以硬接线的方式传递状态信息。排烟风机控制柜在完成风机启停功能外,还具备与排烟风道内的270℃熔断阀的联锁功能。在火灾工况下,排烟风机发生故障后,只产生报警信号,不允许执行故障联锁停机功能。

2.3 总线网络设计

以上的基本监控功能具备后,为实现综合监控系统对通风空调设备的监控,则必须将通风空调设备的状态信息上传至S7_300,并从 S7_300读取来自BAS系统的控制指令。由于本系统所采用的主控PLC、小型PLC、马达保护器均为西门子产品,故可利用西门子的自有总线协议(Profibus_DP)进行数据传递。由于设备众多,本系统在S7_300的CPU模块及DP模块上共建立两条Profibus_DP总线,一条用于挂载小型PLC,另一条用于挂载马达保护器。需要特别注意的是,由DP模块引出的Profibus_DP总线在与马达保护器进行通信之前需要进行特殊的软件编程,所用到的功能块有“DP_SEND”“DP_RECV”。

3 与BAS系统的数据通信

由于主控PLC与BAS系统通过Modbus_TCP方式通信,而与下层西门子智能元件采用Profibus_DP方式通信,故主控PLC需要完成Profibus_DP和Modbus_TCP协议的转换,即主控PLC实现网关的功能。在本系统中,主控PLC为BAS系统提供了冗余的通信接口,分别为CPU模块的RJ45接口以及以太网模块的RJ45接口。在此物理接口的基础上,S7_300想要与BAS系统进行正常通信,还需要针对两个接口进行软件编程及参数设置。

表1 集成PN口通信功能参数表Table 1 Integrated PN port communication function parameter table

3.1 S7_300通过CPU模块进行Modbus_TCP通信

在主控PLC控制器通过CPU模块集成PN口与综合监控系统进行Modbus_TCP通信之前,首先,需要为主控PLC控制器CPU模块集成PN口,通过Open IE(开放式以太网通讯)的方式与综合监控系统控制器之间建立TCP连接以用于Modbus通信。因此,需要调用SIMATIC S7标准 功 能 块,包 括FB63(TSEND)、FB64(TRCV)、FB65(TCON)、FB66(TDISCON)完成TCP的连接管理和数据通讯,并在数据块中为连接配置相应的参数,随后在DB2(MODBUS_PARAM)数据块中完成相应参数的初始化;然后,用于主控PLC控制器CPU模块集成PN口与综合监控系统进行Modbus_TCP通信的服务器主功能块FB102(MODBUSPN),其参数有些需要在OB100中初始化,有些则需要在OB1中设置。除此之外,Modbus_TCP通信功能码、数据区起始地址、数据区长度等参数的设置见表1。

3.2 S7_300通过以太网模块进行ModbusTCP通讯

通过主控PLC控制器通过CPx43-1以太网模块与综合监控系统进行Modbus_TCP通信和通过主控PLC控制器CPU模块集成PN口与综合监控系统进行Modbus_TCP通信相似,但又有所不同。在与综合监控系统进行Modbus通信之前都需要建立TCP连接,但前者并非Open IE方式,因此所用到的功能块也有所不同。前者需要能够用到的功能块有FC60(AG LRECV)、FC50(AG LSEND)、FC10(AG CNTRL),分别用于TCP连接的数据接收、数据发送和连接管理。另外,用于主控PLC控制器通过CPx43-1与综合监控系统进行Modbus_TCP通信的服务器主功能块FB108(MODBUSCP),类似于FB102(MODBUSPN),同样需要在OB100中初始化某些特征参数,其他的参数则需要在OB1中设置。除此之外,Modbus_TCP通信功能码、数据区起始地址、数据区长度等参数的设置见表2。

表2 CPx43-1以太网模块通信功能参数表Table 2 CPx43-1 Ethernet module communication function parameter table

4 结语

本系统借助西门子智能产品,将BAS系统与通风空调设备有机地结合起来,实现了BAS系统对通风空调设备的监控。目前,本系统已成功应用于天津于家堡交通枢纽工程通风空调电控柜项目、天津地铁一号线东延工程通风空调电控柜项目,并取得了良好的应用推广效果,得到了客户的认可。此外,系统还获得了天津市科学技术进步奖二等奖。

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