轨道交通智能低压控制系统的设计与应用

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。